Быков Л.В.
Создание и обновление ортофотопланов по материалам аэровидеосъемки для целей локального мониторинга территорий.
Под локальным мониторингом территорий подразумевают получение и нанесение на дежурную карту оперативной информации о выборочных участках местности в период сезонных периодических или эпизодических изменений. Например, в период весеннего паводка, в случае аварий, экологических катастроф, при оценке состояния дорог, трубопроводов и иных объектов, при локальном обновлении планов и карт.
Современные методы аэрокосмической съемки отличаются высокой оперативностью и высоким уровнем автоматизации, что позволяет получать видеоинформацию на большую территорию в короткое время. Эти методы эффективны при картографировании территорий, при сплошном обновлении планов и карт. Согласно действующим нормативам обновление планов и карт выполняется через 5-7 лет на застроенных и через 10-15 лет на иных территориях. За этот период на местности происходят существенные изменения, которые приходится оценивать не только количественно, как процент изменившихся контуров, но и учитывать существенность связанных с ними событий. Наземные методы съемки не всегда эффективны, так как менее оперативны и не достаточно информативны.
Промежуточное положение между наземными и аэрокосмическими съемками в целях локального мониторинга территорий может занять аэровидеосъемка (АВС), которая выполняется практически с любого летательного аппарата, не требует специального оборудования, может обрабатываться в реальном времени.
Вопросам использования материалов АВС в целях мониторинга земель посвящены работы многих ученых и практиков. Первые работы по телерепортажной съемке сельскохозяйственных угодий были выполнены под руководством проф. Б.Н.Родионова [1]. Известно большое количество публикаций по экологическому мониторингу с использованием АВС [2]. Ряд работ посвящен методике создания ортофотопланов по материалам АВС [3]. В предприятии УралНИИГИПРОЗЕМ ведутся производственные работы по созданию ортофотопланов сельских населенных пунктов.
Предлагаемая методика создания ортофотопланов по материалам АВС отличается тем, что обработка материалов съемки может выполняться в автоматическом режиме, а в перспективе, при соответствующей аппаратной поддержке, - в реальном времени.
На различных этапах обработки видеоинформации формируются промежуточные материалы, обеспечивающие оперативное поступление данных для решения задач различной степени срочности. Наиболее оперативной информацией, поступающей в реальном времени, является видеофильм, который позволяет визуально отследить явления и события, происходящие на местности. Для съемки местности мы используем как пилотируемые летательные аппараты: самолеты, вертолеты, дельталеты,- так и беспилотные радиоуправляемые модели, оснащенные съемочной аппаратурой и устройствами для передачи изображений на расстоянии. Видеофильмы, полученные в процессе съемки, позволяют оценить оперативную обстановку, скорректировать маршруты облета территории для получения наиболее полной информации о местности, событиях или явлениях.
На рис. 1 представлена технологическая схема формирования ортофотопланов. При обработке материалов видеосъемки большое внимание уделяется созданию банка данных видеоинформации. который формируется путем привязки видеофильмов к обзорной карте (пункт 1 технологической схемы).
Особенности видеосъемки. Положительные свойства – это высокий уровень автоматизации съемочного процесса, высокая светочувствительность, возможность изменения увеличения в процессе съемки, высокая скорость записи, доступность аппаратуры для широкого круга пользователей. С точки зрения обработки материалов АВС имеется ряд недостатков: низкая разрешающая способность изображения, нестабильные элементы внутреннего ориентирования.
1. Параметры АВС. Учитывая особенности АВС и цель работы – создание ортофотопланов, приняты следующие основные положения: АВС выполняется с большой высоты с большим увеличением изображения, малый захват территории одним кадром компенсируется качанием камеры в вертикальной плоскости, перпендикулярной направлению полета. Увеличение изображение достигается за счет увеличения фокусного расстояния (f). Съемка с больших высот с большим значением f предпочтительна при трансформировании снимков. Геометрическое отношение фокусного расстояния к диагонали кадра достигает 6-7. Эти геометрические параметры позволяют существенно уменьшить смещения точек, вызванные влиянием рельефа местности. Увеличение f улучшает ортоскопические свойства изображения. В результате экспериментальных работ определены параметры съемки, которые обеспечивают получение материалов удовлетворительного качества: высота фотографирования 500 м, трансфокация изображения 5-6 крат, оптический масштаб изображения 1:8000-1:10 000, перекрытие снимков не менее 50%.
2. Аппаратура для съемки. Применяются видеокамеры с форматом записи S-VHS, Digital 8, MiniDV, имеющие ПЗС-матрицу с диагонвлью от 0.33 дюйма, с количеством элементов от 810 000.
3. Способ съемки. При съемке камера качается в вертикальной плоскости, перпендикулярной направлению полета. Такой способ получил название Z-способ.
4. Математическая обработка. Изменение элементов внутреннего ориентирования, которое имеет место в процессе съемки, не позволяет использовать методы классической фотограмметрии при обработке измерений. Методы проективной фотограмметрии, разработанные усилиями известных ученых: Трунина, Смирнова, Бобира, Калантарова,- позволяют выполнять фотограмметрические построения без использования элементов внутреннего ориентирования, но имеют определенные ограничения. Применение их невозможно в условиях равнинного рельефа, когда опорные точки компланарны. Нет разработанных способов фототриангуляции. Теоретические исследования проф. С. А. Смирнова показывают принципиальную возможность построения фототриангуляционной сети путем синтеза четырех снимков, но не снимают ограничений, связанных с компланарностью точек сгущения. Для случая обработки материалов АВС эти ограничения наиболее чувствительны, так как видеокадр захватывает достаточно малую площадь при большом значении f. В большинстве случаев местность, изображенная на снимке, может считаться равнинной, а точки компланарными.
Наши исследования направлены на разработку способа плановой фототриангуляции для целей создания ортофотопланов, основанного на использовании однородных проективных координат. Построение фототриангуляции сводится к последовательному трансформированию координат точек снимков в выбранной системе координат. Для учета влияния рельефа местности строится модель плановых смещений точек по полю стереопары.
Рассмотрим задачу на примере одиночной модели. Координаты точек левого снимка считаются исходными. На основе формул (1) определяются элементы аффинного преобразования координат точек правого снимка в систему координат левого снимка. Координаты точек правого снимка трансформируются с учетом вычисленных параметров.
(1)
(2)
На основе формул (2) вычисляются элементы проективного преобразования предварительно трансформированных координат точек правого снимка в систему координат левого снимка, и выполняется окончательное трансформирование координат в систему координат левого снимка. Назовем координаты точек, полученные в результате трансформирования, координатами точек модели. Для построения модели смещений точек, вызванных влиянием рельефа местности, используются формулы (4). Прототипом этих формул послужили формулы проф. А. Н. Лобанова для трансформирования координат точек пары снимков на горизонтальную плоскость (3).
(3)
(4)
Для вычисления поправок «за рельеф» необходимо знать координаты точек надира. Для их вычисления выполняется предварительное трансформирование координат точек модели по опорным точкам. Трансформирование производится на основе формул (1) и (2). В результате получают элементы преобразования координат точек в систему координат местности и координаты точек пары снимков приближенно приведенные в систему координат местности. Очевидно, что главные точки снимков после трансформирования в систему координат местности совпадут с точками надира. Приближенные координаты главных точек на снимках находятся как средние значения из габаритов кадра, преобразуются в систему координат точек местности, в результате получают приближенные координаты точек надира. По формулам (4) вычисляются поправки в положение точек левого и правого снимка на местности, из значений исправленных координат вычисляются средние значения и выполняется окончательное трансформирование координат по опорным точкам. Поправки, вычисленные по формулам (4) используются для построения модели смещений для каждого снимка стереопары. Модель смещений строится с помощью поликвадратических функций и используется для расчета поправок «за рельеф» при трансформировании изображений. При создании ортофотоизображения координаты каждого пикселя преобразуются с учетом всех элементов аффинного и проективного преобразования и поликвадратических поправок.
Построение маршрутной сети. Маршрутная сеть строится по аналогии с со способом частично зависимых моделей в классической фотограмметрии, отличием является то, что преобразование координат выполняется по формулам (1), (2). Построение является некорректным, так как каждая стереопара имеет свою плоскость трансформирования. Переход к общей плоскости трансформирования без дополнительных измерений невозможен. Маршрутная сеть используется как вспомогательное построение при уравнивании блочной сети.
Построение блочной сети. Блочная сеть строится из снимков одного маршрута полученного Z-способом. Последовательные кадры видеофильма образуют основной маршрут. Снимки смежных Z-образных проходов камеры также объединяются в связующие стереопары или маршруты. Ограничением для выбора связующих стереопар является перекрытие снимков, которое должно быть не менее 20%. Последовательность обработки следующая:
система координат первого снимка основного маршрута принимается за исходную;
строится основной маршрут;
вычисляются координаты точек связующих маршрутов в системе координат основного маршрута;
выполняется вычисление элементов трансформирования каждого снимка блока по всем точкам сгущения, попадающим на данный снимок, координаты всех точек данного снимка вычисляются с учетом найденных элементов трансформирования;
процесс повторяется многократно для всех снимков сети, за исключением первого снимка и координат точек, расположенных на первом снимке;
процесс приближений заканчивается, когда изменения координат точек в последовательных приближениях становятся несущественными;
таким образом осуществляется переход к общей для всего блока плоскости трансформирования;
выполняется предварительное трансформирование блока по опорным точкам;
вычисляются координаты точек надира;
вычисляются и вводятся поправки в положение точек сгущения «за рельеф»;
выполняется окончательное трансформирование блока по опорным точкам;
формируется база ориентированных снимков;
выполнятся трансформирование снимков.
5. Технология обработки.
расчет параметров АВС
выполнение АВС
создание электронного накидного монтажа
проектирование блоков фототриангуляции
измерение координат точек на стереопарах
построение и уравнивание блока с автоматической отбраковкой грубых измерений
ориентирование блока по опорным точкам
- формирование ортофотопланов
