Информац_технологии_Черных_2000

- 73 -

Массовое внедрение геоиш|ормационных технологий сделало проблематичным использование ирадиционных геодезических методов из-за больших затрат на преобравование результатов измерений в цифровой вид.

Успешное решение большинства производственных задач зависит от использования новых высокоаффективных информационных технологий, к которым наряду с ГИС относятся спутниковые навигационные системы и электронные геодезические технологии. Дополняя друг друга, они не только способствукжразвитию и совершенствованию каждой из них, но и позволяют создать нринципиально новые информационные системы.

Спутниковые навигационные системы (GPS) Спутниковые навигациогаше системы, предназначенные для точного определения координат, реализуют известный способ определения координат объектов методом обратной пространственной линейной засечки. В качестве визирных удстройств с известными координатами используются навигационные шутники, а устройства для измерения координат - антенна с электропшым вычислительным блоком, называемым приемником. Практичесгаяреализация этого метода стала возможной благодаря созданию микрокомпьютеров и передовой технологии радиоэлектроники, обеспечивающей прием слабых сигналов от спутников на небольшие по размерам антенны. Для обеспечения решения обратной засечки необходимо, чтобы на околоземной орбите находилось не менее 18 спутников. Такое;количество спутников позволяет наблюдать в любой точке земшого шара одновременно не менее 4-х спутников. Требуемая высокая стабильность и точность пространственных координат спутников обеспечивается постоянным контролем их орбит сетью контрольных наземных станций, над которыми каждый спутник пролетает не реже двух раз в сутки. Расстояния от подвижного или стационарного объекта на поверхности земного шара или в воздухе до видимых спутников измеряется по времени прохождения сигнала от спутника до приемника на основе эффекта Доплера. Измерения этих расстояний производятся за довольно короткие промежутки времени, что позволяет для подвижных объектов определять коор-динатно-временные параметры: трехмерные координаты, скорость и время, а для стационарных - трехмерные координаты и время.

Все приемники нового поколения многоканальные, с количеством каналов до 12. По одному каналу можно выполнять измерение расстояния до одного спутника. Несколько каналов обеспечивают одновременное измерение расстояний до нескольких спутников. Кроме того, приемники выпускают одночастотные идвухчастотные. Одночастот-ные приемники позволяют выполнять измерения по всем каналам на одной несущей частоте. Для повышения точности измерений были разработаны двухчастотные приемники, представляющие собой два совмещенных одночастотных приемника, каждый из которых выполняет измерения расстояний на своей несущей частоте. Повышение точности достигается за счет введения поправки в расстояние ионосферы, влияющее на скорость прохождения

- 74 -

радиосигналов. Поправка вычисляется из результатов одновременного определения расстояния до одного и того же спутника на разных частотах. Опыт эксплуатации спутниковых навигационных систем показывает, что абсолютным методом можно довольно легко добиться точности определения координат до 10 метров (Трошев, Кононов, 1996).

Такая точность может удовлетворить многих потребителей, но для решения геодезических задач этого не достаточно, поэтому для точных определений координат используется дифференциальный режим измерения, позволяющий на ограниченной по площади территории определять планововысотные координаты с точностью до нескольких миллиметров. Если в абсолютном методе используется только один приемник, то в дифференциальном - два: один стационарный, а другой подвижный. Один приемник устанавливается неподвижно на точке с известными координатами, производит измерения дальности до всех видимых спутников, а также определяет постоянно меняющиеся характеристики тропосферы и ионосферы как сред распространения навигационных радиосигналов. По результатам обработки измерений стационарным приемником вычисляются дифференциальные поправки к дальностям и скоростям каждого спутника. Подвижный приемник последовательно устанавливается на точки с неизвестными координатами. Координаты точек местности могут определяться как в реальном времени, так и в режиме пост-обработки. Определение координат в реальном времени требует передачи поправок по радиоканалу от стационарного приемника на подвижный. Для этого выпускаются специальные приемники, которые называют базовыми станциями. Существует несколько технологий измерений, позволяющих реализовать этот метод: статический, быстрый статический, кинематический, истинный кинематический, псевдокинематический, полукинематический ("stop/go"), способ "возвратной съемки" и др.

До недавнего времени известна была только спутниковая навигационная система NAVSTAR, развернутая Министерством обороны США и введенная в эксплуатацию в 1988 году (Бъюкерс, 1995). Сокращенно ее называют GPS - по аббревиатуре английских слов Global Positioning System (Глобальная Система Позиционирования). Все приемники, принимающие сигналы СНС NAVSTAR, принято называть GPS-приемника- ми. Несмотря на то, что эксплуатацию этой СНС, включая сеть контрольных станций, ведет МО США, ею разрешено пользоваться всем гражданским организациям бесплатно. Ограничение касается только точности определения координат, применяется так называемый селективный доступ (С/А). Координаты можно определить абсолютным способом в пределах 100 метров. Это обеспечивается путем зашумления радионавигационного сигнала, используемого для измерений. Данный вид погрешности может быть устранен при использовании GPS-прием-ников и дифференциального метода измерений.

В 1995 г Правительством России официально заявлено, что у нас в стране планируется завершить работу по введению в эксплуатацию СНС

- 76 -

определения координат требует решения ряда задач, одна из которых - получение результатов измерений высокой точности в местных (российских) системах координат. Задача возникает в связи с тем, что GPS-оборудование и программное обеспечение в основном режиме выдают результат в системе WGS-84, а стандартные модули перевода координат в используемые на территории России системы отсутствуют. Программное обеспечение постобработки позволяет рассчитать параметры перехода из WGS-84 в требуемую местную систему на основании известных координат двух или трех пунктов в обеих системах. Но на этом пути возникает ряд трудностей, во-первых, отсутствие точных координат в системе WGS-84 (они определены всего для нескольких пунктов во всей России - проблемы закрытости картографических данных). Во-вторых, каталожные координаты пунктов в местной системе координат определены с ошибкой, достигающей нескольких десятков сантиметров. В-третьих, GPS-измерения координат опорных пунктов также выполняются с ошибкой, вызываемой ионосферными и тропосферными задержками сигнала, наличием селективного доступа, многолучевым распространением сигнала, процедурами переключения спутников, наличием препятствий между спутниками и антенной приемника и др. Надо заметить, что число таких препятствий в городских условиях чрезвычайно велико. Часть суммарной ошибки измерения устраняется в результате дифференциальной коррекции. Но плохая геометрия видимых спутников, их малое количество, ослабление сигнала препятствиями (кроны деревьев и т.д.) и многолучевость могут привести к ошибкам, превышающим 30 см на базовых линиях в 5 и более километров в городских условиях.

Электронные тахеометры - цифровая технология геодезических измерений

Сегодня для России весьма актуальна задача создания ГИС для ведения кадастров (городского, земельного, лесного, водного и т.д.). В качестве картографической основы необходимо использовать крупномасштабные планы и карты (1:500 -1:10000), на которых, помимо всего прочего, с точностью 10 -50 см наносятся границы земельных участков. Получить такую информацию по материалам аэросъемок и по имеющимся картам и планам практически невозможно, не говоря уже о том, что на подавляющую часть территории России таких планов вообще не существует. В связи с этим наземные геодезические работы необходимы. Основные геодезические работы выполняются на новейшем технологическом уровне при помощи системы глобальной навигации.

Задачам топографического и прикладного характера (кадастровые) удовлетворяют электронные тахеометры, основным назначением которых является измерение горизонтальных и вертикальных углов и расстояний. Современные тахеометры имеют встроенный микропроцессор, позволяющий выполнять операции с данными (вычисление, запись в память, редактирование и т.п.), и разъем для подключения к компьютеру и другим

- 77 -

автоматизированный процесс обработки геодезических измерений - от полевых работ до цифровой карты (без записей на бумаге - полевые журналы, кроки и т.д.). Каталог известных координат переносится с компьютера на прибор и используется для установки инструмента (как по известным координатам, так и из обратной засечки), а также для решения инженерных задач (вынос в натуру и т. д.). Затем производится топографическая съемка. Данные съемки сохраняются в накопителе, переносятся на компьютер для создания цифровой топоос-новы.

4.3.2. Данные дистанционного зондирования Земли

Наряду с традиционными картами данные ДЗ составляют информационную основу ГИС-технологий, причем, удельная роль этого источника информации в мире постоянно возрастает. В проблемах обновления карт в ГИС на первое место закономерно выступают технологии, основанные на методах получения информации, минуя бумажную стадию: электронные геодезические методы, GPS-техноло-гии и данные ДЗ. Дистанционное зондирование - это исследования поверхности Земли, объектов на ней или в ее недрах неконтактными способами. В данном разделе говорится только о получении и обработке изображений Земли. Методы получения ДДЗ, характеристики используемой аппаратуры и получаемых данных рассматриваются в специальных дисциплинах.

Методы обработки данных ДЗ в ГИС

Для пользователя ГИС основная проблемная обработка материалов ДЗ - это тематическое дешифрирование изображений, направленное на получение из них какой-то полезной информации: классификации, построение ЦМР, автоматического выделения (распознавания) объектов и т.п. Можно выделить следующие основные технологические этапы обработки изображений (Королев, Баранов, 1996).

1.2 Ввод и первичное формирование изображения

Входной информацией является изображение, представленное в цифровом виде на магнитных лентах или дисках. Оцифровка производится непосредственно на борту летательного аппарата (например, изображения со спутника NOAA). Оцифровка аналоговых изображений (негативов на пленке или позитивов на фотобумаге) производится с помощью сканера (видеоили телекамеры).

Для большинства цифровых космических съемочных систем, таких как LANDS AT, SPOT, NOAA, часть методов первичной обработки изображений реализуется программным обеспечением непосредственно на борту. В частности, там решается задача выделения индивидуальных кадров, дополнение их необходимой информацией, например, о пространственной

- 78 -

привязке кадра по данным измерений орбиты спутника, учет различной калибровочной информации сенсора. Для снимков радарами с синтетической апертурой это и синтезирование изображения из голограммы. До последнего времени процедуры такого рода были исключительно компетенцией поставщика данных. Однако в настоящее время происходит достаточно широкое распространение станций для приема снимков непосредственно потребителем, как, например, снимков AVHRR со спутников NOAA (а в перспективе и с других спутников).

Для ввода фотографических снимков их необходимо отсканировать, чтобы перевести в цифровую растровую форму. Для этого используется программное обеспечение, хотя бы и встроенное в ПЗУ сканера. При этом происходит преобразование изображения, часто не сводящееся к простому переводу из аналоговой формы в цифровую, осуществляются и некоторые операции над цифровыми данными: интерполяция, преобразование контраста. Так что сканирование, особенно если говорить о сканерах фотограмметрического класса, - это достаточно сложный процесс, включающий возможности варьирования параметрами и в определенном смысле составляющий одно из звеньев обработки изображения. Результаты некачественного, неоптимального сканирования зачастую нельзя впоследствии исправить никакой обработкой.

Данные ДЗ, полученные в цифровом виде в форме растра, можно визуализировать на экране дисплея как изображение. Каждый элемент растра (пиксель) отвечает яркости определенного участка местности в том или ином участке электромагнитного излучения или яркости собственного теплового излучения (для дальнего ИК-диапазона). Каждый пиксель растра записан как числовой элемент матрицы в файле данных. Большее числовое значение - большая яркость. Если снимок многозональный, то мы имеем дело с несколькими пространственно сопряженными матрицами, т.е. элемент матрицы (пиксель) в многозональном снимке имеет не одно, а несколько значений (вектор значений). Таким образом, данные многозональной съемки трактуются как многомерные матрицы, и основные методы обработки, специфичные для многозональной съемки, основаны на операциях с многомерными матрицами.

На следующей стадии производится, как правило, вычисление основных статистических характеристик данных по каждому диапазону съемки отдельно. Вычисляются среднее значение яркости по кадру, минимальное и максимальное значение яркости, мода и медиана, среднеквадратическое отклонение и гистограмма. Результаты записываются или прямо в файл матрицы данных, или в отдельный файл, называемый файлом заголовка (может быть двоичным или в ASCII). В нем часто помещают дополнительную справочную информацию об изображении: его размеры в строках и в столбцах, когда и каким прибором получены данные, сведения о привязке к реальным координатам, уровне обработки. Это делается для экономии ресурсов компьютеров в последующих обработках, в которых эта информация используется многократно.

-79 -

3.Предварительная обработка

После оцифровки и ввода изображения в компьютер на этапе его предварительной обработки программными средствами осуществляется геометрическая коррекция (орторектификация), т.е. трансформирование изображения в принятую картографическую проекцию для последующей точной географической увязки данных дешифрирования с существующими картографическими материалами.

При необходимости осуществляется монтаж нескольких изображений в единое полотно для сплошного покрытия территории исследований данными зондирований. Для монтажа используются изображения, прошедшие геометрическую коррекцию.

Геометрическая коррекция стала обязательной операцией при работе с ДЗЗ, поскольку практически полезная информация может быть оперативно получена лишь при возможности сопоставления их с другими данными. ДЗЗ должны быть представлены в реальных координатах, в конкретных картографических проекциях, или, по крайней мере, в виде, позволяющем анализировать данные не только по единственному снимку. Можно сначала дешифрировать снимок и построить по нему векторную карту в ГИС, а затем заниматься привязкой к реальным координатам и трансформированием в ту или иную картографическую проекцию. Однако, за исключением специальных случаев, такой подход менее удобен, так как не дает возможности комплексирова-ния разных видов съемки, работать с разновременными изображениями, вызывает проблемы на границах кадров и т.д.

Следует отличать геометрическое трансформирование снимка (rectification) от привязки снимков (georeferensmg). При трансформировании происходит геометрическое преобразование снимка и пересчет значений пикселов на новую сетку растра. Трансформирование дает возможность получить снимок, не имеющий геометрических искажений по сравнению с конкретной картой. При этом формы объектов на снимках в большей или меньшей степени меняются, а кадр (рамка снимка) из обычно прямоугольного, часто квадратного, превращается в параллелепипед, ромб или более сложную фигуру с криволинейными границами. Само по себе трансформирование, однако, не дает возможности использовать снимок совместно с цифровыми картами и другими данными в реальных координатах. Необходимо его еще передвинуть на то место, к которому он относится. И только после этого, при условии, если совпадают масштабы снимка и карты, можно его развернуть так, чтобы получить совмещение. Таким образом, необходима привязка снимка к реальной координатной системе (абсолютная привязкаgeoreferensmg) или к какой-то относительной системе координат, например, к другому снимку (относительная привязка - registration). Сама по себе растровая структура изображения (в отличие от векторной) не содержит реальных координат пикселов в той или иной системе картографических, геодезических координат. Однако последние

- 80 -

можно вычислить из пиксельных координат, если знать реальные координаты каких-то пикселов и размер на местности одного пиксела. Эта информация, необходимая для вычислений, записывается в файл изображения или в соответствующий ему файл заголовка при привязке снимка. Туда же обычно помещается дополнительная информация о картографической проекции, в которую преобразуется снимок, данные об использованном референц-эллипсоиде и др. К сожалению, в настоящее время организация этой привязочной информации различна в разных системах и, хотя имеются попытки создания стандартов обмена (например, GeoTIFF, NITF), на сегодняшний день лучшим решением является возможность получения ее в ASCII - файлах заголовка. Так, например, поступает фирма SPOT, поставляя потребителям свои геокодиро-ванные продукты (формата

GeoSPOT).

Есть разные уровни геометрического трансформирования снимков и методики проведения трансформирования, использующие различный математический аппарат и дополнительную информацию. На начальном уровне коррекции устраняются систематические геометрические искажения за счет вращения Земли. На этом этапе коррекция проводится обычно с использованием информации о параметрах орбиты спутника без необходимости задания вручную опознаваемых на нем опорных точек с точно известными координатами. Снимок оказывается после такой, в сущности, автоматической коррекции уже привязанным, но не очень точно. Более точную привязку можно получить за счет трансформирования с использованием задаваемых вручную координат опорных точек. Наконец, наивысшую степень геометрической коррекции, после которой снимок становится столь же полноценным инструментом для геометрических измерений, как и карта, достигается при ортот-рансформировании, т.е. после устранения искажений за счет рельефа местности.

Яркостная коррекция включает в себя улучшение яркости и контраста изображения, процедуру эквализации (для выявления объектов, располагающихся в пределах светлых или темных пятен изображения), нормализацию его яркостей таким образом, чтобы их значения равномерно располагались в разрешенном яркостном интервале - для получения на экране цветного монитора изображения, максимально пригодного для дешифрирования. "Пригодность" экспертно оценивается дешифровщи-ком, и результат зависит от его опыта и квалификации.

Тематическая обработка

Дешифрирование в зависимости от цели может быть:

• контурное, ставящее своей целью максимально точное проведение контуров и границ объектов (земельных участков, сельхозугодий, контуров зданий, полотна шоссейной дороги и т. д.). При этом подробности наполнения контура (вид сельхозугодий, тип покрытий дороги и т.д.) как бы остаются в стороне;