Глава 9. МЕТОДЫ ЦИФРОВОЙ ФОТОГРАММЕТРИИ

Аналоговая

Цифровая

Модель данных

Векторная

Растровая

С т р у к т у р а д а н н ы х

Цепочно-узловая

Матричная

И

Объектно-ориентированная

Квадродерево

Пирамидальная

Нетопологическая Топологическая

Д

Рис. 9.1. Спосо ы представления изображений

А

бо

фотопленке

др. Во мног х случаях аналоговая форма и сегодня яв-

ляется основной, особенно там, где важна юридическая значимость

зображен

л

если оно необходимо для использования в неста-

ц онарных услов ях.

Ц фровая

форма зображения возникла вместе с элек-

тронными вычислительными машинами и используется для представ-

ления

в памяти ЭВМ и на магнитных носителях.

изображения

Векторная форма цифрового изображения предполагает пред-

ставление его с помощью набора примитивов и их комбинаций – то-

С

векторного изображения представляются в одной из двух структур

(см. рис. 9.1), различающихся принципом формирования и описания

его элементов, способом доступа к ним, характером связи с окружа-

ющими и др.

Растровая форма цифрового изображения предполагает пред-

ставление его в виде некоторой матрицы (рис. 9.2), соответствующей

oP

xP

плоскости исходного изображения и состоящей

из квадратных ячеек одинакового размера, яв-

ляющихся наименьшими адресуемыми элемен-

тами. Каждый такой элемент, называемый

пи ксел ем , соответствует определенному

участку исходного изображения и характеризу-

yP

ется набором оптических параметров – цветом,

Рис. 9.2. Система координат

плотностью, яркостью (интенсивностью) и т.п.

растра

Примерами растрового изображения являются:

фотоснимок, состоящий из совокупности очувствленных зерен гало-

И

идного серебра; газетное клише, воспринимаемое как совокупность

отдельных точек, и др. Наиболее распространенной структурой раст-

рового представления является матричная; две другие (пирамидаль-

ная и квадродерево) являются ее производными.

Доступ к элементам растрового изображения (пикселям) осу-

Д

ществляется по номерам стол цов iX и строк iY. Для отсчета координат

точек растрового изо ражения в линейной форме используется си-

стема oPxPyP (см. рис. 9.2), оси которой совмещены с внешними гра-

н цами первой

oPxP

первого столбца oPyP.

Н какой

нформац

А

о размещении матрицы в пространстве (в

с стеме коорд нат местности) в растровом файле,

за редким исклю-

чен ем, нет.

В фотограмметр

под цифровым изображением понимают его

б

растровую форму, полученную непосредственно в процессе съемки с

помощью ц фровой камеры либо путем сканирования аэронегатива.

9.2. Характеристики цифрового изображения

строки

Растровое изображение характеризует его геометрическое и ра-

диометрическое разрешение.

Геометрическое разрешение цифрового изображения опре-

деляет линейный размер пикселя и представляется либо его линейной

С

величиной (в метрах, если размер отнесен к местности, или в мкм, ес-

ли речь идет о снимке), либо числом точек на дюйм (dpi).

струкции по фотограмметрическим работам размер элемента геомет-

рического разрешения определяют в зависимости от назначения циф-

И

ровых снимков и с учетом нескольких критериев, в частности [23]:

• требуемой точности определения плановых координат точек

XY = 0,5VS M m = 0.5VS

Kt

;

(9.1)

Д

• требуемой точности определения высот точек

Z = 0,5 f VZ

(bm);

(9.2)

• сохранения разрешающей способности исходного снимка (изо-

бражения)

R = 0,4 R ;

(9.3)

требуемого

• обеспечения

разрешения графических фотопланов

(ортофотопланов)

сечении

P = 70M m = 70 Kt

,

(9.4)

где M, m – знаменатели масшта ов создаваемого плана и аэроснимка

соответственно; VS, VZ – треАуемая точность определения плановых

коорд нат

высот точек, в м; R – разрешающая способность исход-

ного сн

мка (л

й на мм); f, b – фокусное расстояние съемочной ка-

меры

баз

фотограф рования в масштабе снимка, мм.

Значен я VS

VZ пр н маются равными 0,2 мм в масштабе пла-

на 1/5

я рельефа соответственно.

При M = 2000; m = 10000; f = 100 мм; b = 70 мм; R = 40 линий

на мм;

рельефа h = 1,0 м будем иметь

XY = 0,5 0,2/5 = 0,02 мм = 20 мкм;

R = 0,4/40 = 0,01 мм = 10 мкм;

Z = 0,5 100 0,2 1000/(70 10000);

P = 70/5 = 0,014 мм = 14 мкм.

Z = 0,014 мм = 14 мкм;

Если цифровые снимки создаются для фотограмметрического

Ссгущения в плане и по высоте, для изготовления ортофотопланов и

аэронегативов, так и объективов достигает 350–400 линий на миллиметр

(порядка 1,5–2,0 мкм), что соответствует суммарной разрешающей спо-

И

собности изображения порядка 4–5 мкм. Эта величина соответствует

рекомендациям Международного общества фотограмметрии и дистан-

ционного зондирования (МОФДЗ) и рассматривается как минимальная.

Радиометрическая

характеристика определяет число

уровней квантования

яркости исходного изображения (бинарное,

Д

многоградиентное) и фотометрическое содержание элемента изобра-

жения (одноцветное, полутоновое, цветное, спектрозональное).

Для обозначения плотности (степени потемнения) элемента изо-

бражения весь диапазон полутонов от белого до черного делится на 2n

частей (2, 4, 8, …, 256, …), называемых уровнями квантования. Ра-

А

диометрическое разрешение изображения обозначают числом бит на

пиксель (т. е. показателем степени n).

При формировании бинарного (черно-белого) изображения ис-

пользуются всего два уровня квантования, и в нем представлены

изобра

только белый и черный цвета.

В полутоновом

жении используются 256 уровней кванто-

вания, для представления которых в описании элемента изображения

резервируются 8

ит (1

айт).

различной

Черному цвету всегда соответствует уровень 0, а белому – уро-

вень 1 б нарного зо ражения и уровень 255 полутонового.

Цветное

зо ражен

е формируется с использованием той или

ной пал тры (RGB, CMYK и др.), в которой цвет создается путем

смеш ван я основных цветов в пропорциях, соответствующих уров-

С

ням

х квантован я.

Пал тра RGB – на более распространенная. При ее использова-

н

цвета

х оттенки передаются путем смешивания трех основных

цветов

интенсивности: красного (Red), зеленого (Green) и

тать по формуле разрешения

O = ( l

)2 R ,

(9)

P

Д

где R – число байтов для записи радиометрической характеристики

(1, 2, 3 или 4 байта).

Расчет объема памяти, тре-

Т а б л и ц а 9 . 1

буемой для размещения в памяти

Объем снимка OP, Мб,

ЭВМ одного цифрового изобра-

Формат кадра

И

жения форматов

180 180

и

при R=1 и разрешении P,

l, мм

мкм

230 230 мм (табл.

9.1) с радио-

5

10

15

20

б

метрическим

разрешением

180 180

1206

316

141

79

8 бит/пиксель, показывает,

что

230 230

2066

517

230

129

для выполнения с ним соответ-

ствующих операций нео ходима достаточно мощная ЭВМ с большим

оптических

Ае и геометрические преобразования

объемом дисковой памяти.

9.3. Фотометр ческ

В процессе фотограмметрической обработки снимков возникает

С

необход мость разл чного рода их преобразований, связанных как с

улучшен ем

таемости, так и с изменением размеров изображения

(напр мер, пр

уменьшен

или увеличении снимков в процессе их

трансформирования). В первом случае говорят о фотометрической

коррекции (

преобразованиях) цифрового изображения, а

i = ai ,исх + b ,

(9.6)

где i ,исх , i

– оптические плотности элемента изображения до и по-

сле фотометрической коррекции; a – функция, определяющая соот-

ношение между

оптическими

плотно-

стями

исходного

и

преобразованного

Плотность

до коррекции

изображений; b – параметр яркости.

Преобразования,

описываемые

1

2

уравнением (9.6), можно представить в

A

виде графика (рис. 9.3), отражающего

связь оптических плотностей элементов

Плотность

изображения

до

их коррекции

(верти-

A

A

после

кальная ось) и после коррекции (гори-

коррекции

зонтальная ось).

Рис. 9.3. График

Фотометрическая коррекция выпол-

фотометрической коррекции

няется путем изменения яркости изобра-

И

жения, его контрастности и характера соотношений между оптическими

плотностями до и после их преобразования.

Изменение яркости выполняется путем уменьшения или уве-

личения параметра b каждого пикселя на одну и ту же величину, что

приводит к тому, что все элементы корректируемогоДизображения

становятся

олее светлыми или

олее темными.

Изменение яркости

группирует плотности к какому-ли о одному (светлому или темно-

му) краю спектра. На графике (см. рис. 9.3) это иллюстрируется

смещен ем прямой 1 (

ли кривой 2) вдоль горизонтальной оси.

А

Изменен е контрастности изо ражения выполняется с целью

зменен я разл ч й между плотностями смежных элементов и улуч-

шен я так м образом ч таемости границы между ними. Увеличение

контрастности

зо

я выполняется следующим образом. Если

бражен

опт ческая плотность

I

сх

некоторого элемента превышает среднее

значен е, то она увел ч вается пропорционально уровню квантова-

ния, а если она менее среднего, то уменьшается. При этом значения

плотностей

как бы смещаются к краям спектра: темные тона

пикселей

становятся еще темнее, светлые – светлее, некоторые их значения ис-

чезают, но границы между элементами изображения становятся более

четкими. При уменьшении контрастности большие плотности умень-

шаются, малые – увеличиваются; при этом плотности группируются

Свблизи центра. Чрезмерное увеличение контрастности преобразует

н кает, напр мер,

при трансформировании цифрового снимка по эле-

А

ментам внешнего ор ент рования, в процессе которого изменяется

масштаб зо ражен я

положение его элементов относительно коор-

д натных осей. Сходная по характеру задача возникает при внутрен-

нем ор ент рован

ц фрового изображения.

б

В общем случае геометрические преобразования можно условно

раздел ть на простые,

требующие изменения только геометрического

разрешения, и сложные, в результате которых выполняются измене-

ние масштабаиповорот изображения.

Простые преобразования выполняются при изменении мас-

штаба изображения путем соответствующего изменения геометриче-

a b

c

a b c

3

2

3

И

2

1

1

Рис. 9.4. Простые

Рис. 9.5. Сложные

геометрические

геометрические

преобразования

преобразования

их частей исходного

, или наоборот.

Сущность выполняемых при этом геометрических и оптических

преобразований можно видеть на рисД. 9.5, где элементы строк и

столбцов исходного изо ражения о означены цифрами 1, 2, 3 и бук-

вами a, b, c. Соответствующие элементы формируемого изображения

обозначены цифрами 1 , 2 , 3 и

уквами a , b , c . Совместим левые

н жн е углы зо ражен й и положим, что элементу 1 a соответ-

А

ствуют фрагменты четырех элементов исходного растра: 1a (45%), 1b

(35%), 2a (15%) 2b (5%). В этом случае оптическая плотность

форм руемого элемента 1 a зависит от оптических плотностей 1a,

1b, 2a, 2b элементовизображения1a, 1b, 2a и 2b, причем

=0,45 1a+0,35 1b+0,15 2a+0,05 2b.

Координатыэлемента формируемого изображения находят по ко-

С