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 

Некоторые аспекты использования современных цифровых фотограмметрических камер

Сечин А.Ю., к.ф-м.н, компания "Ракурс"

скачать эту статью (PDF, 1,27МB)

В настоящее время фотограмметрическая обработка снимков производится на цифровых фотограмметрических станциях (ЦФС). Для цифровой обработки требуется сканирование пленки, что часто приводит к потере качества, информации и точности. Потерю качества можно избежать, если использовать данные, полученные с цифровых фотограмметрических камер. В фотограмметрическом производстве все чаще применяются цифровые фотограмметрические камеры. В данной статье мы не будем сравнивать различные модели камер, а обратим внимание читателей на некоторые их характеристики и особенности использования. В статье также приводятся характеристики тех камер, с данными которых автору приходилось сталкиваться. Ничем другим выбор приводимых камер не обусловлен.

В качестве "эталона" при рассмотрении современных цифровых камер мы будем использовать широко распространенную аналоговую камеру Leica RC-30. Камера RC -30 может быть использована с объективами, имеющими фокусное расстояние 150 или 300 мм. Размер кадра у RC-30 составляет 230x230 мм, что при сканировании с типичным разрешением в 15 мкм дает цифровое изображение размером 15000x15000 пикселей. Технология производства цифровых светочувствительных матриц (CMOS или CCD) в настоящее время не позволяет выпускать матрицы такого размера. Поэтому при изготовлении цифровых аэросъемочных камер приходится выпускать камеры с небольшими размерами матриц (среднеформатные камеры, в статье в качестве примера используется камера Aplanix DSS) или использовать специальные приемы по объединению кадров, полученных с разных матриц. Тут следует отметить две лидирующие крупноформатные камеры, использующие разные подходы - Ultracam D, Ultracam X фирмы Microsoft-Vexel и DMC фирмы ZI. Эти камеры для получения цифрового снимка большого размера "собирают" его из изображений меньшего размера. Для камер Ultracam изображения, из которых собирается снимок, получены из разных объективов, но съемка синхронизируется таким образом, что центры проекций этих изображений (положение объективов) совпадают. Для камеры DMC четыре изображения, из которых сшивается "большой снимок", имеют небольшое перекрытие и получены в один момент времени (синхронизация с точностью 0.01 миллисекунды), но центры проекций у этих изображений разные. На наш взгляд подход к комбинированию изображений у камеры Ultracam является более честным и точным с фотограмметрической точки зрения, но исследования [1] показывают, что точность, получаемая этими камерами, практически одинакова.


Получение виртуального снимка в камерах DMC и Ultracam

Другим подходом для получения цифровых изображений большого размера является использование светочувствительной линейки, которая перемещаясь вместе с самолетом, получает цифровой ковер произвольной длины. Этот подход, который используется при съемках с космических спутников, теперь применяется и в аэрофотосъемке. Наиболее известными камерами, использующими этот подход, являются камеры ADS 40 и ADS 80 фирмы Leica Geosystems. Геометрия таких снимков непривычна для фотограмметристов, работающих с кадровыми камерами. В отличии от спутниковых изображений, когда траектория движения носителя не подвержена колебаниям, эти изображения требуют дополнительной коррекции, т.н. преобразования изображений Level0 в Level1. Уравнивание ковров снимков и их преобразование в Level1 производится в программах, поставляемых с камерой.


Схема получения изображений в ADS-80

Пользователи аналоговых камер привыкли к такому термину как "масштаб съемки" и часто переносят этот термин на съемку цифровыми камерами. Съемка для камер типа RC30 производится на лавсановую пленку с размером кадра 23х23 см. Под "масштабом съемки" при этом понимают отношение размеров объектов на пленке к реальным размерам объекта. Перенос понятия "масштаб съемки" на снимки, полученные цифровыми камерами, на наш взгляд совершенно неверен. Для космических цифровых снимков используется понятие "размер пикселя" на местности (в англоязычной литературе GSD - ground sample distance). Это понятие следует использовать и для цифровых камер. Рассмотрим четыре варианта съемки, изображенных на рисунке - (1) съемка аналоговой камерой с размером кадра 23x23 см, (2) съемка аналоговой камерой с размером кадра 18x18см и два варианта (3,4) съемки разными цифровыми камерами.


Понятие "размер пикселя" вместо "масштаба съемки"

Как видно из рисунка все изображения одинаковы. Если же рассчитать "масштаб съемки", то он разный для всех камер. Отметим тут, что понятие GSD (размер пикселя на местности), которым мы будем в дальнейшем пользоваться, для аналоговых камер зависит от разрешения сканирования. Для аналоговых камер следует пользоваться понятием "масштаб съемки", при использовании понятия GSD для аналоговых камер следует указывать разрешение сканирования. В дальнейшем в статье мы будем считать, что сканирование пленки аналоговой камеры проведено с разрешением 15 мкм.
В следующей таблице приведены основные характеристики рассматриваемых камер.

Камера Размер кадра (пикс) Физический размер пикселя (мкм) Фокусное расстояние F мм (пикс)
ADS 40/ ADS 80 12000 x ∞ 6.5 62.5 (9600)
DMC 13500 x 8000 12 120 (10000)
DSS 7200 x 5400 6.8 60 (8800)
Ultracam X 14400 x 9400 7.2 100 (13900)
RC-30 -(15000 x 15000 при скан. 15 мкм) - 150 (10000 при скан. 15 мкм)

Если в паспорте цифровой камеры не указано фокусное расстояние в пикселях, то его легко рассчитать, разделив фокусное расстояние в мм на физический размер пикселя матрицы камеры. При работе в ЦФС со снимками, полученными с цифровой камеры, совершенно естественно измерять все величины в пикселях. Физический размер пикселя на матрице определяет ее светочувствительность. Чем больше размер ячейки на матрице, тем больше фотонов попадает на матрицу (при использовании одного объектива) - это позволяет проводить съемку с меньшими выдержками или при худшем освещении.

Величина GSD, о которой мы говорили ранее, и которая, в конечном итоге, определяет точность результатов дальнейшей обработки, при съемке с высоты H вычисляется по простейшей формуле

GSD = H/F,

где высота H измеряется в см, а фокусное расстояние F в пикселях. Для сравнения разных камер приведем таблицу со значениями GSD и размерами кадра на земле при съемках с разных высот.

Камера/H+размер 500 м 1000 м 2000 м
ADS 40/ ADS 80 5.2 см 624 м x ∞ 10.4 см 1250 м x ∞ 20.8 см 2500 м x ∞
DMC 5 см 675 м x 400 м 10 см 1350 м x 800 м 20 см 2700 м x 1600 м
DSS 5.7 см 410 м x 308 м 11.4 см 820 м x 616 м 20.8 см 1640 м x 1232 м
Ultracam X 3.6 см 518 м x 338 м 7.2 см 1036 м x 676 м 14.4 см 2072 м x 1352 м
RC-30/150/15мкм 5 см 750 м x 750 м 10 см 1500 м x 1500 м 20 см 3000 м x 3000 v

Размер кадров цифровых камер прямоугольный. Вообще говоря, такие камеры можно по разному монтировать на носителе (самолете). Для обеспечения большего захвата при маршрутной съемке или для экономии горючего при площадной съемке цифровые камеры монтируются длинной стороной поперек движения носителя, как показано на следующем рисунке.


Съемка производится длинной стороной поперек маршрута

Если величина GSD определяет точность результатов в плане, то для получения точности результатов по высоте следует разделить величину GSD на B/H - отношение базиса съемки к высоте съемки. Т.к. для уравнивания блока снимков требуется 60% перекрытие, то величина B/H для разных камер легко рассчитывается и приведена в следующей таблице:

Камера B/H
ADS 40/ ADS 80 0.29/0.49/0.78
DMC 0.32
DSS 0.25
Ultracam X 0.27
RC-30 F=150/300 0.61/0.31

Отношение B/H для камер ADS 40/80 определяется выбором одной из 3х возможных стереопар (назад-надир, надир-вперед или назад-вперед). Как видим отношение B/H для большинства цифровых камер близко к этому отношению для камеры RC-30 с длиннофокусным объективом. В случае использования автоматических измерений (коррелятора) точность измерений по высоте будет определяться формулой

dZ = c*GSD/(B/H),

где c - параметр, определяющий "качество" снимка. По косвенным признакам (ошибки взаимного ориентирования, точность свободных триангуляционных моделей) для некоторых цифровых камер величина с может доходить до величины 0.1.

Одной из паспортной характеристик цифровых камер является число кадров в секунду, которое камера может сделать за единицу времени - (FPS - англ. Frames Per Second). Максимальные значения FPS для разных камер приведены в следующей таблице:

Камера FPS
ADS 40/ ADS 80 -
DMC 0.476
DSS 0.35
Ultracam X 0.74
VisionMap A3 7.5
В этой таблице мы добавили израильскую камеру "VisionMap A3", обладающую уникальным числом кадров в секунду [4].

Значение FPS для камеры ограничивает минимальную высоту съемки (минимальное значение GSD). Дело в том, что самолет, на котором установлена камера, не может лететь медленнее определенной скорости. Для фотограмметрической обработки блока аэросъемки требуется 60% перекрытие соседних снимков в маршруте. Поэтому скорость самолета V, высота H и FPS связаны формулой

V = H* FPS*0.4* (S/F) = 0.4*FPS*S*GSD.

Здесь S размер кадра в пикселях вдоль полета (как правило, короткая сторона кадра). Скорость самолета, обычно, не может быть ниже 40 узлов (75 км/ч). Таким образом камера DMC не может делать кадры с разрешением лучше, чем 4 см. Для камер со светочувствительной линейкой ограничения для GSD вызваны ограничением электроники (скоростью сброса данных). Для первых камер ADS 40 цветные снимки можно было получать только с GSD не менее 15 см. В последних камерах ADS 80 уже можно получать снимки с GSD 5 см. Ограничение, налагаемое предыдущей формулой, может быть существенным для съемок с помощью обычных (мало- и средне- форматных) камер на низких высотах - 50-100м с БПЛА.

Важной характеристикой цифровой съемки является ее качество. Большинство современных цифровых камер позволяют получать снимки с глубиной цвета более 8 бит на канал, это позволяет рассмотреть детали в тенях, недоступные при аналоговой съемке. Некоторые камеры позволяют получать снимки и в инфракрасных (ближнем и дальнем) диапазонах. Рассмотрим подробнее получение цветных изображений цифровыми камерами. В простейшем случае (цифровые камеры малого и среднего форматов) цветное изображение получается прямо при съемке с помощью т.н. байеровской матрицы [3]. Светочувствительная матрица содержит 25 % красных элементов, 25 % синих и 50 % зелёных элементов, расположенных как показано на рисунке.


Байровская матрица

Для получения цветного изображения используются алгоритмы (дебайеризация), использующие специальную интерполяцию и фильтры повышения четкости изображения. На следующих рисунках показаны три цветные составляющие изображения:


комбинированное изображение


и результат дебайеризации к которому в конце обработки применяют искусственное повышение четкости.

С точки зрения фотограмметрической точности эффект такой обработки мало изучен, но, скорее всего, при использовании площадных корреляторов не приводит к уменьшению точности.

Камеры ADS-40 и ADS-80 используют другой подход. За специальным объективом расположены линейки одинакового разрешения (12000 пикселей), чувствительные к разным диапазонам (R, G, B, IR, GrayScale). При этом в ADS-80 за счет использования тетрахроидной оптики не требуется дополнительной обработки для совмещения каналов и получения полноценного цветного изображения. В камере ADS-40 использовался трихроидный фильтр (RGB), поэтому при использовании инфракрасных каналов для создания цветного изображения может потребоваться предварительное ортотрансформирование.
Для снижения стоимости производители камер UltraCam и DMC устанавливают в камеры кроме черно-белых матриц большого разрешения цветные матрицы меньшего разрешения. Для получения цветного изображения большого разрешения в этом случае необходимо использовать алгоритм паншарпенинга (pan-sharpening), который показан на следующем рисунке:


Паншарпенинг

Для камеры DMC на один цветной пиксель приходится 22 черно-белых, для UltraCam 9 черно-белых, для камер ADS паншарпенинг не нужен, т.к. соотношение цветных и черно-белых пикселей равно 1:1. Соотношение цветных и черно-белых пикселей важно для дешифрирования по снимкам, для фотограмметрических задач достаточно иметь черно-белое изображение. При использовании паншарпенинга цветное изображение получается более тусклым или матовым, чем при "настоящей" цветной съемке.

Часто цифровые камеры могут быть использованы вместе с GPS или GPS/IMU приемниками. Эксплуатация камер ADS-40/ADS-80 вообще невозможна без использования GPS/IMU. Ранее считалось, что необходимым условием использования данных GPS является дифференциальный режим измерений с использованием базовых станций, расположенных недалеко (30-50 км) от места проведения съемки. Установка базовых станций в случае съемок в труднодоступных или удаленных районах достаточно трудоемкое и дорогостоящее дело. В последнее время все более точными становятся методы обработки GPS данных на основе эфемерид спутников, доступных через несколько дней после съемки. Эти методы получили название PPP (англ. Precise Point Positioning). Согласно отчету компании GrafNav[2] точность определения координат GPS при использовании PPP в последних версиях математического обеспечения приближается к точности дифференциальных методов:

Ошибки ср. квадр. (см) Полет №1 Полет №2 Полет №3
В плане 6.1 4.3 5.5
По высоте 5.8 5.5 6.9

Во всех трех полетах из таблицы использовался многопроходный (MultiPath) алгоритм PPP. Высоты полетов - от 500 до 1500 метров, время полетов от 2 до 4 часов.

Методы PPP уже широко используются при обработке снимков камер ADS 40/ADS 80. Думаю, они найдут широкое применение и при обработке GPS измерений для других камер.

В случае, если вместе с GPS на борту самолета установлена сиcтема IMU, то после обработки данных GPS/IMU мы получаем для каждого снимка уже готовые элементы внешнего ориентирования. Если точность этих элементов достаточна, то из процесса обработки данных на ЦФС можно исключить процесс уравнивания и использовать т.н. прямое геопозиционирование. Очень грубой оценкой требуемой для прямого геопозиционирования точности IMU системы является угловой размер пикселя ??= 1/F, где F - фокусное расстояние камеры в пикселях. Для рассматриваемых цифровых камер эта величина приблизительно равна 0.006 градуса. Производители IMU систем выпускают аппараты разного класса точности. Так из приборов компании Applanix можно использовать не самые дорогие POS AVI 410 или 510 серий.

Если на борту самолета установлен дополнительно лазерный сканер, который позволяет получать рельеф местности в полете, то фотограмметрическая обработка снимков еще больше упрощается. Для использования технологии лазерного сканирования необходимо использовать GPS/IMU системы класса не ниже (а иногда и выше), чем для цифровых камер.

Технологии прямого геопозиционирования с помощью GPS/IMU и получения рельефа местности с помощью лазерного сканирования все чаще применяются в производстве. Приведем пример проекта из практики компании "Ракурс". Залет с высоты 1200 метров проводился камерой Ultracam D. GSD в этом случае равно 9 см. Общий размер блока 1010 снимков. На блок имелись рельеф, полученный с лазерного сканера, и 8 контрольных планово-высотных точек. При использовании прямого геопозиционирования точность по контрольным точкам составила 17 см, что позволило рассчитать ортофотопланы масштаба 1:2000 без уравнивания и стерео обработки. Для части блока (294 снимка) требовался ортофотоплан масштаба 1:500. Для этой части блока была сделана аэротриангуляция, что позволило поднять точность в два раза, до 8 см.


Прямое геопозиционирование - пример блока из практики

За рамками данной статьи остались вопросы, связанные с архивированием и хранением данных цифровой съемки. Для аналоговых камер следует хранить пленки, т.к. при необходимости пленку можно отсканировать заново. Цифровые снимки с современных камер следует хранить на оптических носителях или носителях на жестких дисках или стримерах. Мы не рассмотрели и экономические аспекты использования современного оборудования - цифровых камер, GPS/IMU систем, лазерных сканеров. Безусловно, для разных проектов и работ приобретение такого оборудования имеет разную экономическую привлекательность. Крупноформатные цифровые камеры позиционируются как полная замена старым аналоговым камерам. Среднеформатные камеры больше подходят для маршрутной съемки или съемки небольших блоков. В ближайшие годы мы, надеюсь, увидим дальнейшее улучшение характеристик нового цифрового оборудования, снижение его стоимости и повышение привлекательности для покупателей.



Использованная литература

1. Jacobsen K. GEOMETRIC HANDLING OF LARGE SIZE DIGITAL AIRBORNE FRAME CAMERA IMAGES, Optical 3D Measurement Techniques, Vol I, pp164-171, Zurich 2007.
2. Airborne Multi-Pass Precise Point Positioning in GrafNav 8.10, Waypoint Products Group, NovAtel Inc. December 2007
3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Фильтр_Байера
4. Райзман Ю. Аэросъёмочный фотограмметрический комплекс VisionMap A3. VIII Международная научно-технической конференция "От снимка к карте: цифровые фотограмметрические технологии". Пореч, Хорватия. 2008.

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