автореферат диссертации по геодезии, 05.24.04, диссертация на тему:Разработка цифровой фотограмметрической системы на базе персонального компьютера (применительно к кадастровым съемкам)

- л?

^1осковский Государственный Университет ' ^ Геодезии и Картографии

I

На правах рукописи

Чугреев Игорь Григорьевич

УДК 528.722

Разработка цифровой фотограмметрической системы на базе персонального компьютера /применительно к кадастровым съемкам/

05.24.04

Кадастр н мониторинг земель

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук.

Москва 1997 г.

Московский Государственный Университет Геодезии и Картографии.

Работа выполнена в МИИГАиК.

Научный консультант - д.т.н., проф., Ямбаев X. К..

Официальные оппоненты:

проф. д.т.н. Чибуничев А.Г.. проф. д.т.н. Погорелов В.В. проф. д.т.н. Куштин И.Ф. Ведущая организация - «Государственный проектно-нзыскательскнй институт земельно-кадастровых съемок».

Защита диссертации состоится " ¿V" О Ь_199/г.

/Л / /

У_час., на заседании диссертационного совета Д.063.01.02 при

Московском государственном университете геодезии и картографии по адресу:

103064 Москва, Гороховский пер., дом 4 (ауд. 321).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИГАиК.

Автореферат разослан _199/7г.

Ученый секретарь специализированного совета

' / Верещака Т.В./

в

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность проблемы. Сегодняшний день на Российском фотограмметрическом рынке характеризуется практическим отсутствием отечественной научно-технической базы по производству современных аналитических приборов, способной удовлетворить потребности топографо-геодезического производства. Одновременно с этим возникла высокая потребность решения нетрадиционных задач именно фотограмметрическими методами - землепользование и инвентаризация земель, обработка цифровой видеоинформации, обновление цифровых карт и т.д..

Как показывает опыт, решение большинства задач оперативнее и удобнее выполнять средствами и методами цифровой фотограмметрии.

Это доказывает и высокая активность зарубежных фирм, предлагающих дорогостоящее фотограмметрическое оборудование, цифровые фотограмметрические системы и технологии - концерн Leika, Zeiss и др. Зарубежные системы и технологии дороги и разнотипны, что не позволяет внедрить единую систему составления карт и планов, стандартизировать и унифицировать процесс крупномасштабного картографирования. Цель работы. Целью работы является разработка отечественной цифровой фотограмметрической системы с достаточно гибкой технологией и высокой степенью адаптации к Российским техническим средствам и поставленным задачам, способной без существенных затрат и в короткие сроки заменить устаревший парк аналоговых фотограмметрических приборов, поднять технологический уровень фотограмметрического производства до современных требований.

Основные этапы и методы исследований. Основные этапы исследований включают решение следующего комплекса научно-технических задач:

- исследование тенденций развития зарубежных систем для определения оптимальной архитектуры разрабатываемой цифровой фотограмметрической системы (ЦФС);

- исследование и анализ стандартно выпускаемых технических средств (ЭВМ, сканирующих систем) на возможность их использования в качестве базового оборудования ЦФС;

- анализ и определение общих и частных зависимостей метрических свойств цифровых и аналоговых изображений;

- исследование влияния разрешающей способности сканирующей системы на точность определения пространственных координат;

- исследование возможности повышения точности измерений по цифровым изображениям;

- разработка архитектуры ЦФС и "дружелюбного" интерфейса пользователя;

- определения оптимального режима поддержки модели;

- разработка удобной системы кодирования, сбора и отображения информации на снимках;

- разработка системы контроля, редактирования, пополнения и обновления информации по снимкам;

- разработка системы экспорта графической и семантической информации в соответствии с принятыми международными стандартами.

Теоретические и экспериментальные исследования выполнялись с использованием математико-статистических методов обработки и анализа экспериментальных данных, сравнительного анализа экспериментальных измерений ЦФС и повторных измерений на фотограмметрических стереокомпараторах.

Диссертация является результатом многолетней работы по разработке отечественной цифровой фотограмметрической системы. Исследования

проводились как в инициативном порядке, так и в рамках госбюджетных тем-№ 109,115, и т.д. •

Основные научные результаты.

Итогом теоретических и экспериментальных исследований стала компьютерная технология получения кадастровой информации методом цифровой стереофотограммегрии. Технология реализована в виде цифровой стереофотограмметрической станции, при разработке и создании которой, в частности, решены следующие задачи:

- Усовершенствован процесс внутреннего ориентирования снимков, позволяющий учитывать искажения цифровых изображений, полученных непрофессиональными сканирующими системами.

- Разработан алгоритм и система интерактивного редактирования фотограмметрической модели.

- Разработан алгоритм поддержки цифровой модели на компьютерах стандартной конфигурации,

- Разработана система внутреннего кодирования топографической и семантической информации для решения задач топографического характера и землепользования.

- Разработан алгоритм решения ряда комплексных задач по сбору, отображению и редактированию топографической и семантической информации.

- Разработан алгоритм автоматического определения высоты в процессе сбора топографической информации.

- Разработан алгоритм повышения точности прямых измерений по отношению к исходному разрешению цифрового изображения.

Разработана система подготовки документации для решения задач землепользования.

Созданная ЦФС может быть использована для создания и обновления топографических карт (планов), цифровых моделей местности, а также для решения других задач.

Реализация результатов.

Результаты работы внедрены в НПО "ГЕО-СИ" (Москва), Симферопольском АГП (КрымГеоИнформатика), Самарском ТИСИЗ'а так же в учебный процесс каф. Геодезия МИИГАиК по специализации - "Автоматизация топографических съемок".

В процессе выполнения работы решались задачи принципиального и практического характера, поскольку технологическая проблематика разработки ЦФС - архитектуры, интерфейса, программной связи разнообразных технических средств и программных модулей в единый технологический комплекс, включая и сегодняшний день - задача достаточно сложная, так как опыт практических разработок аналогичных систем в нашей стране еще достаточно мал. Появление, в последние годы, зарубежных систем на нашем рынке дает отечественным разработчикам лишь общее представление о внутренних связях различных цифровых систем, а отсутствие подробных публикаций по конкретным технологическим моментам ЦФС делает их разработку в высшей степени творческим процессом.

Разработка системы "Апертура" была начата в 1990 году, по личной инициативе, когда на Российском рынке еще не появилось ни одной аналогичной системы, а публикации и сообщения на данную тематику практически отсутствовали. Известные на сегодняшний день системы, такие как DMAW - 1987, DSP1 - 1988, KONTEX MAPPER - 1989 гг., IMAGE STATION - 1992, DVP - 1990, заканчивали или только начинали проходить лабораторные и производственные испытания, а к разработкам других

систем только приступали или собирались приступать. Кроме этого, за рубежом, над разработкой ЦФС работали большие коллективы, имевшие государственную поддержку и финансирование. Неизвестны затраты на разработку конкретных ЦФС, однако известен предел их стоимости на зарубежном рынке, который колеблется от нескольких десятков тысяч долларов до нескольких миллионов, что соизмеримо со стоимостью современных автоматизированных аналитических приборов.

И у нас, в России (ведутся данные разработки в рамках государственной программы. Ими занимаются институты РОСКЛРТОГРАФИИ, МО России и другие. Начало российских исследований в данной области начались примерно в 1991г. и па сегодняшний лень пока нет никаких сообщений о какой-либо законченной, работающей с производственным материалом отечественной системе, принятой на вооружение.

Первый прототип ЦФС "Аперту ра" был разработан в 1991 г, в виде цифрового компаратора. В 1995 году ЦФС "Апертура" приняла свой законченный вид, и в рамках договора с АОЗТ "ГРАН" было предложено испытать ее на производственном материале по инвентаризации земель Челно-Вершинского р-на Самарской области.

Работа заключалась в создании Цифрового и графического плана на сельские населенные пункты (СНП) в масштабе 1:2000 и подготовке документации для поземельных книг по требованиям заказчика.

В качестве исходных материалов были предоставлены:

- исходные аэрофильмы м-ба 1:12.000;

- паспортные значения АФА;

- каталоги координат полевой привязки аэроснимков на СНП;

- материалы полевого обследования СНП;

- материалы нолевого дешифрирования на увеличенных аэроснимках до масштаба « 1:2000;

- поземельный список землепользователей;

- декларации землепользователей.

Для проведения данных работ было организовано 3 рабочих места на базе персональных компьютеров IBM 486-DX4 (RAM 4 mbt, HDD 1.2 gbt). В течении недели было обучено работе с ЦФС 4 специалиста, которые в личное время занимались обработкой фотоматериалов.

В качестве основного носителя информации использовался аэро- j фильм, который преобразовывался в цифровой вид при помощи планшетного сканера EPSON, оборудованного просветной приставкой и имеющего аппаратное разрешение ввода 600 dpi (Обоснования к разрешению сканирующей системы - в приложении к реферату). Снимки рассылались по рабочим местам при помощи локальной сети, связывающей рабочие станции с сервером.

В период с декабря 1995 по июль 1996 г. были выполнены работы по одиннадцати населенным пунктам, общая площадь которых составила 18.0 кв.км и колебалась в пределах от 0.3 до 6.0 кв. км . В процессе выполнения работ было отмечено, что время непосредственной цифровой обработки материалов аэросъемки составляет в среднем 1/3 от полного комплекса работ, 2/3 затрат по времени составляет подготовка материалов поземельных книг, требующая значительной доли ручного труда (отсутствие стандартов и часто изменяющиеся требования подготовки документов, что приводило к частой адаптации программного обеспечения).

В настоящее время пакет программ по подготовке документации прошел модернизацию, уровень автоматизации в подготовке документов значительно повысился, а уровень требований стабилизировался.

На сегодняшний день можно сказать, что система полностью приспособлена к решению задач в области землепользования, несмотря на то, что изначально система разрабатывалась для решения топографических задач.

По мере выполнения работ на отдельные СНП, готовые материалы передавались заказчику. Результаты стереотопографической съемки подвергались жесткому полевому контролю, который был успешно выдержан. Ни одного возврата по вине камеральной группы не последовало и все материалы сдавались с первого предъявления, погрешности определения координат соответствовали точности определенной заказчиком., что подтверждается актами полевой приемки. (Акты полевой приемки работ в приложении диссертации.).

Аппробация работы. Основные результаты исследований и разработок представлены в докладах на:

- конференциях "ГИС - технологии в земельном кадастре" (Круглое озеро, 1994, 1995гг.);

- конференции по вопросам земельного кадастра - МоеГУГиК, 1995г.;

- Первая всероссийская отраслевая конференция - " Современная геодезическая техника в строительстве ". Москва 18-19 апреля 1995г.

- семинаре "Проблемы ввода пространственной информации". Москва, ГИС-Ассоциация, 1996г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в научных отчетах МИИГАиК, 4 статьях, двух авторских свидетельствах и 4 докладах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Она содержит 128 страниц текста, 12 схем и рисунков, 2 таблицы и 9 приложений. Список литературы содержит 61 название.

Содержание работы.

Ведение В настоящее время цифровые методы обработки аэрокосмических изображений в фотограмметрии получают все большее распространение. Предпосылками перехода к цифровым методам явились главным образом две причины.

Первая - появление в середине 60-х годов автоматизированных аналитических приборов ( 1963г. - AS-11 А, фирмы O.M.J. - Bendix; 1968 -UNAMACE фирмы Bunker -Ramo, AS-11В-1 Bendix; GPM - Gestalt и т. д.) преобразующих аналоговые изображения снимков в цифровой код для последующей автоматической обработки его в ЭВМ.

Вторая причина связана с необходимостью обработки нетрадиционных видов информации, получаемой с помощью телевизионных, радиолокационных съемочных систем и приборов с зарядовой связью. Материалы указанных съемок исходно представляются в цифровом виде, и поэтому естественно проводить их дальнейшую фотограмметрическую и картографическую обработку также цифровыми методами с предварительным воспроизведением исходной информации на экране дисплея.

Кроме этого "... цифровые методы фотограмметрии значительно дешевле /традиционных/ даже при использовании дополнительного процесса перевода фотографической информации в цифровую форму... Конечным научным продуктом цифровой фотограмметрии будет создание цифровых фотограмметрических систем с программным обеспечением."

Существующие на сегодняшний день ЦФС можно условно разделить на три группы:

1. Специализированные аппаратно-зависимые ЦФС .

2. Частично аппаратно-зависимые ЦФС.

3. Аппарагно-независимые ЦФС.

Анализируя тенденции развития Цифровых фотограмметрических систем, можно отметить, что в последние годы разработчики ЦФС идут по пути унификации программного обеспечения к аппаратным средствам и используемым операционным системам. По всей видимости данная тенденция будет сохраняться, так как это позволит значительно расширить сферу применения данных систем от решения узкоспециализированных картографических задач до использования их в рамках ГИС широкого спектра.

Постановка задачи на разработку ЦФС:

1. В качестве базовой вычислительной системы должны использоваться стандартные и наиболее массово используемые компьютеры - IBM (386 и выше) базовой конфигурации.

2. Исключить использование узко-специализированных технических средств, делающих ЦФС аппаратно зависимой.

3. Гибкая технологичность и адаптация к поставленным задачам.

4. Простота в эксплуатации.

5. Соответствие точностных параметров системы требованиям действующих инструкций.

6. Простота контроля и редактирования собранной информации.

7. Использование стандартных программных средств постобработки собранной информации.

Поставленные задачи были реализованы в при разработке ЦФС, получившей название "Апертура", чему и посвящена диссертация. Глава!. Рассматривается собственно изображение с точки зрения его информативности, основные понятия аналогового и цифрового изображения, стандарты хранения цифровых изображений.

Кроме этого, на примере видеоадаптера VGA, рассматривается ви-диосистема компьютера и принципы формирования объемных изображений на ЭВМ. Проанализированы способы и алгоритмы построения объемных изображений, отмечены достоинства и недостатки различных способов. В качестве примера, на рис.1 представлена схема алгоритма синтезированного анаглифического изображения.

Левый фрагмент снимка Правый фрагмент снимка

Байт (пиксел) левого снимка Байт (пиксел) правого снимка

Старшие биты левого снимка

Старшие биты правого снимка

С

/

Видеопамять

Рис 1. Схема синтеза анаглифического снимка. Кроме этого рассматривается будущее цифровой фотограмметрии с позиции виртуальной реальности.

Глава 2. Рассматривает основные принципы разработки ЦФС "Апертура". Рассматривается основная задача цифровой фотограмметрии, системы координат и их взаимосвязь, основные этапы ориентирования цифровых снимков.

Рассматривая ЦФС как абстрактную математическую модель, можно • увидеть, что любая ЦФС представляет сооой модель, которая управляется по событиям. Событие - это то, что происходит в реальном времени и вызывает те или иные ответные действия. Ключом для программирования по событиям является определение ответных действий, соответствующих данному событию.

События могут быть глобальными, например инициализация какой либо задачи, и локальными - например события происходящие внутри задачи.

В соответствии с изложенным можно выделить одну из главных составляющих ЦФС - система запросов.

Основная задача Цифровой Фотограмметрии (ЦФ). Системы координат. Связь систем координат.

Под основной задачей ЦФ, как и в классической фотограмметрии, понимают установление связи координат цифрового изображения с пространственными координатами объекта.

Поскольку в ЦФ обрабатываются цифровые изображения (ЦИ), представленные дискретными конечными элементарными объектами (пикселями), а сами изображения наблюдаются на экране монитора, который представляет собой конечное поле, характеризуемое разрешением ус-( тановленной графической "моды", а сами изображения как правило целиком не отображаются экраном монитора, то существует некоторая проблема - установление связи координат между видеосистемой компьютера и цифровыми изображениями, а также установление связи перехода от систты координат цифрового изображения к традиционной системе координат снимка..

и

Рис. 4. Принципиальная схема организации ЦФС.

Системы координат ЦФС. Цифровое изображение (его система координат) характеризуется в первом приближении количеством строк и столбцов матрицы растра, представляющей данное ЦИ. Начало отсчета в этой системе - левый верхний угол матрицы, т.е. первый элемент первой строки.

Графический экран ЭЛТ

С-ц

Рис.3

С-а

Цифровое изображение снимка Координатная метка

Пиксел

изображения

Обозначения:

Оси координат цифрового

Фотограмметрическая система координат сним-Оси координат графического окна моннто-

□

Начала отсчетов соответствующих систем коорди-

Строка изображения; Столбец изображения; Номера координатных меток.

Система координат графического окна монитора также представлена растром, с началом отсчета в левом верхнем углу.

С-а С-ц

1,2,3,4

У

1\

Начато отсчета в классической системе координат снимка, полученного по законам центральной проекции - точка пересечения главного луча системы формирующей снимок с фокальной плоскостью.

Рассмотрим взаимосвязь систем перечисленных координат(рис.З). Рассматривая рисунок, можно увидеть,что в ЦФС существует четыре системы координат:

1. Система координат цифровой матрицы, содержащей изображе- ! ние, образуемой сканирующей системой при преобразовании аналогового снимка в цифровой код;

2. Система координат цифрового изображения, образуемая следом пересечения координатных меток;

3. Система координат графического окна монитора;

4. Фотограмметрическая система координат снимка.

Как видно из рисунка, для нахождения связей перечисленных систем координат, необходимо выполнить некоторые действия. При этом, графическое окно монитора условно примем за датчик, задающий положение измерительной марки в системе координат матрицы цифрового изображения. Данная взаимосвязь осуществляется на этапе внутреннего ориентирования снимков.

На взгляд автора, процесс внутреннего ориентирования цифровых снимков является краеугольным камнем в цифровой фотограмметрии и от того, корректно ли выполнены все преобразования из системы координат 1{ифровой матрицы изображения к метрической системе координат снимка принятой в фотограмметрии, зависит точность и достоверность определяемых пространственных координат объекта. Внутреннее ориентирование цифровых снимков.

1. Переход от координат графического окна монитора к коорди- . патам матрицы, задающей цифровое изображение (т.е. нахождение со-

ответствия между наблюдаемыми координатами локального графического окна и глобальной матрицей изображения). Данная взаимосвязь осуществляется следующим образом.

т'5«гО) = \о(1) + У(0 ,

МХ>.ьО) = Хо(0 + Х(|) где: УоО), Х«(1) - начало отсчета системы координат графического окна для 1 - го снимка относительно цифровой матрицы изображения;

УО), Х(1) - Координаты, измеренные в системе координат графического окна монитора.

N¥-,1.(1), - определяемые координаты, в системе шнуровой

матрицы изображения.

2. Нахождение г.чавной гонки ЦП, угла раз но рога системы координат изображении относительно матрицы ЦП и коэффициентов преобразования растрового изображения к- метрическому. В процессе регистрации координатных меток, координаты, их определяющие, вычисляются по формуле (1). Главная точка цифровой матрицы изображения определяется стандартным образом, как центр тяжести измеренных коорлинат меток:

¥„'(1)= —г_

{2}

ХХ(»)

ХоЧО = —4—

где: Хо'(1) - координаты главной точки ЦИ;

Х(0 - измеренные координаты соответствующих меток в системе координат растрового изображения.

Коэффициенты преобразования растрового шображения в метрическое для нары снимков из следующих соотношений:

К,0) =

-2-1

Ку(1) =

2-Х.) +{\г- У.)

1л4-3

{3}

X з) +(У4-Уз)

Где:

1_/2-4, 1_4-з - паспортные значения расстояний между координатными метками;

X ¡, У; - измеренные координаты соответствующих меток в системе координат растрового изображения.

Коэффициенты преобразования растрового изображения в метрическое, несут еще и другую нагрузку - преобразует растровое изображение за систематическое искажение сканирующей системы и исходного аналогового снимка.

Теперь найдем угол разворота системы координат цифрового изображения, образованного следом пересечения координатных меток с системой координат растра, образующего ЦИ.

1па I =

Кх* (А Х4-з) Ку* (А У4-з)

1П(Х2 =

Ку* (А Уг-1)

{4}

Кх* (Д Х2-1)

где: Ша 1, Ша г - Тангенс соответствующего угла разворота соответ ственной оси изображения; Кх, Ку - Коэффициенты преобразования растра;

Л У1, А X I - Разность координат соответственных меток в системе координат ЦИ.

Разворот изображения определяют для обоих снимков.

3. Преобразование растровых координат в систему координат снимка.

Для преобразования растровых координат ЦИ в систему координат снимка используются следующие зависимости:

1. Для каждою снимка определяется пара координат - X и У в системе координат ЦИ. Эти координаты приводятся к главной точке ЦИ с учетом направления осей инструментальной фотограмметрической системы координат и с учетом преобразования целого тина данных в вещественный.

Х'(0 = Х(1) - Хо(1> ; {5} У'(1) = Уо(.) -У(5).

Где:

Х'(1), У'(1)- преобразованные значения координат; Х(1), У(0 - измеренные координаты в системе ЦИ; Хо ,Уо - главная точка ЦИ, вычисленная по формуле 2.

2. Выполняются непосредственные преобразования из системы координат ЦИ в метрическую систему координат снимка, с учетом углов разворота ЦИ для каждого снимка:

Х"(0 = Х'0)хК*0)хсо8 а(1,])+у'(»)хКу(|)х81п а(У)- МОХ ;

{6}

У"(0 = У'(0хКу0)хсо8 а(»,.0- Х'(1)хК,(|)х$т а(ч)- МОУ.

Где:

Х"(1), У(0 - координаты ЦИ, преобразованные в метрическую систему координат снимка;

:о

Х'(0, У(') - координаты, преобразованные по формуле 5;

Кх(1), Ку(0 - коэффициенты преобразования растра;

МОХ, МОУ - смещение главной точки от центра проекции главного луча снимка.

а(у) - угол разворота соответственной оси системы координат.

Таким образом осуществляется связь систем координат исходного цифрового снимка с фотограмметрической системой координат в ЦФС "Апертура". Значения, полученные из формул 1-4 на этапе взаимного ориентирования цифровых снимков, запоминаются и хранятся в базе данных проекта. Формулы 5 и 6 являются основополагающими и используются в системе для всевозможных преобразований. 2.3. Взаимное и внешнее ориентирование пары снимков.

Дальнейшие преобразования, касающиеся построения модели и ее внешнего ориентирования, выполняются по стандартным и хорошо отработанным формулам аналитической фотограмметрии. Необходимо отметить, что взаимное ориентирование пары снимков в ЦФС "АПЕРТУРА" выполняется в базисной системе координат, пригодной для снимков, имеющих любые углы наклона.

Глава 3. Основные алгоритмы и технические решения в ЦФС

"АПЕРТУРА".

Поддержка модели. Общая концепция и алгоритм.

Из опыта отладки программного комплекса было установлено, что в случае плановой съемки, в экстремальных точках рабочей зоны снимков, отображаемых на экране (края зоны), несоответствие базисных плоскостей одноименных точек редко превышает величины 3-8 пикселей и при наве-

дении курсора на одноименные точки, глаш наблюдателя хорошо компенсируют (аккомадируют) данное расхождение и оператор отчетливо в или г модель. .

Учитывая, что объемное восприятие модели не теряется при значительных величинах остаточного поперечного параллакса (из экспериментальных исследований это значение достигает 3-5 мм, а в отдельных случаях и превышает эти значения) и постановку задачи - работа комплекса на компьютерах стандартной конфигурации, у которых расширенная память редко превышает 4 мбт, а объем исходной цифровой информации о снимках достигает нескольких десятков и даже сотен мбт, принято решение, устранять поперечный параллакс в поле рабочего окна монитора с помощью марок.

При визуализации рабочей зоны снимков задаются начальные значения местоположения марок, которыми служат, в зависимости от рабочего режима системы следующие входные параметры :

- значения приближенного местоположения точек ориентирования получаемых на стадии "маркирования зон опознаков".

- точка входа в модель - последняя зарегистрированная точка модели в процессе сбора информации.

В нервом и во втором случаях координаты местоположения курсора известны н системе координат матрицы изображения. ЭВО также известны. Тогда прямоугольные координаты местоположения курсора вычисляются по следующей формуле с учетом формул 1 - 6 :

а1(х-х0) + а2(у-у0) - аЗ*Г

X = {7,-7л)-----------------------------------+ X* {7}

с!(х-хО) + с2(у-у0) - сЗ*Г

Ы(х-хО) + Ь2(у-у0) - ЪЗЧ

\ = -----------------------------------+ у*

с1(х-хО) + с2(у-у0) - сЗ*Г

Т.е. начальные координаты определяются по формуле одиночного снимка.

Дальнейшее перемещение наблюдательных марок по модели сопровождается их трансформированием, которое определяется следующей формулой :

Ь1(х-хО)+Ь2(у-уО)-ЬЗ*Г V

У0 = -Г---------------------------------= - Г-— {8}

с 1 (х-хО)+с2(у-уО)-еЗ*Г Ъ'

а 1 (х-х0)+а2(у-у 0)-аЗ* Г X'

Х0=-(---------------------------------= —

е1(х-хО)+с2(у-уО)-сЗ*Г 71

Формулы пригодны при любых значениях элементов внешнего ориентирования снимков и приводяться во многих изданиях учебников и публикаций по фотограмметрии.

Вычисления проводяться для левой и правой измерительной марки, с учетом преобразований описанных в формулах 1 - 6, всякий раз, как они получают приращение (перемещаются). Вновь вычисленные соответственные значения местоположения марок на снимках учитываются исполнительным модулем, который присваивает им новые текущие значения и устанавливает их в соответствующие новым значениям ( Х,У) места снимков.

(Ii обряжение цифровой векторной ннформанин на снимках, npc.ician-.leiiiioii ирячоуюлмшмн копр,пшатами Гауса Кргогсра.

Данная задача отнесена к основным в связи с тем, что ЦФС является идеальным средством обновления цифровых карт и другой цифровой информации, собранной ранее и представленной в векторном виде.

Если известны элементы ориентирования снимков, то операция преобразования выполняется по стандартным зависимостям координат предметной и картинной плоскостей (Рассматривается только случай центральной проекции), т.е. решается обратная задача, пересчет координат из предметной плоскости в картинную, представленную снимками. С учетом обратных преобразований описываемых ниже приведенной формулой и с учетом обратных преобразований связей метрических и растровых координат описанных формулами 1 - 6 имеем :

а 1 (X-Xs) + b 1 (Y-Ys) + с 1 (Z-Zs)

х-хО = - f------------------------------------------ {9}

a3(X-Xs) + b3(Y-Ys) + c3(Z-Zs)

a2(X-Xs) + b2(Y-Ys) + c2(Z-Zs)

y-yO = - f------------------------------------------

a3(X-Xs) + b3(Y-Ys) + c3(Z-Zs)

Формула 9 выражает обратную связь координат точки снимка с соответственной точкой объема и широко используется в фотограмметрии для определения элементов ориентирования снимков.

Отображение векторной информации осуществляется с использованием стандартной графической библиотеки языка программирования (в данном случае использовался язык Паскаль).

' Данная зависимость используется в ЦФС "Апертура" при просмотре результатов съемки, ее коррекции, перемещении по стереопаре и т.д.

2-4

Локальные задачи. Некоторые алгоритмы и решения.

К локальным задачам, относятся функции, облегчающие работу оператора на этапе построения модели и сбора информации, функции "общения" с системой и т.д.

Рассмотрим некоторые из них представляющие с точки зрения автора. наибольший интерес. Перемещении но стереопаре.

Под перемещениями по стереопаре понпмиеюя оюбрижение смежных участков изображения снимков не попадающих в рабочее поле графическою окна монитора. Для перемещения используется функциональная клавиша "!•'!", нажчиие на миорую приводит к оюбражепию смежной области е одновременной се центрировкой по местоположения измерительных марок. Рассмотрим процедуры, выполняемые системой для достижения эффекта перемещения.

Данная задача решается перезагрузкой графической памяти и подкачкой ее необходимыми данными с диска. Для этого выполняются следующие действия:

- определяются координаты местоположения курсора в системе координат цифрового изображения для левого и правого снимков;

- вычисляются адреса границ фрагментов вновь отображаемых участков в матрице изображения левого и правого снимка;

- связывается система координат графического окна монитора с началом отсчета отображаемых участков в системе координат матрицы изображения;

- связывается система координат графического окна с системой координат измерительных марок;

- связываются дисковые файлы изображения с системой ЦФС для ■пения необходимых фра! ментов;

- вывод их на жран;

- определение пространственных координат местоположения и »мерительных марок;

. - связать векторные данные полученные ранее с новыми фрагментами изображения и отобразить их.

- подготовить растровый менеджер для быстрого поиска информации;

Схематично данный алгоритм представлен на рис.5. Рассмотрим описание алгоритма более подробно.

Текущие координаты измерительных марок постоянно отслеживаются процедурой "ОМоизеХУ". Опросив ее мы получаем текущие координаты измерительных марок в системе координат цифровых матриц изображения для левого и правого снимков.

Затем определяются требуемые границы новых фрагментов снимка. Границы определяются с условием, что текущие координаты курсора являются центральной точкой нового фрагмента. Тогда, начало нового фрагмента изображения определяется как

У(х1) = Х(0 - 0.5 * 1еп(х1) У(у0 = У(0-0.5*1еп(у0 Ук(х1) = Х(1) + 0.5 * 1еп(х0 {11} Ук(у0 = У(0 + 0.5 * 1еп(у0

где

У(х1), У(у|), Ук(хГ),Ук(у1) - начальные и конечные адреса вновь определяемых фрагментов изображения. У(Х1) - номер (адрес) соответствующей строки начала изображения, а У(у1) - номер начального элемента в строке;

Х(1), У(1) - текущие координаты измерительных марок в системе координат цифровых матриц изображения;

Рис.5 Схема алгоритма перемещения по стереопаре.

1еп(х|), 1еп(у|) - длинна половины графического окна рабочего поля монитора.

Началу 01счек1 системы координш I рлфическич скип мопшорл присваиваю! ся ¡¡новь вычисленные значения У(\1) - мюрдпжны нача-• ли текущих фрагментов в системе координат цифровой матрицы изображения.

В соответствии с вновь определенными параметрами начата отсчетов. с дисковым файлом изображений устанавливается связь, которая определяется соответствующими процедурами для языка программирования, и производится прямое считывание требуемой информации в соответствующую область графической памяти с прямой визуализацией изображения.

Затем, используя стандартные прерывания операционной системы на экране переустанавливаются измерительные марки.

В соответствии с индексным файлом данной стереопары устанавливается связь с векторной базой данных, данные считываются и преобразуются в соответствии с формулами 1-6,9 и, используя стандартные функции отображения графических данных в конкретном языке программирования, .выводятся на экран. В процессе вывода векторной информации на экран готовится растровый менеджер, который связывает адреса векторных данных отобразившихся на экране с базой данных. Увеличение тображсиия н повышение ючиосгн измерений.

Ф\нкння увеличения изображения используется совместно с процедурой перемещения, описанной в предыдущей главе. Увеличение выполняется методом повторения вывода одних и тех же пикселей по строке и столбцу изображения на рабочую область экрана. В процессе измерения увеличенных изображений, пиксел изображения можно трактовать как матрицу, характеризующуюся количеством элементов по строке и столбцу в соответствии с коэффициентом увеличения. Учитывая в процессе измерения положение курсора в увеличенном пикселе, мы можем выполнять под-

пиксельную обработку измерений. Значение измеренных координат в этом случае определяется из следующих соотношений:

X(i) = X'(i) div UV + (X'(i) mod UV )* UV Y(i) = Y'(i) div UV + (V'(i) mod UV )* UV

где

- X(i), Y(i) - преобразованные координаты измеренной точки;

- X'(i), Y'(i) - измеренные координаты точки;

- U V - рабочий коэффициент увеличения;

- div - функция целочисленного деления;

-mod - функция определения остатка от деления.

С помощью данных простых преобразований, при использовании увеличения достигается повышение точности измерений в три-четыре раза. Корреляция марок по высоте.

В процессе сбора информации необходимо корректировать высоту.

Как известно, у человека имеется "ведомый и ведущий" глаз. Глаз, который менее четко распознает мелкие детали является ведомым, соот-' ветственно второй глаз - ведущий.

Выполняя фотограмметрические измерения, наблюдатель всегда четче видит ту марку, которая находится в поле зрения ведущего глаза, и, нередко, воспринимает вторую марку только при значительных ошибках по " высоте.

В связи с этим, в ЦФС "Апертура" имеется алгоритм автоматической коррекции высоты (функциональные кнопки меню - KR, KL). Если оператор нечетко видит правую марку, то ему необходимо задать автома- ' тическую коррекцию правой марки относительно местоположения левой, выбрав функцию KR - корреляция правой марки и наоборот - KL- если хуже видит левый глаз.

В процессе исследований и экспериментальных работ был выбран "классический" алгоритм корреляции, показавший наиболее устойчивую работу с изображением:

(В1,В2)

у«(В1,В2) =------------- ;

||В1||||В2||

где

2 1/2 ||В|| = ( 1В (М)) ;

(1,0 еи

(В1,В2) = £В1(М) В2({,0.

0,0 е к

В], В2 - поле плотностей левого и правого сравниваемого участка снимков.

Формула определяет коэффициент корреляции, инвариантный к преобразованиям контраста и освещенности.

Значение коэффициента корреляции при абсолютном наложении соответственных областей изображения стремится к единице, что и является критерием соответствия наблюдаемых точек. Координатам коррелируемой марки присваиваются значения центрального элемента обрабатываемой области изображения с максимальным коэффициентом корреляции.

Алгоритм хороню зарекомендовал себя при сборе информации. Устойчивость его работы на производственном материале по инвентаризации сельских населенных пунктов (СНП) составила порядка 75%. Вычисление площадей.

В основе вычисления площади лежит известный в геодезии и математике алгоритм вычисления площади многоугольника по координатам его вершин:

2Р = 1х(0[у0+1)-у(И)]

1

или

N

2Р = £у(0[х(И)-хС+1)]

1

где

- Р - площадь объекта;

- х(1), у(1) - координаты вершин объекта.

Как видно из формулы, пдошадь объекта определяемся в проекции на плоскость. Глава 4.

Глава рассматривает технологические аспекты и режимы работ ЦФС, правила работы и функции управления системой. Кроме этого рассматривается подготовительный этан работы системы, подготовка снимков к работе, создание проект а работ, ввод исходных данных.

Укрупненная технологическая схема ЦФС "АПЬРТУРЛ".

л

Заключение.

В процессе выполнения данной работы были достигнуты следующие результаты:

1) Разработана аппаратно-независимая цифровая фотограмметрическая система по обработке материалов аэрофотосъемки, позволяющая получать:

- цифровые модели местности,

- цифровые модели СНП,

- традиционные топографические планы на твердых носителях (бумага, пластик),

- проводить работы по инвентаризации земель,

- выполнять обновление цифровых карт и планов.

Точностные параметры системы по определению координат точек местности соответствуют требованиям инструкции. Среднеквадратические отклонения построения моделей от опорных точек характеризуется следующими ошибками:

Масштаб Рок Мч Мх, Му М7. Тип сканера Разрешение

снимков срел сред. СП

1:6000 350 7 мкм 4 см 6см Настольный НР >5мкм (4ШрО

1:8000 150 6 мкм 2,8 см 1 см Специальный 25мкм (100<Мр1)

1:12000 350 8 мкм 10 см 14 см Наст."Ер50п" 42 мкм(600с!р0

1:14000 100 8 мкм 14 см 14 см Настольный НР 65мкм (400арО

(В приложении 2 приведен листинг построения модели).

2). Разработана аппаратно-независимая система поддержки модели на компьютерах стандартной конфигурации.

3) Разработана система автоматической коррекции высоты при сборе информации.

4). Разработана методика и система внутреннего кодирования топографической и семантической информации для съемок крупного масштаба.

5). Разработана алгоритм и система повышения точности измерении по отношению к исходному разрешению цифрового изображения.

6). Внедрена в учебный процесс кафедры геодезии цифровая система по топографической обработке одиночных снимков (19931) в рамках специализации "Автоматизация топографических съемок".

7). Внедрена в производство на предприятии "Крымгеоинформатика" (1 рабочее место, 1995г), Самарский ТИСИЗ (1 рабочее место) -1996 г., НПО «ГЕО-СИ» - 4 рабочих места -1995г.

8). Выполнено производственное испытание системы на базе АОЗТ "Гран" и Самарского областного земельного комитета.

9). Опубликовано 4 статьи , 4 доклада и 2 авторских свидетельства :

Чугреев И.Г., Шавенько Н.К. "Устройство для получения цифровых

ортокарт". авт. свид. №1657962. Б - нь № 23, 1991 г.

Чугреев И.Г., Шавенько Н.К. "Устройство для определения точек равных высот по снимкам стереопары". Авт. свид. №1530903, б - нь № 47, 1989 г.

Чугреев И.Г.,Михайлов А.П.,Чибуничев А.Г. "Современные методы цифровой обработки топографической информации на ПЭВМ ". Доклад. Конференция "ГИС - технологии в земельном кадастре" (Круглое озеро, 1993г.).

.1.1

Чугреев И.Г. "Цифровой стереокомпаратор на базе IBM". Доклад. Конференция 'ТИС - технологии в земельном кадастре" (Круглое озеро, 1994г.).

• Чугреев И.Г; "АПЕРТУРА, w 2.51". ГИС Ассоциация. Ежегодный обзор. Выпуск № 2 .Раздел "Дистанционное зондирование". Москва, 1995. г,

Чугреев И.Г.. "Макет цифровой фотограмметрической станции (программный комплекс АПЕРТУРА) и некоторые рассуждения о цифровой обработке топографической информации". Известия ВУЗОВ, "Геодезия и аэрофотосъемка" N4, 1996 г.

Чугреев И.Г. "Цифровая фотограмметрическая система на базе персонального компьютера." Доклад. Первая всероссийская отраслевая конференция - " Современная геодезическая техника в строительстве ". Москва 18-19 апреля 1995г.

Чугреев И.Г. "Цифровая фотограмметрическая система 'Апертура' и ее практическое применение". Материалы семинара "Проблемы ввода пространственной информации". Москва, ГИС-Ассоциация, 27.02-1.03.96 г.

Чугреев И.Г. "Автоматическое определение точек равных высот по снимкам стереопары". Исследование Земли из космоса. Москва, №2,1992 г.

. Чугреев И.Г. "Макет цифровой фотограмметрической системы на базе IBM". Доклад. Конференция по вопросам земельного кадастра - Мос-ГУГиК, 1995г.

Приложение 1. Обоснования к выбору «разрешения» сканирующей системы.

Рассмотрим схематический чертеж прямой фотограмметрической засечки.

Базис фотографирования <

При обработке цифровых аэроснимков, плановое положение координат определяется с точностью до половины пикселя разрешения снимков, что очень наглядно следует из рисунка. Примем это за аксиому.

Обоснования требований к сканирующей системе по преобразованию аналоговых аэрокосмоснимков в цифровой вид были выполнены во многих работах. Вполне естественно, что универсальных требований к сканирующей системе выработать невоз-' можно, поскольку таковых на сегодняшний день существует множество, однако можно установить некоторые критерии, на которые необходимо ориентироваться.

Исходными критериями могут служить руководящие документы по тем или иным вилам работ, связанных с обработкой аэроснимков, и точностные характеристики создаваемых топографических документов. Учитывая тот момент, что система разрабатывалась для обработки топографических аэроснимков, а конечной продукцией будет являться ЦММ или традиционный топоплан на твердой основе (бумага, пластик), в качестве исходной информации выберем требования действующих инструкций по топографическим съемкам в масштабах 1:5000 - 1:500 .

В инструкции по топографическим съемкам в масштабах 1:5000 - 1:500 в разделе 2 говорится:

«Средние погрешности (для перехода от средних погрешностей к ско используется коэф. 1.4 или ско = 1.4*0 где (? средняя погрешность) в положении на плане предметов и контуров местности с четкими очертаниями относительно ближайших точек съемочного обоснования не должны превышать 0.5 мм, а в закрытых и горных районах - 0.7 мм. На территориях с капитальной и многоэтажной застройкой предельные погрешности по взаимном положении на плане точек ближайших контуров не должны превышать 0.4 мм. Как исключение, допускается создание топографических планов с точностью более мелкого масштаба. Например для 5000 может допускаться точность 10.000 плана. В этом случае в техническом проекте должна обязательно оговариваться точность создаваемого плана, а на самих планах за восточной рамкой в обязательном порядке указывается методика их создания и точность съемки...»

За критерий точности топоосновы примем допуск 0.4 мм в масштабе создаваемого плана, или на местности, для м-ба 1:2000 это составит 0.8 метра. В инструкции, в разделе аэротопографическая съемка (стр.58), для создания планов м-ба 1:2000 реко-

JO

мендуется масштаб фотографирования от 1:8000 (предельный) до 1: 4500. В качестве критерия масштаба фотографирования выберем м-б 1:8000.

Кроме этого в разделе 10 инструкции (Съемочная геодезическая сеть) говорится, что «...Предельные погрешности положения пунктов плановой съемочной сети, в том числе и опознаков не должно превышать 0.2 мм на открытых и 0.3 мм на закрытых территориях в масштабе создаваемого плана относительно ГГС.»

Исходя из требований инструкции за критерий разрешения сканирующей системы примем погрешности положения пунктов плановой съемочной сети, т.е. 0.2 мм или 0.4 метра в натуре, что составит в масштабе исходных аэроснимков : L=0.2/(8000/2000)=0.050 мм или 50 мкм.

50 мкм составит примерно 500 dpi при сканировании исходных снимков.

Таким образом, выбрав разрешение сканирующей системы 600 dpi (или 42 мкм), мы будем удовлетворять требованиям действующей инструкции по составлению топографических планов заданных масштабов, при условии соблюдения отношения рекомендуемого масштаба залета масштабу составляемого плана. При этом точность определения плановых координат (вычисления выполнены для масштаба 1:2000, но будет соответствовать и другим масштабным коэффициентам, при подстановке соответствующего значения допуска) составит 8м * 0.042 /2= 17 см., что вполне обеспечит точность съемки заданного масштаба (8 м- разрешение на местности в 1 мм снимков м-ба 1:8000).

Приложение 2. Листинг построения модели па ЦФС «ЛПГЛЧ Л 1'.\».

Параметры ЛФЛ 153.180 0.004 -0.001 212.003 212.000

Опорные точки

50 8493.080 5393.470 626.970

51 8512.570 5422.560 626.240

61 8515.270 5475.810 624.950

91 8117.320 5674.110 617.180

100 7978.410 5442.440 620.800

110 7926.580 5257.710 619.570

111 7928.430 5248.200 619.520

112 7882.820 5199.000 616.400

120 7631.100 5342.250 613.540

130 7750.110 5505.660 614.010

140 7788.330 5796.150 612.950

141 7815.290 5786.490 612.480

190 7965.550 5391.210 620.990

780 8275.060 5093.730 629.900

910 8103.540 4996.130 627.810

940 7819.090 5391.150 613.280

950 7815.000 5380 550 613.000

960 7832.710 5466.890 614.710

970 7872.480 . 5532.780 615.680

300 8183.650 4959.240 629.170

301 8199.070 4992 150 629.990

302 8130.100 5069.880 628.400

89 400

8566 000

32 800

8510 800

780 3800.200

302 3019.200

141 7807.400

120 3342.800

91 8082.800

961 7978.400

51 7561.600

800 3781.500

801 3819.000

802 8394.000

803 7429.000

И)мсренпя

170.600 102 200 127.600

225 ООО 8576 600 217.000

8649.800 11 400 8604 200

8704.200 8486.600 8693.600

7670.200 1233.200 7644.200

6527.000 464.600 6503.800

1004.200 5255.200 1043.400

1258.400 853.800 ¡265.800

3995.000 5510.800 3994.400

8198.400 5382.800 8161.200

8379.400 4968.800 8343.600

3785.500 1264.500 3774.500

8366.000 1241.000 8340.000

805 8299.000 1766.500 5737.000 1797.000

806 6942.500 946.000 4403.500 980.500

807 4565.500 4475.500 2030.000 4462.000

808 3605.500 3811.000 1096.000 3799.500

809 3532.500 6463.500 973.500 6440.000

810 8584.000 6407.500 5985.500 6383.000

Левый снимок альфа X(fgm rp.)=-1.12005583304022Е-0004 альфа Y(fgm гр.)=-1.13617761532298Е-0004

Правый снимок альфа X(fgm гр.)=-1.84105029813269Е-0004 альфа Y(fgm гр.)=-1.85292308744325Е-0004

Преобразованные измерения

-105.997 106.001 -106.000 106.001 106.006 106.001 106.003 106.001 -106.032 -105.999 -106.021 -105.999

106.006 • -105.999 106.002 -105.999

780 -11.971 -80.903 -75.714 -81.670

302 -31.690 -52.447 -95.242 -53.355

141 87.161 86.398 23.141 84.459

120 -24.454 79.327 -86.897 77.736

91 94.536 11.669 30.318 10.730

961 92.609 -93.439 28.222 -93.504

51 82.214 -98.031 17.915 -98.174

800 -13.071 16.216 -75.958 15.109

801 -11.388 -98.296 -75.334 -99.068

802 102.946 -84.636 38.490 -84.687

803 78.304 -6.800 14.381 -7.585

805 99.580 67.419 35.392 65.741

806 65.521 87.715 1.8)9 85.807

807 6.648 -0.909 -56.627 -1.882

808 -17.469 15.550 -80.166 14.439

809 -18.863 -50.777 -82.529 -51.625

810 107.463 -48.566 42.826 -48.877

Остаточный параллакс

780 остаточный параллакс = -0.008

302 остаточный параллакс = 0.002

141 остаточный параллакс = -0.001

120 остаточный параллакс = -0.001

91 остаточный параллакс = -0.005

961 остаточный параллакс = -0.0 И

51 остаточный параллакс = 0.019

800 остаточный параллакс = -0.001

801 остаточный параллакс = 0.004

802 остаточный параллакс = -0.011

803 остаточный параллакс = 0.007

805 остаточный параллакс = 0.000

806 остаточный параллакс = 0.001

'807 остаточный параллакс = -0.001

808 остаточный параллакс = 0.003

809 остаточный параллакс = -0.002

810 остаточный параллакс = 0.005

Приближений 4 ср. кв.ош. 0.007

Элементы взаимного ориентирования

0.000 0.000- 0.000 -0.023 0.000 -0.155 62.582 0.000 0.000 -0.015 0.262 -0.264

Координаты точек модели

7 80 х: -15.583 у: -80.420 г: -152.011

302 х: -35.223 у: -52.238 г: -152.057

141 х: 84.191 у: 86.472 т. -155.686

120 х: -28.106 у: 80.509 т. -154.734

91 х: 90.949 у: 11.399 т. -155.103

961 х: 88.065 у: -92.863 г: -153.871

51 х: 77.729 у: -97.358 г: -153.591

800 х: -16 634 у: 16.377 т. -154.023

801 х: -15.003 у: -97.412 г: -151.548

802 х: 98.427 у: -84.248 г: -154 255

803 X 74.764 у: -7 010 т. ■ •154.882

805 X 96 539 у: 67.348 г: -155 870

806 х: 62.523 у: 87.909 г. -155.292

807 х: 3.168 у: -0 929 г: ■ ■153.636

808 х: -21.129 у: 15.765/.: -154.380

809 х: -22.377 у: -50.498 7.: -152.022

810 х: 102.972 у: -48.458 г: -154.310

Элементы внешнего ориентирования модели количество приближений 6

7987.937 5300.067 1278.222 0.490477 0.183410 64.453355 4.277

Элементы внешнего ориентирования снимков

7987.937 5300.067 1278.222 -0.07146 -0.99215 64.29410 8103.344 5541.538 1279.983 -0.11361 -0.47256 64.18605

Вычисленные координаты

N/N У X z dy dx dz

780 8275.056 5093.708 629.906 -0.004 -0.022 0.006

302 8130.101 5069.903 628.394 0.001 0.023 -0.006

141 7815.250 5786.522 612.470 -0.040 0.032 -0.010

120 7631.140 5342.220 613.543 0.040 -0.030 0.003

91 8117.352 5674.134 617.192 0.032 0.024 0.012

961 8514.268 5470.704 625.206

51 8512.541 5422.532 626.234 -0.029 -0.028 -0.006

800 7899.713 5268.197 618.650

801 8341.670 5064.603 632.363

802 8500.152 5526.581 623.623

803 8158 524 5577.730 618 179

805 7911.815 5798.896 612.553

806 7769.735 5705.559 6(3.507

807 8002.988 5312 682 621.330

808 7893.799 5249.730 617.012

809 8147.076 5122.676 628.859

810 8370.444 5610.122 622.546

Ср.кв.погрешность 0.029 0.027 0.008 Максимальные уклонения -0.040 0.032 0.012 Систематическая погрешность -0.000 0.000 0,000

Подп. к печати 21.05.97 Формат 60x90 Бумага офсетная Печ. л. 2,5 ' Уч.-изд. л. 2,5 Тираж £0 экз. Заказ № 141 Цена договорная

МосГУГиК ~

103064, Москва К-64, Гороховский пер., 4