Медведев Е.М., Данилин И.М., Мельников С.Р., 2007 - Лазерная локация земли и леса. Учебное пособие

имеющиеся сегодня (особенно широкоформатные) цифровые аэрофотоаппараты характеризуются некоторым набором

общих свойств, а именно:

181

Таблица 38. Набор пользовательских критериев оценки

производительности и качества современных цифровых аэрофотоаппаратов

1.Использование CCD (ПЗС в русской транскрипции) приемников излучения, матричного или линейного типа.

2.Синтезированный кадр (для широкоформатных аэрофотоаппаратов).

Т.е. результирующий кадр системы формируется из набора субкадров, соот-

ветствующих отдельным CCD матрицам (линейкам) приемников.

3.GPS/INS поддержка. Т.е. пространственные линейные и угловые координаты системы координат аэрофотоаппарата (элементы внешнего ориентирования) определяются с использованием средств инерциальной навигации и си-

стем спутникового геопозиционирования GPS и (или) ГЛОНАСС.

4.Широкий динамический диапазон 12–14 бит.

5.Наличие компенсации сдвига изображения в течение времени экспозиции («смаз»). Для обозначения этого свойства в англоязычной литературе ук-

репился термин FMC – Forward Motion Compensation.

6.Использование гиростабилизации для подержания планового положения

аппарата в процессе съемки.

Вместе с тем современные цифровые аэрофотоаппараты различаются по целому ряду параметров. Укажем главные:

1.Геометрия приемника – матрица CCD или линейка CCD.

2.Метод синтеза кадра.

3.Способ компенсации «смаза» – механический или электронный. Первые два указанных различия носят концептуальный характер и в зна-

чительной степени определят «идеологию» как самих аэрофотоаппаратов, так

иметодик их использования.

Втаблице 39 представлен один из возможных подходов к классификации цифровых аэрофотоаппаратов, когда в качестве основного критерия использу-

ется размер выходного кадра (аэрофотоснимка):

Таблица 39. Классификация цифровых аэрофотоаппаратов по размеру результирующего кадра

182

Отметим, что такой метод классификации является весьма условным и не

отражающим существа дела. Мы приводим его исключительно из-за того, что он, несмотря на свою ограниченность, является весьма распространенным. Кроме этого, данный метод классификации пригоден только по отношению к ка-

дровым системам. Однако по традиции линейные фотографические сканеры

(Leica ADS-40, Jena-Optronik JAS-150) принято относить к широкоформатным

аэрофотоаппаратам.

Малоформатные камеры активно использовались для аэросъемочных целей до конца 90-х годов прошлого столетия. Сейчас их роль весьма ограничена.

пользу камер этого типа является их «умеренная» ценовая ниша, компактность, малое энергопотребление и, как следствие, возможность быстрой адаптации к

существующим носителям. Такие камеры управляются с использованием обы-

чных персональных компьютеров, которые часто используются и как средства накопления аэрофотоснимков (рис. 129).

Рис. 129. Среднеформатные цифровые топографические камеры.

Отметим главные технологические ограничения среднеформатных цифровых фотоаппаратов, в смысле их аэрофотосъемочного использования:

1. Используется только один матричный CCD приемник, что ограничивает

размер результирующего кадра. С января 2006 г. фотоаппараты компании Rollei будут поставляться с приемниками, обеспечивающими получение кадра ра-

змером 39 мегапикселей и минимальным интервалом фотографирования около 2 с. На сегодняшний день это самый лучший показатель.

183

2. Режим компенсации сдвига изображения в среднеформатных камерах

не используется, что накладывает определенные ограничения при выборе условий проведения аэрофотосъемочных работ (высоты, скорости, длительности экспозиции).

На рисунке 130 представлены модели цифровых широкоформатных аэрофотоаппаратов, а в таблице 40 показаны их основные характеристики.

DIMAC SYSTEMS (DiMAC) Jena-Optronik (JAS150)

Рис. 130. Крупноформатные цифровые топографические камеры.

Таблица 40. Основные параметры крупноформатных камер

184

дительность не единственный технический параметр аэрофотоаппарата, все же

заметим, что он один из самых важных, в том числе и с экономической точки зрения. В этой связи нельзя не отметить, что на сегодняшний день UltraCAM X

австрийской компании Vexcel Imaging – самая производительная цифровая аэ-

рофотокамера в мире, существенно превосходящая своих главных конкурентов

– DMC компании Intergraph и ADS-40 компании Leica Geosystem, а также и все другие камеры.

С появлением камер такого класса вполне уместно ставить вопрос о срав-

нении разрешающей способности и суммарной информационной емкости циф-

ровых и аналоговых широкоформатных аэрофотоаппаратов.

Для этой цели проведем следующие вычисления. Возьмем стандартный аналоговый аэрофотоснимок в форме негатива размером 180×180 мм. Подвергнем его оцифровке в фотограмметрическом сканере с принятым в России ша-

гом 20 микрон. Могут использоваться различные модели фотограмметрических

сканеров. Количество информации на один оцифрованный аэрофотоснимок со-

т.е. – 81 мегапиксель. Сравнивая полученное значение с форматом кадра UltraCAM X, который, как указано выше, составляет 136 мегапикселей, убеждаемся, что UltraCAM X в практическом смысле обеспечивает большее количество

информации на один кадр. Конечно, лучшие аналоговые аэрофотоаппараты обладают разрешением, позволяющим проводить оцифровку с шагом 10 и даже 5 мкм. Поэтому цифровым аэрофотоаппаратам пока «далеко» до теоретического

предела информативности. Тем не менее, такие рассуждения показывают, что по такому важному параметру как информативность, цифровые топографичес-

кие камеры сравнимы с лучшими аналоговыми, а по всем другим пользовате-

льским параметрам их превосходят.

Обратимся к таблице 42, представляющую динамику продаж широкофор-

матных цифровых аэрофотоаппаратов с момента их появления.

185

Таблица 41. Основные технические характеристики цифровой

топографической аэрофотокамеры UltraCAM X

ОПИСАНИЕ ВЫХОДНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БОРТОВОГО БЛОКА НАКОПЛЕНИЯ И ОБРАБОТКИ СНИМКОВ (SCU)

186

Таблица 42. Динамика продаж «тяжелых» аэрофотосъемочных камер Leica

ADS-40, Intergraph DMC, Vexcel UltraCAM D(X) по данным на май 2006 г. (По материалам конгресса ASPRS в Рино, США, 2006)

В таблице 42 представлены данные, в том числе и по двум главным конкурирующим продуктам DMC компании Intergraph и ADS-40 компании Leica Geosystems. В настоящее время компания Vexcel поставила уже более 50 цифровых аэрофотокамер. Начиная с 2006 года, две такие камеры используются в странах бывшего СССР. С 2002 г. в России используются два линейных фото-

графических сканера ADS-40.

Очевидно, однако, что Vexel, благодаря четко выверенной маркетинговой стратегии занял лидирующую позицию в деле производства и поставки цифровой аэрофотосъемочной техники. Сегодня есть все основания считать, что давно предсказуемый перелом в по-

льзу цифровых аэрофотосъемо-

чных средств произошел и, в значительной степени, благодаря активной деятельности в этой сфере российских компаний Гео-

космос и ГеоЛИДАР (рис. 132).

Перед тем как продолжить обсуждение, представим еще один возможный способ классификации цифровых (в том числе

широкоформатных) аэрофотоап-

паратов, исходя из принципов формирования результирующего

изображения. Как было сказано выше, такой подход представля-

ется существенно более конструктивным. Ключевую роль при

таком методе классификации играет архитектура приемника. Итак, по способу формирования изображения,

цифровые топографические фотоаппараты бывают:

1)с одиночным матричным приемником (matrix);

2)с композитным приемником, состоящим из нескольких физических матричных приемников;

3)с приемником в виде одного или нескольких CCD приемников линейного типа. Приемники такого типа называют также линейками или гребенками.

187

Главное, что в отличие от матрицы, такие приемники имеют одномерную

структуру. Важное замечание – первые два типа приборов, как уже отмечалось выше, могут быть названы кадровыми, так как формируют традиционный аэрофотоснимок квадратной или прямоугольной формы. Приборы третьего типа ка-

дровыми не являются. Они формируют непрерывные последовательности данных, которым больше подходит название «полоса». Множество примеров аэро-

съемочных данных такого рода можно найти на сайте компании Leica Geosystem: www.leica-geosystems.com.

В таблице 43 представлено распределение наиболее известных цифро-

вых топографических аэрофотоаппаратов в соответствии с предложенной классификацией.

Таблица 43. Классификация наиболее известных цифровых аэрофотоаппаратов по способу формирования изображения

8.5. Кадровые и линейные цифровые фотографические системы

Термин «линейный сканер» применительно к аэрофотографическим сис-

темам не является общепризнанным. Многие утверждают, что это термин не-

верно отражает суть приборов этого типа. Тем не менее, мы будем пользоваться именно этим привычным для нас термином.

Производители, как правило, ориентируются только на один из двух указанных типов. Современные технологии разработки и создания цифровых метрических аэрофотоаппаратов слишком сложны и ресурсозатратны, чтобы позволить себе «роскошь» поддержки сразу двух концепций. Различия концепций касаются не только принципов построения оптических и электронных компонентов приборов, но и всей идеологии их использования, включая полевые, аэро-

фотосъемочные, фотограмметрические и камеральные работы.

Концептуальные различия на техническом уровне вылились в существенные расхождения рыночных концепций, стратегий продвижения и поддержки

своих продуктов, реализуемых компаниями-производителями. Существует мнение даже о возникновении рыночных войн, например, между Leica и Intergraph.

Для того чтобы придти к объективному заключению представим наиболее распространенные доводы в пользу линейных фотографических сканеров:

1. Технология фотографических линейных сканеров первоначально была разработана для установки на космических аппаратах и, лишь потом была «адаптирована» для аэросъемочных целей. Именно по этому принципу сегодня работает большинство спутников дистанционного зондирования Земли.

188

2.Эта технология обеспечивает исключительно высокое качество цвето-

передачи за счет отсутствия различий в разрешающей способности «цветных»

ипанхроматических сенсоров.

3.Линейные приемники «сильней» матричных по соотношению сигнал/

шум. Данные съемки, полученные с помощью сканеров, имеют более широкий фотометрический динамический диапазон.

4.Приборы, работающие по принципу линейного сканирования, обеспечивают формирование непрерывных «полос» данных, получаемых практически при постоянном угле визирования. В отличие от систем кадрового типа, в ли-

нейных сканерах не наблюдается «скачка ракурса» от снимка к снимку. Вместе с тем, за счет использования нескольких линеек сенсоров, ориентированных

под различными продольными углами к надиру имеется возможность как стереоскопического наблюдения данных, так и возможность проведения практически всех видов стереофотограмметрической обработки, в том числе, развитие

фототриангуляционных сетей.

Приведенные аргументы следует признать справедливыми. Однако перед

тем как продолжить обсуждение и перейти к объективному анализу преимуществ и недостатков кадровых и линейных систем, рассмотрим более подробно

чисто фотограмметрические аспекты формирования изображений для обоих типов аэрофотоаппаратов. В системах кадрового типа принцип формирования

изображения может рассматриваться как традиционный, основанный на зако-

нах центральной проекции (Лобанов, 1983). Представим необходимые пояснения по фотограмметрическим принципам формирования изображений в системах линейного типа.

Ошибочно считается, что линейные фотографические сканеры, в частно-

сти ADS–40 компании Leica, значительно уступают кадровым аэрофотоаппара-

там, причем как цифровым, так и аналоговым в результирующей фотограмметрической точности, так как в случае линейных сканеров для геопривязки данных используются GPS/INS системы (например, для ADS–40 это POS/AV компании Applanix), которые заведомо обеспечивают меньшую точность, чем классичес-

кие фоторгамметрические процедуры формирования и уравнивания блоков

(маршрутов) аэрофотоснимков. Подобные утверждения основаны на предположении, что упомянутые фотограмметрические процедуры просто неприменимы к данным линейных сканеров, так как в сознании многих центральное понятие фотограмметрии, связка лучей, прочно ассоциируется с кадром. Раз нет кадра,

значит нет и связки, а значит нет и всего остального.

Однако, это совершенно не так. Подобные утверждения – не более чем

недоразумение. Использование технологии прямого геопозиционирования, т.е. GPS/INS систем в качестве окончательного средства геопозиционирования съемочных данных, есть атрибут средств лазерной локации. В случае же с линей-

ными фотографическими сканерами GPS/INS средства наличествуют и действительно используются для геопозиционирования аэросъемочных данных. Од-

нако в этом случае такое геопозиционирование является во многом предварительным, а вовсе не окончательным, как в случае с лазерной локацией. Кстати сказать, GPS/INS системы используются и во всех современных цифровых, и аналоговых аэрофотоаппаратах кадрового типа. В том числе и в двух главных

конкурирующих с ADS-40 продуктах – DMC компании Intergraph и UltraCam–X компании Vexcel Imaging. Везде параметры внешнего ориентирования, опреде-

ляемые с помощью GPS/INS систем, используются только в качестве начально-

го приближения. Окончательные (точные) значения этих параметров опреде-

189

ляются, как и при традиционном подходе, с использованием фотограмметриче-

ских процедур, хотя, конечно, значительно быстрее и достовернее – с использованием априорной информации, чем без нее. Отметим, что поддержку режима учета априорных данных по элементам внешнего ориентирования, постав-

ляемых GPS/INS системами, сегодня представляют практически все фотограмметрические пакеты, например, BAE или Photomod. Роль GPS/INS данных в те-

хнологии линейных фотографических сканеров, конечно же, значительней, чем применительно к традиционным кадровым системам. Ведь именно эти данные позволяют «собрать» воедино отдельные строки изображения, приведя их к

виду, пригодному для визуального анализа. Однако было бы совершенно неверно утверждать, что такая форма определения пространственных координат

является окончательной. Она обязательно уточняется на последующих этапах обработки. А что касается жестких связок проецирующих лучей, то они существуют как в кадровом, так и в линейном случаях, хотя в последнем не столь явно

и все же с некоторым вспоможением со стороны GPS/INS систем. Ниже приведены некоторые рассуждения, помогающего осмыслить этот нетривиальный

факт. Обратимся к простейшей схеме линейного фотографического сканера, предполагающего возможность выполнения полноценной фотограмметрической обработки.

ния равенства продольного и поперечного разрешения необходимо согласованно выбрать значения частоты сканирования F, высоты съемки H и скорости движения носителя V. Но это детали, главное же состоит в следующем:

–в каждый конкретный момент времени линейный сенсор выполняет проецирование поверхности сцены на фокальную (картинную) плоскость оптиче-

ской системы сканера, причем строго подчиняясь закону центральной проекции.

–взаимное пространственное и угловое положение линейных сенсоров в

фокальной плоскости известно абсолютно точно и неизменно, т.е. его можно считать таковым для целей настоящего исследования. Иными словами, вполне

корректно говорить, что и для линейного сканера также как и для фотоаппарата

190