Построение цифровых моделей

Построение ЦМР это также очень важный этап работы любой цифровой фотограмметрической системы. Без нее невозможно выполнить трансформирование снимков рельефной местности и ортотрансформирование, автоматизировать процесс нанесение горизонталей и проч. Кроме того, ЦМР представляет и самостоятельный интерес для специалистов различных областей науки и техники.

Строят ее в ручном и автоматическом режиме. В первом случае необходимо набрать высотные пикеты характерных точек рельефа местности и по характерным его линиям. Чем больше таких точек, тем точнее будет ЦМР.

При построении в автоматическом режиме получается, как правило, регулярная ЦМР, являющаяся набором точек в некоторых границах, расположенных по сетке с одинаковым шагом. Значения высот в этих точках определяются с помощью коррелятора (например, модуль DTM программы PHOTOMOD) или методом интерполирования по значениям высот, набранных в процессе векторизации пикетов (Талка).

Алгоритмы построения ЦМР различны, и в модуле DTM (Digital Terrain Model), например, их несколько: регулярная, адаптивная, гладкая и оптимизация. Он строит и визуализирует ЦМР исследуемого объекта в виде пространственной сети триангуляции TIN (Triangulation Irregular Network); Какую из четырех моделей построения ЦМР использовать зависит от характера местности.

Любая программа обеспечивает редактирование ЦМР, построенной в автоматическом режиме, проведение горизонталей с заданным сечением, построение профилей местности, определение объемов и т.д.

Особенности основных отечественных фотограмметрических станций

Пакет PHOTMOD SP

PHOTMOD это название программного обеспечение для персональных компьютеров по цифровой обработки снимков, которое было разработано, постоянно совершенствуется и внедряется компанией Ракурс (Москва). Компания была основана в 1993 году, и в настоящее время ее продукция успешно эксплуатируется на многих предприятиях России, странах СНГ и дальнего зарубежья. Одним из первых ее продуктов и был PHOTMOD SP, который ориентировался, прежде всего, на обработку наземным снимков. Он имел модульную структуру, и обеспечивал: построение моделей по паре снимков и их внешнее ориентирование; построение цифровых моделей рельефа и работу с ними; трансформирование снимков и векторизацию. К сожалению это направление пока не получило дальнейшего развития. Затем появился PHOTMOD АТ, обеспечивающий обработку блока снимков, состоящего из нескольких маршрутов. Последняя версия PHOTMOD 3.51 обеспечивает:

- Обработку снимков центральной проекции и сканерных изображений.

- Выполнение блочной фототриангуляции.

- Создание цифровых моделей рельефа.

- Создание ортофотоплана.

- Векторизацию в стереорежиме и по ортофотоплану.

- Создание и печать электронных карт.

- Калибровку планшетных полиграфических сканеров.

Рекомендуемые требования к программным и аппаратным средствам: процессор Pentium IV 2 GHc; оперативная память 512 MB; операционная система Windows 2000; графическая карта True color, 64 MB, аппаратная поддержка OpenGL quad-buffering. К дополнительному оборудованию относят жидкокристалические (затворные) и анаглифические очки для стереонаблюдений и специализированную 10-кнопочную мышь.

Благодаря гибкой модульной структуре и сетевым возможностям PHOTMOD может использоваться как:

- Локальная полнофункциональная цифровая фотограмметрическая станция.

- Распределенная сетевая среда для реализации больших проектов

- Дополнительные рабочие места к имеющимся фотограмметрическим системам типа Helava, Integraf для выполнения наиболее трудоемких операций (стереовекторизации, построения и редактирования ЦМР).

Как отмечалось, PHOTMOD SP хорошо адаптирован для наземной фотограмметрии. Он многомодульный и включает:

1. Основной модуль. Он предназначен, главным образом, для построения модели по паре снимков и ее внешнего ориентирования.

2. Модуль стереовекторизации (StereoDraw) – служит для построения и редактирования в моно или стереорежиме визуализации векторных объектов: точек, полилиний, полигонов и прямоугольников.

3. Программный модуль создания цифровых моделей рельефа (ЦМР или DTM (Digital Terrain Model)). Он не может эксплуатироваться автономно, поскольку использует результаты процедур взаимного и внешнего ориентирования, в модулях PHOTOMOD SP. Модуль предназначен: для построения и визуализации ЦМР исследуемого объекта в виде пространственной сети триангуляции TIN (Triangulation Irregular Network); анализа и редактирования модели в режимах моно и стереоскопического отображения; формирования в автоматическом режиме ортотрансформированных изображений; расчета и визуализации горизонталей; экспорта ЦМР (TIN) в распространенные векторные форматы и т.д.

4. Модуль VectOr - это фактически геоинформационная система, предназначенная для создания и редактирования электронных карт, решения типовых прикладных задач и разработки специализированных ГИС-приложений в среде Windows 95, 98, Windows NT и Windows CE. Система позволяет создавать векторные, растровые и матричные карты, а также оперативно обновлять различную информацию о местности.

При реализации нового проекта работу начинают с основного модуля. Предварительно снимки (если они не цифровые) сканируют с учетом изложенных выше рекомендаций. Но следует помнить, что чрезмерно завышать уровень разрешения нецелесообразно, так как резко возрастает объем обрабатываемой информации, что приводит к трудностям в работе. Для компенсации искажений возникающих при использовании полиграфического сканера используют специальную технологию, которая включает: сканирование калибровочной сетки, расчет поля искажения сканера и коррекцию цифрового снимка с помощью программы Scan-Correct. Сохранять цифровые снимки следует в формате .bmp

Далее создается база данных, в которой хранятся исходные цифровые снимки и будут храниться все другие изображения и данные, появление которых связано с построением и внешним ориентированием модели. В процессе работы может быть создано несколько баз данных, но работать можно только с текущей.

Окно базы данных является одним из основных элементов интерфейса программы. Оно служит для отображения информации о текущей базе данных и для выполнения операций над ее объектами. Основными такими операциями являются: ввод исходной стереопары; внутреннее ориентирование снимков, геопривязка левого снимка; обеспечение стереопары набором соответственных точек; взаимное ориентирование снимков (построение модели); перенесение опознаков на правый снимок, внешнее ориентирование модели, выход из модуля ориентирования с сохранением полученных результатов. Рассмотрим каждую из операций в отдельности, но конечно без детализации.

Для того, чтобы ввести снимки нужно воспользоваться виртуальными клавишами левый/правый в окне базы данных и указать в диалоговом окне путь и имя bmp файла, содержащего соответствующее изображение. При выполнении операции цветные снимки можно преобразовать в черно-белые и изменить масштаб изображения.

В процессе внутреннего ориентирования снимков (виртуальная клавиша внутреннее ориентирование) с помощью марки указываются координатные метки на левом и правом снимках, положение главной точки (смещение объектива). Кроме того, вводится фокусное расстояние снимков, расстояния между координатными метками и дисторсия, если они известны. В качестве единиц измерения выбирают миллиметры или пикселы. Пересчет из одной системы в другую легко выполнить, если известно разрешение сканирования, которое вводится при первом запуске базы.

Геопривязка включает выбор системы координат, нанесение на левый снимок опознаков и опорных отрезков, если такие есть (до 99 единиц каждого из объектов), введение координат точек базиса. Возможен и процесс редактирования.

В программе предусмотрено, что для взаимного ориентирования снимков необходимо иметь как минимум 8 соответственных точек. Первые три вводятся вручную, но их положение может быть уточнено с помощью механизма корреляции. Затем может быть задействован механизм автоматического добавления соответственных точек. В процессе выбора точек на экран выдается сообщение о величине коэффициента корреляции. Хорошо когда он более 0.9, но даже и в этом случае корреляционный механизм дает сбои и оператору необходимо осуществлять визуальный контроль. В процессе их введения можно заниматься редактированием.

При взаимном ориентировании программа определяет взаимное угловое расположение снимков в момент съемки и преобразует исходные изображения в трансформированные. Их еще называют эпиполярными снимками. Такие изображения имеют те же центры проекций, но отличаются тем, что соответственные точки на них имеют практически одинаковые y- координаты, что значительно ускоряет автоматический поиск соответственных точек и выполнение основанных на нем операций измерений и автоматического построения ЦМР. При известных параметрах внутреннего ориентирования, программа использует классические уравнения коллинеарности для множества пар соответственных точек, задаваемых в полуавтоматическом режиме. Существенным преимуществом программы является возможность проведения взаимного ориентирования при неточном знании параметров внутреннего ориентирования, что делает возможным использование программы в задачах с неполным набором исходных данных. Взаимное ориентирование выполняется, если соответственных точек не менее 8 нажатием на соответствующую виртуальную клавишу. В результате на экране появляется сообщение, в котором указываются элементы взаимного ориентирования в базисной системе координат (если решение найдено) максимальное значение остаточного поперечного параллакса в пикселах и его среднее значение. Можно вызвать таблицу соответственных точек с параллаксами на каждой из них, что позволяет плохие точки удалить и взаимное ориентирование повторить. Считается приемлемым, если остаточные поперечные параллаксы по величине не превосходят одного пиксела.

Процедура абсолютного (внешнего) ориентирования модели служит для определения параметров ее пространственного и углового расположения по имеющимся опорным данным. В качестве опорных данных могут использоваться опорные точки и (или) опорные отрезки. В зависимости от количества и типа используемых опорных данных, процедура абсолютного ориентирования позволяет построить либо свободную модель, имеющую правильный масштаб, но произвольную ориентацию в пространстве, либо модель в пользовательской системе координат (в той системе координат, в которой заданы опорные точки). Для построения свободной модели необходим лишь один (для большей точности лучше два) опорный отрезок, а для построения модели в пользовательской системе координат – не менее четырех опорных точек, с известными X, Y, Z координатами. Избыточное количество опорных данных позволяет компенсировать ошибки, внесенные на этапе взаимного ориентирования из-за неточности параметров внутреннего ориентирования.

Перед внешним ориентированием модели следует перенести опознаки с правого снимка на левый. Для этого можно использовать корреляционный механизм, но если коэффициент корреляции мал, то лучше это сделать вручную.

После операции переноса опознаков выполняется внешнее (абсолютное ориентирование) модели. При этом в процесс уравнивания можно включать и не включать точки базиса, корректировать список используемых опознаков, редактировать их координаты и т.д. Основные результаты внешнего ориентирования показываются в окне, которое является предметом анализа. Если результаты удовлетворительны, из модуля можно выходить с сохранением результата. Программа выполнит трансформирование изображение и сформирует стереоизображение, которое можно рассматривать уже в другом модуле StereoDraw.

Рассматривать стереокартину в указанном выше модуле, можно используя анаглифические или затворные очки (по выбору). Пространственная измерительная марка управляется как с клавиатуры, так и мышью. Можно использовать и коррелятор. На экране отображаются пространственные координаты марки. Модуль является основным при съемке подробностей. Основными элементами, которые можно использовать при нанесении ситуации и рельефа являются векторные объекты: точка, полилиния, полигон и прямоугольник. Каждый из векторных объектов имеет набор характеризующих его параметров. Часть из них задается с помощью таблицы кодов, которую можно редактировать и пополнять в соответствии с характером измеряемого объекта. Объекты могут быть сгруппированы по слоям. Созданные векторные объекты могут быть сохранены, использованы для построения цифровой моделей рельефа (модуль DTM) или экспортированы в другие векторные форматы, например DXF, для использования в других приложениях.

Достоинством программы является возможность построения ЦМР в автоматическом режиме с возможностью последующего ручного редактирования. Процедура построения ЦМР основана на автоматическом вычислении с помощью корреляционного алгоритма пространственных координат набора точек изображения, определяемых регулярной сеткой, размер и положение которой задается пользователем. ЦМР позволяет легко и с высокой точностью получать ортоизображение и использовать его в качестве растровой подложки при создании векторных объектов. Внутренний формат ортоизображения несет полную пространственную информацию о точках местности, что позволяет вычислять реальные метрические характеристики векторных объектов. Система позволяет строить полутоновое изображение поверхности рельефа, производить высотную окраску рельефа, натягивать реалистичное (левое) изображение на сеточную модель и визуализировать полученную поверхность в произвольном ракурсе.

В программном модуле DTM предусмотрены четыре способа построения модели рельефа: регулярная, адаптивная, гладкая и оптимизированная. “Регулярная ” модель предусматривает определение искомых трехмерных координат рельефа во всех заданных точках модельной сетки. Вариант “Гладкая” модель по набору точек (пикетов) строит интерполяционную поверхность на растровом изображении. Выбор варианта “Адаптивная” модель рекомендуется использовать при обработке изображений со значительными односторонними областями или достаточно гладкими поверхностями. При внесении значительных изменений в модель при ручном ее редактировании рекомендуется использовать вариант “Оптимизация”.

Пакет PHOTMOD AT

Программный модуль PHOTOMOD AT служит для выполнения комплекса работ по построению и уравниванию маршрутных и блочных сетей пространственной фототриангуляции. Этот модуль может быть использован как автономная система или в качестве составной части цифровой фотограмметрической системы PHOTOMOD.

При использовании модуля PHOTOMOD AT» в составе системы PHOTOMOD конечной целью работ по построению и уравниванию сетей фототриангуляции является определение значений элементов внешнего ориентирования снимков, которые используются при последующей фотограмметрической обработке стереопар снимков в программных модулях DTM и StereoDraw. В этом случае при построении сети фототриангуляции нет необходимости выбирать связующие точки на изображениях четких контуров местности, так как идентификация соответственных изображений связующих точек на всех перекрывающихся снимках производится автоматически с помощью коррелятора или интерактивно стереоскопически.

Если фототриангуляция выполняется для определения координат и высот точек, используемых как опорные при последующей фотограмметрической обработке одиночных и стереопар снимков, то эти точки необходимо выбирать на изображениях четких контуров местности.

Программный модуль PHOTOMOD AT состоит из 2-х блоков: Менеджер проектов и Фототриангуляция.

Диалоговое окно Менеджера проектов имеет 2 закладки: Проекты; Камеры.

Диалоговое окно проектов содержит список проектов, созданных на данной станции с указанием уникального имени и даты создания. Список проектов можно сортировать по имени или дате создания нажатием на соответствующий заголовок.

Закладка Камеры предназначена для создания и редактирования каталога съемочных камер.

Основные этапы фототриангуляции:

1. Формирование блока.

2. Внутреннее ориентирование.

3. Создание каталога опорных точек.

4. Измерение опорных точек на снимках.

5. Ввод межмаршрутных связей и измерение точек сети.

6. Ввода связующих точек на перекрывающихся снимках соседних маршрутов (Межмаршрутные связи).

7. Измерение точек сети.

8. Работа со схемой сети.

9. Построение и уравнивание сети фототриангуляции.

Таким образом, в рамках стереотопографической съемки использование программного модуля PHOTOMOD AT связано с этапом камерального сгущения съемочного обоснования.

Талка

Программный комплекс «Талка» разработан в лаборатории №22 ИПУ РАН и в настоящее время существует несколько его версий. Он предназначен для создания цифровых фотопланов, ортофотопланов и фотосхем, а также ЦМР и векторных контуров объектов с использованием космических и аэрофотосъемочных материалов. Комплекс обеспечивает:

- Работу в местной системе координат или в проекции Гаусса-Крюгера в соглашениях 1942 года.

- Ввод маршрутной схемы с указанием направления залета, взаимного расположения аэроснимков, приближенного значения продольного и поперечного перекрытия в процентах, координат центров фотографирования

- Ввод стандартной таблицы дисторсии объектива АФА, таблицы крестов или положения координатных меток и других параметров внутреннего ориентирования фотоснимков. Расчет ошибок снимка с учетом всех этих данных и с использованием результатов расчета внутреннего ориентирования во всех дальнейших вычислениях.

- Просмотр фотоснимков с одновременным выводом на экран любого их количества, создание технического проекта, создание репродукции накидного монтажа и увеличение фрагментов фотоснимков.

- Расстановку опорных и контрольных точек с выводом координат планово-высотной подготовки.

- Ручную и автоматическую расстановку определяемых точек по зонам, контрольный пробег по точкам с выводом на экран абрисов точек в заданном увеличении, автоматическую идентификацию точек разных фотоснимков.

- Возможность объявления любых фотоснимков стереопарой.

-Построение стереоконтуров по стереомодели с экспортом в DXF формат в заданной системе координат после проведения блочной фототриангуляции.

- Автоматическое построение ЦМР по стереопаре с учетом введенных оператором стереоточек, проверку и исправление построенной ЦМР.

- Развитие аналитической блочной фототриангуляции с учетом данных взаимного ориентирования каждой стереопары, уравниванием всей модели и с внешним ее ориентированием.

- Создание единой ЦМР в указанной оператором области с взаимной сводкой ЦМР, полученных по стереопарам;

- Построение горизонталей с рисовкой утолщенных горизонталей, разрядкой горизонталей на крутых склонах, построением бергштрихов и надписей в автоматическом режиме.

- Расчет смещения точек фотоснимка из-за влияния рельефа с использованием построенной единой ЦМР, аналитическое трансформирование снимков в цифровом виде с учетом смещения точек из-за влияния рельефа, наклона оптической оси, ошибок снимков, усадки на опорные точки.

-Создание мозаичных ортофотопланов по серии снимков с идеальным совмещением всех трансформационных точек снимков, фотометрическим выравниванием фона изображений, созданием зарамочного оформления по существующим стандартам, рисовкой горизонталей.

- Средства стереонаблюдений – стереоочки типа «3DMAX» или «3DBIS» на станции – в случае обработки снимков с построением ЦМР по стереомодели.

Выходной продукцией технологии являются: цифровые модели рельефа местности, контура объектов DXF, горизонтали в DXF, цифровые фотопланы и фотосхемы, цифровые ортофотопланы, твердые копии фотопланов с зарамочным оформлением.

При работе с программой «Талка» оператору следует различать две системы координат - входную и выходную. Для каждого обрабатываемого проекта понятие входной и выходной систем координат фиксированы.

Кроме того, в программе имеется понятие внутренней (топоцентрической) системы, в которой ведутся все расчеты. Эта система упомянута только для прояснения ситуации, пересчеты из входной во внутреннюю систему и затем в выходную систему ведутся автоматически.

Входной системой координат в данной версии программы является либо местная система координат, либо система координат в проекции Гаусса-Крюгера с разбиением территории России на шестиградусные зоны. Эту систему называют еще системой координат 1942 года или, для краткости, «Пулково 1942», как, например, в известной программе «Mapinfo». В случае местной системы поверхность считается плоской и никаких исправлений за кривизну Земли не вводится, она же является и выходной системой координат проекта.

В случае использования системы координат Гаусса-Крюгера (1942 г.) все расчеты производятся в топоцентрической (внутренней) системе координат. Затем их последовательно пересчетывают, сначала в геодезическую, затем в геоцентрическую и, наконец, в топоцентрическую систему. Тем самым учитывается кривизна земной поверхности. Внутренняя система координат никак не отображается на экране, иными словами, оператор может не знать о ее существовании. Центр топоцентрической внутренней системы помещается в центр указанного оператором листа карты миллионного масштаба. Этот лист указывается при задании так называемой выходной системы координат.

Выходная система координат задается как номер одной из шестиградусных зон и первая буква номенклатуры листа миллионного масштаба. Таким образом, входные данные могут принадлежать двум (и даже более) зонам, в то время как выходные - обязательно одной из них.

Известно, что этот программный продукт был опробован при решении производственных задач, и продемонстрировал хорошие результаты. В частности, при составлении планов масштаба 1:500 по аэрофотоснимкам масштаба 1:10000, расхождение в расстояниях между точками на ортофотопланах (с учетом масштаба) и соответствующими точками на местности не превышали 10см. Кроме того, очень хороший результат был получен при составлении планов по аэрофотоснимкам, когда внешнее ориентирование модели производилось не по опознакам, а по координатам точек фотографирования полученным из GPS-определений в процессе летносъемочных работ. Выводы:

1. Программный продукт «Талка» является уже сейчас хорошей альтернативой действующим технологиям, в частности комбинированному методу в его теперешнем варианте.

2. С использованием в производственном процессе цифровых технологий легко сочетать приемы стереотопографической съемки с особенностями комбинированной даже в рамках одного планшета, производя рисовку рельефа открытых и полуоткрытых участков на компьютере при различной степени увеличения изображения. Замечено, что процесс нанесение горизонталей при обработке стереомодели залесенной местности выполняется значительно проще, если это делать при обратном стереоэффекте.

1. В связи с изменением технологии обработки снимков, нормативную документацию придется пересматривать.