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 

Тенденции цифрового картографирования

Готфрид Конечны (Ганноверский университет, Германия)

Тенденции цифрового картографирования (PDF, 289kB)

1. Введение

В XX веке методы традиционной полевой съёмки были вытеснены аэрофотограмметрическими технологиями создания карт, которые в настоящее время являются высоко эффективными и автоматизированными. Но в последнее десятилетие развиваются новые технологические аспекты, все больше продвигающие методы картографирования. Некоторые из них рассматриваются в этой статье.

2. Цифровые камеры в сравнении с отсканированными снимками центральной проекции

Цифровые камеры использовались для передачи изображений из космоса еще со времени развития космической программы США в 1960-1970гг. В последнее время на потребительский рынок вышли любительские камеры с разрешением 5 и более мегапиксел.

Чтобы конкурировать с техническими характеристиками, имеющимися у камер центральной проекции с одним широкоугольным объективом, необходима цифровая камера с разрешением 900 Мпикс, что значительно ее удорожает, если не применять более дешевые технологии. Одна из таких технологий – использование нескольких объективов для проецирования на матрицы меньшего размера. Этот подход реализован в камере DMC от Z/I Intergraph с семью объективами, и в камере Vexcel Ultracam.

Другая возможность – сконструировать камеру в форме сканера с линейкой ПЗС. Эта технология, используемая в спутниковых системах, была выбрана для камеры Leica ADS 40.

Снимки, полученные камерами с несколькими объективами, необходимо совместить друг с другом путем последовательной обработки каждого изображения с использованием данных калибровки. В результирующем изображении учтена даже компенсация движения сенсора вперед.

Радиометрическое разрешение цифровых элементов сенсора несоизмеримо лучше (11-битная градация серого цвета), чем у отсканированной фотопленки, для которой обычно получают только 6-битную градацию серого из-за условий экспозиции.

То же самое остается верным для камер с линейной матрицей. Тем не менее, для результирующих сканерных изображений необходимо проводить геометрическую коррекцию с учетом элементов внешнего ориентирования. Эти параметры записываются весьма дорогими системами IMU, которые в реальном времени регистрируют 6 элементов внешнего ориентирования сенсора в полете. Работа камер с линейной матрицей, следовательно, зависит от скорости самолета и изменения его ориентации, что устанавливает предел достижимого размера пиксела на местности, и зависит от частоты, с которой работает устройство IMU. Поэтому камере ADS 40 сложнее достигнуть того же размера пиксела на местности при полетах на малой высоте, что и для камер, использующих матрицы.

Стандартные процедуры планирования полетов, использующиеся для аналоговых аэрофотоаппаратов, необходимо модифицировать для цифровых камер, поскольку покрытие территории зависит от размеров матриц и используемых фокусных расстояний.

Другая проблема – достижимая точность на местности в плане и по высоте, которая зависит от размера пиксела на местности и отношения базиса съемки к высоте, зависящая не только от ширины поля зрения объектива, но и от метода получения данных (автоматического или ручного). Без сомнения, расширенные тесты точности будут проведены в ближайшие годы независимыми организациями, чтобы решить проблему точности.

Другой аспект – это продукт, получаемый цифровыми камерами. Снимки, полученные цифровыми камерами, после калибровки и предварительной обработки могут использоваться почти так же, как и аналоговые: для проведения фототриангуляции, построения ЦМР, создания ортофотопланов и векторного картографирования. А изображения, полученные камерами с линейной матрицей, более зависимы от алгоритмов обработки, поставляемыми производителями камер, которые, конечно, готовы лицензировать пакеты программного обеспечения для обработки от сторонних компаний.

Технология, использующаяся в камерах Canon, Kodak или Rolleimetric, не дает нужного разрешения и геометрической точности, такого, как у камер DMC, Ultracam и ADS 40, поскольку первые не были специально разработаны для фотограмметрии. Тем не менее, камеры Canon, Kodak и Rolleimetric успешно использовались в развивающихся странах для картографирования с меньшими требованиями к геометрической точности. Поскольку эти камеры можно уместить в маленький самолет (Cessna, Piper), их можно использовать также и в труднодоступных районах, для которых специальный самолет для аэрофотосъемки слишком дорог.

С другой стороны, такие камеры можно также скомбинировать в устройство, получающее вертикальные и перспективные изображения в четырех направлениях. Такие комбинации камер были использованы в американской компании Pictometry. Использование таких систем дает возможность снимать фасады зданий, а также проводить измерения по снятым объектам (например, измерять расстояние между двумя домами) по 4-м перспективным снимкам.

В израильской компании Ofek-Air было произведено подобное программное обеспечение “Multivision”, в котором традиционные ортофотоизображения можно визуализировать и использовать для измерений вместе с геопривязанными цифровыми перспективными изображениями.

Технологии Pictometry и Multivision предоставляют возможность просмотра объекта и проведения измерений по нему без обычного картографирования.

3. Создание ортофото в сравнении с созданием векторных карт

Традиционно создание векторных карт было конечной целью процесса фотограмметрического картографирования. С внедрением ортофототрансформирования, ортофотоизображение, производство которого быстрее и дешевле, стало рассматриваться, как замена карты. В то время, как создание векторных карт может занимать от 2х до 3х лет, создание ортофото для той же площади может быть завершено за 6 месяцев. Это особенно актуально в развивающихся странах с быстрым увеличением городского населения и недостатком систематического обновления карт, где ортофото является единственной возможностью быстрого картографирования. При этом, конечно, еще более важен ценовой аспект, поскольку городские администрации в развивающихся странах зачастую не могут позволить себе полный цикл создания карт.

Общая стоимость проекта аэрофотосъемки основывается на фиксированной цене, зависящей от доступности территории, которая может быть слишком высокой для удаленных территорий, лишенных инфраструктуры для работы самолета со съемочной аппаратурой.

При использовании цифровой камеры не требуется проводить последующее сканирование снимков, при этом, стоимость одного изображения, полученного при помощи технологии аэротриангуляции, создания цифровой модели рельефа, производства ортофото и мозаики, похожа для аналоговых и цифровых изображений. Тем не менее, использование цифровых камер до сих пор не получило распространения, из-за их большой стоимости, превышающей 1 миллион долларов за штуку.

Стоимость создания векторных карт, использующих 2D процедуры (для межселенных территорий) и использующих 3D процедуры (для городских территорий) довольно высока и зависит от стоимости трудовых затрат. Поэтому многие картографические фирмы в Европе и Сев. Америке размещают заказы по векторному картосоставлению в фирмы тех стран, где трудовые затраты все еще невелики (например, страны Восточной Европы, Индия и Китай).

Итоговая стоимость контракта на картографирование складывается из следующих факторов:

  • себестоимость продукции
  • полевой контроль - 30 % дополнительно
  • накладные расходы - 20 % дополнительно
  • прибыль - 10 % дополнительно
  • покрытие рисков - 40 % дополнительно
    Поэтому стоимость контракта может складываться из цены плюс 100%. Это, конечно, зависит от конкретной экономической ситуации.

    Фотограмметрическое картографирование по-прежнему дешевле, чем наземная съемка, а производство ортофото – наиболее дешевая процедура.
    Процесс создания ортофото особенно сложен для городских территорий, так как геометрия ортофото зависит от рельефа. Следовательно, вершины строений и мостов смещаются на ортофотоизображениях. Решением этой проблемы может быть создание так называемого TrueOrtho, в котором вершины строений и других объектов сдвигаются для устранения искажений. Этот процесс должен проводиться вручную, что увеличивает его стоимость. Объекты, которые нужно сдвинуть, сначала необходимо оцифровать в трех измерениях. Например, компания Inpho разрабатывает эффективное программное обеспечение для минимизации этого процесса. Но стоимость производства изображения TrueOrtho может быть в 2 или 3 раза больше, чем стоимость производства стандартного ортофотоизображения.

    4. ЦМР и лазерное сканирование

    Из сравнения стоимостей фотограмметрических процессов становится ясно, что один из самых дорогостоящих этапов – это создание цифровой модели рельефа способами фотограмметрии. Если цифровая модель рельефа уже имеется (скорее всего, рельеф меняется не часто), то, следовательно, стоимость ортофото может значительно уменьшиться.

    Это происходит в том случае, когда горизонтали на старой карте оцифрованы, и по ним, путем интерполяции в прямоугольную сетку, построена ЦМР, которая может быть в дальнейшем использована для получения ортофото.

    Имеются также альтернативные методы создания ЦМР и ЦММ.

    Как недавно было показано канадской компанией Intermap, цифровая модель рельефа с точностью +/-0.5 м была получена для одной трети площади Британии (50 000 км2) и +/- 1 м для дополнительной зоны в две трети площади Британии (100 000 км2) с шагом 5 м по цене $6/км2 для покупателя.

    Спутниковые радарные системы, типа тех, что используются на Space Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM), позволяют производить ЦМР с шагом 90м для почти всей территории Земли с точностью +/- 5м на участках, не попадающих в радио тень. Для США шаг ЦМР был уменьшен до 30м. Даже притом, что шаг и точность все еще довольно низки, эти данные могут быть использованы совместно с изображениями высокого разрешения (QuickBird, Ikonos) для производства цифровых спутниковых ортофото с точностью 2-3м.

    Другая технология – лидарная съемка. В настоящее время около 140 лидарных систем работают во всем мире (лучшие из них произведены компаниями Optech, Leica и TopEye). Более новые лидарные системы работают на частоте 100 Гц и способны производить цифровые модели поверхности (ЦММ), цифровые модели рельефа (ЦМР) и изображения по интенсивности.

    Проблемы, связанные с лидарными данными, вызванные тем, что данные, получаемые приборами GPS/DGPS CORS и IMU, как правило, недостаточно точно регистрируются во времени относительно более быстрого пульсирования лазера. Кроме того, идентификация наземных точек на лазерном изображении не так точна, как на оптическом. Поэтому для получения мозаики из лазерных изображений должны использоваться перекрестные залеты. В будущем ожидаются одновременные комбинированные съемки с оптическими цифровыми камерами.

    5. Картографирование в САПР и в ГИС шейп-файлах

    В прошлом в большинстве работ по цифровому картографированию использовались карты автоматизированного производства в файлах формата Autocad или Microstation. Эти файлы сопровождались большим количеством кодов объектов и атрибутивной информации, что было нерационально.

    Т.к. картосоставление сейчас должно рассматриваться как основа для функций анализа в ГИС, нет необходимости встраивать процесс получения фотограмметрических данных в объектно-ориентированную структуру данных. Т.к. ГИС шейп-файлы содержат топологию данных и предоставляют доступ к атрибутивным данным, находящимся в объектно-ориентированных базах данных, процесс получения фотограмметрических данных должен использовать эти преимущества.

    Сейчас для получения новых данных несколько поставщиков аппаратного/программного обеспечения предоставляют (или пытаются предоставить) практические решения для прямого создания шейп-файлов в процессе 3D векторизации на следующих цифровых фотограмметрических рабочих станциях:

  • Inpho-DATM
  • KLT
  • Leica LPS
  • Socet Set 3D
  • Z/I Intergraph
    Т.к. многие картосоставительские компании уже оснащены эффективным ПО, например, Z/I Image station от Microstation или Geographics от Bentley, альтернативой прямому решению является конвертация данных из форматов Microstation или Autocad в шейп-файлы, несмотря на то, что это не полностью автоматический процесс.

    Требуемая топология может быть генерирована автоматически в шейп-файлах для большинства объектов, а смысловая нагрузка должна быть введена вручную в атрибутивные данные, привязанные к ярлыкам объектов.
    Это поможет уменьшить необходимое количество кодов объектов, которые, в любом случае, обновлять непрактично.

    Полуавтоматическая процедура конвертации данных в любом случае необходима для данных, полученных из программ Microstation или Autocad.
    Концепция ГИС, как демонстрирует платформа ESRI ArcGIS, четко направлена на создание решений на основе обновляемых, объектно-ориентированных баз геоданных. Современные фотограмметрические операции также должны преследовать эту цель.

    Правильно сконструированная база геоданных позволяет отделить информацию о координатах для определенных точек (например, узлов границы) от топологической информации о линейных и площадных объектах. Это дает возможность генерировать топологию земельных участков, строений и других объектов, безотносительно к точности, с которой были определены узлы объектов (например, узлы границы). Это также позволяет использовать ортоизображения более низкого разрешения (с размером пиксела на местности от 20см до 2м) для предварительного создания топологии объектов и для уточнения координат точек случайным образом с помощью наземных GPS наблюдений, если возникает такая необходимость.

    Атрибуты объектов, хранящиеся в реляционной базе данных и привязанные к точкам, сегментам линий и площадным объектам, являются основой для проведения ГИС-анализа.

    6. Выводы

    Современное техническое развитие фотограмметрии знаменуется переходом от устоявшейся, но изолированной и автономной технологии картографирования, к концепции интегрированных ГИС. Продуктом такой концепции является не карта, как прежде, а данные из базы данных ГИС.

    Технология, использующая аналоговые аэрофотоаппараты, постепенно вытесняется технологиями цифровой съемки.

    Недорогую ГИС-продукцию такую, как ортофото изображения, содержащиеся в базе геоданных в растровой форме, можно комбинировать с векторными данными, совмещая их друг с другом. Комбинация методов съёмки, от GPS измерений на местности, использующихся для конкретных объектов, до получения трехмерных фотограмметрических и данных лазерного сканирования, является подходом к созданию новых и обновлению устаревших карт по разумной цене.

    И, наконец, концепция базы данных ГИС должна стать направляющей и указывающей дальнейший путь развития фотограмметрической продукции. Все эти новшества открывают новые перспективы перед фотограмметрией.

  • 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