Ракурс
English info@racurs.ru

Статьи и презентации

Библиография PHOTOMOD

Опыт пользователей

Учебные материалы

Материалы конкурса PHOTOMOD Lite

Вики — фотограмметрия

 НОВОСТИ  О КОМПАНИИ  ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ  ДАННЫЕ ДЗЗ  УСЛУГИ  ОБУЧЕНИЕ  ПОДДЕРЖКА  БИБЛИОТЕКА  КОНТАКТЫ  ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 
 Статьи и презентации  Вики — Фотограмметрия 

Современные цифровые камеры. Особенности фотограмметрической обработки

А.Ю. Сечин ("Ракурс")

Скачать эту статью (PDF, 95kB)

Введение

Развитие фотограмметрии в значительной степени определяется прогрессом вычислительной техники. С повышением мощности вычислительных машин фотограмметрические приборы эволюционировали от механических к аналитическим, от аналитических к цифровым фотограмметрическим станциям (ЦФС). В последние годы наметился переход от получения изображений традиционными пленочными камерами с последующим сканированием негативов к непосредственному получению цифровых снимков в полете. Источником материала для данной статьи послужили впечатления автора от посещения ХХ конгресса ISPRS в Стамбуле (12-23 июля 2004 года), где представленные там цифровые фотограмметрические камеры вызвали большой интерес специалистов и были предметом многих интересных докладов.

Традиционные камеры и сканирование

Рассмотрим сначала традиционную обработку аэрофотоснимков в ЦФС. Полученные в полете снимки после проявки сканируются на высокоточных фотограмметрических сканерах с разрешением, как правило, не хуже 15 мкм. Учитывая размеры негатива 23*23 см (или 18*18 см), в результате получаются цифровые изображения размером ~15000*15000 пикселей, или более 200 мегапикселей. К сожалению, в настоящее время промышленность не производит светочувствительные матрицы (ПЗС или КМОП) таких размеров. Это приводит к появлению специальных приемов при производстве цифровых аэрофотокамер. Отметим здесь, что при использовании цифровых снимков, в ЦФС отсутствует необходимость в процедуре опознавания координатных меток и проведении внутреннего ориентирования, т.к. цифровые аэрофотоснимки уже фактически содержат в себе параметры внутреннего ориентирования.

Цифровые камеры среднего формата

Простейшим выходом из технологического ограничения на размер светочувствительной матрицы при производстве цифровой аэрофотокамеры является производство камер с максимально возможными по числу элементов матрицами на базе существующих решений. Таким путем пошла фирма Applanix с камерой DSS (Digital Sensor System). Эта камера имеет ПЗС матрицу размером 4092 x 4077 пикселей и оснащена 80 гигабайтным диском для хранения снимков (плюс 2 сменных 80 гигабайтных диска). Близкой по характеристикам является камера DiMAC (Digital Modular Aerial Camera) с матрицей 5440 x 4080 пикселей. Эти камеры основаны на известных и хорошо проверенных технологиях фирм KODAK, ROLLEI, PHASE ONE, Applanix и других, снабжаются при поставке системами планирования полетом, системами позиционирования POS/AV. Эти камеры позиционируются производителями как устройства для съемок линейных и небольших по размерам площадных объектов.

Цифровые камеры на ПЗС линейках

Интересным способом получения цифровых изображений большого размера является использование светочувствительной линейки, а не матрицы. Этот способ широко используется при съемке из космоса. Фирма Leica применила этот способ в цифровой камере ADS40.

За объективом камеры ADS40 расположены 7 ПЗС линеек - 3 панхроматические, направленные вперед, назад и в надир, и 4 линейки, снимающие в красном, синем, зеленом и ближнем инфракрасном диапазонах. Линейки имеют размер 12000 пикселей. В отличие от матричных камер, в ADS40, изображение получается за счет сканирования (движения) над местностью. Получаемые сканирующей системой изображения геометрически существенно отличаются как от кадровых систем, так и от космических сканерных систем. Значительные механические возмущения движения носителя, вибрация приводят к необходимости геометрической коррекции изображения перед фотограмметрической обработкой. Отметим, что близкие подходы использованы в цифровых камерах ЦТК-140 и ЦМК-70, разработанных АНО "Космос-НТ" и ИКИ РАН [2].

Цифровые камеры "большого" формата на ПЗС матрицах

Другим способом получения цифровых изображений большого размера является использование нескольких светочувствительных матриц в одной камере. Этим путем пошли фирма Z/I Imaging Corporation с камерой DMC (Digital Maping Camera) и фирма Vexcel с камерой UltraCamD.

В камере DMC установлены 4 матрицы размером 3000*2000 пикселей для съемки в красном, синем, зеленом и ближнем инфракрасном диапазонах. Для съемки в панхроматическом диапазоне в камере установлены 4 матрицы размером 7000*4000 пикселей. Четыре изображения, получаемые панхроматическими сенсорами, синхронизируются с точностью 0.01 миллисекунды и за счет небольшого перекрытия (Рис.1) используются для создания одного комбинированного изображения размером 7680*13824 пикселей. Созданное таким образом комбинированное изображение не является, строго говоря, изображением центральной проекции. Ошибки, вносимые разными пространственными положениями центров проекций каждого из изображений, исследованы в работе [3]. При достаточной высоте полета и небольшом перепаде высот этими ошибками можно пренебречь. Камера DMC снабжена устройством хранения данных общим объемом 750GB, что позволяет хранить 2200 снимков.


Рис.1

В камере UltraCamD используется другой способ создания комбинированного изображения. В этой камере установлены 4 матрицы размером 3680*2400 пикселей для съемки в красном, синем, зеленом и ближнем инфракрасном диапазонах и 9 матриц для съемки в панхроматическом диапазоне. Объективы последних 9 матриц расположены вдоль прямой, параллельной движению и осуществляют съемку из одной точки за счет движения самолета. Это позволяет получить "честный" комбинированный снимок центральной проекции размером 11500*7500 пикселей. Камера UltraCamD снабжена устройством хранения данных общим объемом 1550GB, что позволяет хранить 2692 снимка.

Снимки камер UltraCamD и DMC приблизительно эквивалентны аналоговым снимкам размера 23*15 см, отсканированным с разрешением 20мкм.

Преимущества цифровых камер

Безусловно - цифровые фотограмметрические камеры обладают целым рядом преимуществ:

  • Отсутствуют расходы на пленку
  • Нет процесса проявки
  • Автоматическое определение выдержки
  • Контроль качества снимков в полете
  • Лучшая радиометрия (как правило, 12 битные изображения)
  • Одновременная съемка в разных спектральных диапазонах
  • Отсутствие процесса внутреннего ориентирования в ЦФС
  • Возможность создавать сколько угодно копий снимка с качеством оригинала и практически бесплатно
  • Отсутствие деформации при хранении (НО: требуются специальные устройства хранения)
  • Большие объемы устройств хранения, позволяющие получить большое количество снимков за один залет.

Экономические вопросы эксплуатации цифровых камер приведены в [4], где сделан вывод, что суммарная стоимость обработки одного цифрового снимка в 2 раза меньше стоимости обработки аналогового. Рассмотрим еще один аспект, связанный с большими объемами запоминающих устройств, поставляемых с камерами. Это делает возможным производить цифровую съемку с большими перекрытиями. В результате одна точка местности может попадать не на 3, как в классической фотограмметрии, а на большее число изображений. За счет большой избыточности измерений (см. [5]) при больших перекрытиях (>87%) точность уравнивания блока возрастает. Заметим, что при автоматической обработке в ЦФС трудоемкость при больших перекрытиях фактически не увеличивается, но при этом повышается надежность фотограмметрической обработки за счет избыточности информации.

Обработка снимков UltraCamD в ЦФС "PHOTOMOD"

Компанией Ракурс была произведена обработка небольшого блока (32 снимка в 3 маршрутах – Рис.2), любезно предоставленного фирмой Vexcel Imaging Austria. Качество представленных снимков было очень хорошим в центре и несколько хуже на краях снимков (представители фирмы объяснили это небольшим дефектом конкретного образца камеры). По паспорту камеры - фокусное расстояние равно 101.4 мм, размер пиксела – 9 мкм, что при размере изображения 11500*7500 пикселей соответствует 67.5*103.5 мм. Съемка проводилась с высоты 1000 м, что соответствует масштабу съемки 1:10000. Размер пиксела на местности примерно равен 10 см. Для уравнивания использовалось 19 опорных точек. Точность произведенного уравнивания составила: максимальные ошибки по xyz – 6.6 см, 12.1 см, 20.3 см, соответственно среднеквадратичные - 2.9 см, 5.0 см, 7.6 см.


Рис.2

Продольное перекрытие снимков ~77%. Поскольку использовалось большое продольное перекрытие (связующие точки находились в 5-ом перекрытии) и, соответственно, небольшой базис съемки, то очень хорошо работали автоматические режимы. Так, при автоматическом построении модели рельефа находилось свыше 70% точек, при этом процент ошибочных точек был очень низок – менее 0.3%. C другой стороны малое отношение базиса съемки к высоте приводит к трудностям при ручной стереовекторизации таких проектов. При приведенных условиях съемки "цена" одного пиксела по "высоте" равна 80 см и в 4 раза превышает "цену" пиксела в плане. Для стереовекторизации в ручном режиме из уравненного проекта был создан новый, в котором снимки брались через один. Это позволило увеличить точность измерения векторов по Z в ручном режиме в 2 раза.

Что нас ждет в будущем?

Стремительный рост мощности вычислительной техники и развитие смежных технологий оказывает сильнейшее влияние на фотограмметрию. Согласно закону Мура мощность вычислительных машин в ближайшие 10 лет возрастет в 100 раз. За это время вырастут возможности получения, хранения, обработки растровых изображений. Возрастет точность инерциальных систем измерения, которая позволит проводить точную геопривязку снимков (внешнее ориентирование) без необходимости уравнивания блока, возрастет точность моделей рельефа, полученных непосредственно в полете с помощью лазерных lidar технологий. ЦФС позволят проводить большинство работ в полностью автоматическом режиме с минимальным вмешательством человека на стадии непосредственного контроля результатов.

Литература

[1] Petrie G. Istanbul Ahoy! The ISPRS Congress Beckons – with Imaging to the Fore! GeoInformatics, Vol 7, N 4, 2004

[2] Полянский И.В., Василейский А.С. Цифровые авиационные съемочные системы, Цифровые фотограмметрические технологии и их использование в различных приложениях. Тезисы четвертого Международного Семинара Пользователей Системы PHOTOMOD, Минск 2004.

[3] Tang L., Dorstel C., Jacobsen K., Heipke C., Hinz A., 2000. Geometric accuracy potential of the Digital Modular Camera, International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. XXXIII, Part B4/3, pp. 1051-1057

[4] F. Leberl, J.Thurgood2, The Promise of Softcopy Photogrammetry Revisited, ISPRS 2004, Instanbul

[5] Michael Gruber, Roland Perkob, Martin Ponticellia, The all digital photogrammetric workflow: redundancy and robustness , ISPRS 2004, Instanbul


Статья подготовлена для издания в журнале "Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации"

Подписка на новости 129366, г. Москва
ул. Ярославская, д. 13А, офис 15
Tel   (495) 720-51-27 (многоканальный)
Fax   (495) 720-51-28
Последнее обновление: 17.01.2019© Ракурс, 2004-2019