автореферат диссертации по геодезии, 05.24.02, диссертация на тему:Автоматизированные фотограмметрические методы восстановления архитектурных объектов

РГ5 Ой

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ

На правах рукописи

ЦВЕТКОВ ВИКТОР ЯКОВЛЕВИЧ

УДК 528.7:528.721

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИЕ

МЕТОДЫ

ВОССТАНОВЛЕНИЯ АРХИТЕКТУРНЫХ ОБЪЕКТОВ

05.24.02. Аэрокосмпчсскпс сьемкп, фотограмметрия фототопография

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в институту Спецпроектреставрация Министерства культуры России

Официальные оппоненты: Академик международной

Академии информатики, Доктор технических наук, профессор И.Г.Журкин

Доктор технических наук, профессор Б.К. Малявскии

Доктор технических наук, профессор П.ДАмромин

Ведущее предприятие: Проектный и научно-исследовательский институт по изысканиям в строительстве Госстроя России

Защита состоится "" /^^¿¿Ц 1994 г. в / О час О О мин на заседании специализированного совета Д.063.01.01 в Московском государственном университете геодезии и картографии по адресу: 103064, Москва, К-64, Гороховский пер., д.4, МГУГиК, ауд. 321.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИГАиК.

Автореферат разослан " ^^ " $994 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук

"А.Г. Чибуничев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важных социальных и народнохозяйственных задач является рациональное использование и сох ранение памятников истории и культуры. Ежегодно на территории нашей страны гибнет более 3% архитектурных памятников. Острота этих проблем обусловлена недостаточным вниманием к вопросам сохранения культурного наследия.

При реставрации памятников многие задачи решаются методами архитектурной фотограмметрии. Основой решения является фотограмметрическая информация. Ее получают с различных типов снимков , дополняют архивными или современными метрическими и картографическими данными. Это обуславливает необходимость комплексного подхода при обработке фотограмметрической информации в архитектурной фотограмметрии.

Современный этап научно-технического прогресса характеризу--ется широким применением автоматизированных систем. Поэтому основой при автоматизированной обработке фотограмметрической и других видов информации в архитектурной фотограмметрии должна быть специализированная автоматизированная фотограмметрическая система.

Актуальность темы диссертационных исследований подтверждается планом "Мероприятий Министерства культуры РСФСР по повышению эффективности вычислительной техники и автомата -зированных систем на 1986 - 1990 гг."

Проведенные исследования соответствуют научным проблемам, утвержденным АН СССР и ГКНТ в "Комплексной Программе научно-технического прогресса СССР на 1991 - 2010 гг." : разработка теоретических основ проблемно -ориентированного программного обеспечения автоматизированных систем; разработка средств описания объектов проектирования; комплексная автоматизация.

Актуальность диссертационных исследований подтверждается решениями VIII Генеральной ассамблеи ИКОМОС, состоявшейся в октябре 1987г., где была принята специальная резолюция, посвященная необходимости развития автоматизированных методов в архитектурной фотограмметрии. Актуальность работы подтверждается рекомендациями ГУГК (1990) по развитию и использованию методов автоматизированного проектирования для решения задач топографо-геодезического производства.

Цель работы. - Научное обобщение и обоснование теоретичес -ких, экспериментальных и технико-экономических исследований при автоматизированной обработке фотограмметрической информации для решения реставрационных задач.

Решение проблемы восстановления размеров утраченных элементов памятников истории и культуры на основе фотограмметрической информации.

Разработка технологии автоматизированной обработки информации в архитектурной фотограмметрии.

Разработка методологии и технологии получения проектных решений для реставрации памятников истории и культуры на основе фотограмметрической информации.

Решение комплекса задач, возникающих при реализации выше отмеченных исследований.

Методы исследований. Основой сбора теоретических положений и экспериментальных данных послужили

аналитические исследования. Основой получения обобщенных решений и описания технологических процессов послужил системный подход, основанный на общей теории систем, обоснованной в работах М. Месаровича и Ю.А. Урманцева, и классификационном анализе, изложенный в работах М.Дж. Кендела, А.Стюарта и др.

Основой формализации новых и модернизации известных зависимостей в архитектурной фотограмметрии послужили классические положения фотограмметрии и исследования отечественных и зарубежных ученых-фотограмметристов в этой области.

Основой реализации решений и алгоритмов послужил структурный анализ. При внедрении и модернизации применялись методы моделирования и оптимизации.

Научная новизна работы заключается в :

- разработке технологии и методологии автоматизированной обработки информации в архитектурной фотограмметрии;

- в решении проблемы восстановления размеров утраченных элементов памятников истории и культуры на основе фотограмметрической информации;

- разработке методологии и технологии получения проектных решений на основе фотограмметрической информации;

- разработке новых подходов к обработки фотограмметрической информации в архитектурной фотограмметрии;

- классификации и формировании цифровых моделей в архитектурной фотограмметрии.

Научная новизна подтверждается 8 авторскими свидетельствами, включая патент, выданный в ГДР.

Практическая ценность. Разработаны и внедрены новые технологии, расширяющие применение фотограмметрических методов для дистанционных исследований наземных объектов.

Разработаны и внедрены новые методы обработки фотограмметрической и геодезической информации, что расширило технологические возможности фотограмметрического сбора информации в архитектурной фотограмметрии.

Оптимизированы математические и алгоритмические выражения, что повысило вычислительные и технологические возможности обработки информации.

На защиту выносятся следующие научные положения:

Технология и методология автоматизированной обработки информации в архитектурной фотограмметрии.

Решение проблемы восстановления размеров утраченных элементов памятников истории и культуры на основе фотограмметрической информации.

Методология получения проектных решений для реставрации памятников истории и культуры на основе фотограмметрической информации.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на следующих научных совещаниях, конференциях и симпозиумах: на научно-технических конференциях РИСИ и РОВАГО (Ростов-на- Дону 1978, 1981, 1983,1986, 1987, 1988, 1990); на региональной западно-сибирской научно-технической конференции "60 лет декрету В.И. Ленина об учреждении высшего геодезического управления СССР (Новосибирск 1981).

На первой и второй научной сессии по проблеме "Развитие и использование аэрокосмических методов изучения природных явлений и ресурсов" (СО АН СССР, Всесоюз. Научно-координ. совет по проблеме "Аэрокосмические исследования природных ресурсов) (Новосибирск 1978, 1979); на научно-техн. IX, X, XI конференциях ЦНИИГАиК (Москва 1977, 1978, 1979 ); на научно-техн. конференциях НИИГАиК и НОВАГО (Новосибирск, 1976, 1977, 1978, 1979, 1980, 1981).

На Всесоюзной научно-технической конференции "Обработка

изображений и дисташщонные исследования" (СО АН СССР, Новосибирск, 1984); На юбилейной конференции "Перспективы разви тия геодезии и картографии" , посвященной 55-летию ЦНИИГАиК (Москва, 1984). На заседаниях МФ Географического общества СССР (Москва 1984, 1987, 1989).

На международном симпозиуме по архитектурной фотограмметрии "Применение современных фото1рамметрических методов, дистанционных исследований и обработки снимков для сохранения архитектурного и городского наследия" (СОФИЯ, НРБ, 1988).

На научно-реставрационных советах объединения "Росреставра-ция" (Москва, 1986, 1987, 1988). На Республиканской научно-технической конференции "Проблемы картографирования памятни ков культуры и природы" ( Вильнюс, 1989). На 3-ем совещании проблемной комиссии CIPA 6.4 "Архитектурная фотограмметрия для охраны и реставрации" (Вильнюс, 1989)

На международном симпозиуме ИКОМОС "Достижения в области реставрации памятников каменного зодчества" (Москва, 1991).

Реализация результатов исследований. 15 программных средств внедрены в Государственный фонд алгоритмов и программ.

В системе Министерства Культуры РСФСР внедрены пять нормативно-методических разработок.

Технологические и математические методы внедрены при практических реставрационных работах более чем на 30 объектах: Церковь Вознесения, Ново-Иерусалимского монастыря г.Истра, Московская область. Богоявленский монастырьх. Москва, ул 25 -го Октября. Церковь иконы "Казанской Божьей Матери". г.Москва, Красная площадь 4. Государственный Исторический Музей (ТИМ), г.Москва, Красная площадь, 2. Церковь Николы Заяицкого. г.Москва,Раушская наб.4/2. Церковь Николы на Болвановке. г.Москва, Таганская площадь. Церковь иконы "Божьей Матери "Отрады и утешения", г.Москва, Тушино. Дом Культуры им. П. Морозова г.Москва. Церковь Успения в вотчинном имении Л.Н.Толстого.Тульская область, Чернский р-он. Архимандритский дсш.Юрьев монастырьх.Новгород. Церковь Михаила Архангела, г.Новгород .Церковь Вознесения, г. Енисейск , Красноярский край. Место захоронения героя отечественной войны 1812 г штаб-ротмистра H.A. Дуровой. г.Елабуга. Церковь Покрова?. Белгород. Церковь иконы "Казанской Божьей Матери", с.Константиново Рязанская область. Церковь Св. Георгия г. Вологда и др.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ И ЗАДАЧ АРХИТЕКТУРНОЙ ФОТОГРАММЕТРИИ

В первой главе проводится анализ проблем и задач архитектурной фотограмметрии, связанной с реставрационными работами. Предметом исследований и источником получения необходимой информации данной области служат фотоснимки объектов реставрации, консервации, раскопок. Характерным признаком, объединяющим широкий класс таких объектов, является отсутствие у них элементов или частей. Наличие этого основного класса объектов архитектурной фотограмметрии определяет в качестве основной проблему определения размеров утраченных элементов памятников на основе фотограмметрической информации.

Длительное время решение этой проблемы на основе фотограмметрической информации за рубежом специалистами ИКОМОС считалось невозможным. В частности, такой точки зрения придерживался бывший президент ИКОМОС (до 1987) Л. Карбонель. В силу этого в рамках ИКОМОС искусственно тормозились исследования в этой области.

Обобщение проблемы восстановления размеров утраченных элементов на основе фотограмметрической информации приводит к необходимости разработки методологии автоматизированной обработки информации в архитектурной фотограмметрии.

Для уточнения и определения целей исследований в данной главе анализируются особенности сбора и представления фотограмметрической информации и задачи, обусловленные этими особенностями.

Формулируются пять основных задач классификационного анализа, с помощью которых должен быть обеспечен переход от общих теоретических и методологических положений к конкретной реализации решений в виде логико-математических формул и алгоритмов.

Три из задач определены согласно формулировкам, данным М. Дж. Кевделом и А. Стюартом. Две сформулированы автором работы на основе обобщения с учетом особенностей предметной области архитектурной фотограмметрии.

Условия фотограмметрических обмеров памятников как в настоящем, так и в прошлом не всегда удовлетворяют требованиям топографо-геодезического производства. Данные особенности приводит к необходимости поиска и создания новых теоретических и технологических решений сбора информации в специальных случаях обмеров памятников истории и культуры.

Применение системного подхода позволяет представить процессы обработки информации в архитектурной фотограмметрии в виде сложной системы. Анализ такой системы показывает ее гетерогенность по отношению к исходным формам информации, методам и целям обработки. Эта гетерогенность служит основой для представления процессов обработки фотограмметрической и других видов информации в виде совокупности подсистем.

Анализ литературных данных показывает, что автоматизация обработки информации в архитектурной фотограмметрии не имеет прямых аналогов с обработкой информации в других автоматизированных системах (АС). В тоже время, в силу требований к получению и представлению данных на разных этапах преобразования информации, в этой системе должны проявляться свойства, присущие различным АС. Это обуславливает обобщение опыта и исследование АС для построения и оптимизации специализированной автоматизированной системы архитектурной фотограмметрии.

ГЛАВА 2. ОБЩИЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Автор диссертации является сторонником построения автоматизированных систем и методов обработки согласно известной концепции "сверху-вниз". В силу этого должны быть получены решения задач на четырех уровнях : концептуальном, методологическом, уровне реализации, уровне модернизации.

Такой подход обуславливает получение общих решений и последующую их реализацию и модернизацию с учетом требований получения информации в архитектурной фотограмметрии.

Для получения общих решений исследовался опыт функционирования различных автоматизированных систем (АС), которые по отдельным функциям позволяют решать задачи автоматизированной обработки информации в архитектурной фотограмметрии.

Исследовались как системы далекие от фотограмметрии типа

САПР, АСНИ, АСИС, так и автоматизированные фотограмметрические системы.

Обобщенный анализ функционирования различных автоматизированных систем позволяет построить концептуальную модель автоматизированной системы (рис. 1), предназначенную для решения задач архитектурной фотограмметрии.

Рис. 1 Концептуальная модель АС для решения задач архитектурной фотограмметрии

Здесь: ПРТ - подсистема разработки и оптимизации технологий сбора. ПСИ - подсистема сбора первичной информации, ППО -под- система первичной обработки информации. ППБ -подсистема поддержки баз данных. ПМЦМ - подсистема моделирования и формирования цифровых моделей( ЦМ ). ПКК -подсистема контроля и коррекции результатов моделирования. ПГП - подсистема представления графической информации. ПИП - подсистема интерактивного представления информации. ПДО -подсистема документацнонного обеспечения.

Учет тенденций развития современных АС требует их разработки как интегрированных систем. Для интеграции концептуальной системы (рис.1) в технологическую интегрированную был использован системный подход.

В результате была определена структура автоматизированной системы архитектурной фотограмметрии, включающая три

уровня: уровень сбора; уровень моделирования и хранения информации ; уровень представления информации.

Было выявлено, что для создания целостности данной системы необходимо исследовать методы моделирования и построения моделей в архитектурной фотограмметрии, а также методы представления информации.

Одной из главных задач при реставрационных работах является получение проектных решений. Исследования выявили, что основой для проектирования должна быть цифровая модель объекта (ЦМО).

При реставрационных работах цифровая модель объекта может служить для получения: обмерного чертежа, эскизного проекта, рабочего чертежа, конструкторских расчетов.

При получении обмерных чертежей фотограмметрическая информация используется как основа представления графических данных. В этих случаях фотограмметрическая модель однозначно определяет геометрическую часть ЦМО. Такая ЦМО не требует дополнительной геометрической обработки, хотя и меняется структурно по отношению к исходной фотограмметрической.

Однако для проекта реставрации фотограмметрической информации бывает не достаточно. Это обусловлено разными причинами. Например, объект мог неоднократно ремонтироваться в силу чего архивные снимки содержат не тот вид, какой памятник архитектуры имел в начале своей постройки.

Данные обстоятельства приводят к тому , что при решешш реставрационных задач, фотограмметрическая модель может служить частичной основой цифровой модели объекта, которая обязательно должна подвергаться геометрическому анализу и последующей геометрической коррекции.

В силу этого необходимо говорить о трех тшах ЦМО. применяемых в архитектурной фотограмметрии.

Первый тип эта модель, создаваемая на основе фотограмметрической. Второй тип это ЦМО, геометрически соответствующая фотограмметрической модели объекта, но отличающая структурно от нее тем, что она состоит из типовых элементов объектов данного класса.

Третий тип ЦМО получается на основе геометрической коррекции или синтеза модели второго типа, даже в том случае, если фотограмметрические измерения обеспечивают необходимую

точность. Это обусловлено решением как проектно-реставрацион-ных задач, так и требованием наличия в ЦМО дополнительных свойств.

Таким образом, анализ формализованного представления технологической схемы восстановления размеров утраченных элементов на основе фотограмметрической информации приводит к необходимости создания трех типом цифровых моделей объектов (ЦМО), два из которых отличаются от применяемых в автоматизированных фотограмметрических системах.

В силу этого процесс создашш ЦМО для задач реставрационного проектирования должен включать два этапа: построение фотограмметрической модели н формирования на ее основе цифровой модели объекта.

Кроме того, учитывая значение проектных задач для реставрации, возникает потребность получения проектных решений на основе фотограмметрической информации. Анализ этого вопроса приводит к необходимости разработан методологии и технологии фотограмметрического проектирования как нового подхода при решении проектных задач, включая задачи реставрации и задачи восстановления размеров утраченных элементов памятников истории и культуры на основе фотограмметрической информации.

Исследования требований к выдачи информации выявили необходимость организации для этой цели подсистемы документацион-ного обеспечения.

Обобщение теоретических, экспериментальных и технико-экономических аспектов функционирования АС, в областях смежных с архитектурной фотограмметрией, приводит к следующему выводу: - создание автоматизированной системы архитектурной фотограмметрии целесообразно не на основе построения новой теории, а на основе оптимизации.

При таком подходе объектами оптимизации являются: когти ритуальные, методологические, технологические - элементы автоматизированных систем. Целевыми функциями оптимизации являются решения проблем архитектурной фотограмметрии.

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ СБОРА ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ О ПАМЯТНИКАХ ИСТОРИИ И КУЛЬТУРЫ

Первичная информация в архитектурной фотограмметрии характеризуется разнообразием видов и форм. Это определяет главное назначение подсистемы - сбор и преобразование информации, основу которой составляет фотограмметрическая.

Построение моделей, хранение информации и получение проектных решений - эффективно на основе унифицированных структур данных. Это определяет одну из функций данной подсистемы - унификация разнообразных структур данных.

Другой важной функцией подсистемы является получение первичной информации о памятниках истории и культуры в специальных случаях, которые не регламентируются технологическими требованиями топографо-геодезического производства. Эта задача решается путем разработки новых технологий, учитывающих специфику сбора в конкретных случаях.

Первичные данные обобщить на две основные группы: информация собираемая в полевых и в камеральных условиях.

Обследование и обмеры памятников истории и культуры производят с целью инвентаризации или реставрации.

В первом случае материалы полевых и камеральных работ служат для получения обмерных чертежей, а во втором собранная информация служит основой для проектирования.

Обмерные чертежи существующих памятников или их сохранивнпшся частей в большинстве случаев получают на основе хорошо апробированной наземной фотограмметрической съемки.

При проведении полевых работ в архитектурной фотограмметрии встречается большое число случаев, требующих специальных методов сбора информации. Общая тенденция разработки таких методов основана на развитии концепции инвариантности обработан геодезических и фотограмметрических измерений.

Отечественный и зарубежный опыт работ в архитектурной фотограмметрии показывает, что при решении задач инвентаризации число таких специальных случаев невелико.

Реставрация памятников истории и культуры, как правило сопряжена с большим числом специальных случаев сбора информации.

Это обусловлено наличием завалов и большей плотностью посторонних объектов вблизи памятника.

Дополнительно к этому появляется необходимость обработки архивных снимков, элементы ориентирования которых неизвестны и метрические свойства которых ниже, чем у современных снимков, полученных даже любительскими камерами.

Практический опыт показывает, что при реставрационных работах число специальных методов сбора информации в полевых условиях сопоставимо с числом методов сбора стандартными технологиями.

Так при сборе первичной информации о памятниках архитектуры необходимость установки свободно стоящих теодолитов возникает при наличии плотной застройки или из-за плотной растительности вокруг памятника. Это исключает прямую видимость между точками стояния теодолитов и усложняет измерение базиса между ними.

Известны методы, решающие данную задачу за счет внешнего ориентирования теодолитов и последующей обработки угловых измерений фотограмметрическими методами.

Автором дано иное решение данной задачи. Оно заключается в том, что вместо внешнего ориентирования свободно стоящих теодолитов решается задача взаимного ориентирования угловых геодезических измерений и строится модель с последующим внешним ориентированием.

В соответствии с данной технологией выполняют угловые измерения независимо из двух точек наблюдения. Измеряют вертикальные углы У,У1 относительно горизонтальных плоскостей для каждой точки стояния теодолита. Измеряют и углы 0,01 в горизонтальной плоскости относительно направления на выбранную опорную точку объекта. По измеренным углам составляют уравнения взаимного

ориентирования относительно неизвестных постоянных коэффициентов А1

А 1*^0/1)^(0) + А2*1д(У) - АЗ*1§(У)*г8(0) +

А4*(18(С)-1д(С1)) + А5*(1+1§(0)*1д(С1))=1е(У1)/соз(01)

Обработка геодезических угловых измерений осуществляется по аналогии с построением фотограмметрической модели.

Развитие данного метода привело к созданию технологии, основанной на связях между геодезическими угловыми и фотограмметрическими измерениями, выполненными из разных точек. Снимки и угловые измерения рассматривают как два пучка, образованные стереопарой. Этот подход позволяет определять не только координаты объекта, но и параметры архивного фотоснимка, входящего в такую "составную" стереопару.

Одна из технологий съемки интерьеров и объектов основана на многократном фотографирован™ специальной базисной рейки на один снимок. Она была разработана в НИИПГ для съемки городской ситуации (Плоткин О.Р, Томбу P.A., Лисицкий Д.В.) Данный режим использует идеи тахеометрической сьемки, в силу чего технология была названа фототахеометрической.

Автором был разработан специальный алгоритм обработки, основанный на инвариантности проективных преобразований к угловым и линейным измерениям. Модификация фототахеометрического способа сьемки была осуществлена путем создания специального базиса и технологии его использования (АС 1559841).

При съемках интерьеров, в условиях завалов и разрушений внутренней части памятника, была разработана технология, которая явилась развитием предложения доц. М.Н. Ютанова по определению фокусного расстояния снимков и идеи В.Б. Дубиновского по калибровке снимков, полученных из одной точки пространства. В результате проведешшх исследований были получены новые формулы связи между наклонным и нормальным снимками, использующие радиус и утол поворота (АС 1360342).

В целом, по сравнешпо с традиционными технологиями архитектурных обмеров в подсистеме первичной обработки информации сбор осуществляется в более широком технологическом диапазоне.

Анализ технико-технологических возможностей любительской фотоаппаратуры с учетом более низких точностных требований реставрационных Задач позволяет говорить о принципиальной возможности применения многих любительских камер для архитектурной сьемки в масштабах 1:100 и крупнее.

Анализ измерительных свойств исходного фотограмметрического материала, применяемого при решении реставрационных задач, выявляет его более низкие метрические свойства по сравнению с топографическими снимками. Это определяет еще одну важную функцию подсистемы первичной обработки повышение метрических свойств фотограмметрической информации. Для достижения этого были разработаны специальные методы.

В частности, было дано новое решение задачи определения координат контурных точек на снимках с низкими метрическими свойствами (A.C. 678291, Pat.DDR 156142).

Одной из важных дополнительных задач при вычислении пространственных координат точек объектов по паре архивных снимков является идентификация ( отождествление ) точек. Она особенно актуальна, если точки лежат на непрерывных линиях.

Например, метод базисной плоскости заключается в построении плоскости, проходящей через точку снимка и две точки базиса. Проекция этой плоскости на другой снимок дает прямую линию, пересекающую изображение контура объекта в точке соответствия. В дальнейшем этот процесс был усовершенствован за счет аппарата проективной геометрии.

Однако метод имел слабое место. Исследования П.Д. Амромина показали, что при малых ( до 10 градусов) углах пересечения метод не работал. Такое расположение контурных линий характерно для архитектурных объектов.

Именно при таком расположении точек, но за счет их функциональной связи автору удалось найти новый способ идентификации точек на снимках (A.C. 1456785).

Автоматизированная обработка архивных изображений основана на применении устройств автоматизированной регистрации фотограмметрической информации, включая сканирующие устройства. Эксперименты по их использованию показали целесообразность применения сканирования при обработке мелких объектов.

Объем растровой информации, введенной с архивного снимка колеблется в пределах 6-29 Мбайт. Векторное описание контурной части объекта не превышает 500 Кбайт. Поэтому одной из основных задач после автоматизированного ввода изображения является сжатие информации.

Один из типовых подходов к решению данной задачи основан на переходе от избыточного двухмерного описания ареальных структур к параметрическому или линейному описанию тех же объектов. Реализация такого подхода осуществляется на практике с использованием различных технологий и разных алгоритмов обработки цифровых данных. В частности, для этой цели осуществляют выделение контуров объектов, изображенных на фотоснимках

. Большое применение в этой области нашли градиентные методы, когда по заданному порогу градиента происходит выделение части изображения, хранимого в растровой форме безотносительно к форме самого объекта.

Большинство памятников архитектуры содержит элементы правильной геометрической формы. Эта дополнительная информация о взаимном положении точек может быть использована для повышения точности определения линейных границ объектов

В частности, использование такой информации возможно на основе применения метода самообучения. Исследование данного подхода осуществлялось в сопоставлении с градиентным методом..

Эксперимент проводился на модели, полученной искусственным "смазом" изображения с помощью алгоритма регуляризации Результаты исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1

Сопоставительное исследование получения

МЕТОД ФИГУРА а г в б

Обучение Ошибки 1 рода Ошибки 2 рода 2 1 10 3 12 41 53

Градиент Ошибки 1 рода Ошибки 2 рода 2 9 11 155 54 149 162

Из таблицы 1 видно, что использование- метода параметрических самообучаемых моделей более эффективно. Следовательно, при камеральной автоматизированной обработке архивных изображений целесообразно применение метода самообучения.

Подводя итог методам сбора первичной информации о памятниках архитектуры необходимо отметить следующее.

Для сбора информации об архитектурных памятниках в полевых условиях применимы отдельные разработки, выполненные для контроля деформаций инженерных объектов. Наряду с обобщением и применением опыта других исследователей в этой области , автором были выполнены самостоятельные исследования, дополняющие существующие технологии. Вклад автора заключается в:

1. Постановке и решении задачи построения пространственно-ориентированной сети при отсутствии видимости между точками наблюдения. Решение защищено авторским свидетельством A.C. 1456784.

2. Постановке и решении задачи определения координат точек архитектурного памятника на основе обработке комбинированной стереопары, составленой из архивного снимка и угловых измерений теодолита. На основе этой методики определяются параметры архивного снимка. Решение защищено авторским свидетельством A.C. 1363926.

3. Разработке фотограмметрического базиса для архитектурных съемок и технологии его использования. Устройство защищено авторским свидетельством A.C. 1559841.

4. Постановке и решении задачи определения координат точек архитектурных объектов при съемках интерьера с малого базиса. Решение защищено авторским свидетельством A.C. 1360342.

5. Получении новых формул для использования светодаль-номера на малых расстояниях

Анализ технологий сбора информации с архивных снимков в камеральных условиях выявил необходимость применения специальных методов обработки для повышения их метрических свойств. Наряду с обобщением и применением опыта других исследователей, автором данной работы были выполнены самостоятельные исследования, дополняющие известные методы, которые состоят в:

6. Постановке и решении задачи определения координат контурных точек изображений архитектурных объектов на снимках с низкими метрическими свойствами. A.C. 678291, Pat.DDR 156142.

7. Постановке и решении задачи идентификации соответственных изображений контурных точек архитектурных объектов на разномасштабных снимках . Решение защищено авторским свидетельством A.C. 1456785.

ГЛАВА 4. ПОСТРОЕНИЕ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОЙ

МОДЕЛИ И ФОРМИРОВАНИЕ НА ЕЕ ОСНОВЕ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ АРХИТЕКТУРНОГО ОБЪЕКТА

Процесс создания цифровой модели объекта (ЦМО) для задач реставрационного проектирования должен включать два этапа: построение фотограмметрической модели и формирования на ее основе цифровой модели объекта.

Построение фотограмметрической модели в архитектурной фотограмметрии имеет ряд особенностей. В частности, архивные снимки обладают рядом характерных погрешностей, требующих дополнительной математической обработки.

При обработке архивных изображений необходимо устранение искажений, обусловленных нарушением геометрии пучка проектирующих лучей. Модели построенные на основе таких изображений могут появляться не только при обработке архивных снимков, но и при обработке снимков, полученных с камер со шторно-щелевыми затворами, телевизионных, инфракрасных и пр.

Поэтому значение исследования и разработки данных методов выходит за пределы архитектурной фотограмметрии.

При выборе метода обработки архивных снимков важным фактором является возможность компенсации как можно большего числа факторов, создающих искажения изображения.

С этих позиций следует отметить концептуальную идею, в работе Е.И. Калантарова (1979 г.) :" Изменение закономерности построения изображения и его деформация могут рассматриваться как соответствующее изменение свойств пространства".

Анализ пространств, обладающих подобным свойством, приводит к проективному. В нем большая часть погрешностей архивных снимков может быть смоделирована, или компенсирована при их наличии.

Всесторонний анализ, выполненный A.A. Петровым (1959), показал возможность моделирования ( соответственно компенсации) погрешностей типа "трапеция", анаморфотностъ, аффинное преобразование и до. за счет проективных преобразований.

Решение обратной засечки с использованием проективных преобразований осуществлено рядом авторов. Одним из первых эту задачу решил в 1971 г. Томсон. В этой работе Томсон высказывает мнение, что вряд ли существует прямая связь между

Связь между координатами снимка X, г и объекта X, У, через проективные коэффициенты А1 А\ х X +Аг х У + Аъ х X + А*

х =

У =

Ач х X + Аю х У +Ап х 2 +1 X X + Лб X У + X 2 +

(4.1 )

Л9Х^ + /4ЮХ У + ЛПХ2+1 Определение координату, го главной точки снимка через проективные коэффициенты х0 = (А1 хА9+А2хАю + АзхАп) хО2

=(А5хА9 + АбхА[о+А?хАи)х02

С2=(а;+А?0+А;У

Определение фокусных расстояний вдоль каждой оси координат

Г

\ 1/2

/я = ( (А2+А22+А2)хо2-Х0 Т

Определение угловых элементов внешнего ориентрования а = -ага^А) / Д0); со = - агсзт(Д0 х С);

Х=ам^1Аг)

Координаты центра проектирования Х3 ,У5,Х5 определяются при решешп! линейной системы

К А 4|

К Л ЛI х |к5|=

К До

-Л -Л

-1

Рис.2. Определение элементов ориентирования снимка по проективным коэффициентам

коэффициентами проективного преобразования "А1" и элементами ориентирования снимка. Известные уравнения, используемые для решения обратной проективной засечки имеют вид (4.1) рис.2 - координаты объекта, х,г - координаты снимка.

В 1978 были представлены две разработки на эту тему, выполненные независимо. И.Г. Журкин представил статью в журнал "Геодезия и аэрофотосъемка" ( опубликована в 1979 г.), В. Я. Цветков сделал доклад на Первой Межрегиональной конференции "Аэрокосмические исследования природных ресурсов" г. Новосибирск (опубликован в 1979 г.)

Оппонируя Томсону, автор диссертации нашел прямую связь между проективными коэффициентами и элементами ориентирования снимков. Она приведена на рис. 2. Такой подход позволил определить два фокусных расстояния для каждой из осей, т.е. в явном виде позволяет определять анаморфотностъ снимка. Другие , систематические погрешности "спрятаны" внутри проективных коэффициентов. Позже были выполнены другие работы на эту тему.

Изображения архитектурных объектов прямоугольной формы характеризуются наличием трех точек схода. Их положение, показано на рис.3. Особенность данных точек в том, что в них пересекаются изображения всех параллельный линий, расположенных в плоскостях, параллельных базисным координатам плоскостям.

Таким образом при перспективной съемке прямоугольного объекта на снимке ( или за его пределами) существуют три точки Т1, Т2, ТЗ (рис.3), в которых пересекаются три группы взаимноперпендикулярных линий изображения объекта.

Координаты точек Т1,Т2,ТЗ (рис..З) могут быть определены независимо от наличия опорных точек. Это создает дополнительную связь между снимком и объектом, которую целесообразно использовать при фотограмметрических построениях.

Автору диссертации удалось выявить и дать формализованное представление связи между проективными коэффициентами и координатами точек схода Т1, Т2, ТЗ (рис. 3).

В случае возможности измерения или вычисления координат точек схода для семейств прямых, параллельных трем осям, соответственно : оси X - точка Т1 (Хп,2пУ, оси Y - точка Т2 (Х12,г12У, оси Z точка ТЗ (Х{3,г13 ) выражения (4.1) упрощаются и принимают вид

Рис.З. Положение точек схода для прямоугольных архитектурных объектов

_ Д, х х X + Д0 х х,г х V + Д, х хп х Z + Д Д х А' + До хГ+Д, х2 + 1

(4.2)

_ Д х х X + Д 0 х 2а х У + Д, х^хгц

д хх+д0 хг+д, хг+1

Выражения (4.2) требуют для решения обратной засечки меньше опорных точек, чем (4.1). На практике естественно из-за наличия погрешностей необходимо большее число, однако важен принципиальный момент: получение линейных уравнений для решения обратной засечки по меньшему числу опорных точек.

Среди исследуемых памятников архитектуры наиболее широко представлены два класса объектов : двухпарметрические и трех-пар аметрические (объемные).

Двухиараметрические объекты или их элементы характеризуются двумя независимыми параметрами. Они могут быть плоскими или лежать на выпуклой поверхности известной формы, в силу этого для их описания достаточно двух параметров. Свойством таких объектов является возможность определения координат по одному снимку с использованием различных методов трансформировния.

Особенностью архитектурной фотограмметрии является превышение числа исследуемых двухпараметрических объектов над числом трехиараметрических. Это обстоятельство повышает значение совершенствования и развития методов трансформирования.

Формулы для аналитического трансформирования на произвольную плоскость выводятся из (4.1) путем замены одной из координат объекта через другие с помощью заданного уравнения плоскости, на которую производится трансформирование.

Данный алгоритм успешно применялся, но для архитектурных объектов прямоугольной формы был модифицирован за счет использования дополнительных условий на выбор систем координат, а также за счет учета геометрш1 объекта. Такая модификация позволяет уменьшить порядок решаемых нормальных уровней, уменьшить вычислительную погрешность, повысить быстродействие алгоритма.

Анализ структуры архитектурных объектов позволил создать новое решение задачи трансформирования. Идеи этого подхода заложены в переходе от пространства координат к

пространству параметров. Было выявлено, что если уравнение линии на снимке + на объекте Х = КхХЛ-Н, то

существует взаимно-однозначное соответствие между параметрами линий на изображении к, 1х и на объекте К, Н.

К =

В1хк + В2хк-\-В

3

В7 хк + В8 х/г+1 В4хк + В5хН + В6

Г1 = -

В7хк + В8 х/г+1

Здесь В1 - постоянные коэффициенты. Такой подход позволил по новому решить задачу получения структурно-высотной цифровой модели объекта.

В случае возможности измерения на снимке координат точек схода Х1{,2а (точка Т1) и -Х(3,7[3 (точка ТЗ, рис. 3) выражения для аналитического трансформирования упрощаются и принимают вид

^1Т ^ ^ ^ X Х^ X

Аут х ~Ь х 2 1

(4.3)

X X -¿^ду X ^^ X ^ ^ЪТ

А1Т хX +АЯТ х2+\

Выражения (4.3) требуют для определения четырех коэффициентов трансформирования АЗТ,А6Г,А7Т,А8Г не менее двух опорных точек. Однако это специальный случай перспективной сьемки, требующий определения координат точек схода Т1, ТЗ для плоскостного объекта. Исследования показали, что при малых углах (10 градусов и меньше) между линиями на архивных снимках, пересекающимися в точках схода Т1, ТЗ, метод не обеспечивает необходимую точность решения. Поэтому при традиционных технологиях наземной фотограмметрической сьемки, где перспективные искажения малы или практически отсутствуют метод неприменим.

При обработке архивных снимков для построения трехмерных объектов с учетом возможного нарушения условия компланарности был выбран и модифицирован метод решения засечки под условием равенства масштабов.

Л^ Xг, + N2 Xг2 +7У3 у.й=в Я = М1хг1+рхс1+К51

г{,г2,с1 - радиус-вектора модели и вектора "некомпланарнности".

масштабные коэффициенты. В -базис. Я, - проектирующий радиус-вектор и радиус-вектор центра проектирования. р - весовой коэффициент. При выполнении условия компланарности "<Г обращается в ноль.

В работах, посвященных этому методу не давались рекомендации по использованию вектора "сГ. В силу этого выражение определения координат происходило без явного учета вектора "с1".

Автором работы был модифицирован данный метод путем введения весового коэффициента "р". Он определялся по величине модулей проектирующих векторов. При этом координата определяемой точки рассчитывается не по положению конца проектирующего вектора, а как векторная сумма проектирующего вектора и часть вектора (1, определяемая весовым коэффициентом.

Таблица 2

Предрасчет погрешностей на основе решения прямой засечки под условием равенства масштабов и выбора весового коэффициента

ср. кв. ошибки измерения координат снимка мкм предвычисленные погрешности см фактические погрешности см

12 11 11

17 17 17

21 23 25

25 28 31

98 34 38

34 41 42

37 47 51

42 55 58

Такой подход дает возможность не только вычислять координаты точек модели, но и давать предрассчет погрешностей в каждой точке независимо. В таблице 2 приведены результаты модельного эксперимента проверки алгоритма предрасчета погрешностей.

При обработке архивных снимков с неизвестными элементами ориентирования наиболее удобной формой решения прямой засечки является прямая проективная засечка.

(А1-А9Хх)хХ + (А2-Аюхх) х У+(А3 - Ап х x)z = х- А4

(А5 - А9хг)хХ+(Аб~Аюхг) хУ+(А7 -Ап хг)2 =2-\

(4.4)

(Г1-Г9хл?)хА'+(Г2-Г1охх)хГ + (7^-7]1 хх)2 = х-Т4

(Т5-Т9х^хх+{Т6-Тюхг)х¥ + {Т1-Тп хг]г = г-Тв

Здесь Апх,г -параметры и координаты первого снимка,

¡,Х,г - параметры и координаты другого снимка. -

координаты точки объекта. Очевидно, что система допускает наращивание за счет подключения большего числа снимков при сохранении линейной структуры. Тем самым она не только допускает возможное нарушение компланарности, но позволяет решать прямую засечку не по двум снимкам, а по большему их числу, определяемому возможностями вычислительных средств.

Точность проективной засечки того же порядка (при использовании двух снимков), что и при условии равенства масштабов. Данные согласуются с результатами исследований И.Г. Журкина и В. Вайнаускаса.

В случае возможности измерения или вычисления координат точек схода (рис. 3) для семейств прямых, параллельних трем осям, -: оси X - точка Т1 (Хп,гп); оси У - точка Т2 (х[2,х[2); оси Z точка ТЗ (х;3,г;3) выражения (4.4) упрощаются и принимают вид (х -х)хХхА9 + {ха - х)хА10хУ + (хг3 - x)xA1¡xZ = x-A4 (г -г)хХхА9 +{г12-г)хАюхУ + (гп-г)хАп хг=г-А8

(4.5) _

х7+(х,з -х)хТп х2 = х-ТА

[г ^ х X х Т9 +(га -г) х х =

При формировании цифровых моделей необходимо учитывать следующее. Цифровая модель объекта (ЦМО) должна отвечать требованиям, вытекающим из ее определения:

как модель она должна обладать общими свойствами моделей исследуемой области и способностью моделирования для многократного использования и решения различных задач;

как модель объекта она должна содержать индивидуальные свойства описываемого ею объекта;

в силу того, что модель "цифровая" она должна быть оптимально скомпонована на носителях информации и удобна при работе на ЭВМ.

Из первого требования следует, что ЦМО должна содержать дополнительную информацию для ее многократного использования. Другими словами, она должна быть информативно переопределена по отношению к исходной фотограмметрической модели.

Индивидуальные свойства объектов класса памятники архитектуры содержат разнообразную информацию от исторической и экономической до метрической и

конструкционной. С учетом второго требования следует, что оптимальной формой описания таких объектов будет комплексная ЦМО.

Из последнего требования следует, что информационной основой и основой структуры ЦМО должны быть уже применяемые на практике обработки базисные модели, не зависящие от области применения ЦМО, а отвечающие требованиям оптимальной обработки информации на ЭВМ. В качестве таковых были исследованы типовые модели , применяемые в автоматизированных системах.

Проведенный анализ показал, что формирование ЦМО в архитектурной фотограмметрии представляет собой двухэтапный процесс вида

Р1: (БМ хЭП) --> ОМ

(4.6)

Р2: (ИиП х ОМ) --> КЦМ (ЦМО)

Таблица 3

Содержание комплексной цифровой модели (КЦМ) архитектурных объектов

Название моделей Тип данных Содержание Наличие в КЦМ

Описательная текст исторические данные, сведения о материалах, справки, отчет о работе обязатель. необязатель. обязатель.

Тервичная цифровой данные полевых работ, результаты обработки, каталоги координат обязатель. необязатель. обязатель.

Технологическая алфав. -цифровой планы, историч.чертежи, схема измерений таблицы кодировки точек необязатель обязатель. обязатель.

Параметрическая цифровой элементы ориентир.снимкг проективные коэффициен. размеры типовых элемент. необязатель обязатель. необязатель

Метрическая цифровой координаты точек модели графические файлы обязатель. обязатель.

Экономическая алфав. -цифровой смета на проекта, работы исполнительная смета обязатель. необязатель

Планово-оператив. алфав. •цифровой справки: о планах,сроках, >бьектах, стоимости, объемах, заказчиках по ТЗ

Конструкционная алфав. -цифровой расчеты парметров, раскладка элементов, опре-^ление деформаций и т.п. по ТЗ

Здесь БМ-базисные элементы, ЭП - элементы проектирования, ОМ - обобщенная (или промежуточная ) модель. ИиП - реальные измерения и фактические параметры. КЦМ - комплексная цифровая модель. Р1 - процессы эвристического (интерактивного) моделирования. Р2 - процессы математических преобразований.

На основе проведенного анализа и опыта работ в архитектурной фотограмметрии автором определено содержание комплексной цифровой модели, которое показано в таб .3. КЦМ задает интегрированную информационную основу автоматизированной системы архитектурной фотограмметрии.

Как следовало из анализа, данного в главе 2 фотограмметрическое проектирование решает не только задачи формирования цифровых моделей на основе фотограмметрической информации , но и служит основой решения проектных задач.

Главными целями фотограмметрического проектирования являются: построение проектного решения объекта реставрации на основе фотограмметрической и проектной информации; восстановление размеров утраченных элементов памятников архитектуры; оптимальное совмещение необходимых свойств

фотограмметрической обработки информации и методов автоматизированного проектирования в одной технологии.

На основе системного подхода технологию фотограмметрического проектирования можно представить в виде последовательных этапов, изображенных на рис 4.

На первом этапе решается первая задача классификации. Исходное множество измерений X в . результате

классификационного анализа системы Нд преобразуется в множество У сгруппированное по признакам q. Формализация этих действий имеет вид

Ня: X --> У

здесь у=у(х,(1), группы объединяемые по общим признакам.

Базовыми элементами измерений могут быть не только точки (1 -я группа данных), как в классической фотограмметрии; но и отрезки прямых (2-я группа данных); дуги (3-я группа) и др. элементы. Этим решаются две задачи: повышение метрических свойств

Рис. 4. Технологическая схема фотограмметрического проектирования

архивных снимков и выбор базового элемента проектирования. На втором этапе решается вторая задача классификации. Имеется сгруппированное множество измерений X и множество образцов Z, для элементов которого выполняются условия 7(х,р)=0. Первоначально осуществляется оценка информативности эмпирических групп на основе сравнения их с образцами

Ни: X х г ~> и

и определения множества вероятностных параметров и. В случае, если имеет место выполнение условия и > Ипор ( пороговое значение), процесс обработки продолжается и осуществляется преобразование

Нр: X --> У

в ходе которого определяют элементы у=('х,'р), содержащие оценки параметров *р, координат 'х. На этом этапе происходит объединение элементов измерения в типовые элементы проектирования.

Необходимость двух первых этапов обусловлена особенностью входной информации и процессами ее измерения.

На третьем этапе осуществляется предварительная коррекция, обусловленная "нечеткостью" информации. Решается третья задача классификации. Множество измерений X или их функций Р(Х) и классифицируется (группируется) в группы в зависимости от их величин. В результате классификационного процесса Ш

Ш: Р(Х) --> П(Х)

функция или измерение выделяется в группу Н.

После разбиения на основе использования множества технологических параметров Т определяется множество вероятностных значений и.

Ш: И х Т --> и и в случае необходимости осуществляется коррекция

Нк: X --> Хкор,

где Хкор - множество скорректированных данных.

На четвертом этапе осуществляется унификация, обусловленная разнородностью информации в архитектурной фотограмметрии. Множества разнородной информации Х1,Х2,ХЗ преобразуют к единому унифицированному множеству Хи

Ш: XI х Х2 х ХЗ... --> Хи.

Первые четыре этапа реализуются в подсистеме первичной обработки информации.

Пятый этап фотограмметрического проектирования осуществляет построение фотограмметрической и формирование цифровой модели. В архитектурной фотограмметрии оно основано на использовании концепции базисной, обобщенной и комплексной модели.

Типизированная информация об объекте хранится в комплексной ЦМ. Объектная цифровая модель строится в два подьэтапа (4.6). На шестом этапе осуществляется коррекция моделей. На основе де-композищш множество М исходных моделей представляется в виде совокупности множеств геометрических моделей Мг и множеств стохастических моделей Мст. Процесс коррекции К

К: Мг хх Мст --> Мкор хх Мост

приводит к образованию множества Мкор скорректированных моделей и множества остаточных погрешностей Мост ( хх - символ сцепления).

На седьмом этапе происходит представление информации. Множество цифровых моделей КЦМ и множество фактических параметров представления Р определяет вид множества проектной документации Увых

Нр: ЦМ х Р --> Увых.

Технология фотограмметрического проектирования предназначена

в основном для решения задач определения размеров утраченных элементов памятников истории и культуры.

В тоже время, она позволяет решать более широкий круг проектных задач. Это обусловлено обобщенным решением технологии, основанном на использовании общих свойств объектов безотносительно к узкой области применения.

Идеи заложенные в технологии фотограмметрического проектирования позволяют решать новый класс проектных задач: построение моделей и чертежей объектов, не видимых на снимке в явной форме. Например, по данной технологии был восстановлен Восточный фасад Никольской церкви на старом Ваганькове с использованием современных снимков основания церкви и архивного снимка Южного фасада.

При разработке методов формирования цифровых моделей в архитектурной фотограмметрии автором диссертации, наряду с использованием и развитием идей других исследователей в области фотограмметрической обработки архивных снимков, были выполнены самостоятельные исследования, дополняющие существующие разработки. Личный вклад автора заключается в:

1. Получении решения строго определения элементов ориентирования снимка. Данный подход позволяет получать элементы ориентирования при любых начальных значениях. Он учитывает возможные искажения изображения и позволяет в явном внде получать величины, характеризующие анаморфотность архивного снимка.

2 Исследовании геометрических свойств фотоизображений прямоугольных объемных архитектурных обьектов и получения на этой основе новых вариантов решения обратной и прямой фотограмметрических засечек и формул трансформирования. .

3. Использовашш дополнительных геометрических условий между точками на архитектурном объекте для решения задачи трансформирования. Такой подход позволил поставить и решить задачу аналитического трансформирования при меньшем числе опорных точек. Решение защищено авторским свидетельством A.C. 1352210.

4 Получении нового решения аналитического трансформирования на основе перехода от пространства координат к пространству параметров. Данный подход позволяет трансформировать не координаты, а параметры характерных прямых линий на архитектурном объекте.

5. Использовании преобразований К.Ф. Гаусса для решения задачи трансформирования.

6. Выявлении связей между плоским объектом и его проективным отображением (снимком). На основе выявленных связей разработанно новое устройство для графического трансформирования. Устройство защищено авторским свидетельством A.C. 985708.

7. Получении решения прямой засечки при условии возможного нарушения условия компланарности и прогнозе ожидаемой ошибки определения координат.

Наряду с использованием и развитием идей других исследователей в области моделирования и автоматизации, автором данной работы были выполнены самостоятельные исследования, дополняющие существующие разработки. В частности, были выполнены:

8. Исследовании и выборе основных теоретических моделей данных для конструирования цифровых моделей архитектурных объектов и автоматизированной обработки информации.

9. Исследовании применения фотограмметрической информации для получения проектных решений при реставрационных работах и создания для этой цели технологии фотограмметрического проектирования.

10. Решении нового класса фотограмметрических задач: построение моделей и планов объектов, не изображенных в явной форме на фотоснимках. Данный подход расширяет возможности использования архивных фотоснимков для реставрации памятников истории и культуры.

Для подчеркивают различия между фотограмметрическим проектированием и фотограмметрической обработкой в приложении 1 показан результат восстановления Восточного фасада Казанской церкви (г.Москва, Кр. Площадь, 4). В приложении 2 приведен фотограмметрический проект этого же фасада, полученный с использованием дополнительной информации.

ГЛАВА 5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ И КОРРЕКЦИИ ПРИ ОБРАБОТКЕ ИНФОРМАЦИИ В АРХИТЕКТУРНОЙ ФОТОГРАММЕТРИИ

Используя системный подход методологию коррекции информации в архитектурной фотограмметрии можно формализовано описать в виде совокупности следующих процессов.

К1:НдхМ»>Мд; К2: Не х --> Мг хх Мст; КЗ: Нк х Мя --> С>; К4: Нэ х ( Мст х ) --> Мост хх Мкор; К5: (Мг х (Мкор хх Мост)) х вМ -> Мгк хх Мост.

Первый из них К1 производит операцию разложения множества моделей М на подмножества Mq определяемые признаками типизации д. Нд - множество процедур классификации моделей.

На этапе К 2 модель представляется как аддиативная совокупность геометрической Мг и стохастической Мст ее частей. Нб -множество процедур структурного анализа.

На основе исследований свойств подмножества Мд, его классов, подклассов, типов - выявляются дополнительные зависимости (3, характерные для определенного типа (подкласса) исследуемых объектов КЗ. Нк - множество процедур классификации связей.

Формализация выявленных зависимостей, последующее их предоставление в виде логико -математических выражений создают основу для математической коррекции данных (процесс К4). Мкор - множество элементов коррекции, Мост - остаточная часть < Мст.

В результате коррекции (процесс К5) получаем подмножество скорректированных геометрических элементов Мгк. СМ -множество процедур геометрического моделирования.

На основе обобщения теоретических и экспериментальных исследований контроля и коррекции фотограмметрической и цифровой информации выявлены особенности подсистемы коррекции в автоматизированной системе архитектурной фотограмметрии.

Структурной особенностью подсистемы коррекции является ее распределенность как процесса при общности методов обработки. Большинство подходов к контролю и коррекции используют геометрические свойства архитектурных объектов. Тем не менее, отдельные алгоритмы и программы применимы для коррекции моделей объектов других классов.

Стандартные методы целочисленного программирования не

всегда обеспечивают однозначное решение при использовании совокупности мер. В этих случаях полное решение достигается за счет методов эвристического моделирования.

Наличие внутренней структурности (целочисленный набор мер длины) и гармонии (правило "золотого сечения") служат дополнительной информацией для решения новых задач коррекции фотограмметрических моделей.

На основе выявленных особенностей при реализации методов коррекции автором были выполнены следующие разработки.

Дополнена классификация методов контроля и коррекции.

Поставлена и решена задача коррекции моделей контуров с ортогональными сторонами безотносительно к способу получения моделей. Коррекция дана в двух вариантах для одиночных контуров и при их упорядоченном групповом расположении.

Поставлена и решена задача коррекции архитектурных объектов на основе свойств их внутренней структурности.

Получены новые формулы для статистических оценок выборки наблюдений при включении или исключении одного измерения.

ГЛАВА 6. ПОДСИСТЕМА ДОКУМЕНТАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Подсистема документационного обеспечения определяется как часть автоматизированной системы, в которой происходит окончательное формирование информации в виде, необходимом для передачи потребителю. Процесс представления информации О в этой подсистеме формализовано описывается как преобразование отношений множества цифровых моделей ЦМ и множество фактических параметров Р в множества проектной документации Увых

Б: ЦМ х Р--> Увых (7.1).

В архитектурной фотограмметрии можно выделить три основных направления в документационном обеспечении: обработка и представление текстовой информации; обработка и выдача экономической информации; представление графических материалов.

Применение системного подхода позволяет дать

формализованное представление подсистемы документационного обеспечения в виде трех дополняющих друг друга процессов:

Пи ТМ х 1т --> ТД ; Бе: рм х Р) х 1ш--> ЭД (7.3) Е>г: ((ГМ х Р) х СМ) х 1т ~> ГД

Здесь: 1т,ОМ - интерактивное и геометрическое моделирование. Р - параметры. Ве,Ог - процессы представления текстовой, экономической и графической информации. Ведущее место в этой подсистеме занимает интерактивное моделирование.

Типизация и структуризация экономической информации позволяет использовать реляционную модель для описания данных такого типа. Для хранения нефакторизованной текстовой информации целесообразно создание документационной базы данных.

Разнообразие графических моделей привело к необходимости разработки их взаимосвязи. В частности, использование концепции трех основных моделей: базисной, обобщенной и объектной -потребовало дополнительной детализации из -за разнообразия класса обобщенных графических моделей и необходимости оптимизации процесса фотограмметрического проектирования.

Для описания данной классификации использован формализм БНФ (Бэкуса Нормальная Форма). Основными классификационными понятиями описания графических моделей в архитектурной фотограмметрии выбраны: примитив; узел; блок; экспликация; слой; чертеж; объект.

В формализме БНФ они определяться следующим образом: <примитив>::=<точка>, [<точка>,<отрезок>]; <узел>::=<примитив>, <отношение примитивов>, [<примитив>, ареальный элемент>];

<блок>::=<узел>, <параметрывключения>, [<примитив>,<от-ношение примитивов >];

<экспликация>::=<текст>,<размеры> ,<указатели>, [<примитив>];

<слой>::=<типизированный узел>, <типизированный блок>, <типизированный примитив >, [<типизированный блок>, <типизированная экспликация>];

<чертеж>::=<слой>, <слой>, <экспликация>,[<блок>]; <объект>::=<чертеж>, <текстовый документ>, [<чертеж>, <спецификации>];

В квадратных скобках выделены необязательные элементы. К классу обобщенных моделей относятся: узел, блок, экспликация, слой, чертеж. Примитив - базисная модель, объект, -комплексная .модель

Узел образуется как конструкция нескольких примитивов. Он не является их простой суммой, а построен на отношениях (видоизменении) их в общей совокупности.

Назначение блока - многократное использование в данном или в различных чертежах. Поэтому в отличии от узла он дополнен параметрами включения в чертежи.

Эти параметры позволяют: изменять его масштаб при включении в чертеж независимо по двум осям, поворачивать его на любой угол, делать многократную вставку в виде элементов прямоугольной матрицы или элементов, расположенных радиально относительно заданного центра. Он может быть переопределен так, что его предопределение вызывает автоматическую замену во всех частях чертежа, где он вставлен.

При работе с типизированными данными целесообразно создавать обобщенные типизированные модели, из которых можно конструировать различные объектные. Этим решается задача многократного использования цифровых моделей. Такой обобщенной моделью является слой. Он представляет собой совокупность моделей, связанных функционально.

Чертеж представляет собой законченную графическую модель на элемент объекта (или на объект). Он включает все перечисленные модели, скомпонованные в единое целое. Совокупность чертежей определяет графическую модель объекта (комплекса объектов).

Таким образом, графическое представление является наиболее сложным в подсистеме документационного обеспечения.

Подсистема документационного обеспечения и ее части соответствуют общей концепции создания автоматизированной системы архитектурной фотограмметрии и образует в совокупности с другими подсистемами единую целостную систему. Этого удалось достичь применением системного подхода

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования, выполненные при подготовке диссертации, связаны с решением ряда научных задач и проблем. Одной из наиболее важных социальных и народно-хозяйственных проблем явяляется проблема рационального использования и сохранение памятников истории и культуры на основе применения и развития фотограмметрических методов.

В процессе работа проведен всесторонний анализ по обобщению опыта: в развитии систем автоматизации; по обработке

информации и исследованию особенностей работ в архитектурной фотограмметрии.

В диссертационной работе была поставлена и решена важная научная и социальная проблема восстановление размеров утраченных элементов архитектурных и исторических объектов на основе фотограмметрической информации.

Она относится к главным проблемам архитектурной фотограмметрии. Ее решение стало возможным благодаря применению и развитию методов автоматизированной обработки информации.

Автоматизированная обработка информации в архитектурной фотограмметрии соприкасается с широким кругом теоретических и экспериментальных задач и проблем. Их анализ и оптимальное решение потребовали проведения комплексного научного исследования.

В ходе комплексных научных исследований кроме решения отмеченной выше проблемы были получены следующие результаты:

Научно обобщены и обоснованны теоретические и экспериментальные методы автоматизированной обработке фотограмметрической информации для решения реставрационных задач.

Разработана методология и технология получения проектных решений для реставрации памятников истории и культуры на основе фотограмметрической информации.

Решен комплекс задач по фотограмметрической обработке информации и формированию цифровых моделей в архитектурной фотограмметрии.

Задачи, поставленные в диссертации решались на основе теоретических исследований с последующей разработкой технологий и там , где это требовалось алгоритмов и программ. Проверка последних проводилась на тестах и производственном материале.

Исследования носили комплексный характер, автором данной работы были выполнены самостоятельные исследования, дополняющие существующие разработки, в связи с этим личный вклад автора диссертации различен в зависимости от областей исследования.

1. В области сбора фотограмметрической информации для решения реставрационных задач, были поставлены, решены задачи и разработаны технологии, расширяющие возможности сбора информации о памятниках архитектуры в полевых условиях.

Технологические решения защищены авторскими свидетельствами: A.C. 1456784; A.C. 1363926; A.C. 1559841 ; A.C. 1360342.

2. В направлении камеральной обработки архивных снимков применялись специальны методы обработки для повышения пх метрических характеристик. С этой целью были решены задачи: определения координат контурных точек изображений архитектурных объектов на снимках с низкими метрическими свойствами. ( A.C. 678291, Pat.DDR 156142.) и идентификации соответственных контурных точек на разномасштабных снимках с изображениями архитектурных объектов. (A.C. 1456785).

3. В области исследования методов автоматизированной обработки информации в архитектурной фотограмметрии были проведены аналитических исследовании в области создания и функционирования автоматизированных систем, включая фотограмметрические.

Исследованы особенности информационных, потоков в архи-текурно-фотограмметрических задачах. На основе проведенного исследоваши и применения системного анализа определены структурная и технологическая схемы автоматизированной фотограмметрической системы архитектурной фотограмметрии.

4. В области фотограмметрической обработки архивных снимков получены следующие результаты:

Разработаны два варианта строго определения элементов ориентирования снимка. Данные подходы позволяют получать элементы ориентирования при любых начальных значениях. Они учитывают возможные искажения изображения и позволяют в явном виде получать величины, характеризующие анаморфотность архивного снимка.

Даны новые решения задач аналитического трансформирования с использованием геометрических условий расположения точек на архитектурном объекте, и на основе исследования свойств параметров прямых линий на архитектурном объекте и на его изображении. Получены допошштельные уравнения для трансформирования координат точек архивных фотоснимков. Это позволило решить задачу аналитического трансформирования при меньшем числе опорных точек. Отдельные решения защищено авторскими свидетельствами А.С.1352210 , A.C. 985708.

П о лучены два варианта решения прямой фотограмметрической засечки при условии возможного нарушения условия компланарности и прогнозе ожидаемой ошибки определения координат. Данный метод позволяет определять координаты точек при сохранении и при нарушении условия компланарности. При нарушении условия компланарности вычисляется оценка погрешности, за счет нарушения условия компланарности, для каждой определяемой точки независимо.

5. В направлении построения и формирования цифровых моделей на основе фотограмметрической информации и цифрового моделирования были выполнены исследования по выбору основных теоретических моделей данных для конструирования цифровых моделей архитектурных объектов и автоматизированной обработки информации.

Для формирования цифровой модели архитектурного объекта на основе фотограмметрической модели предложен двухэтапный процесс моделирования. Первый этап использует правила продукции и методы эвристического моделирования. Второй этап основан на преобразованиях отношений и геометрическом моделировании.

Разработана технологии фотограмметрического проектирования. Она оптимально совмещает методы обработки фотограмметрической информации и методы систем автоматизированного проектирования.

Дано обобщенное технологическое решение нового класса фотограмметрических задач: построение моделей и планов объектов, не изображенных в явной форме на фотоснимках. Данный подход расширяет возможности использования архивных фотоснимков для реставрации памятников истории и культуры, так как позволяет строит планы фасадов объектов, ортогональных к изображенным на фотоснимке.

6. В области статистической обработки фотограмметрической информации для повышения точности и надежности фотограмметрических построений и цифрового моделирования автором были поставлены и решены задачи коррекции разных моделей: контуров с ортогональными сторонами ; структур моделей архитектурных объектов, коррекции данных при обработке ска-нерных изображений. Методы повышают точность определения координат цифровых моделей архитектурных объектов.

7. В области представления фотограмметрической информации и информационного моделирования Разработана подсистема документационного обеспечения Разработана классификация графических моделей для задач реставрационного проектирования на основе фотограмметрической информации. Разработка данной -классификации позволила уменьшить объем цифровых моделей объектов при повышегаш их информативности.

Результаты теоретических исследований послужили основой для создания и модернизации программно-технологических методов. Алгоритмы запрограммированы для ЭВМ, а 15 из них (включая 3 программных комплекса) внедрено в Государственный фонд алгоритмов и программ.

Разработанные, модифицированные и адаптированные программы обеспечивают практическую реализацию выдвинутых в диссертащш теоретических положешш и составляют программную основу автоматизированной системы архитектурной фотограмметрии.

Основные положешш работы доложены более чем на 30 научных совещаниях, конференциях и симпозиумах, включая четыре междунар одных.

Результаты работы являются вкладом в сохранение культурного наследия страны. Дальнейшее развитие методологии функционирования автоматизированной системы, возможно на основе создания интеллектуальных интерфейсов, разработки и применения экспертных систем. Совершенствование методов коррекции перспективно с применением робастных оценок. Разработка автоматизированных методов обработки информации в архитектурной фотограмметрии является новым этапом расширяющим примените фотограмметрии и методов дистанционных исследований.

По теме диссертации опубликовано более 90 работ (включая 8 книжных изданий и 4 публикации на иностранном языке). Основные положения диссертащш опубликованы в 40 печатных трудах:

1. Цветков В.Я. Определение пространственных координат при помощи ангармонических отношений / Межвуз. сб. // Методы инженерной геодезии и фотограмметрии в строительстве. - Ростов -на-Дону.: РИСИ,1978, с. 72 - 78. ( 0.28 п.л.)

2. Цветков В.Я. Методика обработки снимков неправильной формы // В кн. Развитие и использование аэрокосмических методов изучения природных явлений и ресурсов. - Новосибирск.: СО АН СССР,ИГИГ, ВЦ СО АН СССР, 1979 с. 56 - 63. ( 0.3 п.л.)

3.Аникина Г.А., Поляков М.Г., Романов Л.Н., Цветков В.Я. О выделешш контура изображения с помощью линейных обучаемых моделей. / Изв. АН СССР // Техническая кибернетика. - 1980. - N 6.

- с. 36-43. ( 0.33 п.л.)

4. Цветков В .Я. Подсистема коррекции аэрофототопографической информации // Геодезия и картография. - 1980. - N 11. - с. 36

- 38. (0.2 п.л.)

5. Цветков В.Я. Оптимальный алгоритм выделения контуров изображения // Сб. тр. Цифровые методы оптимальной обработки сигналов. - Новосибирск.: НЭТИ, 1982, с. 27 - 30. (0.24 п.л.)

6. Цветков В.Я., Тихонов В.И. Использование проективных зависимостей при фототахеометрической сьемке / Сб. тр. НИИПГ. // Автоматизация крупномасштабного картографирования. Вып.6.

- М.: ГУГКДНИИГАиК, 1982, с. 81 - 91. ( 0.67 пл.)

7. Цветков В.Я. Автоматизированный метод построения цифровой модели местности по материалам аэрофотосъемки / В кн. Космические методы изучения природной среды Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск .: Наука Сиб. От., 1983, с. 163 - 165. (0.25 и .л.)

8. Цветков В.Я. Способ определения координат точек объекта A.C. 1360342 ( СССР) , Зарег. 19.08.1986, - 4 с.

9. Цветков В.Я. Коррекция прямоугольных контуров // Геодезия и картография. - 1985. - N 6. - с. 37 - 39. ( 0.2 п.л.)

10. Гольдман JI.M., Цветков В.Я. Перспективы совершенствования топографических карт // Известия Всесюз. Географического Общества. -Л, 1985. - т.117, вып. 4. - с.320- 324. ( 0.4 пл.)

11. Цветков В.Я. Способ фотограмметрического определения координат точек объекта A.C. 1363926 ( СССР ). Приор. 10.04. 86, Зарег. 23.10.1986.- 4 с.

12. Цветков В.Я. О двух концепциях автоматизации // Геодезия и картография. - 1986. - N 5. - с. 48 - 51.( 0.4 пл.)

13.Цветков В.Я. Особенности получения цифровой модели местности (ЦММ) фотограмметрическим методом/ В кн. Применение аэрокосмических методов для изучения и контроля состояния земной поверхности. - М.:МФ ГО СССР, 1986.- с. 65 -71( 0.67 пл.)

14. Цветков В.Я. Обработка архивных снимков с использованием формул перспективной зависимости Гаусса / Межвуз. сб. // Геодезия и фотограмметрия . - Ростов-на-Дону.: РИСИД986, с. 59 - 65. (0.34 п.л.)

15. Цветков В.Я., Ходорович Е.А. Составлешю обмерных чертежей архитектурных памятников с использованием архивных фотоснимков. - М.: МК РСФСР, Росреставрация, 1986 - 52 с. ( 2.0 п.л.)

16. Цветков В.Я., Хлебникова Т.А. Исследование прямой фотограмметрической засечки // Геодезия и картография. - 1987. - N 2. -с. 48 -51 .(0.36 пл.)

17. Цветков В.Я. Внешнее ориентирование преобразованной модели и отбраковка опорных точек // Геодезия и картография. -1987. -N 4. -с. 30 - 33 .( 0.33 пл.)

18. Цветков В.Я. Способ трансформирования снимков A.C. 1352210 ( СССР ).Опубл. 15.11.1987, Бюл. N43.-4 с.

19. Цветков В.Я. Применение любительских фотокамер для съемки архитектурных объектов. - М.: МК РСФСР, Росреставрация, 1988 - 20 с. ( 1.1 п.л.)

20. Цветков В.Я. Развитие комплексной автоматизации производства .- М.: ГКНТ, ВНТИЦентр,1988. -100 с.( 6.25 п.л.)

21. Цветков В.Я. Использование цифровых моделей для автоматизации проектирования // Проектирование и инженерные изыскания. - 1989. - N 1. - с. 22 -24. ( 0.25 пл.)

22. Цветков В.Я. Способ создания пространственно-ориентированных сетей на архитектурных объектах A.C. 1456784 (СССР) . Опубл. 07.02.1989, Бюл. N 5. - 4 с.

23. Цветков В.Я. Способ построения точек на снимках A.C. 1456785 ( СССР ).Опубл. 07.02.1989, Бюл. N 5. - 4 с.

24. Цветков В.Я. Локальная база данных цифровых моделей при автоматизированном реставрационном проектировании // Программное средство iniB.N ГОСФАП 50890001125. - М.: ВНТИЦентр, 1989. - 14 с.( 0.5 пл.)

25. Даниленко H.A., Цветков В.Я. Опыт реставрации Богоявленского монастыря с использованием архивных фотоснимков // Геодезия и картография. - 1989. - N 7. - с. 26 - 28. ( 0.3 пл.)

-4426. Цветков В.Я., Любимов И.В., Кочановский Ю.Г. Базисная рейка A.C. 1559841 (СССР) Зарегистр. 22.12.1989.

27. Цветков В.Я. Перспективные средства автоматизации / / Геодезия и картография. - 1990. - N 2. - с,50 - 52. (0.3 пл.)

28. Цветков В.Я., Прохоренко Г.С., Любимов И.В., Фотограмметрический метод определения места захоронения H.A. Дуровой//Геодезия и картография. - 1990. -N3. -С.44- 45.(0.3 п.л.)

29. Цветков В.Я. Автоматизация учрежденческой деятельности -М.: ГКНТ, ВНТИЦентр, 1990. - 114 с. (8.25 п.л.)

30. Цветков В.Я. Структуры данных и технические средства .М.: ВНТИЦентр, 1990. - 110 с.( 7.5 п.л.)

31. Цветков В.Я. Средства массового обслуживания и концентрации информации.- М.:ВНТИЦентр, 1990. - 100 с.(6.5п.л.)

32. Цветков В.Я. Упрощенные методы получения обмерных чертежей по архивным и любительским снимкам - М.: МК РСФСР, Росреставрация, 1990 - 22 с. ( 1.0 п.л.)

33. Цветков В.Я. Технология получения проектной документации с использованием фотограмметрической информации. II Геодезия и фотограмметрия. - Ростов-на-Дону: РИСИ., 1990. - с. 49 -54. ( 0.36 пл.)

34. Цветков В.Я., Кирюхина И.Я. Интеграция информационного обеспечения в промышленной и непромышленной сферах -М.: ГКНТ, ВНТИЦентр, 1991. - 118 с. ( 7.5 пл.)

35. Ванин А.Г.,Цветков В.Я. Современное состояние архитектурной фотограмметрии // Геодезия и картография. - 1991, - N 6. -с. 38 - 40 . ( 0.25 пл.)

36. Цветков В.Я. Использование архивных и любительских снимков для реставрационного проектирования // Геодезия и картография. - 1991. - N 8. - с. 29 - 31 . ( 0.3 пл.)

37. Цветков В.Я. Прогрессивные технология получения проектной документащш . // В. кн. Архитектурная реставрация. - М: Росреставрация., 1990. - с. 258 - 270. ( 0.5 пл.)

38. Цветков В.Я. Методы и системы обработки и представлешш в1щеоинформащш.-М,:ГКНТ,ВНТИЦентр,1991.-113 с.(7.25 пл.)

39. Цветков В.Я. Моделирование в автоматизации научных исследований и проектировании .- М.:ГКНТ, ВНТИЦентр, 1991.125 с. (8.25 пл.)

40. Цветков В.Я. Разработка проблемно ориентированных систем управления. - М.:ГКНТ,ВНТИЦентр, 1991.-132с. (8.5 пл.)

План Восточного Фасода Казанской церкви (г.Москва, Красная плоцадь,4), построенный по архивным фотоснимком

Приложение 2

Фотограмметрический проект Восточного фасада Казанской церкви (г. Москва, Красная пл., 4) выпотеный на основе цифрового моделирования по фотограшетричесю и архивным данным