Фотограмметрическая обработка данных дистанционного зондирования

Используется широкий диапазон излучений от 0.4 мкм-30 м. В связи с этим используются различные средства съемки: фотографические, телевизионные, сканирующие, радиолокационные и др. Для создания и пополнения кадастровых банков данных практический интерес представляют фотографические изображения, которые регистрируются на фотопленке.

Технологии фотограмметрической обработки материалов съемок развивались и совершенствовались в течение столетия. Наиболее совершенными в настоящее время являются аналитическая и цифровая.

Фотограмметрическая обработка материалов съемок по аналитической технологии основана на использовании аналитических стереообрабатывающим приборов, средств вычислительной техники и программного обеспечения.

В настоящее время эта технология представлена:
 — семейством надежных, высокоточных аналитических стереоприборов и систем;
 — быстродействующими с большим объемом памяти вычислительными машинами;
 — мощным программным обеспечением.

К числу решаемых аналитической технологией задач относятся:
 — стереофотограмметрическая обработка снимков;
 — построение и уравнивание маршрутной и блочной фототриангуляции;
 — измерение снимков и дальнейшее построение цифровой модели местности;
 — цифровое составление карт с кодированием признаков и текущем контроле при сборе данных, интерактивным редактированием при составлении карт и выдачей графической продукции в разнообразной форме;
 — высокоточные измерения координат точек;
 — сбор данных для получения ортофотоснимков;
 — стереофотограмметрическая обработка снимков для специализированных работ в землеустройстве, лесном хозяйстве, промышленности и др.

Аналитический стереообрабатывающий прибор включает оптико-механическую систему с каретками для снимков, бинокулярную наблюдательную систему, панель управления, ручные штурвалы, ножной диск и ножные педали для включения и выключения прибора.

К прибору подключается ЭВМ с контролером и накопителем, видеотерминал с печатающим устройством.

Контролер управляет движением кареток, работой датчиков на осях координат, регистрирует смещение кареток, выполняет электронное преобразование данных и ввод-вывод данных через интерфейс на ЭВМ.

В числе устройств отображения и ввода информации могут быть видеомонитор, автоматический координатограф, графический терминал с дисплеем. Конечной продукцией может быть графическая карта или карта в цифровом виде. Потребитель может выбирать масштаб изображения, метод представления информации, категорию объектов и т.д. Математическое обеспечение аналитических стереоприборов насчитывает более 100 прикладных программ. К их числу относятся:
 — процессы построения и оценки точности стереомодели;
 — рисовка рельефа;
 — развитие и уравнивание аэрофототриангуляции;
 — цифровое построение модели местности (ЦММ);
 — обработка наземных снимков и материалов короткобазисной фотограмметрии.

В набор программ для аэрофототриангуляции входят:
 — маршрутное уравнивание независимых моделей;
 — блочное уравнивание независимых моделей;
 — блочное уравнивание с автоматическим распознаванием и исключением грубых ошибок;
 — блочное уравнивание связок с учетом дополнительных параметров и исключением систематических ошибок.

Разработан также пакет программ для цифрового сбора кодированных данных, хранения, обновления и редактирования графической информации и последующего преобразования в аналоговую форму.Некоторые аналитические стереообрабатывающие приборы имеют общую операционную систему, сервисные устройства, периферийное оборудование. Они могут объединяться в интегрированную автоматизированную систему универсального назначения, способную параллельно решать несколько задач.

Серия аналитических приборов типа «Стереоанаграф» отечественного производства имеют несколько модификаций. Первые модификации приборов состояли из стереокомпаратора, координатографа и ЭВМ, Они предназначены для создания и обновления карт и планов всего масштабного ряда по аэро- и космическим снимкам. Эти приборы имеют повышенную точность обработки снимков, автоматизацию процессов ориентирования, учет систематических ошибок прибора и снимков. Принцип работы состоит в том, что результаты линейных перемещений измерительной маркой по осям х и у фиксируются с помощью фотоэлектронных преобразователей, которые линейные перемещения преобразовывают в электрические импульсы пропорциональные величине перемещения. Далее эти сигналы преобразуются в числовую информацию, передаются на ЭВМ, обрабатываются и поступают на регистратор в виде результатов измерений.

ЭВМ имеет стандартную конфигурацию персонального компьютера. Вывод на экран различной текстовой и графической информации осуществляет монитор, вывод на печать текстовой и графической информации выполняется принтером.

Стереоанаграф-6 — это сравнительно новая разработка в серии этих приборов.

Он может использоваться для получения цифровых карт и планов, получения площадей и периметров участков, для целей городского и земельного кадастра, для проектирования и строительства и для решения многих других задач. Инструментальная средняя квадратическая ошибка определения координат составляет не более 3 мкм.

Цифровая фотограмметрия, в отличие от использования физических изображений на стекле, пленке или бумаге, обрабатывает изображение в цифровой форме в компьютере. При этом фотографическое изображение преобразовывается в цифровую форму путем дигитализации или сканирования. Изображения также могут быть получены в цифровой форме непосредственно со специальной камеры, установленной на различных носителях.

Путем сканирования, изображение делится на определенное количество крошечных равных площадей, называемых пикселями. Каждая такая площадь содержит достаточную информацию (подобно клетке) в отношении цвета и плотности цвета. В цифровой фотограмметрии точность получения результатов возрастает с повышением разрешения сканирования. Чем меньше размер пикселя, тем точнее результат.

Цифровая фотограмметрия будет расширять пределы применения фотограмметрического продукта вследствие легкости обработки и использования готовых компьютеров. Наиболее перспективными областями цифровой фотограмметрии являются:
 — построение фототриангуляции, использующей соответствие изображения для стереоскопического измерения;
 — получение упрощенных генераций цифровых моделей местности;
 — ортофотопланы;
 — создание различных тематических карт, карт линий визирования;
 — моделирование через перспективный взгляд.

Экраны с высоким разрешением обеспечивают достаточное поле обзора для пикселя размером 25 мкм и меньше. Для сканирования изображения в настоящее время разработано множество сканеров. Специальные фотограмметрические сканеры высокопроизводительны и высокоэффективны. Они способны сканировать как целые пленки (фильмы), так и отдельные снимки. Конструкции некоторых сканеров основаны на принципе высокоточной платформы с пластиной, движущейся вдоль стационарной камеры. Области, фиксируемые прямоугольным массивом, повторного считывания не требуют. Лучшие модели сканеров имеют производительность более 1 мегапикселя/сек. Сканирование с разрешением 15 мкм одного черно-белого аэроснимка может быть выполнено за 4 мин. Размеры пикселей от 4 до 20 микрон, формат изображения 260 х 260 мм.

К числу современных программных продуктов для цифровой фотограмметрии относятся: аппаратно- программный комплекс Дельта" (1998 г.). Он реализует все функции стереофотограмметрической обработки изображений и обеспечивает получение и стереоскопическое представление информации в виде:
цифровой полутоновой стереоскопической геометрической модели в базисной и топоцентрической системах координат;
трехмерного структурного описания точек рельефа местности и объектов;
двумерного линейного описания рельефа посредством горизонталей или профилей;
матричного описания высот точек местности.

Работает «Цифровой стереоплоттер» в следующих основных режимах: «проект», «изображение», «ориентирование», «стереоизмерение», «стереоредактор». «Цифровой стереоплоттер» работает в среде Windows 95. Выше перечисленные модули решают конкретные задачи в том числе:
измерение точек отдельных цифровых изображений в монокулярном режиме;
измерение координат опорных точек стереопары, вычисление параметров внутреннего, взаимного и внешнего ориентирования цифровых изображений стереопар и моделей;
трансформирование исходных цифровых фотографических изображений в базисную плоскость нормального случая съемки;
стереоскопические визуальные и автоматические измерения координат точек местности.

Цифровая стереофотограмметрическая станция ЦСС-2 (1996 г.) производит высокоточную стереофотограмметрическую обработку цифровых аэро- и космических снимков с целью создания и обновления топографических карт и планов, получения топографической основы ГИС, решения других задач. Станция базируется на управляющем компьютере. Система стереонаблюдения представляет собой оптическую стереонасадку для мониторов с диагональю 14-17 дюймов. Формат обрабатываемых снимков до 30 х 30 см, при размере элемента геометрического разрешения от 7 мкм и более, фотометрическое разрешение 256 градаций серого цвета.

Программное обеспечение станции имеет широкие возможности:
 — интерактивное внутреннее, взаимное и внешнее ориентирование снимков;
 — изменение контраста и масштаба изображения;
 — создание изображений;
 — автоматическое стереонаведение;
 — стереосовмещение векторной и растровой информации;
 — графический редактор;
 — классификатор топографических объектов.

Система PHOTOMOD осуществляет полный фотограмметрический цикл обработки стереопарных изображений на персональном компьютере РС в оперативной среде Windows. Основные особенности системы:
 — автоматизация фотограмметрического цикла;
 — высокая точность автоматических измерений;
 — сочетание автоматизации с возможностью ручной работы в стереорежиме визуализации;
 — широкий круг решаемых задач.

Система PHOTOMOD с дополнительным модулем Scan Correct осуществляет:
 — высокоточные трехмерные измерения;
 — создание цифровых моделей рельефа;
 — автоматический расчет и визуализация горизонталей;
 — создание векторных объектов и карт в том числе в стереоскопическом режиме визуализации;
 — метрическую калибровку настольных сканеров для их использования в фотограмметрии.

Система может быть использована для решения основных фотограмметрических задач в геодезии, картографии, кадастре, горном деле и др.

Для обеспечения всех цифровых процессов фотограмметрии фирмой «Leica» разработан мощный пакет программного обеспечения Socet Set. Наибольшую отдачу в работе с ПО дает операционная система Windows NT, которая раскрывает все возможности пакета программ.

Socet Set — мировой лидер в области ПО для цифровой фотограмметрии был запущен в 1990 г. с Windows 3 и затем с Windows 95. Высокоэффективные процессоры с высокоэффективными платами графики обеспечивают такую же эффективность, как если бы работали одновременно несколько станций. Этот пакет может использоваться для обработки воздушной фотосъемки, изображений, полученных с близкого расстояния, спутниковых данных. В результате обработки материалов съемок возможно получить следующие данные:
 — корректирующие данные;
 — цифровые модели местности и векторные данные карты;
 — автоматизированной фототриангуляции;
 — ортофотопланы;
 — перспективные изображения и др.

Socet Set — имеет дополнительные модули:
 — стереоскопический просмотр;
 — автоматизированное возникновение цифровой модели местности;
 — мозаика из многочисленных изображений;
 — составление и вывод смешанных растровых и векторных изображений.

Научно-производственная лаборатория «Геосистема» производственного объединения «Аэрогеоприбор» разработала и создала цифровую фотограмметрическую станцию «Дельта», которая предназначена для обработки аэро- и космических снимков с целью получения картографических материалов, цифровых карт и планов и ортофотопланов. Аппаратными средствами этой станции являются:êкомпьютер высокой мощности, жесткий диск не менее 1 Гб, ОЗУ не менее 8 Мб, видеоадаптер с разрешением не хуже 1024 х 768 точек, 256 цветов, стереоскопическая насадка для мониторов, вставная плата контроллера фотоприемной установки, печатающее устройство и манипулятор типа «мышь». Программные средства включают: операционную систему, программные средства русификации и драйвер-манипулятора «мышь».

Для перевода аналоговой информации в цифровую в комплект станции входит фотограмметрический сканер с рабочим полем 300 мм. Минимальный сканирующий элемент имеет размеры 14 микрон. Время сканирования фотоснимка форматом 230 х 230мм составляет 30 мин. В процессе сканирования изображение выводится на экран. При этом можно контролировать качество изображения и ошибки сканирования для каждого фрагмента который выводится на экран.

Стереорисовка блока осуществляется при выполнении ряда программ. Подготовительные работы включают подготовку исходных данных, подготовку файла опорных точек для стереопары. К исходным данным относятся: фокусные расстояния АФА, базис фотографирования в масштабе снимка, эталонные расстояния между координатными метками, элементы внутреннего ориентирования АФА. Затем выполняются программы:
 — внутреннее ориентирование;
 — взаимное ориентирование;
 — внешнее ориентирование;
 — задание параметров плана;
 — стереоскопический сбор цифровой информации.

Внутреннее ориентирование выполняется по 4 координатным меткам или центральным крестам. Взаимное ориентирование заключается в последовательном устранении поперечных и продольных параллаксов на 6 точках стандартных зон. Внешнее ориентирование модели выполняется по 6 опорным точкам. В задачу параметров плана входит масштаб создаваемого плана и координаты левого нижнего угла листа планшета.

Программа стереоскопического сбора позволяет создавать и регистрировать цифровую модель местности по растровым изображениям в виде последовательных точек с 3 геодезическими координатами. Точки регистрируются с шагом размером 1 мм в масштабе плана. Цифровые данные собираются и регистрируются по следующим классам: населенные пункты, промышленные объекты, гидрография, коммуникации, элементы рельефа, растительный покров, границы землевладений, прочие элементы, пикеты и текстовые подписи. После измерения производится оценка точности стереопары. Программа редактирования цифровой информации предназначена для формирования планшетного листа карты с подписями и условными знаками, а также оперативного получения информации о любом объекте. Цифровая фотограмметрическая станция имеет программное обеспечение по инвентаризации земель и созданию ортофотопланов.

Фирма INTERGRAPH — поставляет интегрированный комплекс программных и аппаратных продуктов для решения уникальных аналитических задач в области фотограмметрии. Этот комплекс формирует основу законченных цифровых технологических процессов, использующихся при:
картографировании;
создании земельных и городских кадастров;
создании ортофотопланов;
обработке спутниковых данных;
создании цифровых моделей местности;
планировании транспортных путей и т.д.

Работа начинается с ввода информации из различных источников: аэроснимки, спутниковые данные, цифровые фотоснимки, полученные с цифровых камер и пр. При настройке проектов оператор определяет такие переменные как параметры камеры, опорные точки, единицы измерения. Для управления проектом имеется программное обеспечение. Для автоматизации построения ЦММ имеется высоко эргономичные программно-аппаратные средства стереопросмотра цифровых, цветных, и черно-белых изображений на 27 дюймовом мониторе в реальном режиме времени.

Используя ЦММ и Images/Image Station, Images/Image Rectifier оператор производит ортофототрансформирование изображений для удаления всех необходимых геометрических искажений, присутствующих на большинстве аэро- и космических снимков, включая искажения за рельеф.

При дистанционном изучении местность (объекты и явления) заменяются моделью — результатами аэро- или космических съемок. На материалах дистанционных съемок объективно и документально регистрируются данные об изучаемых объектах. Многие информационные задачи для кадастра решаются непосредственно по первичным материалам — фотоснимкам, фотосхемам, визуализированным изображениям. Информационные возможности различных съемочных систем различны, поэтому приемы и методы дешифрирования различны.

В зависимости от используемых средств считывания и анализа видеоинформации выделяют следующие методы дешифрирования:
визуальный, в котором информация со снимков считывается и анализируется человеком;
машинно-визуальный, в котором видеоинформация предварительно преобразуется специализированными средствами с целью облегчения последующего визуального анализа;
автоматизированный, в котором считывание со снимков и анализ построчно записанной видеоинформации выполняются специализированными интерпретационными машинами при активном участии оператора;
автоматический, в котором дешифрирование полностью выполняется интерпретационными машинами.

Для обработки и тематического дешифрирования изображений разработан ряд программ. Наиболее известными являются: ERDAS Imagine, ER Mapper Idrisi (растровая ГИС). Эти программные продукты позволяют выполнять:
ввод и первичное формирование изображения;
предварительную обработку изображения (геометрическую коррекцию, подавление шумов);
тематическую обработку;
перевод обработанных данных в ГИС.