Вопрос 9. Цифровые фотограмметрические станции, аппаратные и программные средства цифровой фотограмметрии.

Аэрофотокамера RC-30

Камера RC-30 (Рис.1) имеет прямой интерфейс с бортовой навигационной системой, позволяет автоматически аннотировать кадры в процессе съемки и проводить коррекцию. Сама камера является модульной. Необходимые компоненты - устройство транспортировки фильма и устройство компенсации сдвига изображения - входят в центральный управляющий блок. Сменные модули: объективы и кассеты для фильма. В процессе съемки камерой управляют микропроцессор и программное обеспечение. Диапазон продольного перекрытия кадров регулируется от 1% до 99 % с шагом 1%. Автоматический измеритель экспозиции PEM-F специально разработан и оптимизирован для аэрофотосъемки и обеспечивает корректную экспозицию при полетах над любым типом местности, на разных высотах носителя и с любым типом пленки. В процессе съемки в негатив можно впечатывать любые 200 символов по выбору пользователя, например: масштаб, координаты центра проекции кадра, дата, время, текущий номер экспозиции, тип пленки и т.д.

Сменные объективы для камеры RC-30 изготавливаются с высочайшим швейцарским качеством, которое присуще всей оптике от Leica. Достаточно сказать, что если в 1961 году дисторсия объектива с 15 см. фокусным расстоянием при максимальной апертуре составляла 12 мкм, то сегодняшний уровень - 2 мкм по всему полю зрения объектива. У поставляемых объективов достигнута разрешающая способность 110-115 лин/мм. Основные характеристики объективов:

фокусное расстояние	153 мм. (6”) для объектива 15/4 UAG-S; 303 мм. (12”) для объектива 30/4 NAT-S;
угол поля зрения	90° для объектива 15/4 UAG-S широкоугол 55° для объектива 30/4 NAT-S нормальный
количество меток внутреннего ориентирования на стекле	8
диапазон выдержек затвора	1/100 - 1/1000 сек.
диапазон диафрагмы	f/4 - f/22

Гиростабилизированная платформа PAV30

Важнейшим элементом аэрофотосъемочного комплекса является гиростабилизированная платформа PAV30, предназначенная для компенсации угловых колебаний носителя камеры, улучшения качества и повышения эффективности аэрофотосъемки (Рис. 2).

В комбинации с блоком компенсации сдвига изображения FMC, входящим в состав управляющего устройства самой камеры, применение платформы PAV30 позволяет удлинять времена выдержки для съемки в условиях низкой освещенности или использовать аэрофотопленку с высокой разрешающей способностью. Сама платформа - сложное, прецизионное устройство, в состав которого входят гироскопы, серво-моторы, датчики уровня, компенсаторы движения и электроника. Использование платформы позволяет вести аэрофотосъемку в условиях турбулентной атмосферы, добиваясь при этом ровных, прямых линий съемки и фотографирования, близкого к надиру

SCOT - система управления процессом съемки

Система ASCOT, разработанная LH Systems, представляет собой аппаратно-программный навигационный комплекс для решения следующих основных задач.

1) Планирование съемки - выполняется в интерактивном режиме с использованием дигитайзера или мыши. Планирование может осуществляться в географической или локальной системе координат с возможностью редактирования блока. Программа оперирует понятиями блока, точек, линий и использует достаточно сложный алгоритм оптимального расчета покрытия линиями блока. Результат работы программы - подготовленный к исполнению в автоматическом режиме план полета.

2) Выполнение полета. Производится по подготовленному плану с контролем выполнения по внешним данным от GPS приемника и гироплатформы PAV30. Система ASCOT полностью синхронизирована с камерой, навигационным приемником и гироплатформой для сбора навигационных параметров во время съемки и аннотирования кадров . В систему, кроме бортового компьютера промышленного исполнения, входят также специальный дисплей для пилота и терминал оператора. Информация, отображаемая пилоту, существенно облегчает «заход» на съемку и контроль полета в рамках определенного коридора движения. Оператор на терминале «видит» и контролирует в реальном масштабе времени весь процесс аэросъемки, текущую траекторию полета, отклонения от программы работы, азимут, скорость, количество отснятых кадров и т.д. 3) Анализ результатов - может производиться сразу по нескольким полетам, с возможностями экспорта в графические форматы и дальнейшего использования в будущих съемках. Пользователь может проанализировать статистический параметры полета (вариации высоты, количество кадров, вариации масштаба съемки, вариации перекрытий и другие параметры).

Система ASCOT комплектуется внутренним, интегрированным GPS приемником LHS-2000. Приемник 40 канальный, одно или двухчастотный, может поставляться в комбинированном варианте GPS/ГЛОНАСС и измеряет координаты с частотой 1 или 2 Гц.

Наземная опорная GPS станция

В качестве наземной опорной станции могут использоваться одночастотные (SR510) или двухчастотные (SR520) геодезические приемники фирмы Leica-Geosystems. Например, приемник SR520 - 2-х частотный, 24 канальный с точностью в кинематическом режиме 10-20 мм. Приемник комплектуется стандартной памятью 10 Мб (с возможностью расширения), которой хватает за запись 10 часов измерений со скоростью 2 Гц.

Flykin Suite+ - программное обеспечение пост-обработки данных

Предположим, что съемка проведена успешно, и намеченная программа полностью отработана. На выходе мы имеем рулон или несколько рулонов с отснятой фотопленкой, которая идет в проявку, и набор собранных навигационных данных (GPS данные с самолетного приемника, GPS данные от одной или нескольких наземных опорных станций, временные отметки моментов срабатывания затвора камеры, угловые данные с гироплатформы). Специальное программное обеспечение Flykin Suite+ предназначено для камеральной пост-обработки этих данных. Само ПО написано ведущей канадской компанией GEOsurv в области кинематической обработки GPS данных и полностью интегрировано в технологию LH Systems, где служит связующей частью между сбором данных (ASCOT) и блоковой триангуляцией (ORIMA). FlykinSuite+ позволяет проводить следующую обработку:

• конвертация «сырых» GPS данных из форматов RINEX, Trimble, Leica Geosystems, Ashtech, Motorola, Novatel во внутренний формат;

• вычисление статических или кинематических векторов в прямом или обратном направлении на одной или двух частотах GPS, выбор различных сценариев обработки;

• восстановление траектории полета, используя различные методы интерполяции данных, графическое отображение разницы траекторий (например, при прямом и обратном решении) и выбор оптимальных параметров обработки;

• конвертация координат из одной системы в другую, на различных эллипсоидах и датумах;

• уравнивание данных по двум методам: OTF и CBA;

• подготовка выходного файла для триангуляции в ORIMA, содержащего 12 параметров на каждый кадр (координаты центра фотографирования, время, точность, вектор «антенна-аэрофотокамера» и т.д.).

Навигационные GPS измерения в фотограмметрии могут обрабатываться двумя общепринятыми методами - OTF (On-The Fly, «на-лету») и CBA (Combined Block Adjustment, комбинированное уравнивание блока). Разница этих двух методов поясняется в таблице.

	Метод CBA (комбинированное уравнивании е данных GPS и контрольных точек)	Метод OTF (разрешение неоднозначностей «на-лету»)
GPS приемник	Одно или двухчастотный	Только двухчастотный
Расстояние от самолета до базовой станции	до 500 км (одна базовая станция)	20-60 км (в больших проектах - несколько базовых станций)
Необходимость контрольных точек	Минимум одна полная опорная точка (X,Y,Z) на каждый угол блока	Опорные точки не требуются, рекомендуется использовать 3 контрольные точки
Философия и принцип	Разрешение неоднозначностей в GPS данных с коррекцией систематических ошибок по опорным точкам	Решение только по GPS данным, систематические ошибки не устраняются
Применимость	Хорошо применять по малоизученным территориям, где трудно устанавливать базовые станции	Применим для небольших проектов по хорошо изученным территориям
Результирующая точность определения центров фотографирования	< 10 см	< 10 см

DSW500 (Digital Scanning Workstation 500)

DSW500 - цифровой фотограмметрический сканер, предназначен для высокоточного сканирования пленочных негативов или позитивов, полученных в процессе аэрофотосъемки. Сканер прежде всего нужен тем потребителям, которые используют цифровые фотограмметрические станции для обработки аэрофото (рис. 7). Поскольку, как было отмечено, сама аэрофотокамера RC-30 обладает очень высокими точностными характеристиками, очень маленькой дисторсией и разрешающей способностью более 100 лин/мм, очень важно при сканировании сохранить эти характеристики, не привнеся дополнительных искажений при переводе в цифровую форму. История создания фотограмметрических сканеров в LH Systems ведет отсчет с 1987 г. С 1989 по 1994 серийно производился сканер HAI-100/DSW 100. В то время для сканирования одного цветного негатива с разрешением 12,5 мкм требовалось 3 часа! Для сравнения, современный сканер DSW 500 тратит на аналогичную операцию 5,5 минут. Если первые сканеры в качестве приемника излучения использовали ПЗС линейки, то в современных применяются ПЗС матрицы.

Современный фотограмметрический сканер - очень сложное прецизионное устройство, сочетающее в себе не только цифровую электронику, но и точную механику и оптику. В своей основе сканер DSW500 имеет очень твердую опорную плиту, изготовленную из единой алюминиевой отливки. На опорной плите закреплены стальные рельсы, по которым движется каретка с фильмом. Специальные моторы позволяют с разной скоростью транспортировать пленку длиной до 152 м, точно измеряя пройденное расстояние. Сканер позволяет сканировать отдельные кадры или весь фильм целиком, не разрезая его. Размер сканируемого кадра до 26х26 см. Точность серво-приводов и точность позиционирования в любую точку составляет 0.5 мкм. Система освещения обеспечивает однородное освещение по всему полю изображения. Источником света в сканере является ксеноновая лампа, работающая в стробоскопическом режиме.

В качестве приемника излучения сканер может комплектоваться одной из трех моделей цифровых камер Kodak MegaPlus: 1.6i (1536х1024 элемента), 4.2i (2096х2048 элемента), 6.3i (3072х2056 элемента). Эти камеры высокого разрешения - лучшие из всех цифровых камер, предлагаемых на коммерческом рынке. Абсолютно все 100% площади каждого пиксела чувствительны к свету (в более ранних технологиях был достигнут уровень - 50%). Другим преимуществом этих камер является то, что каждый пиксел в ПЗС матрице квадратный (размер элемента 9х9 мкм) и очень точно позиционирован. Между матрицей и изображением находится оптическая система, позволяющая изменять физический размер пиксела на изображении от 4 до 20 мкм. Выходной сигнал с ПЗС матрицы оцифровывается с 10 битным радиометрическим разрешением. Комбинация разрешения оптической системы и ПЗС матрицы и дает итоговое разрешение цифровой системы. Оптическое разрешение выходного цифрового изображения составляет до 125 пар линий на мм при 4 мкм «пятне» сканирования.

Важным компонентов сканирующей системы DSW500 является программное обеспечение, которое может устанавливаться на компьютерах типа IBM PC или SUN. Желательно использовать быстродействующие жесткие диски и внешний ленточный стример типа DAT или DLT, монитор с диагональю не менее 19”. Размер итогового растрового изображения зависит, естественно, от выбранного разрешения при сканировании. Например, объем одного полного цветного кадра 23х23 см при сканировании с разрешение 12,5 мкм составляет 1100 Мб без сжатия, с разрешением 5 мкм - около 7 Гб!

Программное обеспечение сканера выполняет следующие основные функции:

• создание и настройка проекта сканирования (в том числе всего фильма длиной до 152 м, более 660 кадров);

• автоматическое определение элементов внутреннего ориентирования для каждого кадра и запись их в соответствующие файлы для прямого использования в SOCET SET;

• автоматическая и ручная настройка яркости изображения, автоматическая балансировка цвета, автоматическая нормализация гистограммы;

• создание пирамидальных слоев для изображений при сканировании;

• возможность использовать функции улучшения качества изображения путем цифровой обработки;

• периодическая проверка радиометрической и геометрической калибровки сканера.

Технические характеристики сканера DSW500 обобщены в следующей таблице:

Геометрическая точность	< 2 мкм
Максимальный формат кадра	260х260 мм
Максимальная длина фильма	152 м
Скорость движения фильма	> 0.3 м/сек
Скорость перемотки	5 мин (152 м)
Источник света	Ксеноновая стробоскопическая лампа
Цифровая камера	MegaPlus 1.6i, 4.2i или 6.3i
Размер элемента матрицы	9 мкм
Размер пиксела изображения	4-20 мкм
Оптическое разрешение	33 л/мм при 15 мкм 40 л/мм при 12.5 мкм 100 л/мм при 5 мкм
Радиометрический диапазон плотностей	0.1D - 2.5D
Радиометрическое разрешение	0.01D при 1.0 D
Размер сканера	1238х1003х1175 мм
Масса сканера	288 кг.

Цифровая технология

Цифровая фотограмметрия, в отличие от использования физических изображений на стекле, пленке или бумаге, обрабатывает изображение в цифровой форме в компьютере. При этом фотографическое изображение преобразовывается в цифровую форму путем дигитализации или сканирования. Изображения также могут быть получены в цифровой форме непосредственно со специальной камеры, установленной на различных носителях.

Путем сканирования, изображение делится на определенное количество крошечных равных площадей, называемых пикселями. Каждая такая площадь содержит достаточную информацию (подобно клетке) в отношении цвета и плотности цвета. В цифровой фотограмметрии точность получения результатов возрастает с повышением разрешения сканирования. Чем меньше размер пикселя, тем точнее результат.

Цифровая фотограмметрия будет расширять пределы применения фотограмметрического продукта вследствие легкости обработки и использования готовых компьютеров. Наиболее перспективными областями цифровой фотограмметрии являются:  — построение фототриангуляции, использующей соответствие изображения для стереоскопического измерения;  — получение упрощенных генераций цифровых моделей местности;  — ортофотопланы;  — создание различных тематических карт, карт линий визирования;  — моделирование через перспективный взгляд.

Экраны с высоким разрешением обеспечивают достаточное поле обзора для пикселя размером 25 мкм и меньше. Для сканирования изображения в настоящее время разработано множество сканеров. Специальные фотограмметрические сканеры высокопроизводительны и высокоэффективны. Они способны сканировать как целые пленки (фильмы), так и отдельные снимки. Конструкции некоторых сканеров основаны на принципе высокоточной платформы с пластиной, движущейся вдоль стационарной камеры. Области, фиксируемые прямоугольным массивом, повторного считывания не требуют. Лучшие модели сканеров имеют производительность более 1 мегапикселя/сек. Сканирование с разрешением 15 мкм одного черно-белого аэроснимка может быть выполнено за 4 мин. Размеры пикселей от 4 до 20 микрон, формат изображения 260 х 260 мм.

Аппаратно-программные средства цифровой фотограмметрии

К числу современных программных продуктов для цифровой фотограмметрии относятся: аппаратно- программный комплекс Дельта" (1998 г.). Он реализует все функции стереофотограмметрической обработки изображений и обеспечивает получение и стереоскопическое представление информации в виде: цифровой полутоновой стереоскопической геометрической модели в базисной и топоцентрической системах координат; трехмерного структурного описания точек рельефа местности и объектов; двумерного линейного описания рельефа посредством горизонталей или профилей; матричного описания высот точек местности.

Работает «Цифровой стереоплоттер» в следующих основных режимах: «проект», «изображение», «ориентирование», «стереоизмерение», «стереоредактор». «Цифровой стереоплоттер» работает в среде Windows 95. Выше перечисленные модули решают конкретные задачи в том числе: измерение точек отдельных цифровых изображений в монокулярном режиме; измерение координат опорных точек стереопары, вычисление параметров внутреннего, взаимного и внешнего ориентирования цифровых изображений стереопар и моделей; трансформирование исходных цифровых фотографических изображений в базисную плоскость нормального случая съемки; стереоскопические визуальные и автоматические измерения координат точек местности.

Цифровая стереофотограмметрическая станция ЦСС-2 (1996 г.) производит высокоточную стереофотограмметрическую обработку цифровых аэро- и космических снимков с целью создания и обновления топографических карт и планов, получения топографической основы ГИС, решения других задач. Станция базируется на управляющем компьютере. Система стереонаблюдения представляет собой оптическую стереонасадку для мониторов с диагональю 14-17 дюймов. Формат обрабатываемых снимков до 30 х 30 см, при размере элемента геометрического разрешения от 7 мкм и более, фотометрическое разрешение 256 градаций серого цвета.

Программное обеспечение станции имеет широкие возможности:  — интерактивное внутреннее, взаимное и внешнее ориентирование снимков;  — изменение контраста и масштаба изображения;  — создание изображений;  — автоматическое стереонаведение;  — стереосовмещение векторной и растровой информации;  — графический редактор;  — классификатор топографических объектов.