8. Автоматизированная система цифровой фотограмметрии «рнотомоd»

Многие современные технологии и методы, ранее практически нереализуемые, в связи с ускоренным развитием средств автоматизации и вычислительной техники в настоящее время становятся повседневным рабочим инструментом, доступным не только проектно-изыскательским организациям и фирмам, но и отдельным частным пользователям. Это относится прежде всего к ГИС-технологиям и системам автоматизированного проектирования САПР.

Наиболее важной, но и весьма трудоемкой операцией при использовании этих технологий является подготовка исходной информации для проектирования (топографические крупномасштабные планы и ЦММ) и пространственная интерпретация исходных данных с точки зрения технологичности, наглядности и информативности. В этом плане наиболее трудоемкой является фотограмметрическая обработка стереопарных фотографических изображений местности. Тем не менее сравнительно небольшой объем изыскательских работ, выполняемых методами наземных фототеодолитных и воздушно-космических аэросъемок, был обусловлен прежде всего огромной стоимостью даже минимального комплекса стереофотограмметрических приборов, их размерами и весом, сложностью технического обслуживания и ремонта и, главное, потребностью в квалифицированных кадрах, обладающих профессиональным опытом работы с конкретным парком таких приборов.

Рассмотрим принципиальную технологическую схему обработки стереопарных изображений с использованием АСЦФ «Photomod»

Синтез компьютерных технологий обработки растровых изображений местности и методов фотограмметрической обработки стереопар привел к появлению автоматизированных систем цифровой фотограмметрии (АСЦФ). Одной из таких АСЦФ является система «Photomod».

Автоматизированная система цифровой фотограмметрии «Photomod», работающая в операционной среде WINDOWS, реализуется на персональных компьютерах с умеренными характеристиками. Система максимально автоматизирована, обеспечивает возможность работы оператора в режиме стереоскопической визуализации и предназначена для решения широкого круга задач, начиная с обработки материалов космических и аэросъемок до решения задач ближней стереофотограмметрии.

Структура АСЦФ «Photomod» и принципы ее функционирования следующие.

База данных (БД) является одним из основных структурных элементов системы, обеспечивающая связь программных модулей, управление их работой и хранение исходных данных и результатов измерений. БД включает в себя растровые изображения стереопары, параметры ориентирования и точек планово-высотного обоснования съемки, промежуточные и окончательные результаты расчетов и изображения.

Внутреннее ориентирование и дополнительные параметры. В качестве исходных данных осуществляют ввод координат главных точек снимков и фокусного расстояния фотокамеры. Ввод главных точек осуществляют непосредственно с изображения снимков путем позиционирования маркера либо с помощью координатных меток или вводом пиксельных или физических координат. Дополнительными параметрами являются: тип и ориентация системы координат, таблицы дисторсии, единицы измерений и т. д.

Данные планово-высотного обоснования стереофотосьемки. Для внешнего ориентирования стереопар и получения результатов измерений в абсолютной системе координат пользователь должен ввести данные о точках планово-высотного обоснования. В системе используются два типа опорных данных: точки изображения с известными трехмерными координатами (пункты государственной геодезической сети, опознаки, точки съемочного обоснования, корректурные точки и т.д) и (или) опорные отрезки (пары точек изображения с известными расстояниями между ними). Для получения данных в абсолютной системе координат необходимо ввести минимум 3-4 опорные точки для каждой стереопары. В случае ввода только опорных отрезков (минимум 1 — 2 отрезка) пользователь может получать данные в условной системе координат.

Взаимное и внешнее ориентирование стереопар. Взаимное и внешнее ориентирование стереопар в рамках системы производится в автоматическом режиме при условии задания (можно приблизительного) пользователем как минимум трех соответственных точек на левом и правом снимках, далее система автоматически уточняет положение точек с субпиксельной точностью и находит дополнительное количество соответственных точек. После субпиксельного трансформирования изображения пользователь может производить измерения трехмерных координат точек местности.

Системой предусмотрена возможность работы при недостатке или полном отсутствии данных о внутреннем ориентировании (например, при неизвестном фокусном расстоянии камеры), однако для этого пользователь, должен ввести данные не менее чем о 5 опорных точках.

Стереоскопическая визуализация и измерения. Все измерения трехмерных координат характерных точек снимаемого участка местности могут осуществляться в двух режимах: автоматическом, с использованием курсора, следующего по рельефу, и ручном — в стереоскопическом режиме визуализации. В последнем случае пользователь может перемещать маркер в трехмерном пространстве и позиционировать его в точку наблюдения с помощью клавиатуры компьютера и манипулятора— «мышь».

Реализация стереоскопической визуализации. В системе «Photomod» для реализации стереоскопической визуализации снимаемого объекта могут быть задействованы два метода. Анаглифический метод, когда изображение со специальной смешанной палитрой рассматривают через специальные очки с цветными (красным и циановым) светофильтрами. Метод позволяет выдавать стереоскопические изображения на цветной плоттер. С использованием затворных жидкокристаллических очков, обеспечивающих раздельную передачу на правый и левый глаза наблюдателя соответствующих растровых изображений за счет синхронизации мигания развертки экрана и срабатывания затворов.

Построение и редактирование ЦММ. Система обеспечивает построение цифровых моделей местности (ЦММ) в автоматическом режиме. Для этой цели пользователь задает размеры и положение сетки в плоскости изображения, на основе которой система будет строить трехмерную сеточную модель рельефа местности или исследуемого объекта. В системе предусмотрены три типа таких моделей: регулярная, адаптивная и гладкая, которые выбираются пользователем в зависимости от конкретной решаемой задачи. На основе полученных ЦММ производится расчет горизонталей и готовятся топографические планы местности. Сеточные ЦММ могут экспортироваться в любые распространенные форматы.

Векторизация по растру (отображение ситуационных особенностей местности) служит для создания и редактирования на растровой основе. В качестве объектов можно использовать: точки, полилинии, полигоны, прямоугольники и текстовую информацию с возможностью измерения длин линий и площадей как в плане, так и в продольном или поперечном профиле. Системой предусмотрена возможность создания, измерения, печати и экспортирования до 5-ти слоев векторных объектов.

Векторизации в стереоскопическом режиме. Служит для создания и редактирования векторных объектов в стереоскопическом режиме визуализации. Предусмотрен режим векторизации с использованием только манипулятора — «мышь», при этом движение маркера в плоскости экрана осуществляется перемещением «мыши», а управление маркером по высоте — ее клавишами.

Краткая характеристика основных программных модулей АСЦФ «Photomod».

Корреляционный модуль является одной из важнейших частей системы. Он позволяет автоматически определять соответственные точки снимков стереопары с субпиксельной точностью. Определение соответственных (опорных) точек легко осуществляется даже при работе с изображениями плохого качества.

Модуль взаимного ориентирования и трансформирования снимков позволяет придавать снимкам то взаимное угловое расположение, которое они занимали в момент фотографирования, и преобразовывать исходные изображения в трансформированные (выполнение функций фото- трансформатора). Существенным преимуществом этого программного модуля является возможность проведения взаимного ориентирования стереопары при неточном знании параметров элементов внутреннего ориентирования, что обеспечивает функционирование системы при решении задач с неполным набором исходных данных.

Модуль абсолютного (внешнего) ориентирования снимков. В зависимости от набора исходных данных позволяет работать как в абсолютной, так и в условной системах геодезических координат. Введение данных об избыточном количестве опорных точек позволяет компенсировать ошибки, внесенные на этапе взаимного ориентирования из-за неточности параметров внутреннего ориентирования.

Модуль построения ЦММ и ортоизображений (топографических планов). Достоинством этого модуля является возможность построения ЦММ в автоматическом режиме с последующим (если необходимо) ручным редактированием. Позволяет вычислять реальные метрические характеристики векторных объектов (координаты, длины, площади). Модуль позволяет строить полутоновые изображения поверхности рельефа производить высотную окраску рельефа, «натягивать» реалистической (левое) изображение на сеточную модель и визуализировать полученную поверхность в произвольном ракурсе.

Основные задачи, решаемые с использованием системы «Photomod»:

• проведение высокоточных трехмерных измерений;

• создание ЦММ;

• автоматические расчет и визуализация горизонталей;

• построение точных ортоизображений (топографических планов и карт);

• цветная стереоскопическая визуализация;

• векторизация (создание векторных объектов) планов и карт;

• обучение основам современной фотограмметрии.

Точность получаемых результатов зависит от следующих факторов:

• масштаба съемки;

• качества фотопленки и съемочной аппаратуры;

• качества полученных негативов;

• точности координат используемых опорных точек;

• числа опорных точек в пределах зоны взаимного перекрытия каждая стереопары;

• разрешающей способности и геометрической точности используемого сканера;

• квалификации оператора.

Следует отметить чрезвычайную значимость этапа сканирования фотоснимков в технологии цифровой фотограмметрии. Поэтому во всех случаях целесообразно использование высокоточных (и, к сожалению, очень дорогих) фотограмметрических сканеров или в крайнем случае относительно недорогих полиграфических сканеров после их обязательной калибровки.

Например, если снимок масштаба 1:10 000 отсканирован с разрешением 600 dpi, цена пиксела на местности составит 10 000 х 42,3 мкм ≈ 42 см, соответственно ошибка модели составит не более 40 см, что соответствует точности плана масштаба 1:5000. При сканировании того же снимка с разрешением 1200 dpi цена пиксела составит порядка 21 см, а ожидаемая ошибка — не более 20 см, что соответствует точности плана масштаба 1:2000.