СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................

1 ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА

GEOMATICA 9.1

2 ОБЗОР МЕТОДОВ БЛОЧНОЙ ФОТОТРИАНГУЛЯЦИИ

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РАБОТА

3.1 Определение типа исходных данных………

3.2 Определение размера блока…………..

3.3 Разработка схемы опознаков……………………….

3.4 Построение блочной фототриангуляции на примере

космических снимков SPOT 5……………………………….

3.5 Оценка точности блочной

фототриангуляции…………………………………….……...

4 ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ БЛОЧНОЙ ФОТОТРИАНГУЛЯЦИИ

5 ЭКОНМОМИЧЕСКИИ АНАЛИЗ ТРАДИЦИОННОЙ И ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время возрастает потребность в использовании данных дистанционного зондирования земли (ДДЗЗ) и поиска оптимальных методов обработки этих данных.

Одним из методов обработки ДДЗЗ является построение блочной фототриангуляции по одиночным космическим снимкам, который несет ряд преимуществ: уменьшение полевых геодезических работ, сокращение временных и финансовых затрат на обработку ДДЗЗ.

В данной дипломной работе рассматривается процесс построения блочной фототриангуляции по одиночным космическим снимкам со спутника SPOT 5, выбора оптимальных параметров и расчета экономической эффективности. При построении блочной фототриангуляции использовали программный продукт PCI GEOMATICA 9.1

Первая глава посвящена описанию программного продукта PCI Geomatica 9.1, в котором выполнялось построение блочной фототриангуляции.

Во второй главе описываются методы блочной фототриангуляции применяемые в России и Зарубежом.

Третья глава посвящена выполненной экспериментальной работе. В ней изложен процесс построения блочной фототриангуляции в программном продукте PCI Geomatica 9.1.

Четвертая глава посвящена оценки надежности блочной фототриангуляции.

Расчет экономической эффективности блочной ПФТ рассматривается в пятой главе.

Глава 1. Описанее програмного продукта

PCI GEOMATICA 9.1.

В начале эксперимента необходимо определиться с программным обеспечением, которое с необходимой точностью сможет обработать ДДЗЗ. На рынке достаточно много программных средств. Ниже перечислены программные средства, представленные для коммерческого использования на рынке: PCI GEOMATICA,ENVI, ERDAS IMAGINE, ER MAPPER, TNTmips (MicroImages/Images Inc.) , PHOTOMOD ("Ракурс").

При выборе программного средства руководствовались в первую очередь возможностью осуществлять с помощью программного средства строгую фотограмметрическую обработку снимков наиболее распространенных зарубежных спутниковых систем. Выбор остановился на канадском программном продукте PCI Geomatics. В нем существует возможность обработки не только фиксированными геометрическими моделями известных сенсоров, но и использование универсальной и полиномиальной модели в случае, когда отсутствуют метаданные к обрабатываемой сцене и известны приближенно параметры орбиты сенсора, а также некоторые его характеристики. Данная разработка позволяет выполнить весь спектр фотограмметрической обработки c максимальной точностью, начиная от транслирования изображений и метаданных к ним, до построения ортофотомозаики из различных типов сенсоров.

Geomatica представляет собой модульный программный пакет, разработанный канадской компанией PCI Geomatics, работающей на рынке программного обеспечения и технологий в области цифровой фотограмметрии более 20 лет. Geomatica выполняет все операции, необходимые для обработки данных дистанционного зондирования и создания цифровых карт и трехмерных моделей.

В силу своей модульной структуры, пакет Geomatica может быть сконфигурирован под любую задачу обработки и анализа данных, начиная с минимальной конфигурации для просмотра растровых изображений и векторных карт до полнофункциональной цифровой стереофотограмметрической системы, позволяющей подключать данные ГИС и создавать законченные картографические документы.

Geomatica позволяет произвести фотограмметрическую обработку изображений, полученных со спутников Spot5, IKONOS, QUICKBIRD, LANDSAT, IRS, RADARSAT, NOAA AVHRR, а так же выполнить строгую обработку других типов сенсоров, параметры которых приближенно известны.

Ядром Geomatica является модуль Geomatica Fundamentals - мощное средство для геокодирования изображений и их визуализации, а также анализа и создания картографической продукции. В состав Geomatica Fundamentals входит система модулей OrthoEngine, представляющая собой простой в использовании графический интерфейс для создания фотограмметрических проектов, измерения точек на изображениях и их геометрической коррекции. Существует возможность расширения функциональности OrthoEngine при использовании специальных математических моделей для материалов аэрофото и космической съемки, позволяющих выполнять их ортотрансформирование, построение стерео изображений и моделей рельефа, а так же автоматизации некоторых этапов обработки.

Глава 2. Обзор методов блочной фототриангуляции

Пространственная фототриангуляция позволяет определить по снимкам координаты опорных точек, необходимых для составления топографических карт, планов, фотопланов и других документов о местности.

Основная цель пространственной фототриангуляции – максимально сократить трудоемкие полевые геодезические работы, заменив их камеральными.

Сущность пространственной фототриангуляции состоит в построение модели местности по снимкам, принадлежащим одному или нескольким маршрутам, и ориентировании ее относительно геодезической системы координат.

В зависимости от количества маршрутов, используемых для построения модели местности, фототриангуляцию разделяют на одномаршрутную (маршрутную) и многомаршрутную (блочную).

Маршрутную фототриангуляцию развивают по снимкам, принадлежащим одному маршруту. При этом маршрут должен быть обеспечен опорными точками для ориентирования модели относительно геодезической системы координат.

Блочная фототриангуляция строится по снимкам, принадлежащим двум маршрутам и более. В этом случае отпадает необходимость определения опорных точек для каждого маршрута. Поэтому блочная фототриангуляция в большей степени сокращает объем полевых геодезических работ, чем маршрутная, что имеет большое значение, особенно при картографировании труднодоступных территорий. [Краснопевцев. практикум по фотограмметрии].

Три основных способа блочной фототриангуляции:

1. блочная фототриангуляция объединением модели.

2. блочная фототриангуляция объединением маршрутов.

3. блочная фототриангуляция способом связок.

Построение блоков объединением модели. В этом способе строят модели обычным способом (как в способе независимых моделей), затем объединяют эти модели не только вдоль маршрутов, но и между маршрутами.

Объединение производится по связующим точкам между моделями и по точкам связи между маршрутами. Используют два варианта объединения модели: первый вариант, когда в результате получают фотограмметрические координаты единой блочной модели. Которые затем перевычисляют в единую геодезическую систему и исключают деформацию модели.

Достоинством этого способа является то, что объединение модели можно производить по замкнутым фигурам. В результате при замыкании фигуры получим невязки по которым можно отбраковать грубые ошибки и выяснить наличие больших систематических ошибок.

Однако предпочтение было отдано второму варианту, в котором уравнения вида:

записывают для всех связующих точек и точек связи и решают их совместно под условием минимизации расхождений координат на связующих точках и точках связи. Неизвестными при этом являются элементы внешнего ориентирования модели. Недостатком этого способа является то, что уравниваются не измеренные величины x, y, а функции от них X, Y, Z - фотограмметрические координаты.

Построение блоков объединением маршрутов. Сущность этого способа состоит в том, что сначала создают независимые маршрутные сети, либо способом независимых или частично зависимых моделей. Каждый маршрут строят независимо друг от друга. Очевидно, что о точности построения можно судить по расхождениям на точках связи между маршрутами. За конечный результат можно взять среднее значение координат из смежных маршрутов. Суть построения блоков объединением маршрутов заключается в том, что уточняют геодезическое ориентирование по точкам связи, принимая координаты, полученные в одном маршруте, как опорные для другого маршрута. Обычно за начальный маршрут берут маршруты по северной и южной границам объекта. Это обусловлено тем, что на этих маршрутах всегда больше опорных точек.

В инструкции по производству топографо-геодезических работ сказано, что для более надежной связи смежных объектов количество опознаков по северному и южному маршрутам надо удвоить. В связи с этим маршрутные модели по ним будут более точно геодезически ориентированы и более объективно исключена деформация их.

Из сказанного следует, что уточнение геодезического ориентирования последующих маршрутов достигается за счет того, что при решении уравнений внешнего ориентирования используется большое количество точек. Так как координаты опознаков определены более точно, чем точки из маршрутной фототриангуляции, то при решении уравнений им задается больший вес. Главным достоинством этого уточнения является то, что после решения легко выявляются грубые ошибки на точках связи. Аналогично уточняется процесс исключения деформации модели, то есть при определении коэффициентов деформации используются не только опорные точки, но и точки взятые в качестве опорных из смежного маршрута.

Недостатком этого способа является то, что уравнивается не измеренные x, y, а их функции - X, Y, Z.

В способе объединением маршрутов этот недостаток усугубляется тем, по сравнению в объединении модели, что ошибки в маршрутной модели накапливаются при объединении, поэтому уравнивание не дает того эффекта, который предусмотрен в методе наименьших квадратов(МНК).

Построение блоков способом связок. Из анализа построения одиночной модели следует, что для построения модели необходимо минимум 5 точек, с контролем – 6, то есть количество точек такое же, как и при построении модели по условию компланарности. Практически геометрическая сущность построения одинакова и для способа связок так и по условию комплонарности. То есть точки модели получают прямой засечкой, только по условию компланарности решение поэтапное (взаимное ориентирование, вычисление фотограмметрических координат), а в способе связок сразу производится засечка. Следовательно, и требования к расположению точек в обоих способах одинаковы.

Решая все уравнения одновременно, получим координаты точек маршрутной или много маршрутной модели.

Минимальное количество точек для построения маршрутной модели такое же, как и в способе независимых моделей.

Как известно, нужно запроектировать минимум по 3 связующих точки на снимок.

Для много маршрутной модели должно быть не менее 3х точек связи между маршрутами, число опорных точек на блок может быть меньше, чем на маршрут.

Приведем примерную схему проекта блока из 3х маршрутов.

Таким образом, запроектировано 28 связующих точек, 8 из которых одновременно являются точками связи между маршрутами.

Для геодезического ориентирования и исключения деформации модели необходимо запроектировать минимум 5 опорных точек.

I, II, III, IV, V – опорные точки.

Известно, что в способе связок в уравнениях известными являются элементы внешнего ориентирования и координаты измеренных точек.

Для приведенного проекта число неизвестных равно:

- 6 на снимок. 72 неизвестных, всего 28*3=84 – всего неизвестных – 156.

Подсчитаем число неизвестных для данного проекта. Известно, что одна точка на снимке дает 2 уравнения для данного проекта число «точка-снимков» будет равно:

Из анализа приведенного примера видно, что даже при минимальном количестве точек число уравнений значительно превышает число неизвестных, то есть задача решается с контролем и возможно выполнить уравнивание.

Однако при построении блоков способом связок недостаточно подсчитать число уравнений и неизвестных, необходимо так же учитывать геометрию построения блока.

Следует учитывать, что если точки связи между маршрутами расположены на одной линии, или близко к ней, то связь между маршрутами может оказаться неопределенной, то есть возникает «шарнирный эффект» (аналогичный тому, который возникает при объединении модели, когда связующие точки на одной линии, а точка фотографирования не использована в способе независимой модели).

Чтобы избежать «шарнирного эффекта» точки связи проектируют в два ряда, чем больше расстояние между рядами, тем надежнее объединение маршрута.

Достоинства способа:

Является то, что все уравнения решаются одновременно, то есть выполняется уравнивание по всем связям между снимками, как вдоль маршрутов, так и между ними. Наиболее жесткий блок получится при поперечном перекрытии 60%, так как связи между снимками вдоль и поперек маршрутов будут равноценными.

Вторым достоинством связок является то, что уравниваются непосредственно измеренные величины x, y (в уравнении связи координат точек снимка и местности свободным членом является ).

Единственным недостатком способа связок является то, что при уравнивании должно выполнятся условие Гаусса-Маркова. Которое не всегда обеспечивается при фотограмметрических построениях. Суть этих условий следующие:

1. из измерений должны быть исключены грубые ошибки.

2. систематические ошибки должны быть исключены полностью, или уменьшены до такого размера, чтобы суммарная их величина была на порядок меньше случайных ошибок.

В практике грубые ошибки возникают в основном из-за ошибок опознавания связующих точек и точек связи.

Второе условие не всегда удается выполнить, так как значения систематических ошибок не всегда известны с достаточной точностью.

Решение уравнений в способе связок. Уравнения для способа связок составляются на основании формул связи координат точек снимка и местности.

(1)

(2)

(1) и (2) запишем в виде уравнений:

(3)

(4)

Чтобы раскрыть уравнения (3), (4) необходимо выразить через

, (5)

здесь - направляющее косинусы.

Уравнения (5) нелинейные и решать их напрямую невозможно. То есть, эти уравнения надо привести к линейному виду путем разложения в ряд Тейлора. Для упрощения введем обозначения:

, (6)

. (7)

Известно, что для разложения в ряд Тейлора необходимо задать приближенные значения определяемых величин (аргументов, неизвестных).

Запишем (5) по приближенным аргументам:

, (8)

. (9)

Очевидно, что , так как использованы приближенные значения аргументов. Разница между ними есть приращение функции (6) и (7), то есть частные производные от (6) и (7) по всем аргументам.

В соответствии с этим запишем

(10)

С учетом этого запишем (10):

. (11)

Аналогично для y:

. (12)

В (11) и (12) вычисляются по формулам, которые получаются как частные производные от функций, а свободные члены:

Метод решения уравнений в способе связок, контроль и оценка точности.

Так как в способе связок всегда присутствуют избыточные измерения, то решение выполняется по МНК.

В начале формируют матрицу коэффициентов А, вектор неизвестных Х, вектор поправок V, вектор свободных членов L.

Затем формируют транспонированную матрицу и получают матрицу свободных свободных членов В и С, затем получают обратную матрицу коэффициентов нормальных уравнений В^-1 и вычисляют значение неизвестных. Так как при разложении в ряд Тейлора ограничивались 1-ой производной при достаточно грубых приближенных значениях неизвестных, то используется способ итераций Ньютона. Суть, которого заключается в том, что решение уравнений повторяют каждый раз при новом значении аргументов . Приемы для ограничения числа итераций те же, что и при решении уравнений взаимного ориентирования:

1. ошибки и, полученные после решения не должны превышать ошибок измерений., (13)

где иполучают как разность:

для контроля сравнивают ис допустимой ошибкой. Она, как правило, равна двойной средней квадратической ошибке измерения. Если на какой-то точке этот допуск не выдерживается, то повторяют измерения.

2. второй критерий задается как допустимая разность между определением неизвестных 2х последних итераций. 2-ой критерий берется из статистических данных ранее выполненных работ.

3. третий критерий – это число итераций, который так же задается из опыта производственных работ.

Оценка точности производится по МНК, то есть вычисляется СКО единицы веса:

k – число неизвестных,

n – число точек.

Потом вычисляют: ,

где - весовые коэффициенты. Это диагональные коэффициенты обратной матрицы.