Конспект лекцій 5 (Технології цифрової фотограмметрії)

Тема 5. Технології цифрової фотограмметрії.

5.1. Цифрові фотограмметричні станції (див. презентацію). 5.2. Цифрова фототріангуляція (див. презентацію).

5.3. Автоматична побудова моделі поверхні. Побудова ЦМР. 5.4. Ортотранстформування знімків. Цифрові ортофотоплани.

5.3. Автоматична побудова моделі поверхні. Побудова ЦМР

Цифрова модель рельєфу визначена як цифрове і математичне подання рельєфу місцевості на основі дискретної сукупності вихідних точок, які дають змогу із заданою точністю відтворити реальну поверхню та її структуру. Основні сфери застосування цифрових моделей пов’язані з визначенням та побудовою ізоліній (у топографії – горизонталей), побудовою профілів, визначенням вододілів та ліній стоку, вибором оптимальних трас доріг, каналів, меліоративних мереж, інших лінійних об’єктів, виділенням басейнів водозборів, визначенням обсягів земляних робіт, об’ємів винятих порід. Зростає кількість робіт, кінцевою метою яких стає отримання даних про зсувні, ерозійні та деформаційні процеси. До окремої групи робіт, пов’язаних з рельєфом, належить визначення площ затоплених та підтоплюваних земель, що є сферою гідрологічних досліджень.

За розташуванням вихідних точок і порядком формування цифрові моделі рельєфу можна класифікувати за трьома типами: ті, які не враховують структуру рельєфу, ті, які частково враховують структуру рельєфу і ті, які враховують структурну будову рельєфу.

До моделей, які не враховують структуру рельєфу, можна зарахувати:

1)регулярні моделі;

2)моделі, задані точками з довільним розташуванням.

До моделей, які частково враховують структуру рельєфу, належать:

1)регулярні моделі, доповнені точками, розташованими на структурних лініях, і характерними точками;

2)моделі, в яких точки розміщені через однаковий інтервал;

3)моделі, в яких вихідні точки розташовані за профілями.

Моделі, які враховують структуру рельєфу, поділяють на:

1)структурні, в яких вихідні точки моделюють структуру рельєфу;

2)моделі, в яких вихідні точки розташовані на ізолініях залежно від їхньої кривини. Дані для створення ЦМР отримують з фотограмметричних вимірювань, з наземного

(геодезичного) знімання, скануванням горизонталей на картах з фіксацією результатів у цифровій формі, за матеріалами дистанційного зондування або з використанням лазерних та інших систем, які дають просторові координати точок місцевості.

Технологічною схемою побудови ЦМР з фотограмметричних вимірювань передбачено виконання таких етапів:

підготовчі роботи і контроль вихідних даних; збір даних; контроль якості; візуалізація.

Підготовчі роботи включають приготування знімків та стереопар, відбір необхідних даних з аеротріануляції. На цьому ж етапі виконується контроль всіх вихідних даних.

Елементами контролю є:

виміри контрольних точок на всіх стереопарах;

контроль правильного стикування сусідніх стереопар; контроль якості зображень (наявність хмар, дефектів тощо); контроль покриття всієї території стереопари.

Результатом контрольних дій є рапорт до осіб, що приготували аерознімки та побудували мережу аеротріангуляції, а також допуск до виконання вимірювальних робіт з побудови ЦМР.

Збір даних виконується на ЦМР і полягає в отриманні:

сітки точок, розміщених регулярно (досить часто до такої сітки додаються пункти з нерегулярною позицією, з метою підвищення точності ЦМР);

скелетні лінії та інші лінії, що визначають особливості рельєфу поверхні (обриви, насипи, канави, рови та ін..);

висотні точки (пікети), що відображають характерні місця поверхні (вершини, сідловини, западини тощо);

елементи гідрології – водотоки, ріки (що підрисовуються двома береговими лініями), водойми (в т.ч. озера, ставки);

елементи інфраструктури (мости, віадуки труби для перепускання води та ін..);

границі тих частин поверхні, для яких не можна отримати потрібну точність побудови ЦМР з об’єктивних причин (наприклад, територія покрита високою рослинністю).

Збір даних може проводитись в режимі автоматичному, півавтоматичному або ручному. Вибір методу залежить від кількох факторів, серед яких домінуючими є необхідна точність побудови ЦМР, тип території, степінь забудови та покриття рослинами чи деревами. Великий вплив мають фактори часу та коштів. Відомо, що методика ручного збору є суттєво дорожчою від автоматичного отримання даних, але їх точність в більшості випадків є вищою.

В методиці автоматичного збору даних використовується спеціальна програма

(наприклад, ImageStation Automatic Elevation в комплексі від Intergraph). Побудована ЦМР візуалізується на екрані у вигляді регулярної сітки з певним кроком з вказанням висот пікетних точок. Цей процес є керованим і «наглядовим». Ключове значення тут відіграє підбір параметрів побудови ЦМР, які залежать від типу місцевості та масштабу картографування. Кожного разу необхідно проводити тестування заданих параметрів, щоби досягнути оптимальних результатів.

Нижче подані рисунки, які трактують наглядно цей процес.

Рис. 1. Вікно програми Intergraph – встановлення параметрів будови ЦМР

Рис. 2. Результат автоматичної ЦМР – сітка точок з регулярним розташуванням. Рожевим кольором позначені пікети з високою ймовірністю недопустимих похибок

Як зазначалось раніше, в методах автоматичної побудови ЦМР все частіше використовують лазерне сканування з повітряного носія, часом радарне сканування.

При напівавтоматичній методиці збору даних використовують побудовану автоматично ЦМР з наступною корекцією цих даних, яку виконує оператор на ЦМР. Підчас такого опрацювання помилкові пікети усуваються або виправляються їх висота з тим, щоб вони відповідали заданій точності. Додатково оператор підрисовує елементи гідрографії, інші структурні лінії рельєфу. На рисунках відображено цей процес.

Рис. 3. Регулярна сітка, отримана автоматично, візуалізована на стерео моделі

Рис. 4. Сітка точок, побудована автоматично, візуалізована на моделі та доповнена такими потрібними елементами, як дороги і гідрологія

Рис. 5. Сітка точок, побудована автоматично, візуалізована на стереомоделі, доповнена дорогами та гідрологією, а також скелетними лініями (тобто всіма елементами, що

вимагається для ЦМР).

Ручний збір даних проводиться оператором на ЦМР. При цьому проводиться вимірювання всіх елементів ЦМР в такій послідовності: елементи гідрології, елементи інфраструктури, елементні лінії, пікети у вигляді регулярної сітки, пікети в характерних місцях рельєфу, границі (обриси) учасників з пониженою точністю вимірювань.

На поданих рисунках продемонстровано цей процес

Рис. 6. Ручне вимірювання ЦМР – гідрологія (вікно на ЦМР).

Рис. 7. Ручне вимірювання ЦМР – гідрологія та скелетні лінії (вікно на ЦМР).

Рис. 8. Ручне вимірювання ЦМР – гідрологія, скелетні лінії, регулярні сітки пікетних точок – точки на лініях та гідрологія опущені.

Після завершення процесу збору даних проводиться контроль якості за такими елементами:

контроль топологічний; контролюється правильність атрибутивної частини всіх елементів, перетинів, з’єднань, понижень;

візуальний контроль даних на стерео моделі – ЦМР, візуалізована у вигляді горизонталей, спостерігається стереоскопічно – горизонталі повинні лежати на поверхні моделі;

контроль на підставі контрольних опорних точок, висоти яких визначені незалежно (польові роботи, аеротріангуляція, окремі вимірювання). Як приклад, в табл.1 подано результати оцінки побудови ЦМР з використанням контрольних точок.

Таблиця 1. Статистичні дані з оцінки ЦМР за контрольними точками

На підставі об’єктивної оцінки точності робиться висновок про придатність побудованої ЦМР для подальшого використання або ж про необхідність повторних вимірювань.

Візуалізація може здійснюватись у вигляді:

–горизонталей, які генеруються при заданій висоті перетину рельєфу, відповідно згладжені та доопрацьовані (додані атрибути, берг-штрихи тощо);

–регулярної сітки GRID;

–нерегулярної сітки TIN.

На рис. 9 подано приклад візуалізації ЦМР

Рис. 9. Візуалізація ЦМР у вигляді горизонталей.

Питання для самоконтролю

1.Для яких процесів необхідна побудова ЦМР?

2.Якими способами можлива побудова цифрових моделей рельєфу?

3.Як будується ЦМР в програмі PHOTOMOD?

4.Які алгоритми використовуються для контролю створеною фотограмметричним методом ЦМР?

5.4. Ортотранстформування знімків. Цифрові ортофотоплани.

Трансформуванням знімків в фотограмметрії називають процес перетворення вхідного знімка об’єкта в зображення об’єкта в заданій проекції.

При цифровому трансформуванні вхідний знімок представляє собою цифрове зображення, отримане безпосередньо цифровою знімальною системою або шляхом перетворення аналогового знімка в цифрову форму на сканері.

Основними областями застосування цифрового трансформування є топографія і картографія.

При створенні і оновленні карт різного призначення за аерокосмічними знімками створюються трансформовані зображення місцевості в проекції карти. Ці зображення можуть бути створені за одиночним знімками або за кількома знімками з перекриттям зображень.

Цифрове трансформування виконується з точністю, відповідною точності карт відповідного масштабу та призначення.

Цифрові трансформовані зображення використовують для створення контурної частини карт, шляхом векторизації цифрових зображень в середовищі CAD або ГІС, а також як самостійні картографічні документи. В окремому випадку, якщо при трансформуванні знімків не враховується вплив кривизни Землі і проекції карти на положення контурів, трансформоване зображення являє собою ортогональну проекцію місцевості на горизонтальну площину. Такий вид трансформування називається ортофототрансформуванням.

Окрім топографії і картографії, цифрове трансформування використовують для створення по вхідним знімкам перспективних зображень місцевості із заданих точок простору. Такі зображення використовують у військовій галузі, наприклад, в авіаційних тренажерах та в архітектурі - при проектуванні споруд.

Цифрове трансформування застосовують також для перетворення стереопар знімків в стереопару знімків ідеального випадку знімання в системі координат фотограмметричної моделі. Таке перетворення виконується в цифрових стереофотограмметричних системах.

Створення цифрового ортотрансформованого знімка

В результаті цифрового ортофототрансформування вхідний знімок перетворюється в цифрове зображення місцевості, яка являє собою ортогональну проекцію місцевості на горизонтальну площину.

Принципова схема цифрового ортофототрансформування знімків представлена на рис.10.

Вихідними матеріалами при цифровому ортофототрансформуванні знімків є:

-цифрове зображення вихідного фотознімка;

-цифрова модель рельефу (в більшості випадків - регулярна сітка ЦМР);

-значення елементів внутрішнього і зовнішнього орієнтування знімків;

-значення параметрів внутрішнього орієнтування знімка в системі координат цифрового зображення.

Створення цифрового ортофотознімка виконується наступним чином.

Спочатку формується прямокутна матриця цифрового ортознімка, рядки і стовпці якої

паралельні осям X та Y геодезичної системи координат, а координати одного з кутів матриці

задані цій же системі координат. Розмір елементів (пікселів) матриці зазвичай вибирають

приблизно рівними величині ×m, в якій:

--розмір пікселя цифрового зображення вихідного знімка;

-m -знаменник середнього масштабу знімка.