2438

5.Идентификация узлов сети треугольников с помощью коррелятора, определение их координат xп, yп на правом снимке и вычисление пространственных координат X, Y, Z точек по формулам прямой фотограмметрической засечки.

6.Построение сети не перекрывающихся треугольников с вершинами в узлах регулярной сетки (модели TIN) на основе алгоритма Делоне.

Операции 3–6 выполняются в автоматическом режиме, без участия оператора.

Если в пределах области моделирования выбрано несколько локальных зон, объединяющих участки с различными формами рельефа, то для последующей их увязки в границах глобальной зоны и объединения в единую модель рельефа обрабатываемой территории, зоны должны перекрываться между собой, или, по крайней мере, между ними не должно быть разрывов.

При построении цифровой модели положение узлов регулярной сетки и совпадающих с ними вершин сети треугольников намечается автоматически, без учета характера местности. В связи с этим намечаемые точки могут оказаться на крышах домов, на крутых склонах, на водной поверхности и т. д., что предопределяет необходимость корректировки построенной сети треугольников путем изменения положения ее вершин в процессе стереоскопических наблюдений эпи-

точек наклонного и горизонтального снимков. Направляющие косинусы, необходимые для преобразования координат, находят по формулам с заменой углов внешнего ориентирования , , элементами взаимного ориентирования 1, = 0, 1 при трансформировании левого изображения и элементами 2, 2, 2 при трансформировании правого изображения. Особенностью таких изображений является отсутствие на них поперечных параллаксов, что создает несомненные удобства для ее наблюдений и измерений и повышает надежность работы коррелятора.

Современные средства построения ЦМР по цифровым изображениям обладают достаточно мощными технологическими средствами ее визуального и статистического контроля. Средствами такого контроля являются: преобразование элементов сети треугольников в пространственные объекты c последующим их вращением и визуаль-

31

ной оценкой «выбросов»; расчет уклонов с их анализом; статистический анализ экстремальных значений высот точек; оценка точности моделирования по уклонениям высот контрольных точек от аппроксимирующей поверхности. В качестве контрольных точек используются опорные, связующие и другие точки, включенные в фотограмметрическую сеть.

Построение цифровой модели завершается увязкой локальных моделей TIN по их границам и формированием общей модели в границах обработки, созданием регулярной модели DEM, интерполированием горизонталей с заданным шагом и редактированием их положения по эпиполярным изображениям.

Ниже будет показано, что цифровую модель рельефа DEM удобнее строить с шагом, соответствующим или (чаще всего) кратным геометрическому разрешению аэроснимка.

9.9. Ортотрансформирование снимков

Применяемый в фотограмметрии принцип учета влияния рельефа местности при изготовлении плана (фотоплана) местности остается незыблемым уже около 100 лет, и заключается в делении изображения на отдельные участки, называемые зонами трансформирования, в соответствии с их положением по высоте, и последующим установлении для каждой такой зоны своего индивидуального масштаба проектирования. Причем колебание рельефа в пределах такой зоны не может превышать расчетного Q = 2h при заданных масштабе плана M, фокусном расстоянии аэрокамеры f, допустимом искажения точек под влиянием рельефа h на плане и расстоянии rсн от центра снимка до угла рабочей площади, определяемого по формуле:

Q 2h 2 h fM .

1000rсн

Развитие фотограмметрической мысли, совершенствование технологии и соответствующих технических средств лишь корректировали понятие о зонах трансформирования и принципах их формирования, но не более.

До 1970-х гг. понятие «зона трансформирования» отождествлялось с фрагментами изображения, которым соответствовали участки местности между расчетными горизонталями. Преобразование таких зон выполнялось фотомеханическим способом с помощью фототрансформаторов. Для изменения масштаба проектирования зон использо-

32

валась информация о рельефе местности, представленная в виде горизонталей.

С1973 г., с серийным выпуском ортофотопроекторов, зону трансформирования стали отождествлять с щелью, через которую фрагменты изображения снимка проектируются на план в масштабе, согласованном с профилем местности. Такое трансформирование, называемое дифференциальным (или, реже, ортогональным), требовало наличия ориентированной в плане и по высоте модели местности, стереоскопическое наблюдение которой обеспечивало возможность изменения высоты щели и тем самым получения информации о рельефе местности в конкретной точке.

Ссередины 1980-х гг., с появлением и массовым внедрением цифровых фотограмметрических систем (ЦФС), зону трансформирования стали отождествлять с фрагментом изображения, трансформируемым как единое целое – с пикселом или группой пикселов. Размер такого фрагмента может быть установлен так же, как и ширина щели при дифференциальном трансформировании, однако, учитывая технические возможности современных ЭВМ, чаще всего он соответствует одному пикселу. Такое преобразование изображения, называемое ортотрансформированием, требует наличия цифровой модели рельефа DEM, со сторонами, параллельными осям X и Y координатной системы местности. Сущность такого трансформирования рассматривается в следующем разделе.

9.10.Теоретические основы цифрового трансформирования снимков

9.10.1. Назначение и области применения цифрового трансформирования снимков

Трансформированием снимков в фотограмметрии называют процесс преобразования исходного снимка объекта в изображение объекта в заданной проекции.

При цифровом трансформировании исходный снимок представляет собой цифровое изображение, получаемое или непосредственно цифровой съемочной системой или путем преобразования аналогового снимка в цифровую форму на сканере.

Основными областями применения цифрового трансформирования являются топография и картография.

33

При создании и обновлении карт различного назначения по аэрокосмическим снимкам создаются трансформированные изображения местности в проекции карты. Эти изображения могут быть созданы по одиночным снимкам или по нескольким перекрывающимся снимкам. Цифровое трансформирование выполняется с точностью, соответствующей точности, предъявляемой действующими нормативными документами к точности карт соответствующего масштаба.

Цифровые трансформированные изображения используют для создания контурной части карт, путем векторизации цифровых изображений в среде CAD или ГИС, а также как самостоятельные картографические документы. В частном случае, если при трансформировании снимков не учитывается влияние кривизны Земли и проекции карты на положение контуров, трансформированное изображение представляет собой ортогональную проекцию местности на горизонтальную плоскость. Такой вид трансформирования называется ортофототрансформированием.

Помимо топографии и картографии, цифровое трансформирование используется для создания по исходным снимкам перспективных изображений местности из заданных точек пространства. Такие изображения используют в военной области, например, в летных тренажерах и в архитектуре при проектировании различных сооружений.

Цифровое трансформирование применяют также для преобразования стереопар исходных снимков в стереопару снимков идеального случая съемки в системе координат фотограмметрической модели. Такое преобразование выполняется в цифровых стереофотограмметрических системах.

В настоящем разделе рассматриваются теоретические основы цифрового фототрансформирования снимков, в частности, методы наблюдения и измерения цифровых снимков и методы создания цифровых трансформированных снимков и фотопланов.

9.10.2. Наблюдение и измерение цифровых изображений

Цифровое изображение хранится в памяти компьютера, в общем случае, в виде прямоугольной матрицы, элементы ij которой содержат информацию об оптических плотностях или цвете элементарных участков изображения (пикселей), а номера i строки и j столбца эле-

34

мента ij определяют его положение в матрице. Нумерация строк и столбцов матрицы цифрового изображения начинается с нуля.

Координаты центров пикселей в левой прямоугольной системе координат цифрового изображения оC хC УC (рис. 9.16), началом которой является левый верхний угол цифрового изображения, определяются в, так называемых, пиксельных координатах (еди-

ницей измерения в этом случае является пиксель).

Пиксельные координаты центров пикселей в системе координат цифрового изображения оC хC уC определяют по формулам:

Для измерения координат точек цифрового изображения его визуализируют на экране дисплея. Если пиксель изображения на экране дисплея соответствует пикселю исходного цифрового изображения, то с помощью “мыши” или клавиатуры компьютера можно навести измерительную марку, формируемую в виде цифрового изображения на экране дисплея, на точку изображения с точностью до одного пикселя.

Для получения подпиксельной (субпиксельной) точности можно увеличить матрицу изображения на экране монитора относительно исходного цифрового изображения. В этом случае каждый пиксель исходного изображения будет изображать-

ся матрицей n×n пикселей, численные значения всех элементов a'ij которой будут равны численному значению элемента ij матрицы исходного изо-

бражения.

Пиксельные координаты точек увеличенного изображения можно измерить с точностью до 1/n пикселя

(рис. 9.17).

35

Пиксельные координаты (в пикселях исходного изображения) элемента a'ij увеличенного изображения определяют по формулам:

в которых i, j номера строки и столбца элемента матрицы исходного изображения, в котором находится элемент a'ij увеличенного изображения:

i , j - номера строки и столбца элемента a`ij подматрицы n×n; n – коэффициент увеличения изображения.

Например, для элемента a 33 (рис. 9.17) пиксельные координаты:

Xp 1 3 0.5 1.7; 5

Yp 1 3 0.5 1.7. 5

Значения физических координат центров пикселей цифрового изображения можно определить по значениям их пиксельных координат, если известны физические размеры стороны пикселя изображения (предполагается, что пиксель имеет форму квадрата).

Значения физических координат определяют по формулам:

В некоторых цифровых системах начало системы координат цифрового изображения оC хC уC выбирают в центре пикселя, расположенного в верхнем левом углу цифрового изображения.

В этом случае значения пиксельных координат вычисляют по формулам:

при измерениях с точностью до пикселя и по формулам:

36

при измерениях с подпиксельной точностью.

Рассмотренный выше метод измерения цифрового изображения с подпиксельной точностью требует его увеличения на экране дисплея компьютера. Однако, даже при увеличении цифрового изображения только в два раза, на экране дисплея исходный аналоговый снимок изображается с весьма значительным оптическим увеличением. Так, например, снимок, преобразованный на сканере, с размером пикселя 14 мкм на экране дисплея с размером зерна 0.28 мм при увеличении цифрового изображения снимка в 2 раза имеет оптическое увеличение 40 раз. Такое увеличение приводит к значительному ухудшению изобразительных свойств наблюдаемого изображения и,

может смещаться относительно неподвижной измерительной марки с шагом в n – раз меньшим размера пикселя.

Принцип измерения координат точек цифрового изображения по этому методу иллюстрируется на рис. 9.18 и 9.19.

На рисунке 9.18 представлен фрагмент исходного цифрового изображения с измерительной маркой и точкой изображения m, координаты которой необходимо измерить.

Как следует из рис. 9.18 центр изображения измерительной марки не совпадает с изображением точки m, причем разности значений их пиксельных координат составляют величины x P и y P.

Для совмещения центра изображения измерительной марки с точкой m можно создать фрагмент цифрового изображения снимка, в

37

котором координаты начала системы координат o C x C y C будут иметь значения xoc xp , а yoc yp .

Создание такого фрагмента цифрового изображения производится следующим образом. По координатам центра каждого пикселя фрагмента изображения x pi, y pi определяют значения координат его проекции xpi, ypi в системе координат оC хC уC исходного изображения.

Их значения определяют по формулам:

Таким же образом формируются все элементы создаваемого фрагмента цифрового изображения.

На экране дисплея, на визуализированном фрагменте созданного цифрового изображения центр измерительной марки будет совмещен с изображением точки m. Пиксельные координаты точки m изображения в системе координат исходного изображения определяются по формулам (9.19).

Необходимо отметить, что создание фрагмента цифрового изображения требует значительных вычислительных процедур. Поэтому для достижения эффекта перемещения изображения на экране дисплея относительно марки в “реальном масштабе” времени фрагмент изображения не должен иметь большие размеры.

В случае если для измерений используются цветные цифровые изображения при формировании элементов создаваемого изображения методом билинейного трансформирования по формулам (9.20) определяются интенсивности красного (R), зеленого (G) и синего (В) компонентов цветного изображения.

9.10.3.Внутреннее ориентирование снимка

всистеме координат цифрового изображения

Для обеспечения возможности определения координат точек в системе координат снимка по значению их координат в системе координат цифрового изображения, производится процесс внутреннего ориентирования снимка. В результате проведения этого процесса определяются параметры, характеризующие положение и ориентацию системы координат снимка Sxyz в системе координат цифрового изображения ocxcyc , а так же пара-

метры систематической деформации исходного аналогового снимка (рис. 9.21).

Для определения параметров внутреннего ориентирования снимка измеряют координаты изображений координатных меток снимка в системе координат цифрового изображения

oC xC yC.

Методика определения параметров внутреннего ориен-

тирования снимка зависит от методики фотограмметрической калибровки съемочной камеры.

Если в результате фотограмметрической калибровки съемочной камеры были определены координаты координатных меток в системе координат съемочной камеры (снимка) Sxyz, то для определения координат точек в системе координат снимка по значениям их коорди-

39