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 

Фотограмметрическая обработка снимков ADS 40 в системе PHOTOMOD

П.С. Титаров ("Ракурс")

Скачать эту статью (PDF, 514 kB)

1. Сенсор ADS 40 и особенности получаемых им снимков

Цифровой сенсор ADS 40 (Airborne Digital Sensor) компании Leica Geosystems представляет собой сканерную съёмочную систему, устанавливаемую на авиационные носители.

В фокальной плоскости сенсора расположено несколько линеек детекторов, позволяющих производить одновременную съёмку в различных спектральных диапазонах, под разными углами отклонения от надира по тангажу, а также вдвое повышать пространственное разрешение путем комбинирования снимков, полученных линейками, установленными со смещением на половину размера детектора относительно друг друга. В зависимости от высоты полета и режима съёмки (одинарными либо сдвоенными линейками) пространственное разрешение снимков может составлять от 5 сантиметров до 1 метра. Каждая линейка содержит 12 000 детекторов. Фокусное расстояние оптической системы составляет примерно 62.5 мм, ширина поля зрения 64°.

С точки зрения извлечения метрической информации, необходимой для создания выходных фотограмметрических продуктов, таких как цифровые модели рельефа (ЦМР) и ортоизображения, целесообразно рассматривать в первую очередь линейки детекторов, предназначенные для панхроматической съёмки в надир, а также вдоль направления полета вперед и назад. Конфигурация фокальной плоскости может различаться для разных экземпляров камеры, но в базовом варианте угол отклонения от надира вперед составляет 28°, а назад — 14°. Съёмка такого триплета и расположение упомянутых линеек детекторов (для упрощения рисунка они показаны одинарными) в фокальной плоскости сенсора изображены на Рис. 1.
Рис. 1. Съёмка панхроматического триплета и расположение панхроматических линеек в фокальной плоскости.

Таким образом, в отличие от снимков, получаемых аэрофотоаппаратами, результаты съёмки представляют собой протяженные панхроматические триплеты и мультиспектральные изображения; ширина растра определяется числом детекторов линейки или сдвоенных линеек, а число строк может достигать нескольких сотен тысяч.

Вследствие того, что ADS 40 является сканерной съёмочной системой, геометрия получаемых этим сенсором изображений существенно отличается от центральной проекции; каждая строка снимка имеет собственные элементы внешнего ориентирования (ЭВО), поэтому к этим снимкам не применимы методы классической фотограмметрии. Более того, возникают проблемы и при применении к этим изображениям методов обработки сканерных космических снимков, так как перемещение центра масс и изменение ориентации спутников происходит плавно и предсказуемо, чего нельзя сказать о сенсоре, установленном на авиационной платформе. На Рис. 2 показаны графики изменения ЭВО сенсора ADS 40, построенные с помощью утилиты ADSOriPlot компании Leica Geosystems. Характер изменения ЭВО, особенно угловых, существенно ограничивает возможности их интерполирования.
Рис. 2. Изменение элементов внешнего ориентирования строк снимка.

Вследствие описанного изменения ЭВО, геометрически не преобразованные снимки, которые в терминологии компании Leica Geosystems называются изображениями уровня Level 0, содержат существенные геометрические искажения (Рис. 3, слева). Поэтому перед выполнением фотограмметрических процессов изображения Level 0 преобразуются в так называемые изображения уровня Level 1, лишенные упомянутых недостатков (Рис. 3, справа). Для выполнения этого преобразования используется программное обеспечение GPro, которое входит в комплект поставки съёмочного комплекса ADS 40.

Геометрически создание изображений Level 1 заключается в проектировании снимков уровня Level 0 на некоторую плоскость постоянной высоты, называемую плоскостью ректификации (Рис. 4); при этом используются ЭВО, измеренные в полете с помощью GPS и инерциальной системы.
Рис. 3. Изображения Level 0 (слева) и Level 1 (справа) [1].
Рис. 4. Создание изображения Level 1.

Плоскость ректификации представляет собой плоскость Z=const в так называемой системе координат LSR (Local Space Rectangular), которая представляет собой правую топоцентрическую горизонтную систему координат с началом отсчета, расположенным приблизительно в центре отснятого участка; координаты начала отсчета включаются в состав метаданных снимка.

Координаты X,Y (в системе координат LSR) проекции точки местности на плоскость ректификации аффинно связаны с пиксельными координатами этой точки на изображении Level 1.

2. Предварительная обработка данных ADS 40

Построение выходных фотограмметрических продуктов, таких, как ЦМР и ортоизображения, может производиться в цифровой фотограмметрической системе PHOTOMOD, разработанной компанией "Ракурс", однако перед этим необходимо выполнить целый ряд процессов предварительной обработки снимков ADS 40.

После выполнения аэросъёмочного залета снимки и траекторные данные подвергаются первичной обработке: программой GPro при переносе данных из бортового накопителя информации на рабочие станции создаются изображения Level 0, с помощью специализированного программного обеспечения (в зависимости от модификации сенсора это может быть POSPac компании Applanix или IPAS Pro компании Leica Geosystems) выполняется постобработка измерений GPS и инерциальной системы, а затем создаются изображения Level 1.

Далее выполняется автоматическое измерение связующих точек и ориентирование блока снимков с привлечением опорных точек или без них. Ориентирование блока снимков ADS 40 рекомендуется выполнять с помощью соответствующей версии программы ORIMA (L. Hinsken), также входящей в комплект поставки съёмочного комплекса (Рис. 5).
Рис. 5. Предварительная обработка данных ADS 40.

Таким образом, для выполнения фотограмметрической обработки в систему PHOTOMOD передаются изображения Level 1, уравненные программой ORIMA и измеренные в полете ЭВО, элементы внутреннего ориентирования, а также метаданные (которые содержат, в частности, координаты начала отсчета системы координат LSR и параметры связи координат на плоскости ректификации с координатами на изображении Level 1).

Элементы внутреннего ориентирования включают в себя фокусное расстояние оптической системы, а также координаты каждого детектора в фокальной плоскости сенсора.

Каждый набор элементов внешнего ориентирования (измеренных и уравненных) содержит три линейных и три угловых ЭВО для каждой строки изображения Level 0, заданных относительно системы координат LSR.

3. Реализация фотограмметрической обработки снимков ADS 40 в системе PHOTOMOD

С точки зрения программной реализации, основой фотограмметрической обработки является решение прямой и обратной фотограмметрических засечек.

Задачу прямой фотограмметрической засечки можно сформулировать следующим образом: пусть заданы координаты l1, p1 и l2, p2 изображений некоторой точки M местности на обоих снимках стереопары; необходимо вычислить координаты X,Y,Z точки M на местности. Прямая фотограмметрическая засечка решается, например, при создании ЦМР.

Решение обратной фотограмметрической засечки заключается в следующем: пусть заданы координаты X,Y,Z некоторой точки M в системе координат местности; необходимо вычислить координаты l,p изображения этой точки на снимке. Обратная фотограмметрическая засечка решается при выполнении ортотрансформирования снимков.

При решении фотограмметрических засечек по снимкам ADS 40 необходимо учитывать следующие обстоятельства. Во-первых, в проект добавляются снимки уровня Level 1, которые являются геометрически преобразованными. Для использования элементов внешнего и внутреннего ориентирования в процессе решения засечек необходимо осуществлять пересчеты между координатами точки на изображениях уровней Level 0 и Level 1. Во-вторых, изображения уровня Level 1 создаются без учета результатов уравнивания, поэтому пересчеты, которые выполнялись при создании изображений уровня Level 1, должны выполняться с использованием неуравненных элементов внешнего ориентирования, в то время как все остальные расчеты должны быть основаны на уравненных результатах ориентирования. И, в-третьих, элементы внешнего ориентирования заданы в системе координат LSR, поэтому необходимы также пересчеты между этой системой координат и системой координат проекта PHOTOMOD.

Таким образом, решение прямой фотограмметрической засечки производится в соответствии со схемой, приведенной на рис. 6.
Рис. 6. Схема решения прямой засечки по стереопаре снимков ADS 40 уровня Level 1.

Первый из выполняемых пересчетов выполняется в соответствии с крайне простыми соотношениями связи координат на плоскости ректификации и на изображении уровня Level 1.

Второй пересчет представляет собой процесс поиска координат точки изображения уровня Level 0, которая проектируется в заданную точку плоскости ректификации. По сути, это решение обратной засечки по изображению Level 0. Этот процесс включает в себя этап итерационного сужения диапазона строк изображения Level 0, который заведомо содержит искомую строку, и последующий этап переборного поиска в этом диапазоне (Рис. 7), который необходим, так как пространственное и угловое положение сенсора, размещенного на авиационном носителе, может изменяться на временных промежутках, сравнимых с периодом сканирования, не плавно и не монотонно, вплоть до возникновения перехлестов строк. Этот пересчет выполняется с использованием неуравненных элементов внешнего ориентирования.
Рис. 7. Поиск номера строки изображения Level 0, соответствующей точке местности.

Третий пересчет, в результате которого вычисляются искомые координаты точки в системе координат LSR, заключается в поиске точки пересечения лучей, соответствующих найденным точкам на левом и правом изображениях уровня Level 0. Каждый луч задается своей вершиной (которая соответствует центру проекции соответствующей строки) и единичным направляющим вектором, который определяется по угловым элементам внешнего ориентирования. Эти лучи строятся по уравненным элементам внешнего ориентирования.

Решение обратной фотограмметрической засечки выполняется в соответствии со схемой, приведенной на рис. 8.
Рис. 8. Схема решения обратной засечки по снимку ADS 40 уровня Level 1.

Первый пересчет, решение обратной засечки по снимку Level 0, выполняется так же, как описанный выше переход от точки плоскости ректификации к координатам ее изображения на снимке уровня Level 0, с тем только отличием, что здесь он выполняется с использованием уравненных элементов внешнего ориентирования.

Второй пересчет координат представляет собой проектирование заданной точки изображения уровня Level 0 на плоскость ректификации. Для этого по неуравненным элементам внешнего ориентирования вычисляются координаты вершины и компоненты направляющего вектора луча, соответствующего данной точке изображения Level 0, и строится точка пересечения этого луча с плоскостью ректификации.

Третий пересчет выполняется с использованием аффинных соотношений, связывающих координаты плоскости ректификации с координатами на изображении уровня Level 1.

Выше под координатами точки местности подразумевались её координаты в системе LSR. Связь между системой координат проекта PHOTOMOD и системой координат LSR обеспечивается либо заданием параметров системы координат проекта (датум, параметры картографической проекции и т.д.), либо, при использовании в проекте PHOTOMOD условной декартовой системы координат (произвольным образом расположенной в пространстве), необходимы как минимум три опорные точки на стереопару для вычисления по ним параметров преобразования поворот — масштаб — сдвиг между этими системами.

4. Практические аспекты обработки ADS 40 в системе PHOTOMOD

С точки зрения пользователя системы PHOTOMOD, работа с проектом снимков ADS 40 практически не отличается от обработки блока аэрофотоснимков или сканерных космических изображений.

Полный цикл фотограмметрической обработки снимков ADS 40 включает в себя создание проекта (модуль PHOTOMOD Montage Desktop), измерение наземных и связующих точек (PHOTOMOD AT), создание ЦМР по стереопарам (PHOTOMOD DTM), выполнение векторизации в стереорежиме (PHOTOMOD StereoDraw), построение ортоизображений (PHOTOMOD Mosaic), создание цифровых карт (PHOTOMOD VectOr).

В отличие от традиционной технологической схемы работы с PHOTOMOD, при обработке ADS 40 отсутствует этап уравнивания (ориентирования снимков), так как этот процесс выполняется перед добавлением снимков в проект программой ORIMA. Другие особенности обработки ADS 40 в PHOTOMOD рассмотрены ниже.

При выполнении съёмки сенсором ADS 40 получается целый набор растров, и перед добавлением снимков в проект необходимо выбрать, какие из них целесообразно обрабатывать. Выбор снимков для построения ортоизображения определяется тем, должно ли оно быть панхроматическим или мультиспектральным; в случае построения панхроматического ортоизображения предпочтительным является использование снимков, полученных надирными линейками, что позволит минимизировать влияние погрешностей модели рельефа на точность ортофотоплана. Ответ на вопрос о том, какие снимки следует использовать для построения модели рельефа, не столь однозначен. Из трех снимков, полученных под разными углами тангажа (+;28°, 0°, -14°), можно составить три стереопары с разным отношением базиса съёмки к высоте. Так, стереопара, включающая снимки под углами +28° и -14°, обеспечивает наибольшее отношение базиса к высоте, и является предпочтительной с точки зрения точности решения прямой засечки; с другой стороны, эти изображения в наибольшей степени отличаются друг от друга, что ухудшает надежность работы процедур автоматического сопоставления точек. Обратная ситуация имеет место, если рассматривать стереопару, составленную снимками, полученными под углами 0° и -14°. По-видимому, указанный выбор целесообразно осуществлять, предложив тем операторам, которым предстоит работать с проектом, оценить точность и комфортность наведения по различным стереопарам с учетом используемого программного и аппаратного обеспечения.

Так как ориентирование снимков ADS 40 в системе PHOTOMOD не производится, и система обладает широкими возможностями по работе с данными из других проектов, нет смысла добавлять все снимки ADS 40 в один проект. Достаточно поместить в каждый проект два снимка, составляющие стереопару, а также в том случае, если стереопара не содержит снимок, предназначенный для ортотрансформирования (панхроматический надирный или мультиспектральный), его следует добавить в отдельный маршрут проекта.

Необходимо также иметь в виду, что помимо самих растров, в проект добавляются дополнительные данные (элементы внутреннего и внешнего ориентирования и другие метаданные); эти данные расположены в разных файлах, которые ссылаются друг на друга по абсолютным именам. Процедура сбора данных автоматизирована: при добавлении снимка пользователю достаточно выбрать каталог, в котором находятся файлы метаданных с расширением sup для изображений уровня Level 1. Для того чтобы все необходимые файлы были найдены, необходимо, чтобы структура каталогов, созданная на этапе предварительной обработки снимков, оставалась неизменной. Допустимо перемещение только файлов с расширением sup для снимков Level 1, с которых начинается анализ.

После добавления снимков в проект необходимо в модуле PHOTOMOD AT измерить наземные и связующие точки. При работе с ADS 40 точки с известными наземными координатами используются как контрольные (для проверки результатов предварительной обработки и корректности создания проекта PHOTOMOD), а при работе в условной системе координат также и для установления связи между ней и LSR. Эта проверка осуществляется вместо процедуры уравнивания. Связующие точки используются для построения эпиполярно трансформированных изображений.

Дальнейшая работа с проектом в модулях PHOTOMOD DTM, StereoDraw, Mosaic и VectOr выполняется обычным образом с учетом возможного размещения снимков блока в различных проектах.

5. Апробация технологии на производственном проекте

По заказу ФГУП "Госземкадастрсъёмка" — ВИСХАГИ компанией "Ракурс" был выполнен проект по построению ортофотопланов масштаба 1:2 000 по снимкам ADS 40 на населенные пункты одного из административных районов Московской области. Проект включал в себя 24 маршрута (набора снимков, получаемых одновременно), по которым был создан 351 лист выходных ортофотопланов.

В соответствие с рекомендациями разработчиков сенсора ADS 40, съёмка производилась с пространственным разрешением 20 сантиметров. После оценки возможных вариантов стереопар, из соображений комфортности стереонаблюдения операторами были выбраны для обработки стереопары, составленные надирным снимком, и снимком, полученным под углом 14° к надиру. Каждая стереопара была помещена в отдельный проект PHOTOMOD.

Контроль точности ориентирования снимков производился по 15 контрольным точкам; среднеквадратическая ошибка плановых координат составила около 20 см, высот — 30 см.

Так как для построения ЦМР использовались стереопары с наименьшим отношением базиса съёмки к высоте, работы в модуле PHOTOMOD DTM производились в двукратном увеличении. ЦМР строились путем набора векторов и пикетов вручную по каждой стереопаре с последующим объединением наборов объектов, созданных в разных проектах PHOTOMOD, если картографируемый населенный пункт изобразился на нескольких стереопарах. После этого по данному набору объектов производилось построение модели рельефа в виде TIN (Triangulated Irregular Network), а по ней, в свою очередь, создавались матрицы высот с размером ячейки 2 м.

Построение ортофотопланов производилось по надирным снимкам с использованием возможности модуля PHOTOMOD Mosaic создания ортомозаик по данным из нескольких проектов PHOTOMOD.

Построенные ортофотопланы были переданы заказчику и успешно прошли приемку отделом технического контроля.

Список литературы

1. Tempelmann, U., Borner, A., Chaplin, B., Hinsken, L., Mykhalevych, B., Miller, S., Recke, U., Reulke, R., Ubbing, R. (2000): Photogrammetric software for the LH Systems ADS 40 airborne digital sensor, IAPRS, Vol. XXXIII, Part B1, Amsterdam, pp. 552-559

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: 14.12.2017© Ракурс, 2004-2017