автореферат диссертации по геодезии, 05.24.04, диссертация на тему:Методы и технология создания интегрированной информационной основы городских территорий в кадастровых целях по материалам периодической аэрофото- и оперативной телевизионной съемки

На правах рукописи

БЫКОВ Леонид Васильевич

МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ ОСНОВЫ ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ

В КАДАСТРОВЫХ ЦЕЛЯХ ПО МАТЕРИАЛАМ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ АЭРОФОТО- И ОПЕРАТИВНОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СЪЕМКИ

05.24.04 —«Кадастр и мониторинг земель»,

05.24.02 — «Аэрокосмические съемки,

фотограмметрия, фототопография»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА 1998

Работа выполнена в Омском государственном аграрном университете.

Официальные оппоненты:

Доктор экономических наук, профессор Лойко П. Ф.

Доктор географических наук, профессор

Новаковский Б. А.

Доктор технических наук Погорелов В. В

Ведущая.организация Федеральный кадастровый центр (ФКЦ) "Земля" :

Защита диссертации состоится 24.12.98, в 11 часов на заседании диссертационного ' совета Д.120.59.04 при Государственном университете по,землеустройству, (ГУЗ) по адресу: 103064, Москва, ул. Казакова, 15,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан ноября 1998 г/

Ученый секретарь диссертационного совета

Сухов А. Н.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Ведение земельного кадастра и реестров недвижимости невозможно без высокого уровня автоматизации процессов сбора, хранения, обновления информации и предъявления ее пользователю. Ближайшей перспективой современных автоматизированных технологий кадастра является переход к созданию и ведению интегрированных баз данных, объединяющих в себе разнообразную информацию об объектах местности с методами ее обработки. Это позволяет создавать произвольные формы запросов пользователя, включая эвристические прогнозы, основанные на цифровом моделировании технических, технологических и социальных процессов. Ответственность за решение подобных задач чрезвычайно высока. Поэтому к точности и достоверности данных, содержащихся в базе, предъявляются высокие требования.

Основой геоинформационных баз данных является слой топографической или картографической информации, так как к нему привязываются разнообразные сведения об объектах местности. Одна из причин недостоверности данных заключается в "старении" информации. В результате естественных природных процессов и хозяйственной деятельности человека объекты на местности претерпевают известные изменения. Совокупность этих изменений может существенно повлиять на достоверность прогнозов и проектных решений. С точки зрения кадастра отсутствие или недостаток современных сзедений о земельных участках, объектах недвижимости и характере их использования наносит прямой экономический ущерб в виде неполной собираемости налогов. Поэтому запросы создания качественной топографической основы интегрированных баз данных и поддержания их на современном уровне представляются актуальными и требуют непрерывного совершенствования.

Цель работы :

» теоретическое обоснование и совершенствование цифровых методов создания топографической основы интегрированной базы данных территорий с использованием азрофото- и телевизионных изображений как в качестве источника информации, так и в качестве выходных форм и документов, иллюстрирующих запросы пользователя;

• разработка технологических решений, обеспечивающих ведение децентрализованной обработки изображений в целях сбора земельно-кадастровой информации на базе местных землеустроительных служб;

• разработка и внедрение системы обновления кадастровой информации в составе интегрированных баз данных и внедрение системы контроля качества топографической основы по материалам аэрофото- и телевизионных съемок.

Научная новизна работы

• На основе исследования методов проективной фотограмметрии разработаны способы аналитического трансформирования одиночных изображений, не требующие сведений об элементах внутреннего ориентирования и рельефе местности, пригодные для обработки центральных проекций, а также изображений, приближенно соответствующих центральным проекциям.

• Б результате исследований в области проективных и перспективных соотношений координат точек стереопарных изображений и местности разработаны алгоритмы аналитической и аналого-аналитической обработки фотограмметрических измерений, позволяющие применять стереофотограмметрические методы для обработки фото- и телевизионных изображений, считавшихся ранее "неметрическими". Разработка выполнена на уровне мировой новизны и признана изобретением. Решение о выдачи патента Российской Федерации от 28.07.1998.

Практическая значимость работы

• На примере городов Омской области показана принципиальная возможность формирования банка видеоинформации, используемого как в целях создания и обновления топографической основы интегрированной базы данных, так и в качестве видеоприложений и справочных материалов к кадастровым документам.

• На базе разработанных методов обработки изображений создана и внедрена цифровая система обновления кадастровых планов и карт, обеспечивающая создание новой или контроль и уточнение прежней топографической основы, а также внесение зарегистрированных изменений с требуемой точностью.

• В Комитете по землеустройству и земельным ресурсам г. Омска создана служба вневедомственного контроля результатов инвентаризации и кадастрового картографирования, которая

решает все поставленные вопросы дистанционными методами по материалам аэрофото-, видео- и космической съемки с использованием программных комплексов, основанных на алгоритмах автора.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем 140 страниц машинописного текста, 21 таблица, 17 рисунков.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется цель исследований, излагается подход к решению поставленных задач.

В первой главе анализируется суть кадастровых задач и констатируется необходимость дальнейшего развития кадастров территорий на основе современных интегрированных баз данных (ЕД).

Предложения по совершенствованию технологии сбора и обновления информации в БД сводятся к следующим основным положениям:

1. Реальный прогресс в работах по инвентаризации земель и формированию первичной регистрационно-правовой сазы кадастра достигается на основе дистанционных методов картографирования и организации децентрализованной обработки изображений на базе современных цифровых фотограмметрических систем.

2. Мониторинг БД целесообразно осуществлять по материалам периодических сплошных азрсфотосъемок, выполняемых централизованно, и оперативных выборочных видеосъемок, выполняемых оперативно в местах зарегистрированных изменений на местности.

3. Для создания и ведения многоаспектных БД требуется формирование банка видеоинформации, обеспечивающего оперативный доступ к первоисточнику сзедений о местности -аэроснимку.

Ниже приводится более подробное изложение сути высказанных предложений.

1. В социально - экономических условиях, складывающихся в России, прогресс земельных отношений во многом

определяется оперативностью формирования регистрационно-правовой базы земельного кадастра. Графоаналитические технологии не позволяют рассчитывать на быстрое и качественное решение поставленной задачи. Для реализации цифровых технологий требуется оснащение производства высокопроизводительными цифровыми и аналитическими комплексами. Из-за высокой стоимости новых технических средств, составляющей сегодня 100 тыс. долларов и более, такое оборудование может эффективно использоваться лишь в условиях централизованного специализированного производства. Снижение стоимости аппаратных средств решения фотограмметрических задач возможно на основе широкого внедрения цифровых фотограмметрических станций, основанных на использовании персональных компьютеров средней мощности. Стоимость таких комплексов составляет 5-15 тыс. долларов. «Интеллектуальные» возможности систем подобного рода позволяют специалисту, не имеющему профессиональной подготовки в области фотограмметрии, успешно обрабатывать снимки. Специфика кадастрового картографирования состоит в том, что качественные характеристики отображаемых объектов не могут быть получены со снимков только методами камерального дешифрирования. Сбор их требует обязательных полевых обследований. Поэтому оперативность сбора данных и формирования ЦММ определяется согласованием работы полевых и камеральных служб.

В условиях массовых работ по инвентаризации земель необходимо приблизить метрическую обработку данных к месту получения семантических данных. В целом это приводит к необходимости максимальной децентрализации

фотограмметрической обработки.

2. При создании и использовании интегрированных баз данных непременно возникают проблемы с обновлением информации. В графоаналитической технологии сложилась система обновления и корректировки, основанная на ведении дежурных карт с периодическим полным обновлением карты, причем, среднемасштабные издания обновляются по материалам аэрофотосъемки, с созданием нового оригинала, что обеспечивает поддержку геометрической точности на уровне, установленном нормативными документами. Для крупномасштабных планов в этом смысле понятие «обновление» отсутствует. Топографические планы, созданные в рамках планшетов, корректируются и дополняются обычно на основе

наземных съемок, точность и детальность которых не всегда отвечает нормативным требованиям. Многократные корректировки приводят к накоплению погрешностей и снижению качества топографической основы. Сдерживающим фактором эффективного обновления крупномасштабных планово-картографических материалов по аэроснимкам стала излишняя централизация аэросъемочных работ.

В настоящее время имеются предпосылки к коренному изменению технологии обновления цифровых планов и карт на основе аэросъемки независимо от масштаба картографирования. Развитие компьютерной техники в области обработки изображений и широкое применение аналоговой и цифровой телевизионной техники для их получения и передачи позволяют построить систему обновления цифровых карт в следующем виде. В основе технологии создания топографической карты остается сплошная аэрофотосъемка, выполняемая централизованно с соблюдением всех технологических и организационных требований. Процесс создания топографической основы в виде контурных цифровых карт достаточно продолжительный, трудоемкий и дорогостоящий. С течением . времени, задолго до окончания обработки всех снимков, часть ранее полученной информации устаревает, причем, на территории городов процент изменений может достигать местами 70%. Примером являются торговые ярмарки, быстро перемещающиеся по территории городов. Оперативность регистрационно-учетных работ должна соответствовать динамике развития подобных объектов. Обеспечить это предлагается за счет выполнения оперативных выборочных съемок с помощью телевизионных камер или "нетопографических" фотокамер. Такая съемка не требует профессиональной подготовки аэросъемщика и экипажа. Может производиться с самолета, вертолета, мотодельтаплана, автомобильного подъемника. Масштаб телевидеосъемки меняется в широких пределах без изменения высоты полета. В режимном отношении разрешение на "нетопографическую" съемку и контроль осуществляется местными органами внутренних дел, что значительно ускоряет процедуру оформления документов. Геометрическая нестабильность видеоизображения или "нетопографического" фотоизображения может компенсироваться использованием специальных алгоритмов их преобразования при локализации участков съемки в границах кварталов, обеспеченных сравнительно плотной сетью опорных точек.

Таким образом, обновление цифровых карт и планов необходимо вести уже в процессе их создания и дальнейшего использования. Одновременное создание и обновление геометрической основы крупномасштабных цифровых карт требует децентрализации не только фотограмметрической обработки снимков, но и оперативно выполняемой аэрофото- или телевизионной съемки в целях регистрации текущих изменений.

3. В условиях дефицита ".'. централизованных капиталовложений содержание интегрированных баз данных и очередность их наполнения определяется условиями окупаемости ранее занесенной информации. Например, по завершению выдачи документов на право пользования землей, остро встает вопрос об оценке недвижимости, купля продажа которой вместе с земельными участками активно развивается. Далее, потребуется объективная оценка качества участков с недвижимостью с учетом различных принципов зонирования территории, как-то, экологического, .экономического, функционального и т. п. Каиедый новый аспект, ценообразования требует формирования нового, информационного' слоя базы данных со своей геометрической и семантической .частью/ Поэтому термином "обновление" мы обозначаем не только корректировку цифровых топографических основ, но и процесс создания новых информационных слоев. Вероятно,- правильней это называть кадастровым "мониторингом" базы данных.

Источником многоаспектной информации . являются аэрофотоснимки и другие виды перспективных изображений местности. В процессе создания и сопровождения баз данных приходится неоднократно обращаться к. изображениям; Централизация хранения материалов аэросъемки существенно: снижает производительность , работы. Банки . цифровых изображений могли бы снять массу вопросов, касающихся как соблюдения режима секретности, так и оперативного доступа к первоисточнику. С помощью цифровых изображений решается, задача ограничения доступа к растровой . информации, являющейся сегодня источником секретных данных. В зависимости от уровня пользователя в иерархии доступа к секретным документам заказчик может получать сплошные или разрозненные изображения местности, с метрическим или. не метрическим качеством, определенной разрешающей способности, с дополнительными сведениями об элементах ориентирования снимков или без них. По заранее созданным растрам оперативно решаются вопросы дополнения и изменения

содержания БД. Растровое изображение является документом, с помощью которого оперативно решаются спорные вопросы землепользования и землевладения, часто возникающие в практике регулирования земельных отношений. В ближайшей перспективе появляется возможность погружения пользователя в виртуальную реальность созданных в БД объектов, где наличие изображений просто необходимо.

Возможность создания банка изображений иллюстрируется следующими примерами. В табл. 1 приводятся расчеты объема базы данных растровой информации с учетом хранения стереопарных изображений масштаба 1:8000, а в табл. 2 то же для технологии обработки одиночных снимков.

При вычислениях учтены последние достижения отечественной цифровой фотограмметрии, позволяющие работать с изображениями низкой разрешающей способности, реализованными в системах " РНОТОМОО " (АОЗТ * Ракурс •", г. Москва) и "МАР-Я\/" (РКЦ "Земля", г. Омск).

Таблица 1

Расчетные объемы растровой информации для городов Омской области, требуемые при обработке стереопарных изображений

Город Необходимое кол-во снимков Объем информации (мегабайт)

Исилькуль 80 2 880

Калачинск 50 1 800

Называевск 130 4 680

Тара 170 6 120

Ткжалинск 90 3 240

Омск 1 000 36 000

Итого по городам 1 520 54 720

Если принять в расчетах емкость одного оптического диска 0.6 гигабайт, то для хранения растровой информации в виде стереопарных изображений по всем городам и райцентрам области потребуется около 180 дисков.

С учетом всех городов и райцентров Омской области общее количество видеоинформации при хранении одиночных изображений не превысит 40 гигабайт, или около 70 дисков.

Современный уровень развития техники позволяет создать такие банки цифровых изображений и оперативно использовать их для целей мониторинга кадастровых БД.

Таблица 2

Расчетные объемы растровой информации для городов Омской области, требуемые при обработке одиночных изображений

Город Необходимое кол-во снимков Объем информации (мегабайт) .

Исилькуль 56 1 008

Калачинск 35 630

Называевск 91 1 638

Тара 119 2 142

Тюкалинск 63 • 1 134

Омск 700 . 12 600

Итого по городам 1 064 19 152

Сочетание децентрализованной. обработки данных с централизацией аэрофотосъемочных работ на основе современных цифровых технологий, . децентрализация оперативных съемок с помощью фото- и видеокамер для выявления и регистрации изменений, а также организация цифрового преобразования снимков и их хранение в цифровой: форме для пополнения БД неиспользованной . ранее видеоинформацией позволяют устранить ряд технологических тупиков в методике мониторинга интегрированных БД;

Реализация этих положений требует решения следующих: задач:

в совершенствования методики фотограмметрической обработки снимков с целью доведения ее до, уровня, доступного конечному пользователю - специалисту региональной землеустроительной службы;

в разработки на базе новых методов эффективной системы контроля и мониторинга цифровой информации в кадастровых БД.

Постановка и решение этих задач приводится в следующих главах работы.

Во второй главе приводятся. результаты . исследования технологии фотограмметрической обработки одиночных снимков,

направленные на обеспечение дальнейшей децентрализации обработки изображений. Рассматриваются два подхода: первый, основанный на пространственном ориентировании снимка по перспективным или проективным зависимостям; второй, основанный на проективном преобразовании плоских координат точек снимка и местности. Результаты наших исследований сводятся к следующим основным положениям:

1. Способы, основанные на пространственном перспективном ориентировании снимков требуют высокоточного определения элементов внутреннего ориентирования снимков, что проблематично, например, для видеоизображений.

2. Способы, основанные на пространственном проективном ориентировании снимков не требуют определения элементоз внутреннего ориентирования, но не обеспечивают устойчивого решения задачи в условиях равнинной местности, когда опорные точки практически компланарны.

3. Общим недостатком технологий, основанных на способах пространственного ориентирования снимков, является необходимость планово-высотной привязки опознаков и сбора дополнительных сведений о рельефе местности в пределах снимка.

4. Разработанная нами методика проективного преобразования координат точек снимка и местности, учитывающая как влияние рельефа местности, так и отклонения изображения от центральной . проекции, не требует дополнительного определения элементов внутреннего ориентирования и сведений о рельефе местности и приемлема в условиях равнинной и всхолмленной местности.

Одиночные аэроснимки нашли широкое применение при кадастровых изысканиях благодаря своей высокой информативности и хорошим метрическим свойствам. Большое значение имеет относительная простота монокулярных измерений, что позволяет привлекать к работэ специалистов, не имеющих профессиональной подготовки в области фотограмметрии. Немаловажным фактором, определяющим популярность одиночных снимков, является возможность измерения их с помощью стандартного периферийного оборудования ПЭВМ - дигитайзеров или цифровых изображений , на экране монитора.

В основе способов математической обработки результатов измерений лежит теория одиночных снимков и цифрового моделирования рельефа местности. Алгоритм преобразования

координат точек снимка в систему местности обозначим следующими выражениями:

где: Р^.У^Х^.гр - функция, связывающая координаты опорных точек на снимке (х^у]) и на местности (Х^У^гр посредством элементов внешнего ориентирования снимков; и(У(Хк,Ук,гк)) - алгоритм интерполирования высот определяемых точек в системе местности по цифровой , модели рельефа (ЦМР) .

Из выражения (1) следует, что алгоритм преобразования состоит из ряда этапов: ориентирование снимка, построение ЦМР, интерполирование высоты и вычисление плановых координат точки снимка на местности. Непосредственная реализация алгоритма приводит к громоздкой технологии, требующей не только избыточных исходных данных, но .и специальной подготовки исполнителей в области фотограмметрии. Такие технологии находят место в специализированных организациях при картографировании плохо изученных в топографическом отношении территорий.:

В большинстве случаев при картографировании селитебных территорий имеют дело с обновлением существующего планово-картографического материала. При этом имеется избыток точек планового обоснования в виде;координированных элементов зданий, опознаков или результатов фотограмметрического сгущения прошлых съемок. Возникает задача использования избыточных плановых опорных точек не только для ориентирования, но и учета суммарных искажений снимков: Математическая модель такого планового преобразования координат представлена формулами (2)-(5).

Формулы (2) описывают афинное преобразование координат и используются для приближенного перехода в исходную систему координат. Формулы , (3) выражают проективное преобразование для вычисления точных значений координат в исходной системе. Формулы (4) и (5) используются для вычисления поправок за влияние рельефа местности и других суммарных искажений снимков.

X' = а,х + а2у + а3 V = Ь,х + Ь2у + Ь3

ацХ' + а^У' + а а^.Х'+а^У+а

31

32

33

13

(3)

23

а,.Х' + а,,У + а

'31

32

п п

¡=1

(4)

►

п п

Е1С„Цг8,*о

¡=1

л

(5)

Предложенный алгоритм позволяет обрабатывать снимки равнинной и всхолмленной местности без дополнительных сведений о рельефе и об элементах внутреннего ориентирования.

Алгоритм пространственного проективного преобразования, разработанный нами, реализован в составе ГИС "ЛАСГРАФ" компании "НИвОРТ", г. Омск. Этот же алгоритм передан разработчикам автоматизированной системы подготовки графической информации "АПГИ" фирмы "Стиплер", г. Тюмень, для целей обновления топографической основы на объектах нефте- и газодобычи.

На основе алгоритма планового проективного преобразования, представленного выражениями (2-5), разработан комплекс программ для обновления цифровых планов и карт "МАР-Р\Г (разработка РКЦ "Земля", г. Омск), а также использован при корректировке программы дигитализации планово - картографического материала в системе " АСКОС " ( разработка РКЦ "Земля", г. Омск).

Все перечисленные автоматизированные системы используются различными организациями г. Омска при выполнении работ по инвентаризации земель Омской области.

В третьей главе приводятся результаты исследования стереофотограмметрических способов картографирования. Отмечается, что децентрализация технологии целесообразна при использовании цифровых стереофотограмметрических станций. В рамках централизованного производства возможно более эффективное использование существующего. парка стереофотограмметрических приборов. Нами выполнен анализ перспективных и проективных соотношений координат, возникающих в паре снимков, и установлено следующее.

1. Использование проективных соотношений в аналого-аналитической технологии на этапе внешнего ориентирования геометрической модели местности, построенной с преобразованными связками, позволяет отказаться от введения децентраций, что существенно упрощает обработку и повышает производительность процесса.

2. Обобщение результатов исследования аналого-аналитической технологии на аналитические способы привело к выводу о возможности построения и ориентирования модели местности с учетом приближенных значений элементов внутреннего ориентирования снимков, что позволило успешно обрабатывать стереоизображения, считавшиеся .ранее "неметрическими".

3. Сравнение технологического комплекса, разработанного с учетом предложенных алгоритмов, с . зарубежными аналитическими приборами не выявили явных преимуществ последних в плане производительности и точности при крупномасштабном картографировании.

Рассмотрим эти положения подробней.

1. Большие объемы работ по инвентаризации; земель в России заставляют искать пути их рационального освоения. Одним из таких путей является аппаратная и программная автоматизация процессов сбора информации о местности! на базе имеющихся аналоговых стереофотограмметрических приборов.

Аналитическая часть аналого-аналитического процесса обработки снимков традиционно дублирует аналоговую технологию. Это происходит из-за стремления автоматизировать процесс построения модели в целом, включая и взаимное ориентирование снимков. Известно, что отечественные

аналоговые приборы не приспособлены к работе по установочным элементам. Поэтому вычисленные установки необходимо уточнять путем дополнительного аналогового ориентирования снимков.

Нами показано, что использование аналоговой технологии взаимного ориентирования и аналитического внешнего ориентирования на основе перспективно-афинных или проективных соотношений координат позволяет избежать последовательных приближений в процессе ориентирования снимков, а также неопределенности решения задачи, возникающей при введении в итерационный процесс зависимых величин - децентраций снимков.

Численные эксперименты, выполненные на макетных снимках показывают, что традиционная методика обработки снимков с преобразованными связками и предлагаемая методика обработки не являются строгими. В работе приводятся условия, при которых методические погрешности этих способов становятся значимыми. Что касается предложенной методики построения и ориентирования преобразованной модели без введения децентраций, то ею можно пользоваться в условиях равнинного и всхолмленного рельефа при коэффициенте афинности до 2.0.

Производственное использование разработанной методики реализовано на базе стереолаборатории ОмГАУ. Два стереофотограмметрических прибора СЦ-1 снабжены датчиками и интерфейсом с автоматизированной системой сбора кадастровой информации " АСКОС " (разработчик РКЦ "Земли", г. Омск). С 1995 года на стереолабораторию возложены обязанности вневедомственного контроля инвентаризационных работ, выполняемых всеми подрядными организациями Городского земельного комитета.

2. Теория построения проективной модели местности по паре снимков разработана проф. С. В. Смирновым. Важным следствием из этой теории является факт, что построение свободной проективной модели невозможно без предварительного определения элементов внутреннего ориентирования. Следовательно, поэтапный способ построения модели, широко применяемый в перспективной фотограмметрии, но может быть реализован в проективных соотношениях. Остается единственный путь - построение модели в системе координат местности. А это означает, что придется иметь дело с

проблемами, рассмотренными нами при. исследовании технологии обработки одиночного снимка.

Обобщение результатов исследования аналого-аналитической схемы на общий случай аналитического решения задачи приводит к выводу, что перспективно-афинное или проективное внешнее ориентирование модели позволяет учитывать погрешности элементов внутреннего ориентирования снимков. В самом деле, суть децентраций в преобразованных связках аналогична элементам внутреннего ориентирования снимка в подобных связках. Следовательно, если возможно построение перспективной свободной модели при наличии приближенных элементов внутреннего ориентирования, то проективное внешнее ориентирование модели должно компенсировать влияние этих погрешностей. Вопрос заключается лишь в том, что необходимо доказать инвариантность взаимного ориентирования снимков при изменении элементов внутреннего ориентирования. Рассмотрим уравнение взаимного ориентирования.

-хуа+хуаЧ^2 + + = (6)

Сместим систему координат на величины 5„, 8У и подставим их в уравнение (6). После преобразований получим: -хуа-(убх + х8у )а - 6х8уа+х'у'а' + (у'8х + х'8у)а' +

+8х8уа' + Г2 со' + уу'со' + (у'8у + у8у)со'+8усо' + (7)

Члены с коэффициентами в скобках представляют собой поправки перспективного характера за несовпадение. начала координат с главной точкой. Они вызывают дополнительные наклоны и развороты снимков, преобразуя тем самым подобную модель в модель афинную.

Запишем уравнение компланарности в принятой (смещенной) системе координат:

-хуа +х'у'а' + (Т2 +уу*)ю' + ~ ~

-8х8уа + 8х8уа'+82со' = 0. ^ Д Г

Последние три слагаемые есть постоянные величины для данной стереопары и не влияют ч на результаты взаимного ориентирования. Таким образом, уравнение компланарности в перспективных зависимостях инвариантно относительно системы

координат, выбранной на снимке. Это позволяет строить свободную афинную модель местности.

Смещения системы координат вызывают не только афинные искажения, но и погрешности, не учитываемые перспективно-афинным преобразованием. Назовем их методическими и найдем допустимые ошибки в определении системы координат снимка на основе статистических испытаний. Результаты статистических испытаний на макетных снимках масштаба 1:10000 приведены в табл. 3.

Таблица 3

Методические погрешности построения и ориентирования афинной модели

СКО элементов СКО Относительная СКО

внутреннего ори- планового СКО высот координат в

. ентирования положения (м) масштабе

, (мм) точек снимка

' (м) (мм)

0.1 : 0.001 1/2 400 000 0.0001

0.5 : 0.005 1/480 000 0.0005

1.0 0.010 1 /250 000 0.0010

2.0 0.020 1 /120 000 0.0020

5.0 0.050 .1/50 000 0.0050

5f=1.0; 5*=8у=5.0 0.050 1 / 50 000 0.0050

8f=5.0;5,=5v=i.o 0.020 1/215 000 0.0020

Из данных табл. 3 следует, что при построении афинной модели с точностью измерений 0.01 - 0.02 мм, погрешность определения системы координат снимка порядка 1 - 2 мм несущественна:: Как свидетельствуют последние две строчки таблицы, погрешность фокусного расстояния в меньшей степени искажает модель, чем ошибка в определении системы координат на снимке. .

Афинный алгоритм построения модели реализован в виде программы для: ПЭВМ и подключен к автоматизированной системе "АСКОС" в качестве варианта ориентирования пары снимков и сбора! данных с помощью стереокомпаратора "Steco 1818". Программно-аппаратные комплексы,, на базе стереокомпараторов, оказались менее производительными, чем комплексы; созданные на основе аналоговых приборов. Тем не

менее они широко используются для целей фотограмметрического сгущения опорной сети и контроля результатов инвентаризации в стереолаборатории ОмГАУ, а также при обработке снимков, полученных так называемыми "неметрическими" камерами.

3. Исследования комплексов выполнялись на макетных и реальных материалах. С ! ¡елью определения реальной точности координат были выполнены экспериментальные работы на объектах инвентаризации г. Омска и сельских населенных пунктов Омской области. По снимкам масштаба 1:30000 составлен план населенного пункта Большие Уки в масштабе 1:5000. Точность плана оценивалась по контрольным точкам, координаты которых определялись в поле с помощью электронного тахеометра ТА-3. Количество контрольных точек -90. Среднее квадратичное отклонение плановых координат составило 1.3 м на местности, что соответствует 0.04 мм в масштабе снимка. Координирование элементов ситуации было выполнено специалистами АО "ОМСКВОДПРОЕКТ", а обработка снимков на СЦ-1 и оценка точности сотрудниками кафедры аэрофотогеодезии ОмГАУ.

Аэроснимки г. Омска залета 1994 г. имеют масштаб 1:7500 с фокусным расстоянием /=140 мм. Полевыми методами были координированы границы земельных участков девятнадцати кварталов частной застройки. Повторная съемка выполнялась на стереоприборе СЦ-1. При дешифрировании границ участков использовались абрисы, составленные и согласованные в поле. Средние квадратичные отклонения плановых координат, вычисленные по расхождениям координат 120 точек, составили 0.25 м на местности. Выборочная повторная полевая съемка четырех кварталов на этой же территории по сравнению со сплошной полевой съемкой оценивается расхождениями порядка 0.2 м, что указывает на то, что точность стереофотограмметрического способа в данных условиях соизмерима с точностью наземных измерений. Вместе с тем в процессе стереофотограмметрической съемки были обнаружены грубые ошибки в результатах полевых работ, особенно во внутриквартальной части частной застройки. Расхождения здесь достигали 1.5 - 2.5 м.

Аэроснимки, ■ на которых выполнялись исследования точности технологического комплекса на базе СЦ-1, были переданы в ТОО "СИБГЕОИНФОРМ" для сравнения точности определения координат на стереоприборе СР-2000 фирмы

"ЛЕЙКА". На мелкомасштабных снимках ошибка планового положения, вычисленная по координатам 95 точек, составила 0.7 м, что' почти в два раза меньше, чем на СЦ-1. Это объясняется высокой инструментальной точностью прибора СО-2ООО. Результаты обработки крупномасштабных материалов полностью совпадают с результатами, полученными на СЦ-1, т.е. средняя ошибка в плане составляет 0.25 м на местности. Отсюда следует важный вывод, что при обработке материалов крупномасштабной аэросъемки наиболее значимыми являются ошибки идентификации поворотных точек. При этом точность прибора не имеет решающего значения.

В целом стереофотограмметрический метод обработки снимков обеспечивает высокую точность картографирования, полную объективность результатов при наибольшей производительности.

Совершенствовайие методики стереофотограмметрической обработки измерений достигается за счет оптимального использования средств перспективной и проективной фотограмметрии. - Использование этих зависимостей в аналитической технологии на этапе внешнего ориентирования модели позволяет снизить требования к точности определения элементов внутреннего ориентирования. Всё это упрощает методики обработки стереопар и сделать их доступными для пользователя, не обладающего глубокими знаниями фотограмметрии. , При наличии ограниченных мощностей стереофотограмметрических лабораторий на основе стереометодов строится эффективная система контроля результатов картографирования и инвентаризации земель. Перспективным направлением является внедрение в эту область цифровых стереофотограмметрических систем, еще более упрощающих труд и снижающих требования к специальной фотограмметрической подготовке оператора.

В четвертой главе излагаются методики создания цифровых топографических основ, их обновления и контроля.

С переходом к цифровому картографированию появляется возможность использования единой координатной базы для создания картографической продукции всего масштабного ряда. Это вовсе не означает необходимость новых топографических съемок суперсовременными средствами с наивысшей точностью,

которые заменили бы собой пункты геодезической сети. Основой цифровых карт остаются имеющиеся карты и планы, составленные в образно-графическом виде. Первой задачей создания цифровой топографической основы становится преобразование карт и планов в цифровой вид и контроль их соответствия требованиям точности. Для этого необходимо выполнить привязку элементов ситуации путем независимых измерений, например спутниковыми системами (GPS, ГЛОНАС) или наземными электронными измерениями от пунктов государственной сети. Несоответствие координат в точках привязки считается деформацией плана и устраняется путем аналитического преобразования координат. Аналогично можно приводить цифровую карту более мелкого масштаба к точности плана более крупного масштаба. Конкретные схемы привязки и вычислительной обработки будут зависеть от топографо-геодезической изученности территорий. В основе алгоритмов лежат проективно-афинные зависимости с дополнительными преобразованиями, представленные выражениями (2)-(5).

На примере цифровой карты г. Омска и двух населенных пунктов Омской области показана эффективность предлагаемой методики контроля и уточнения топографических основ. Так, карта г. Омска, созданная на основе топографической карты масштаба 1:10000, построенная с точностью 6 м на местности, была совмещена с цифровой картой инвентаризации земель, созданной по требованиям масштаба 1:1000. После аналитического преобразования остаточные погрешности карты масштаба 1:10000 составили 2 м на местности. Приведенные в работе примеры показывают, как простыми и дешевыми средствами существенно уточняется топографическая основа цифрового плана. Таким образом, может, быть достигнут компромисс между противоречивыми требованиями земельно-кадастровых нормативных документов в части точности картографирования и точности координирования границ земельных участков. На основе изложенного способа в Сибирском РКЦ "Земля" под методическим руководством автора разработано программное обеспечение, позволяющее уточнять координгтную основу цифровой карты.

В результате инвентаризации земель создается цифровая карта земельных участков со всеми атрибутами кадастрового характера Следующим шагом на пути создания электронных цифровых карт городов и поселков является организация

мониторинга. По сути, дело сводится к обновлению или корректировке графических данных интегрированной информационной системы. Для того чтобы использовать . земельно-кадастровую информацию на рынке недвижимости, необходимо внести сведения о недвижимости в БД. Источником наиболее достоверных сведений о недвижимости являются аэроснимки и другие перспективные изображения местности. Новые графические данные могут быть получены на основе кадастровой цифровой карты и растрового изображения местности. На рис. 1 показаны фрагменты такой карты и снимка.

Рис. 1. Пример нанесения на кадастровый план объектов недвижимости с помощью аэрофотоснимка '

Ориентирование карты и снимка выполняется по идентичным точкам способом, представленным формулами (2)-(5). В качестве опорной сети используются контурные точки карты, координаты которых отбираются из БД. Параметры ориентирования используются для преобразования координат точек карты в систему снимка и наложения карты на снимок. В результате совмещения легко обнаруживаются недостающие объекты, обводятся на снимке и путем обратного проектирования переносятся на карту. В сйстеме предусмотрен учет искажений, вызванных влиянием рельефа и высоты объектов. Гибкая

система ориентирования позволяет локализовать участки съемки границами квартала или даже отдельного участка, что существенно повышает точность корректировок. Визуальный контроль совмещения карты и снимка позволяет исключить грубые ошибки ориентирования.

На основе изложенной идеи в РКЦ "Земля", г. Омск, совместно с кафедрой аэрофотогеодезии. ОмГАУ, при финансовой поддержке Городского комитета по землеустройству и земельным ресурсам разработана программа "МАР-НУ", предназначенная для обновления и корректировки цифровых карт. Новый программный продукт обладает целым рядом преимуществ перед различными программами такого типа, а именно:

-вместо традиционного ввода координат с клавиатуры организован автоматический отбор точек из базы цифровой карты при указании на эту точку курсором мыши;

-не используются элементы внутреннего ориентирования снимков и данные калибровки аппаратуры; ;

-не надо заботиться об учете искажений "за рельеф", они учитываются в процессе ориентирования снимка;

-нет необходимости в трансформации растрового изображения, так как программа преобразует лишь цифровую карту в систему координат снимка и совмещает их изображения по принципу "уйеоплар"; . -

-контроль ориентирования осуществляется визуально по всей площади картографирования.: и по остаточным погрешностям на опорных точках.

Программа уникальна, так как позволяет обрабатывать изображения, полученные любой аппаратурой, включая любительские фотоаппараты, цифровые камеры и видеоаппаратуру с любыми элементами ориентирования. На рис. 2 показан пример обработки видеокадра. Геометрическая нестабильность видеоизображения компенсируется за счет использования разработанных нами . алгоритмов их преобразования при локализации участков съемки в границах кварталов. Масштаб видеосъемки меняется в широких пределах без изменения высоты полета. Методика обработки результатов измерений не накладывает ограничений на элементы внешнего и внутреннего ориентирования снимков и позволяет устранять суммарные ошибки изображений за перспективу, рельеф, отклонения кадра от центральной проекции. В качестве носителя аппаратуры используются самолеты и вертолеты. В целом, для

получения результатов, по точности соответствующих получаемым по аэрофотоснимкам, необходимо в 5 - 7 раз укрупнить масштаб съемки, то есть съемка должна вестись практически в масштабе плана.

Рис. 2. Пример корректировки цифрового плана по материалам

видеосъемки

По данным в РКЦ "Земля", г. Омск, инвентаризация земель сельских населенных пунктов, без учета стоимости аэросъемки, выполненная на основе разработанной технологии, обходится заказчику в 340 руб, за 1 га, а в городах стоимость возрастает до 500 руб. за 1 га.

Анализ, технологий; геодезических работ, выполненный специалистами Омского ГОРКОМЗЕМА, иллюстрирован на рис. 3. Снижение общей стоимости инвентаризационных работ на 1 га достигнуто ' за счет внедрения методики комплексной инвентаризации, и использования новых технологий сбора и обновления . топографической информации, основанных на обработке материалов аэрофото-и видеосъемки.

Содержание . цифровых карт формируется всеми доступными технологиями и средствами, отвечающими требованиям точности и оперативности, предъявляемыми современной кадастровой службой. При этом неизбежно

возникают специфические погрешности, свойственные тем или иным методам съемки.

Технологии инвентаризации земель г.Омска

Наэемняя топографическая сммк!

(I)

(?)

£Э(

г "ГЩ

Аэрофотосъемка

ШI к

Видеосъ«мк«

"Я

Косипмкн сммк»

е

я

у} ф

1991-1993 Г. , 6.1 тыс.руб

1994-1996 г. ^ 2.5 тыс.руб

1995-1997 г. ^ 1.2 тыс.руб

1998 г.., 0.8 тыс.руб

Рис. 3. Экономические показатели технологий сбора и обновления топографических характеристик объектов в комплексе кадастровых работ

С целью контроля точности и полноты содержания цифровых карт при Омском ГОРКОМЗЕМе создана сеть территориальных кадастровых агентств, координируемых центральным кадастровым бюро (ЦКБ). В состав ЦКБ входит группа вневедомственного контроля, созданная на базе стереофотограмметрической лаборатории кафедры

аэрофотогеодезии ОмГАУ. На рис. 4 показана схема взаимодействия служб и организации при выполнении работ по инвентаризации земель.

Решением малого технического совета при ГОРКОМЗЕМе рассмотрена и утверждена методика контроля метрической информации, разработанная нами на основе стереометодов.

Поагото1х«н . заключение договоров, финансирование

ГОРКОМЗЕМ (заказчик)

ЦКБ

Кафедра ' ирофото-геодезии -ОмГАУ.

—Договор подряда - Движение продукции

Концентраты материалов в формирование кадастрового БД

Экспедиция 152 ПО "Икжгеоддид* МНПП Теотоп"

АООМСКЮДПРОЕКТ

Рис. 4. Организация контроля результатов инвентаризации

Решением установлен следующий порядок контроля: . - все подрядные организации передают на контроль материалы привязки снимков, графическую часть цифровой карты в определенном обменном формате и абрисы или материалы дешифрирования границ земельных участков;

: - контроль осуществляется стереофотограмметрическим методом на ; автоматизированных приборах по аэронегативам путем повторного обвода избранных контуров по стереомодели и совмещения результатов съемок;

- площадь контрольных обводов должна быть не менее 10% площади объекта;

- совмещенные изображения обмеряются, и выполняется статистический анализ;

- по результатам контроля метрической информации составляется отдельный акт с результатами обмеров и статистического анализа.

При контроле, используются аналого-аналитические комплексы, созданные на базе стереофотограмметрического

прибора СЦ-1 и ПЭВМ. Исполнителями являются сотрудники и дипломники кафедры аэрофотогеодезии ОмГАУ. Программное обеспечение разработано на базе системы сбора кадастровой информации "АСКОС". На рис. 5 показан процесс обработки совмещенных изображений по программе "АСКОС".

В результате обмеров автоматически формируется протокол, содержащий результаты статистической обработки результатов измерений. В целом по объекту формируется акт готовности работ, составленный из документов всех контролирующих инстанций. Сдача объектов производится на техническом совете в присутствии заинтересованных сторон.

"У г П? .-5 1

41 »¿к Ч<9ИМИ .4. <\а5коь\152к\аЕ> ')..

8В-Ь->" |

О и _ Г_1

|

Ъ. <1? Ь " Т-Г*

/ / / (

а гг.

Т

•7\

//

Г

Рис. 5. Процесс выполнения контрольных.промеров по совмещенным изображениям в среде программы "АСКОС"

За два года работы группой вневедомственного контроля при ОмГАУ выполнен контроль метрической информации на площади около 100 кв. км, картографирование территорий в масштабе 1:1000-1:2000 для целей инвентаризации - на площади 30 кв. км, фотограмметрическое сгущение планово-высотной основы - на площади около 50 кв. км.

Заключение

Автоматизация ведения кадастра развивается на основе интегрированных баз данных. объединяющих в себе пространственные характеристики объектов территорий с методами обработки информации. Наиболее удобной средой реализации рассмотренных методик являются географические информационные системы (ГИС).

Сравнительно высокая оперативность получения информации из базы данных не соответствует громоздкой технологии создания и обновления цифровой карты, образующей топографическую основу многоаспектной информации ГИС. Разрешение проблемы, на наш взгляд, достигается сочетанием децентрализованной обработки данных с централизованными аэрофотссъемочными работами на основе современных цифрсзых технологий, децентрализацией оперативных съемок с помощью фото- и видеокамер для выявления и регистрации изменений, а также организаций цифрсбсго преобразования снимков и их хранение в цифровой форме для пополнения БД неиспользованной ранее видеоинформацией. Все это позволяет устранить ряд технологических г/пиксв з методике мониторинга интегрированных БД.

Децентрализация обработки фотограмметрической информации предполагает высокий уровень автоматизации технологий, который был бы доступен рядовому исполнителю, не специализирующемуся з области фотограмметрии. Существенное упрощение методики обработки снимков достигается сочетанием методов перспективной и проективной фотограмметрии. Исследования, выполненные нами в этой области, позволили создать достаточно простые и надежные методики обработки одиночных снимков. стереопар и многократных засечек.

На основе разработанных алгоритмоз

фотограмметрической обработки изображений созданы и внедрены методики и технологии оперативного контроля и обновления цифровых планов на основе аэрсфото- и видеосъемки. Наш подход предполагает решение трех основных задач. Во-первых, уточнение метрической основы цифрового плана по программе преобразования векторной информации. Во-вторых. обновление цифрового плана путем совмещения векторной модели плана с растровым изображением снимка и нанесения не изобразившихся или ксрсектиссвки положения

изменившихся контуров. В-третьих, организации контроля метрической информации, поступающей из других источников, путем сличения данной векторной модели плана со снимком. Высокий уровень автоматизации фотограмметрических процессов позволяет организовать мониторинг графической части базы данных на основе сплошной аэрофотосъемки, выполняемой с периодичностью 5-7 лет, а отслеживание текущих изменений - на основе ежегодной выборочной аэровидеосъемки. Это позволяет поддерживать геометрическую основу интегрированной БД на современном уровне при минимальных затратах сил и средств.

Результаты исследований доложены на научных конференциях Омского государственного аграрного университета в 1994-1997 г г., Государственного университета землеустройства в 1998 г., семинарах ГИС ассоциации а 1997-1998 г г., на Симпозиуме технической комиссии №4 Международного общества фотограмметрии и дистанционного зондирования МОФДЗ "Картографирование и ГИС" ( Штутгарт, 7-10 сентября 1998 г.).

Основные работы по теме диссертации

1. Быков Л. В. Построение геодезически ориентированной модели на микро-ЭВМ "Электроника ДЗ-28"/ Методы создания и оценки качества топографической основы для целей землеустройства и мелиорации//Сб. науч. тр./ МИИЗ.-М., 1985,- С. 58-61.

2. Малявский Б. К., Быков Л. В., Лялин М. В. Многократная фотограмметрическая засечка// Геодезия и картография.-1988,-№2.-С. 41-43.

3. Лялин М. В., Андруцкий В. П., Гаров И. М., Глезер В. Л. , Быков Л. В. Определение геометрических характеристик инженерного объекта фотограмметрическим методом: Экспресс-информация// Геодезия, аэросъемка, картография /Отечественный производственный опыт.-ЦНИИГАИК ГУГК СССР.-1988.-С. 5-6.'

4. Быков Л. В., Макаров А. П. Замечания по теории и технологии стереотопографической съемки сельских населенных пунктов/ Совершенствование геодезических работ для сельскохозяйственного и промышленного строительства: Сб. науч. тр./ ОмСХИ.-Омск, 1990.-С.28-31.

5. Рогатнев Ю. М., Балашов А. И. Быков Л. В. Научные проблемы землеустройства, земельного кадастра, геодезии при создании современного земельного строя России// Состояние и перспективы развития агропромышленного комплекса Сибири в условиях реформы/ Научно-производственная конференция Омского государственного аграрного университета: Тез. докл.-Омск, 1995,-С. 86-90.

6. Быков Л. В., Макаров А. П. Как обновить цифровую карту города// Организация, технология и опыт ведения кадастровых работ/ II всероссийская учебно-практическая конференция.- М., 1997.-С. 168-169.

7. Малявский Б. К., Быков Л. В. Способ ориентирования пары снимков/ Заявка на изобретение № 97106360/28(006776).- 2 с.

8. Малявский Б. К., Быков Л. В. Способ ориентирования пары снимков/ Информационный листок. - Омский центр научно-технической информации. -1997,- №101-37,- 3 с.

9. Малявский Б. К., Быков Л. В. Способ ориентирования пары снимков/ Рекламный проспект: Изд-во ОмГАУ.-Омск, 1998.-с. 1.

10. Быков Л. В., Макаров А. П. Как обновить цифровую карту города/ ГИС ассоциация// Информационный бюллетень.-1998.-№1(13).-С. 76-77.

11. Быков Л. В. Мониторинг кадастровых баз данных городских территорий (на примере г. Омска) / Омск. гос. зграсный ун-т,- Омск. 1998.-65 с.-Деп. в БНИИТЭИ агропрсма 27.03.98. №17468.

12. Быков Л. В., Харитонов В. Г. Опыт использования цифровой стереофотограмметрическсй станции РНОТСМОО при крупномасштабном картографировании/ ГИС ассоциация // Информационный бюллетень,- 1998.-№3(15).-С. 59.

Издательство ОмГАУ Редактор С. Н. Ремесленникова

Лицензия ЛР№020471 от 11 апреля 1997 г Сдано в набор 04.11.98. Подписано в печать 09.11.98. Формат 60x84 ух(>. Печать офсетная. Бум. тип. №3.

Печ. л. 1,75 (1,6). Уч.изд.л.1,7. Тираж 120 зкз. Per. №130. Заказ 296.

Типография издательства ОмГАУ, Омск - 8, Сибаковская, 4