Лекція 11 цифрова фотограмметрія

1. Поняття про цифровий знімок.

2. Загальні відомості аналітичної фотограмметрії.

3. Аналітичні стереофотограмметричні прилади.

4. Програмне забезпеченнядля задач аналітичної фотограмметрії

5. Побудова цифровихта аналогових картографічних матеріалів

Звичайний фотознімок, математичною моделлю якого є центральна проекція, розглядався нами впродовж всіх попередній параграфів. Фотозображення, зафіксоване на фотоплівці, фотопластинці чи фотопапері, вимірюється і проходить всі стадії фотограмметричної обробки за різними технологіями аналогової чи аналітичної фотограмметрії. З математичної точки зору фотознімок - це сукупність трчок а_к з плоскими прямокутними координатами x_k y_k (в заданій системі плоских координат). Фотознімок як центральна проекція визначається елементами внутрішнього орієнтування (f, x₀ y₀), а його положення в просторі (деякій просторовій системі координат) фіксується елементами зовнішнього орієнтування (Xs,Ys, Zs. α, ω, κ).

Цифрова фотограмметрія оперує з іншим типом зображення - цифровим знімком.

Цифровий знімок - це сукупність елементів, які утворюють матрицю розміром m*n. Елемент носить назву - піксел (pixel) від англійського скорочення "picture JC element". Положення кожного піксела в матриці визначається номером рядка і та номером стовпчика j. Сукупність пікселів утворює зображення (на екрані ПЕОМ, на листі паперу тощо), яке називають растровим зображенням. Кожний піксел несе в собі лише інформацію про ступінь почорніння (для чорно-білого зображення) або інформацію про колір (для кольорового зображення).

Отримати цифровий знімок можна двома шляхами. Перший з них - це перетворення фотознімка в цифровий знімок шляхом сканування. Другий базується на використанні спеціальних знімальних камер - так званих цифрових камер. Вони подібні до фотокамер, проте зображення об'єкта не є фотографічним, а цифровим.

У цифровій камері об'єктив проектує зображення на так званий "пристрій із зарядовим зв'язком" (ПЗЗ) - сукупність світлочутливих елементів, кожен з яких виробляє фотострум залежно від світлової енергії, яка падає на нього. В подальшому фотострум посилюється, перетворюється та фіксується на магнітному або оптичному носії інформації - магнітній плівці, диску, дискеті тощо. Це означає, що цифрове зображення є легкодоступним для сучасної ПЕОМ: його можна зчитати з дискети, переписати з оперативної чи буферної пам'яті камери в пам'ять ПЕОМ, виконувати різноманітні операції з цифровим зображенням (копіювання, фільтрація, посилення, геометрична корекція тощо).

Фізичні основи ПЗЗ описані в спеціальній літературі; тут ми не зупиняємось на цих аспектах, але зазначимо, що саме прогрес в області мікроелектроніки став причиною практичного застосування цифрової фотограмметрії. Без надійних, високоякісних ПЗЗ з високою роздільною здатністю не можна говорити про цифровий фотограмметричний знімок.

В сучасних ПЗЗ нагромаджуючими елементами є фотодіоди з кількістю елементів в лінійці від 1024 до 8192. Спеціалісти вважають, що можливий подальший прогрес в області створення ПЗЗ-матриць. Вже тепер провідна фірма світу Sonyвипускає матриці з кроком елементів 3 на 5 мкм (тобто віддаль між елементами становить 1,7 мкм). Прогнозується, що з'являться однокристальні прилади з кількістю елементів 8000x8000 при досить малих розмірах приладів.

Усе це, без сумніву, впливає на технологію отримання зображення, поступово витісняючи фотографічні методи. Уже тепер розвивається високоточне цифрове аерознімання, яке приходить на зміну аерофотозніманню. На підтвердження цього на XIX Конгресі Міжнародного Товариства фотограмметрії та дистанційного зондування (ISPRS), що відбувся в липні 2000 р. в Амстердамі, демонструвались цифрові фотограмметричні аерокамери: одна - продукції' фірми LH-Systems (Швейцарія), інша - фірми Zeiss-Intergraph (спільна німецько-американська фірма).

У цифрових фотограмметричних системах оптична щільність відіграє двояку роль. Перше - сукупність усіх пікселів утворює цілісне подання об'єкта, так зване растрове зображення; цю задачу називають візуалізацією. Друге - пошук ідентичних точок на лівому і правому цифрових знімках, що утворюють стереопару. Ідентичними вважають точки, оптичні щільності яких найбільше корельовані. Цю задачу розв'язують корелятори. Якщо ідентичні точки знайдені в автоматичному режимі, то в подальшому автоматично відтворюється рельєф, будується цифрова модель рельєфу, отримується ортофотоплан тощо.

Проста ідея, закладена в основу роботи корелятора, впродовж десятиліть не була реалізована через невисокі показники (швидкодія, об'єм пам'яті) обчислювальної техніки.

Цифрові камери - прилади, які дають змогу фіксувати зображення об'єкта в цифровій формі, їх класифікують на професійні та аматорські, стаціонарні та польові. Відрізняються вони між собою якістю формування зображення, яке передусім залежить від роздільної здатності ПЗЗ.

Цифрові камери для фотограмметричних робіт є тим кращими, чим більше елементів містить в собі ПЗЗ-матриця.

У цифровій фотограмметрії геометричну модель об'єкта можна відтворити послідовно (точка за точкою, тобто піксел за пікселем) на основі різних підходів. Проте основною ідеєю є така: одноіменними точками на лівому і правому зображеннях є такі, оптичні щільності яких є найбільш корельовані. В ідеалі ці оптичні щільності є однаковими. Отже, щоб відтворити модель об'єкта, необхідно відшукати ідентичні точки на стереопарі.

Загальні відомості аналітичної фотограмметрії.

Застосування способів і технологій аналітичної фотограмметрії дає змогу отримувати як кінцевий продукт сукупність просторових координат точок об'єкта. Якщо до цієї сукупності додати чітко окреслені правила запису та семантичну інформацію, то можна отримати:

• каталог просторових координат точок об'єкта;

• цифрову модель об'єкта (як складові, або незалежні частини можуть бути: цифрова модель рельєфу - ЦМР, цифрова модель ситуації- ЦМС).

Для вимірювання знімків застосовують прилади різного класу точності, різноманітної конструкції та технологічних особливостей. Найбільш характерними рисами цих приладів є застосування монокулярних вимірів (монокомпаратори) або стереоскопічних вимірів (стереокомпаратори).

До середини 60-х років ці прилади не були автоматизовані, тобто виміряні величини не фіксувались автоматично на паперових носіях (перфострічка, перфокарта, друкування на папері) або на магнітній стрічці. Найбільш типовим представником цієї групи є стереокомпаратор СК 1818 фірми "Карл Цайс" з м. Йена (Німеччина), який отримав широке застосування у фотограмметричному виробництві колишнього СРСР.

Подальшим кроком в розвитку фотограмметричного приладобудування була автоматизація процесу фіксації виміряних величин. Фірма "Карл Цайс" виготовила автоматизований стереокомпаратор Стекометр. В ньому за допомогою спеціального пристрою результати вимірів автоматично фіксувались на перфострічці та друкувались на папері.

Найчастіше застосовувались двокареткові стереокомпаратори, трохи рідше - трикареткові. Останні давали можливість уникати похибок ототожнення при спостереженні зв'язкових точок для фототріангуляції, оскільки оператор мав можливість спостерігати одночасно дві стереопари.

Серед обслуговуючих приладів для монокулярних вимірів потрібно звернути увагу на маркувальні прилади і пристрої. Найбільш технічно вдалим є, на наш погляд, лазерний маркувальний прилад "Трансмарк" фірми "Карл Цайс". Оператор стереоскопічно наводить марку на точку моделі. Після цього є можливість включити лазер, який розплавляє емульсію в центрі точки лівого (правого) знімка, і на ньому утворюється біле коло з чорним кільцем. Точність маркування становить 1 мкм.

З кінця 80-х років XX ст. в практику фотограмметричних технологій впроваджуються аналітичні стереофотограмметричні системи, які досить часто називають "аналітичні універсальні прилади" або "аналітичні автографи". В них оператор проводить стереовимірювання, результати яких автоматично передаються в комп'ютер. За допомогою програмного забезпечення проводиться розв'язання фотограмметричних задач та .формування файлів графічних даних. За необхідності викреслювання топографічних карт (планів) ці дані автоматично подаються на графопобудовувач, на якому в заданій картографічній проекції та в прийнятій системі умовних знаків викреслюється карта (план).

В усіх технологіях аналітичної фотограмметрії ключовим компонентом є програмне забезпечення. Головною його функцією є розв'язання фотограмметричних задач (внутрішнє, взаємне та геодезичне орієнтування, пряма та обернена фотограмметричні засічки, фототріангуляція, побудова цифрової моделі об'єкта тощо). Залежно від технологічних особливостей тієї чи іншої схеми опрацювання знімків на програмне забезпечення накладають додаткові функції - пошук та автоматичне бракування хибних результатів вимірів, автоматичний пошук зв'язкових точок, формування графічних файлів у певних графічних форматах тощо.

Програмне забезпечення аналітичних приладів в наші дні досягло високого рівня розвитку, проте постійно вдосконалюється. Найбільше це стосується двох напрямків:

• опрацювання нефотографічних зображень;

• автоматичні стереовиміри (без участі оператора) на основі кореляції відеосигналів.

Аналітичні стереофотограмметричні прилади.

Розвиток електронно-обчислювальної техніки істотно вплинув на появу принципово нових стереофотограмметричних приладів так званих аналітичних автографів (за західною термінологією) чи аналітичних універсальних приладів (за термінологією країн колишнього СРСР).

Концепцію такого приладу вперше сформулював у 1957 р. U.L.Helava,який у той час працював в Секції фотограмметричних досліджень Національного дослідницького центру Канади.