6.5.Методы фотограмметрического проектирования цм
Общие положения
ГИС в своей основе использует различные подходы и методы, свойственные другим автоматизированным системам. Поэтому встает практическая задача интеграции этих технологий в единый цикл.Такой технологией, порожденной концепцией ГИС, явилось фотограмметрическое проектирование — новый метод обработки пространственно-временных данных и построения цифровых моделей.
Рассмотрим подробно основы и принципы этой технологии,
1, Как автоматизированная информационная система ГИС объединяет и использует различные технологии других автоматизированных систем, ранее функционировавших независимо друг от друга.
2. Фотограмметрические методы сбора и обработки информации— одна из информационных технологий ГИС,
3. Методы и технологии систем автоматизированного проектирования широко используются в ГИС для получения проектных решений.
4. Результатом сбора данных фотограмметрическими методами являются, как правило, точечные цифровые модели с большим числом связей между точками, что определяет значительный объемсемантического моделирования.
5, Проектирование в САПР основано на использовании наборов типовых (графических и цифровых ) моделей и в большей степени решает задачи компоновки,
6. В ГИС, где обе технологии функционируют для решения общих задач, целесообразна разработка комплексной технологии, уменьшающей их недостатки и суммирующей преимущества,
Сопоставительный анализ технологических процессов систем автоматизированного проектирования и фотограмметрических систем показал различие в целях и методах получения моделей объектов.Так, если в САПР основная задача — оптимальная компоновка объекта на основе
имеющихся базисных элементов, то в фотограмметрических технологиях задача компоновки, как правило, решена и важнейшей является проблема декомпозиции,
При этом в фотограмметрических технологиях приходится иметь дело с информацией, содержащей погрешности, что требует проведения дополнительной статистической обработки.
Использование методологии автоматизированного проектирования, применение общей теории систем, фотограмметрических методов обработки данных и специальной методики цифровогомоделирования позволило разработать новую технологию построения и конструирования моделей объектов, изображенных на фотоснимках, — технологию фотограмметрического проектирования.
Ее реализация возможна только с использованием развитых инфор- мационных ресурсов, включая базу данных и систему моделей данных.
Главная цель фотограмметрического проектирования — оптимальное построение проектного решения на основе фотограмметрической и проектной информации.
Основными технологическими этапами фотограмметрического проектирования (рис, 6.4) являются: распознавание (дешифрирование), классификация по признакам (декомпозиция), предварительнаякоррекция, унификация входных данных, цифровое моделирование, коррекция моделей, представление информации.
Реализация такой технологии позволяет получать проектные решения, основанные на построении цифровых моделей с использованием фотограмметрической информации и проектного задания.
Первые четыре этапа типичны для многих автоматизированных систем обработки пространственных данных.
Следует остановиться на особенностях этапа цифрового моделирования. Как известно, в основе структуры и связей цифровой модели может быть любая из известных структур: иерархическая,реляционная, "сущность-связь", сетевая, бинарная, семантическая сеть и др, Поэтому выбор структуры и соответствующей базовой модели для построения ЦММ важен при создании ГИС и ееинформационной основы.
Модели данных
При организации системы моделей в технологии фотограмметрического проектирования было выбрано четыре модели данных: базисная, агрегативная, обобщенная„объектная.
Базисная модель. Подход основан на использовании базы данных, в которой хранятся наборы базисных (атомарных) моделей данных. Набор, или библиотека базисных моделей, создается до началафотограмметрического проектирования,
Базисные модели можно определить как группы точек ( точка входит как частный случай), обладающих характерной структурой и пропорциями. В терминологии САПР такие базисные модели называются лримив ивами,
Базисные модели не несут самостоятельной информации о конкретном объекте. Неполными аналогами таких моделей в картографии могут служить условные знаки, которые в совокупности сдополнительной информацией дают картину, описывающую реальный объект. Базисные модели характеризуются наличием в них свободных параметров, которые определяются в процессе измерений,
Базисными эти модели называются еще и потому, что играют роль базиса разложения исходных моделей объектов для последующего построения цифровых моделей.
Важная особенность этих моделей, которая часто ускользает от многих специалистов, состоит в том, что они являются не только набором (данных) графических файлов, Они определены на множествекак типов данных, так и правил преобразования этих моделей и построения на их основе сложных моделей.
В большинстве фотограмметрических систем обработки данных роль базовых информационных единиц играет логическая запись, задаваемая только кодом и координатами точки трехмерногопространства. Набор структур базисных моделей и какая-либо топология отсутствуют.
В силу произвольного расположения точек подобные технологии требуют при каждом построении модели определения и кодирования связей между точками. В свою очередь, это увеличивает объемсемантического моделирования и затрудняет типизацию данных.
В отличие от примитивов типа "точка" базисные модели обладают элементарной структурой (топологией} и связями между точками, образующими базовую модель. Перед началом измерений масштабих не установлен.
Применение базисных моделей требует дополнительной классификации объектов на этапе дешифрирования снимков. При обработке снимков измеряется не каждая точка объекта, как в традиционнойтехнологии, а только ограниченное количество точек и параметров (новый вид измерений) объектов, состоящих из базисных моделей. Делается это для определения местоположения групп точек,образующих базисные модели, и для определения их масштабов или пропорций.
Агрегативная модель. На первом и втором этапах фотограмметрического проектирования исходная модель (изображение на снимке) представляется как агрегативный комплекс (составная модель),построенный на основе абстракции типа "агрегация". С использованием метода по. шаговой детализации эта сложная модель разлагается на более мелкие
до тех пор, пока не будет представлена набором заданных в БД базис- ных моделей.
Полное разложение объекта на составляющие базовые модели и установление связей между ними определяет агрегативную модель. Другими словами, агрегаеиаиая модна — совокупность базисных моделей с набором связей, описывающих реальный объект на логическом уровне.
Агрегативная модель представляет собой "каркас", или схему, объекта. Она несет в себе индивидуальные топологические характеристики объекта, но не имеет полной метрической нагрузки.
Поскольку агрегативная модель организована на основе известных (типовых) базисных моделей, которые определены на множестве типов данных и правил преобразования, то с организацией ееструктуры одновременно определяется набор правил ее построения и преобразования как подкласс общего класса преобразований базисных моделей,
Итак, агрегативная модели определяется как совокупность базисных моделей с набором связей между ними и набором правил построения и преобрыования некоего подкласса ( а не одного ) объектов,
Важная технологическая особенность фотограмметрического проектирования состоит в том, что процесс индивидуального измерения координат точек в традиционных технологиях заменяетсяпроцессом измерения параметров классифицированных групп точек.
Этот подход обеспечивает два заметных преимущества при сборе данных
1) использование базисных моделей значительно уменьшает объем семантического моделирования при сборе информации об объекте и объем измерения координат точек;
2) повышается надежность измерений, так как наличие известной структуры позволяет корректировать измеренные координаты точек снимков до этапа вычисления по ним пространственных координатточек объектов
Такой подход применим для всех геообъектов, имеющих структуру, которая может быть определена через набор структур базовых моделей.
На этапе цифрового моделирования при таком подходе используются преимущества типового проектирования (на основе базисных моделей) перед индивидуальным проектированием (с применениеммножества отдельных точек).
Дальнейший процесс проектирования происходит на третьем, четвертом и частично на пятом этапах (см. рис. 6,4).
На основе измерений снимка агрегативная модель дополняется необходимыми параметрами.
Целью первых четырех этапов проектирования является построение цифровой модели (местности или объекта}, Цифровая модель должна быть организована так, чтобы ее можно было многократноиспользовать при решении различных технологических задач, что потребует большего объема данных, чем для решения одной.
Обобщенная модель. Цифровая модель, сформированная на основе агрегативной модели и множества измерений, должна обладать информационной избыточностью по отношению к модели одиночногообъекта. В ней должны храниться избыточные координатные данные и характерные для баз данных метаданные.
В процессе фотограмметрического проектирования создается избыточная цифровая модель.
Обобщенная модель — информационно переопределенная (по отношению к одиночной) модель, построенная на основе агрегативной модели и множества измерений и определенная на множествемоделей представления и множестве правил построения.
Обобщенность модели выражается в том, что она, хотя и содержит все индивидуальные признаки объекта, изображенного на снимке, располагает дополнительной информацией для описания ипостроения ряда подобных или близких моделей.
Объектная модель. На этапе представления информации создается объектная модель, которая является описанием конкретного объекта моделирования или проектирования, Объектная модельопределяется как форма реализации или представления обобщенной модели в цифровом, графическом или другом виде на основе задания на построение модели объекта,
Реализация метода фотограмметричесиого проектирования
Применяя системный подход, формализуем описанные технологические процессы. Будем обозначать переменной Хвходные величины, а переменной Y — выходные.
При фотограмметрическом проектировании входные величины в общем случае могут включать множество измерений Х,, множество базисных элементов Х,, множество связей Х,, множество элементовпроектного задания Х, Выходные величины включают агрегативную (Y,), обобщенную (К,), объектную (Y,) модели.
Для описания основных процессов достаточно трех формализованных выражений:
где Р, — построение агрегативной модели У, как отображения декартова
произведения подмножества Х, базисных элементов и множе- ства связей объекта Х,;
Р, — построение обобщенной модели У, как отображения декартова
произведения подмножества К, реальных измерений и агрега- тивной модели У,;
Р, — построение объектной модели У, как отображения декартова
произведения подмножества У, элементов обобщенной модели и множества данных проектного задания Х,,
Такой подход к получению проектных решений в ГИС применим для широкого класса геообъектов, элементы которых имеют определенную структуру,
Принципиальным в данной технологии следует считать возможность получения проектных решений для двух классов задач: для объектов, полностью изображенных на снимках, и для объектов,изображенных частично или не изображенных на снимках.
В п е р в о м случае возможно построение статической модели объекта или при наличии набора снимков ( измерений, разделенных по времени) динамической модели изменения состояния объекта.
При построении с т а т и ч е с к о й модели используют набор снимков видимой части объекта при условии их получения в одно время.
Для построения д и и а м и ч е с к о й модели применяют снимки объектов, полученных в разное время, На основе набора снимков получают либо картину развития процесса за период исследований,либо визуальное представление области изменения.
Во в т о р о м случае для объектов, изображенных частично или не изображенных на снимках, процесс получения модели возможен на основе разложения объекта на базисные составляющие по видимойчасти фотографии и моделирования той части объекта, которая на снимках не показана.
Таким образом, технология фотограмметрического проектирования позволяет решать принципиально новый класс задач: построение чертежей и моделей объектов, которые в явном виде на фотоснимкене изображены.
Рис. 6.5. Применение фотограмметрического проектирования для построения цифровой модели объекта: а — вид современного южного фасада, построенный на основе обобщенной цифровой модели; б — вид южного фасада Никольской церкви на Старом Ваганьково, построенный на основе обобщенной цифровой модели и архивного снимка; в — фотограмметрический проект восточного фасада церкви, невидимого на снимке
Рис. 6.5. (Продолжение)
Следует отметить, что такие задачи решаются только для класса геоинформационных объектов, которые с помощью процедур декомпозиции могут быть р а з л о ж ен ы на полный набор базисныхсоставляющих элементов и определены на множестве правил преобразования и построения.
В качестве примера применения фотограмметрического проектирования можно привести построение проекта фасадов Никольской церкви на Старом Ваганьково (ныне ДК им, П. Морозова, г, Москва) сиспользованием архивного снимка южного фасада.
При проведении комплекса полевых работ были сделаны обмеры объекта по всем фасадам, что позволило создать обобщенную цифровую модель современного состояния объекта, по которой были построены все четыре фасада.
На рис. 6.5, а показана объектная модель (чертеж южного фасада), созданная в результате обработки современных снимков и построения обобщенной модели,
Затем был использован единственный архивный снимок этого же южного фасада, На основе комплексной обработки данных со снимка и обобщенной цифровой модели современного состояния объектабыла построена новая обобщенная цифровая модель объекта до его реконструкции.
На рис. 6,5, б покыана объектная модель этого же фасада, полученная путем синтеза современных снимков и одного архивного,
Поскольку обобщенная модель была определена на совокупности правил преобразования и построения, это дало возможность построить невидимый на снимке фасад, применяя эти правила кобобщенной модели объекта.
На рис. 6.5, в показана объектная модель восточного фасада, построенная на основе обобщенной модели объекта до периода ее реконструкции, Таким образом, с использованием концепций ГИС решенапринципиально новая задача — определение планов объекта, невидимых на фотоснимках
ВЫВОДЫ
Цифровое моделирование является основой организации, хранения, обновления и представления пространственно-временных данных в ГИС
Цифровые модели ГИС совершенствуются, появляются новые, например цифровая модель явления,
Особенность формирования ЦММ в геоинформационных технологиях заключается в создании их как сщруктуры базы данных.
Информационно ЦММв системе ГИС должка быть переопределена по отношению к модели одиночного обьекта. Она должна содержать не только параметры обьекта, но и свойства классаобъектов, а также набор методов преобразования и построения объектов этого класса.
Метод фотограмметрического проектирования появился как развитие технологий цифрового моделирования в ГИС. Он имеещ следующие основные преимущества:
Уменьшение объема семантического моделирования при сборе информации за счет определения меньшего числа связей между злеменщами объекта по сравнению с большим числом связей междумножеством точек объекта.
2, Сокращение обьема геометрического моделирования при сборе информации за счет измерения меньшего числа параметров элементов по сравнению с большим числом координат точек объекта.
3. Упрощение процесса построения реляционной модели базы данных благодаря использованию более типизированной модели базисных объектов по сравнению со слаботипизированной модельюмножества точек,
4, Появление дополнительных возможностей контроля и коррекции метрических данных за счет использования известных свойств структур базисных моделей.
5. Расширение возможностей автоматизированного ввода информации (автоматизированное распознавание образов) благодаря использованию известного набора форм базисных моделей,
6. Более эффективное использование технологий НАПР и получение проектных решений.
7. более эффективное использование графических баз данных на этапе сбора информации, поскольку при разложении модели объекта применяются графические примитивы. При этом исключаютсяпроцедуры преобразования наборов точек объекта в элементы графической базы данных на этапе моделирования,
ЦИФРОВЫЕ МОДЕЛИ МЕСТНОСТИ.
Современные требования к качеству и оперативности проектирования в промышленном, гражданском и транспортном строительстве подразумевают применение высокоэффективных технологий на всех стадиях создания проекта. Эти требования определяются следующими ключевыми моментами:
— необходимостью вариантного проектирования с быстрой детальной проработкой, а также с экономической и экологической оценкой;
— организацией сквозной технологии инженерных изысканий и проектирования на основе единого набора данных для всех элементов и разделов проекта.
Удовлетворение этих требований достигается на основе цифрового моделирования как в системах обработки материалов инженерных изысканий, так и в системах автоматизированного проектирования. Последние 15 лет развития методов сбора, обработки, представления и использования топографо-геодезической информации (ТГИ) можно охарактеризовать одним словом — «революция». В массовое производство изысканий вошли электронные тахеометры и спутниковые технологии; прочно заняли свое место цифровые методы в фотограмметрии; все шире начинают применяться технологии наземного и воздушного лазерного сканирования. ТГИ приобрела цифровой вид, и появился новый класс потребителей ТГИ — разработчики геоинформационных проектов. Традиционные потребители ТГИ (проектировщики генплана и объектов транспорта) эффективно применяют существенно изменившиеся, основанные на методах цифрового моделирования системы автоматизированного проектирования. Таким образом, принципиально изменился подход к основным результатам инженерных изысканий и проектирования. Это выражается в переходе от «бумажного» результата (чертежи, планшеты) к модели, т. е. к созданию цифровой модели местности (ЦММ) как основного результата инженерно геодезических изысканий; созданию объемной геологической модели (ОГМ) как результата инженерно геологических изысканий; созданию и оценке цифровой модели проекта(ЦМП) как результата проектирования. Важной задачей инженерно геодезических изысканий при этом становится обеспечение адекватности создаваемой ЦММ физическому состоянию местности, необходимой и достаточной проектировщику для принятия проектных решений при создании ЦМП. Такая адекватность, кроме соблюдения норм инженерно геодезических изысканий (точность, состав, полнота данных), особо требует:
— обеспечения соответствия цифровой модели рельефа ее топографической реальности;
— пространственного представления в модели подземных и надземных коммуникаций;
— многослойности модели рельефа и ситуации с заданным, нужным проектировщику, распределением данных по иерархически организованным слоям;
— информационной насыщенности объектов модели сведениями, необходимыми для принятия проектных решений и согласований.
Использование ЦММ на этапах инженерных изысканий и проектирования определяет характер специальных требований не только к содержанию ЦММ, но и к тому программному обеспечению, которое применяется для ее создания и последующего использования. Одним из основных требований к программному обеспечению является технологическая связанность программного комплекса. В идеальном варианте изыскатель и проектировщик должны работать с единым набором данных в единой программной среде. Программный комплекс должен состоять из отдельных систем (модулей), обеспечивая формирование оптимальных по функциональности и стоимости рабочих мест и технологических линий, с учетом организационной структуры предприятий и временной последовательности выполнения отдельных видов работ. Каждый модуль должен обладать возможностью импорта данных и экспорта результатов в различные форматы. Это позволяет эксплуатировать каждую из систем комплекса либо самостоятельно, встраивая ее в уже сложившуюся технологию, либо совместно с другими системами комплекса, используя достоинства сквозного технологического процесса. Во втором варианте единая (локальная или корпоративная) база данных проектов для всех систем комплекса обеспечивает целостность, своевременную актуализацию и высокую эффективность инженерных изысканий и проектирования. Программное обеспечение, предназначенное для формирования ЦММ, должно обеспечивать:
— эффективную технологию сбора и обработки ТГИ, получаемой при наземной топографической съемке, которая в настоящее время является основным видом работ при инженерных изысканиях для рабочего проектирования;
— использование максимально широкого спектра источников топографической информации для создания и обновления ЦММ;
— наземной топографической (площадной или полосной) съемки;
— традиционных методов линейных инженерных изысканий;
— данных, импортируемых из систем обработки результатов аэросъемки и космических снимков высокого разрешения;
— цифровых картографических материалов общего пользования;
— существующих графических топографо-геодезических и картографических материалов на бумажных, пластиковых и других носителях;
— управление большими объемами данных в ЦММ;
— генерализацию отображения топографической информации;
— мониторинг и обновление ЦММ территории.
Эффективность применения цифровых технологий в наибольшей степени проявляется при их использовании на всех этапах производственного процесса не только в одной организации, но и в смежных предприятиях отрасли или региона. Например, распространенной практикой в дорожной и нефтегазовой отраслях стало проведение топографической съемки местности с помощью электронных геодезических приборов с последующей камеральной обработкой данных и построением цифровой модели местности непосредственно в полевых условиях. Полученная ЦММ затем передается проектировщикам своей или смежной организации для проектирования, причем, часто оперативно, не дожидаясь завершения выполнения всего объема инженерных изысканий. Результаты проектирования в электронном виде поступают в строительную организацию, которая самостоятельно готовит и передает необходимые разделы проекта в цифровом виде на строительную площадку своим подразделениям. На их основе выполняется строительство и исполни тельные съемки. Полученная таким образом исполнительная документация в электронном виде передается в эксплуатирующую организацию. Набор таких электронных моделей объектов служит информационной базой для построения отраслевых геоинформационных систем (ГИС) и решения управленческих задач.
Компания Estate 3D Ltd. Эффективно справляется со всеми видами инженерно-геодезических работ, в том числе и с топографической съемкой на основе которой строится ЦММ.
Источник: Компания Estate 3D Ltd.