Создание и пополнение топографических планов и карт с использованием результатов дистанционного зондирования Земли

  Convergence value (значение конвергенции) – разница между приближениями (0,001м);

б) Point          

    Ошибка (точность) определения координат (в пикселях);

   

    Теоретически допустимая СКО пространственной триангуляции (в пикселях) 0,5

   

 

1.5 Ортотрансформирование  снимков

    Применяемый в фотограмметрии принцип учета влияния рельефа местности при изготовлении плана (фотоплана) местности остается незыблемым уже около 100 лет, и заключается в делении изображения на отдельные участки, называемые зонами трансформирования, в соответствии с их положением по высоте, и последующем установлении для каждой такой зоны своего индивидуального масштаба проектирования. Причем колебание рельефа в пределах такой зоны не может превышать расчетного Q=2h при заданных масштабе плана М, фокусном расстоянии аэрокамеры f, допустимом искажения точек под влиянием рельефа на плане и расстоянии r_сн от центра снимка до угла рабочей площади, определяемого по формуле:

.

Построение цифровой модели рельефа

    Для  преобразования снимка в план, изготовления ортофотоплана, создания оригинала топографической карты, решения других задач необходимы сведения о рельефе местности, получение которых требует определения координат и высот большого числа точек - измерения их координат в системе снимков, параллаксов и последующего вычисления пространственных координат. Именно такое решение используется при обработке фотоснимков с помощью аналоговых и аналитических стереофотограмметрических приборов.

    Автоматизация  технологических процессов, ставшая  реальной с применением методов обработки цифровых изображений, требует применения более общего подхода к решению названных выше задач, основанного на математическом моделировании процессов. Этот подход не может быть реализован без создания цифровой модели обрабатываемой территории, и в частности цифровой модели рельефа.

    Известно, что топографическая поверхность в общем случае может быть представлена как в аналоговой форме, так и в цифровой. В первом случае имеют в виду изображение поверхности горизонталями или отмывками, а во втором - каталог координат определенным образом упорядоченных точек, описание связей между ними и алгоритм определения высот точек в зависимости от их местоположения. С учетом этого можно дать следующее определение цифровой модели рельефа (поверхности):

    Цифровая модель рельефа (ЦМР) представляет собой математическое описание земной поверхности как совокупности расположенных на ней точек, связей между ними, а также метода определения высот произвольных точек, принадлежащих области моделирования, по их плановым - координатам.

Технология ортотрансформирования

    Сущность  ортотрансформирования сводится  к следующему.

    Пусть  известны элементы внешнего ориентирования  аэроснимка Хs, Ys, Zs, a, w, c  имеется цифровая модель рельефа DEM со сторонами, параллельными осям координат, и требуется выполнить трансформирование исходного снимка путем преобразования каждого пиксела с учетом его положения по высоте.

    Прежде  всего, строится матрица ортоизображения  на всю обрабатываемую территорию, ограниченную минимальными и максимальными координатами углов рамок создаваемых топографических карт (планов); стороны матрицы должны быть параллельны осям X и Y координатной системы местности (рис. 6-8).

    В соответствии  с требованиями инструкции по  фотограмметрическим работам, размер элементарного участка трансформирования (геометрическое разрешение матрицы ортоизображения Δ_р) на местности, как правило, выбирается равным величине:

,

где Δ- геометрическое разрешение исходного цифрового снимка; т - знаменатель масштаба снимка.

    Если  цифровой фотоплан готовится  в виде твердой копии, то  размер элементарного участка на местности не должен быть больше

,

где 0,07 (мм) - графическое  разрешение, соответствующее фотографической разрешающей способности изображения 7 л/мм.

 

При изготовлении ортофотоплана  масштаба 1:2000 по цифровым снимкам масштаба 1:10000, полученным путем сканирования аэронегативов с геометрическим разрешением  Δ=10 мкм, размер элементарного участка трансформирования в общем случае будет равен 0,010 х 10000 = 0,10 м, а при изготовлении фотоплана в графической форме 0,07 х 2000 = 0,14 м.

Задача решается путем «обратного» трансформирования и включает следующие операции (рис. 6):

• вычисление координат X, Y центра формируемого пиксела ортоизображения Δ в системе координат местности OXY;
• определение отметки Z центра пиксела ортоизображения Δ по его плановым координатам и цифровой модели рельефа DEM;
• вычисление по формулам  координат х, у изображения а определяемой точки А на снимке по ее координатам на местности X, Y, Z и 
  элементам внешнего ориентирования X_s, Y_s, Z_s, a, w, c:

• расчет физических координат х_р, у_р в системе o_pi_Xi_Y по ее координатам х, у в системе оху и параметрам    внутреннего    ориентирования аэроснимка;
• определение растровых координат i_X, i_Y точки по ее физическим координатам х_р, у_р;
• идентификация пиксела с точкой а исходного снимка и расчет яркости r пиксела ортоизображения с точкой Δ методом билинейной или бикубической интерполяции.

    Однако  ортоизображение должно формироваться в границах рабочей площади снимка, образованной средними линиями его продольного и поперечного перекрытий. Поэтому реализации рассмотренной схемы вычислений должно предшествовать нанесение на трансформируемый снимок границ рабочей площади (будущих «линий пореза») в виде полилинии и определение положения ее вершин на ортоизображении (точки 1, 2, 3, 4, рис. 6). Положение «линии пореза» может быть намечено автоматически или выбрано в соответствии с требованиями, предъявляемым к линии пореза фотосхем и фотопланов, изготавливаемых методом совместной обрезки.

    Для  определения на ортоизображении границ рабочей площади нужно решить задачу, обратную рассмотренной выше: найти пространственные координаты X, Y, Z точки по координатам ее изображения на аэроснимке х, у, элементам внешнего ориентирования снимка и цифровой модели рельефа. Решается она следующим образом.

На рис. 7 показана точка  местности А, ее изображение на снимке а, профиль цифровой модели рельефа в плоскости, проходящей через точку надира и проектирующий луч SaA, и матрица ортоизображения.

Допустим, что  искомая точка А лежит на средней плоскости снимка Е. Примем Za=Ze и найдем ее координаты X, Y, Z по формулам:

 

В результате получим  точку А'0 с координатами Х'A, Y'A, лежащую в пересечении проектирующего луча SaA'0 с плоскостью Е (рис. 7). Но плановым координатам Х'A, Y'A соответствует точка цифровой модели А', лежащая в плоскости Е' с отметкой Z'A≠ZE, не принадлежащая проектирующему лучу SaA.               

Рис.7. Схема ортотрансформирования

границы рабочей 

площади снимка

     Для установления  проективного соответствия между  точками S, а и А' нужно вновь воспользоваться данными формулами, подставляя в них элементы внешнего ориентирования аэроснимка, координаты х, у точки а на снимке и уточненную отметку искомой точки Z'_A. В результате будет найдена новая точка А"_о с координатами Х"_А, Y"_a, которым соответствует точка цифровой модели А" с отметкой Z"_A, не лежащая на проектирующем луче SaA. Это потребует выполнения второго, третьего и т. д. приближений, пока изменение отметки точки в двух последовательных приближениях не будет пренебрегаемо малым. Теперь пикселу ортоизображения с координатами центра Х_A и Y_A можно присвоить яркость пиксела исходного аэроснимка, содержащего точку а.

    Рассмотренная  схема используется для расчета  плановых координат вершин полилинии («линии пореза»), определяющей границу рабочей площади трансформируемого снимка. Полученные в последнем приближении координаты Х_А и Y_A определяют положение центра трансформируемого пиксела в системе координат местности, в соответствии с которыми на ортоизображении (рис. 8) формируются границы рабочей площади обрабатываемого снимка. И только после этого выполняется «обратное» трансформирование - заполнение матрицы ортоизображения значениями яркостей соответствующих им пикселов исходного снимка в соответствии с рассмотренной выше схемой, представленной на рис. 6.

Таким образом, ортоизображение  формируется в результате несложных вычислений с использованием данных зависимостей и последующих геометрических и фотометрических преобразований.

На основе изложенного  можно наметить такую последовательность выполнения операций по изготовлению ортофотоплана.

 

 

 

Рис.8. Ортотрансформирование снимка

 

 

 

1. Построение и уравнивание фотограмметрической сети.
2. Определение элементов внешнего ориентирования снимков фотограмметрической сети.
3. Построение цифровой модели рельефа TIN в границах локальных зон и объединение их в единую «глобальную» модель в 
   границах ортотрансформирования.
4. Преобразование нерегулярной модели рельефа TIN в регулярную модель DEM с шагом, равным или пропорциональным 
   геометрическому разрешению ортоизображения.
5. Разметка на снимках границ формируемых по ним ортоизображений, соответствующих рабочим площадям этих снимков.
6. Ортотрансформирование поворотных точек границы рабочей площади 1-2-3-4-5-6-7-8 (рис. 8) в соответствии со схемой преобразований на рис.7:

• определение растровых координат (i_X, i_Y) точек границы рабочей площади и преобразование их в физические (х_р, у_р);

• вычисление координат х, у точек границы рабочей площади в системе координат снимка оху по их физическим координатам х_р, у_р;
• определение методом последовательных приближений  по координатам х, у и цифровой модели рельефа плановых координат X, Y центра пиксела ортоизображения в системе местности;
• присвоение пикселу ортоизображения с координатами центра X, Y яркости соответствующего ему пиксела снимка.

7. «Обратное» ортотрансформирование каждого пиксела исходного снимка, расположенного в границах рабочей площади, в рассмотренном выше порядке, согласно схеме на рис. 6.

8. Фотометрическая коррекция сформированного ортоизображения по границам снимков (выравнивание яркостей по границам зон трансформирования).
9. Нарезка ортоизображений на планшеты заданного масштаба по координатам их углов и их зарамочное оформление.

    Все  операции, за исключением определения  границ локальных, глобальных зон моделирования и границ рабочих площадей, выполняются в автоматическом режиме, по заданным параметрам обработки.[6]

   

    LPS может корректировать  искажения масштаба, возникающие  из-за положения сенсора на  момент съемки, смещение за рельеф  и систематические ошибки снимка. В результате получаются точные  изображения, аналогичные картам, на которых наземные объекты  представлены в правильных координатах  X и Y. Ортотрансформированные снимки  можно использовать как идеальную  подложку для создания и поддержки  географической информации, содержащейся  в базе геоданных ГИС.

    Нажав пиктограмму      Start ortho resampling process, File→ Open→ Raster layer→ D: /Pg - 05/ Karlova.

    General:  Add Multiple (добавление снимков), необходимо указать путь к директории, где надо сохранить ортофотоснимки.

    Output File Name (имя выходного файла): *img

          2 Создание ортофотоплана (мозаики снимков)

    Процедура комбинирования снимков для создания одного файла изображения называется созданием мозаики

 

    Мозаика (ортофотоплан) из множества снимков в LPS может быть получена различными способами.

• Мозаика из «сырых» или ортотрансформированных снимков.
• Создание мозаики по всем снимкам, либо по области интереса (AOI).
• Непосредственная работа с файлом блока, позволяющая одновременно проводить цветовую балансировку, ортотрансформирование и сшивку в мозаику.
• Задание областей сшивки, размера пикселя и алгоритмов расчета и др.

    В нашей работе  мы создаем ортофотоплан по  трем ортофотоснимкам.

 

2.1 Отображение  ортофотоснимков во Viewer

    Для этого необходимо  открыть программный модуль Viewer, открыть три ортофотоснимка: Viewer→ File→ Open→ Raster layer → D: /Pg - 05/ Karlova → orthocol90p1, orthocol91p1, orthocol92p1. Но чтобы одновременно открыть все три снимка в одном окне Viewer, на вкладке Raster options следует снять выделение Clear display (очистить дисплей) и снять Background transparent (прозрачный фон) и Fit to frame.

 

 

 

2.2 Установление  активной области и ее параметров

    Активная область-  это контур данного снимка. Выполняют  в модуле Data Preparation→ Imagines→ Mosaic Tool (инструмент мозаики). Существует 3 способа построения активной области: