Цифровая фотограмметрия и дистанционное зондирование

Материал из Техническое зрение
Перейти к: навигация, поиск

По современному определению Международного общества фотограмметрии и дистанционного зондирования (ISPRS), "фотограмметрия и дистанционное зондирование - это искусство, наука и технология получения надежной информации средствами неконтактной съемки и другими датчиками о Земле и ее окружающей среде, других физических объектах и процессах путем регистрации, измерения, анализа и представления". Наибольшее применение фотограмметрия и дистанционное зондирование находят в аэротопографии, при построении и обновлении топографических и кадастровых карт, а также при создании геоинформационных систем.

Фотограмметрия родилась через $13$ лет после изобретения фотографии. В $1852$ году французский инженер Эмме Лосседа для создания плана местности получил первые перспективные снимки Парижа. Съемка была проведена с воздушного шара. Позднее был сконструирован $\textit{стереокомпаратор}$, который давал возможность рассматривать стереоскопически два перекрывающихся снимка, полученных с некоторой базы (некоторого расстояния). Эта база была названа $\textit{базисом фотографирования}$, а перекрывающиеся изображения - $\textit{стереопарой снимков}$. При рассматривании раздельно левым и правым глазом в сознании наблюдателя снимки сливаются в единый зрительный образ. Поэтому после изобретения стереокомпаратора появилась возможность с высокой точностью измерять координаты и параллаксы точек снимков. Если при стереонаблюдении в поле зрения снимков ввести измерительные марки, то с их помощью можно измерить $\textit{плоские координаты}$ точек левого снимка и $\textit{горизонтальные параллаксы}$ (разность измеренных абсцисс) и $\textit{вертикальные параллаксы}$ (разность измеренных ординат) идентичных точек. При наблюдении обе марки при их перемещении сливаются в одну пространственную марку. Такое совмещение марки в действительном пространстве с пересечением проектирующих лучей и позволяет вычислить пространственные координаты точки. Стереоскопическая модель может быть создана, если снимки расположить таким образом, которое они занимали при съемке, т. е. выполнить процесс взаимного или внешнего ориентирования. $\textit{Взаимное ориентирование снимков}$ - это процесс, с помощью которого определяется угловое положение снимков относительно друг друга и базиса фотографирования. В результате для одноименных точек снимков можно провести базисные плоскости, в которых лежат пересекающиеся проектирующие лучи. $\textit{Внешнее ориентирование снимков}$ - это процесс, когда с помощью координат опорных точек и координат их изображений на снимках определяются линейное и угловое положение снимков в пространстве в заданной пространственной системе координат.

В зависимости от решаемых задач начало координат пространственной системы и направление координатных осей выбирают, исходя из поставленных задач и удобства обработки. Положение снимков в пространстве определяется $\textit{элементами внешнего ориентирования}$. Принято различать линейные элементы внешнего ориентирования и угловые. К элементам внешнего ориентирования относят $\textit{положение центра проектирования}$ съемочной камеры (или снимка, полученного в текущей момент времени этой камерой). В пространственной системе координат каждый центр проектирования определяется тремя пространственными координатами, а угловое положение пространственной системы снимка - тремя последовательными поворотами. Последовательность поворотов при аналитическом решении задач фотограмметрии особой роли не играет, их выбирают, исходя из установившейся традиции или исходя из удобства их определения. Лучи, проходящие через центр проектирования съемочной камеры и точки объекта съемки, называют $\textit{проектирующими лучами}$. Совокупность проектирующих лучей, которые формируют снимок, называют $\textit{связкой лучей}$. $\textit{Главный луч}$ - луч, проходящий через центр проектирования перпендикулярно плоскости снимка. Обычно главный луч связки совпадает с $\textit{главной оптической осью}$ съемочной камеры.

Кроме элементов внешнего ориентирования каждый снимок характеризуется $\textit{элементами внутреннего ориентирования}$. Точка пересечения главного луча с плоскостью снимка называется $\textit{главной точкой снимка}$. Расстояние от центра проектирования до плоскости снимка называется $\textit{фотограмметрическим фокусным расстоянием}$ - $f$. Отклонения проектирующих лучей от принятой модели проектирования носят название $\textit{систематических ошибок}$.

Необходимо также отметить, что $\textit{геодезическое обеспечение}$ фотограмметрических работ тесно связано с использованием $\textit{единых систем координат}$. В нашей стране постановлением Правительства Российской Федерации от $28$ июля $2000$ года № 568 установлены две единые государственные системы координат:

  1. система геодезических координат $1995$ года (СК-95) для использования при осуществлении геодезических и картографических работ, начиная с 1 июля $2002$ года;
  2. геоцентрическая система координат "Параметры Земли $1990$ года" (ПЗ-90) - для использования в целях геодезического обеспечения орбитальных полетов и решения навигационных задач.

Начиная с семидесятых годов прошлого века, с развитием средств вычислительной техники возникло большое количество дисциплин, связанных с обработкой изображений. К таким дисциплинам относятся машинное или компьютерное зрение, машинная графика, распознавание образов и анализ сцен, реконструкция изображений, цифровая фильтрация, зрение роботов, зрительное восприятие и ряд других. В основу этих дисциплин легли теория сигналов, вычислительная геометрия, теория информации, теория вероятности и математическая статистика, операционные методы, теория связи и другие. Здесь под изображением понимаются уже не фотографии на бумажных носителях, многомерные цифровые сигналы, которые являются функциями многих переменных. Фотограмметристы также были готовы к переходу на цифровые методы обработки, назвав новое направление $\textit{цифровой фотограмметрией}$.

Содержание

Цифровая фотограмметрия

В цифровой фотограмметрии имеют дело с $\textit{цифровыми изображениями объектов}$, полученными цифровыми камерами кадровыми, сканерными, лазерными съемочными системами или путем преобразования аналогового изображения в цифровую форму. $\textit{Цифровой снимок}$ представляет собой матрицу, элементами которой являются числа, характеризующие плотность или цвет элементарного участка снимаемого объекта. Аналитические решения фотограмметрических задач также претерпели некоторые изменения, но остались фундаментом и в цифровых методах обработки.

Переход в фотограмметрии от аналоговых и аналитических методов к цифровым еще острее поставил перед фотограмметристами прежние проблемы по значительному сокращению полевых топографо-геодезических работ и автоматизации процессов обработки аэрокосмических и наземных снимков. Такие традиционные процессы как $\textit{ортофототрансформирование}$, построение $\textit{цифровых моделей рельефа}$ местности, автоматизация $\textit{стереоотождествления}$ и высокоточные измерения одноименных точек перекрывающихся аэрокосмических снимков, синтез изображений, полученных в разных спектральных диапазонах - были значительно усовершенствованы. Внесла свой вклад в цифровую фотограмметрию радиоэлектроника. Это относится к автоматизированному определению координат центров проектирования съемочных камер с помощью GPS-технологий и усовершенствованию $\textit{инерциальных навигационных систем }$(ИНС), что привело к автоматизированному определению угловых элементов внешнего ориентирования, т. е. к полной автоматизации процесса определения всех элементов внешнего ориентирования снимков.

В настоящее время ошибки определения координат с помощью GPS составляют от $2$ до $8 $м, а с помощью ГЛОНАСС - от $4$ до $9 $м. При совместном использовании обеих навигационных систем точность определения координат на территории Европы уже на уровне $1$ - $3 $м. Планируется, что в $2011 $г. точность определения координат с помощью ГЛОНАСС будет доведена до $2,8 $м. Проводятся разработки по определению в динамическом режиме координат с точностью до $0,1 $м. Чтобы не потерять эти точности, в фотограмметрии появился новый процесс - определения элементов выставки навигационной и другой аппаратуры в строительной системе координат носителя.

Инерциальная система, устанавливаемая на платформе летального аппарата, служит для определения его углового положения в пространстве, состоит из элементов для определения вертикали места, измерения и интегрирования ускорений, счетно-решающей части и указателей. Обычно различают три типа систем: геометрический, полуаналитический и аналитический.

В системах первого типа блок гироскопов ориентируется и стабилизируется в инерциальном пространстве, а платформа с акселерометрами для слежения за положением местной вертикали ориентируется в горизонтальной плоскости. Измерения углов между платформой и блоком гироскопов определяют координаты места движущегося объекта.

Акселерометры и гироскопы в системах второго типа располагаются на одной платформе, причем прецессия гироскопов (а за ними и поворот платформы) вызываются сигналами с акселерометров. Вне платформы расположено счетно-решающее устройство, которое определяет координаты местоположения объекта.

В инерциальных системах третьего, аналитического типа, и акселерометры, и гироскопы неподвижны в инерциальном пространстве. Координаты объекта получаются в счетно-решающем устройстве, в котором обрабатываются сигналы, снимаемые с акселерометров и устройств, определяющих поворот самого объекта относительно гироскопов и акселерометров.

Кадровый аэрокосмический цифровой снимок отличается высокой точностью изображения. Применяется для создания топографических карт земной поверхности. Фокальная плоскость съемочной камеры представляет собой откалиброванную ПЗС-матрицу.

Основные фотограмметрические процессы

Рассмотрим теперь основные фотограмметрические процессы.

Для $\textit{опознавания и маркирование пиксельных координат опорных точек}$ цифрового снимка и их маркирования на экране дисплея с помощью абрисов или иных описаний геодезическими способами выполняется $\textit{планово-высотная привязка}$ аэрокосмических снимков с определением пространственных координат опорных точек в заданной пространственной системе координат. После этого на перекрывающихся снимках выполняется маркирование и измерение координат точек сгущения. При этом снимки должны иметь продольное и поперечное перекрытие. $\textit{Пространственная фототриангуляция}$ проводится с целью значительного уменьшения дорогостоящих полевых геодезических работ. Обычно используются статистически строгие методы $\textit{уравнивания}$ блока или маршрута снимков. Перекрытие снимков вдоль маршрута около 60{\%}, а на поперечных маршрутах - около 30{\%}. При уравнивании используется способ наименьших квадратов. Условные уравнения - не линейные, а нормальные - имеют очень большой порядок. Задача решается итеративным методом. До уравнивания все измеренные координаты должны быть приведены в цифровую форму, а до этого момента стереоопознавание и измерение точек проводится автоматизированным способом. В настоящее время в мире создано огромное количество программ уравнивания. Наилучшим решением будет такое, при котором с высокой точностью будут определены координаты центров проектирования и угловые элементы, а также учтены почти все систематические ошибки, процесс фототриангуляции отпадет, и для каждого снимка будут известны элементы ориентирования. Хотя, вообще говоря, все систематические ошибки снимков, видимо, никогда не будут до конца устранены. В виде коэффициентов полиномов они еще долго будут играть роль в процессах самокалибровки и контроля качества выполненных работ.

Следующим этапом работ является измерение по перекрывающимся снимкам пиксельных координат идентичных точек, преобразование координат этих точек в цифровую форму, решение задачи $\textit{прямых многократных засечек}$ в ортогональной или другой $\textit{картографической проекции}$, построение триангуляции Делоне с отбраковкой грубых измерений, регулярной сетки узлов с характерными точками рельефа и создание $\textit{цифровой модели рельефа}$ (ЦМР). Исходной информацией для решения задачи прямых фотограмметрических засечек являются элементы внешнего ориентирования используемых снимков.

ЦМР - средство цифрового представления трехмерных пространственных объектов (поверхностей, рельефа местности) в виде трехмерных данных как совокупности высот или отметок глубин и иных значений аппликат (координаты Z) в узлах регулярной сетки с образованием $\textit{нерегулярной сети}$ (TIN) как совокупность данных записей $\textit{горизонталей }$(изогипс, изобат) или иных изолиний. Источниками исходных данных для создания ЦМР служат топографические карты, аэроснимки, космические снимки, данные альтиметрической съемки и т. д. ЦМР - дискретная модель представления пространственных поверхностей в форме, удобной для обработки, хранения и представления в информационных системах.

$\textit{Ортотрансформированные изображения}$ могут использоваться в качестве фонового слоя ГИС или для оцифровки и обновления карт. Сканированный аэрофотоснимок или спутниковое изображение трансформируются цифровыми методами в $\textit{ортографическую проекцию}$ путем обработки каждого пиксела при помощи уравнений пространственной фотограмметрической засечки. Эта обработка требует в качестве исходных данных либо координат опорных точек (данных и/или вычисленных путем уравнивания сети) и координат соответствующих точек на изображении, либо параметров внешнего ориентирования, а также информации о ЦМР.

$\textit{Цифровой ортофотоснимок}$ - это ориентированное в системе координат местности изображение, созданное по наклонному фотоснимку или другому изображению дистанционного зондирования, на котором устранены смещения, вызванные ориентацией датчика и рельефом местности. Материалами съемки при этом непосредственно являются цифровые модели рельефа местности и цифровые карты в горизонталях. В качестве текстуры используют снимки с известными элементами внешнего ориентирования.

Ортофотоснимки являются важной продукцией для множества задач картографирования, управления и мониторинга. Помимо данных в виде аэро- или спутниковых снимков, системы опорных точек и ЦМР для получения фотопланов необходима соответствующая специализированная система. В качестве примера можно привести систему ImageStation OrthoPro. Основные характеристики этой системы и технологическая схема производства ортофотопродукции описаны в.

В настоящее время практически решен и вопрос создания высокоточных цифровых топографических аэрокосмических съемочных камер. В первую очередь это относится к цифровой съемочной системе DMC, созданной фирмой Carl Zeiss/Intergraph (Z/I Imaging), и самолетному цифровому датчику изображений ADS40, созданному LH Systems (Швейцария) и немецким аэрокосмическим центром DLR.

При космической съемке геометрия съемки различается по расположению сканеров относительно орбитальной системы координат и относительно горизонтальной плоскости участка. К цифровым методам применяемой в настоящее время съемки относится и сканерная съемка с применением ПЗС-линеек. Элементы ПЗС-линейки (пикселы) расположены на прямой с заданным одинаковым шагом в фокальной плоскости объектива съемочной камеры. Последовательное соединение строк, полученных в текущие моменты времени по трассе полета носителя, представляет собой изображение местности, которое будем называть $\textit{сканерной орбитальной панорамой}$. С целью облегчения камеральной обработки панорама разбивается на условные кадры ($\textit{сканерный снимок}$). В ряде случаев с целью уменьшения накопления геометрических искажений условный кадр дополнительно разбивается на отдельные сегменты.

Каждое изображение строки при этом подчиняется закону центрального проектирования и образует плоскую систему координат снимка с началом координат в главной точке снимка. В пределе при сплошном последовательном расположении ПЗС-линеек в фокальной плоскости цифровой камеры образуется кадровый снимок центрального проектирования с ПЗС-матрицей. Заметим, что для получения хорошего фотометрического качества при сканерной съемке наилучшим вариантом будет расположение ПЗС-линейки в средней части кадра фокальной плоскости.

В ряде случаев однострочные и многострочные сканеры выпускают с состыкованными параллельно двумя или тремя линейками, что обеспечивает лучшее опознавание объектов. При этом каждая фирма-разработчик выбирает свой вариант конструкции, который считает более предпочтительным для решения тех или иных задач.

Следует различать:


  1. съемку одной съемочной камерой, жестко установленной на носителе при постоянном заданном угловом положении в пространстве;
  2. съемки одной съемочной камерой с последовательным заданным изменением ее углового положения в пространстве во время съемки;
  3. одновременные съемки несколькими съемочными камерами, установленными на носителе в заданных угловых положениях в пространстве во время съемки;
  4. одновременные съемки несколькими съемочными камерами, установленными на объекте с последовательным заданным изменением их углового положения в пространстве во время съемки.


Кроме положения съемочных камер на объекте будем также различать и их расположение в пространстве самих носителей:


  1. постоянное угловое положение носителя при съемке;
  2. отслеживание центральным лучом сканирования местной вертикали;
  3. отслеживание центральным лучом сканирования заданной точки местности;
  4. произвольное положение носителя в пространстве.


На практике используется большинство перечисленных схем съемки.

По геометрии формирования также возможны различные варианты сканерных съемок. Наиболее типичные:


  1. Съемка с помощью оптико-механических сканеров - отдельные вращающие зеркала или активные элементы либо линейки с небольшим числом элементов;
  2. Сканерная съемка одной линейкой ПЗС;
  3. Сканерная съемка двумя линейками ПЗС - при этом для возможности стереообработки съемка выполняется с перекрытием, либо конвергентно с одной трассы, либо с двух трасс с направлением съемки в правую и левую сторону;
  4. Сканерная съемка тремя линейками ПЗС.


При трехсканерной синхронной съемке одна линейка развернута для съемки по местной вертикали, а две другие - в сторону движения носителя в противоположную сторону. При этом продольные углы их наклона относительно плоскости сканирования для средней линейки имеют противоположные по знаку углы и постоянные значения по величине. Синхронная съемка тремя линейками ПЗС позволяет формировать кадровые снимки центрального проектирования, состоящие всего из трех разнесенных строк, но относящиеся к одному моменту времени.

Применение цифровых способов съемки и обработки полученных материалов способствовало созданию съемочного оборудования, основанного на новых физических принципах. Это в первую очередь относится к созданию лазерных съемочных систем. Лазерные съемочные системы представляют собой комплекс приборов, способных практически в реальном масштабе времени обработать съемочный материал. Этот комплекс включает в себя $\textit{лазерный 3D-сканер}$, бортовую GPS-антенну, инерциальную систему, цифровую аэросъемочную камеру и другое вспомогательное оборудование. Вся аппаратура жестко закреплена на летательном аппарате. $\textit{Лазерный сканер}$ - это активное средство дистанционного зондирования, оно позволяет с помощью дальности и угла отклонения лазерного луча от вертикального положения получить облако точек, отраженных от объекта сигналов. GPS-антенна позволяет определить пространственное положение ее центра излучения, инерциальная система - угловое положение каждого сканирующего луча в пространстве, а аэросъемочная камера - получить изображение местности или интересующего объекта.

В ряде комплексов для получения облака пространственных точек на поверхности объекта часто используется принцип оптико-механического сканирования: с помощью вращающего зеркала и движения носителя. Кроме вращающего зеркала в ряде случаев используют вращающие призмы, оптический клин и другие устройства. Источником излучения служит полупроводниковый лазер ближнего инфракрасного диапазона. Лазер работает в импульсном режиме. Временной интервал от момента излучения до получения отраженного от объекта сигнала позволяет определить наклонную дальность до объекта $r$. Если на пути луча встречаются другие пробиваемые лазерным лучом объекты, то от них также происходит частичное отражение сигналов, что позволяет и до этих объектов определять наклонные дальности. Направление лазерного визирного луча от одного излученного импульса определяется с помощью вращающегося зеркала в фиксированный момент времени углом сканирования в строительной системе координат лазерного устройства. Угол сканирования и дальность позволяют вычислить вектор пространственных координат точки в заданной системе координат сканера, в которой фиксируются углы отклонения лазерного луча от исходного положения. В результате дистанционного зондирования для каждого лазерного измерения в фиксированные моменты времени определяются дальность до отраженной точки и шесть элементов внешнего ориентирования в геоцентрической системе координат.

Ряд воздушных лазерных сканерных систем

Рассмотрим ряд воздушных лазерных сканерных систем.

$\textit{Бортовая лазерная сканирующая система геодезического класса FALCON 111}$. Основное назначение бортового комплекса FALCON 111, разработанного немецкой фирмой TopoSys GmbH является получение ЦМР, ЦММ и цифровых ортофотопланов. Точность измерения дальностей в этом комплексе составляет менее $2$ см. Система использует принцип веерного сканирования. Направления лазерных лучей относительно друг друга в этой системе фиксированы в диапазоне $20$ градусов. За счет большого темпа выдачи лазерных импульсов строится модель поверхности с шагом $0.24$ м. С расстояния $0.5$ м. лазерный луч безопасен для зрения. Калибровка блоков комплекса на жесткой платформе проводится в заводских условиях. Спектрозональный линейный сканер комплекса получает цифровые изображения в четырех зонах спектра: красном, зеленом, синем и ближнем инфракрасном. Это позволяет получать реальное и в синтезированных цветах. Синтезированный снимок позволяет также вычленять области, покрытые растительностью

$\textit{Самолетная лазерная система картографирования ALTM 3100}$ компании Optech. Это самая распространенная в России система. Лазерный луч ALTM $3100$ безопасен для зрения на расстоянии $80$ метров. Метод сканирования - осцилирующее зеркало. Максимальный угол сканирования $50$ градусов. Точность определения углового положения лазерного луча $0,005$ - $0,008$ градуса, точность определения высоты $15$ см - при высоте до $1200$ м и $35$ см - при высоте до $3000$ м , точность планового положения $1/2000$ от высоты (в метрах). Разрешение по дальности - $1$ см. Сканирование поверхности выполняется с частотой 1 кГц, что позволяет провести $100 000$ измерений в сек. Аэросъемка выполняется камерой Rollei AIC Modular LS.

$\textit{Воздушная лазерная батиметрическая система SHOALS 1000T}$ (Optch. Inc., Канада) Система предназначена для одновременного картографирования береговой зоны мелководья до $50$ метров в чистой воде и до $40$ метров на мелководье. Дешифрированию поддаются подводные объекты до 2 метров. Высота воздушной съемки $200$ - $400$ метров. Угол сканирования $20$ градусов. Система совместима с гиперспектральной камерой.

Получили дальнейшее развитие и $\textit{радиолокационные станции}$ (РЛС) с $\textit{синтезированной апертурой}$ (SAR). Эти радиолокационные станции являются активными системами зондирования, которые обеспечивают свой собственный источник подсвета и могут получать изображения в дневное и ночное время суток. РЛС SAR являются когерентными системами, которые сохраняют фазу и величину каждого отраженного сигнала. Разрешающая способность РЛС SAR от $3$ м до $100$ м с шириной полосы захвата от $1$ км до $500$ км. При этом разрешение РЛС SAR теоретически не зависит от высоты размещения РЛС и дальности цели.

Некоторые РЛС обладают возможностями многочастотности и множественной поляризации сигналов, которые позволяют характеризовать целый ряд различных типов объектов и поверхностей. Работа на более длинных радиоволнах $P$-диапазона ($75$ см) и $L$-диапазона ($24$ см) обеспечивает сильные отраженные сигналы главным образом для более крупных объектов и особенностей земной поверхности. Эти диапазоны позволяют также проникать радиоволнам сквозь снежный и растительный покров и, при определенных условиях, через песок и почву. Более короткие волны $C$-диапазона ($5,6$ см) и $X$-диапазона ($3$ см) полезны для выявления границ малых объектов местности. Кроме того, излучение $C$- и $X$-диапазонов имеет тенденцию более сильно отражаться растительным и снежным покровами, а также почвой, что позволяет характеризовать эти типы поверхностей.

В каждом диапазоне дальнейшее выявление более мелких объектов местности обеспечивается с помощью комбинаций различных типов поляризации сигналов. $\textit{Подобные типы поляризации}$ - горизонтальная поляризация излученного сигнала и горизонтальная поляризация принятого сигнала (НН) или вертикальная поляризация излученного сигнала и вертикальная поляризация принятого сигнала (VV) - имеют тенденцию обнаруживать обратное рассеивание радиоволн от объектов, ориентированных в том же самом направлении, что и падающая волна. $\textit{Поперечные типы поляризации}$ - горизонтальная поляризация излученного сигнала и вертикальная поляризация принятого сигнала (HV) или вертикальная поляризация излученного сигнала и горизонтальная поляризация принятого сигнала (VH) - обнаруживают отраженные сигналы, образующиеся в результате множественного рассеивания, которое деполяризует энергию, как например, в случае покрова редколесий, или в результате множественного радиоэха, как например, в случае сигналов, отраженных от земной поверхности и стволов деревьев. Подобные типы поляризации имеют тенденцию к обеспечению самых сильных отраженных сигналов обратного рассеивания, тогда как поперечные поляризации имеют тенденцию к меньшему влиянию угла падения радиолуча и изменениям уклона местности. Полный поляриметрический режим позволяет синтезировать любую комбинацию типов поляризации, включая круговую поляризацию. Следовательно, имея возможности многочастотности и множественной поляризации, можно подобрать сочетания этих параметров, позволяющие получать изображения по данному сюжету съемки с усилением различных типов и объектов поверхности.

РЛС работают также в СВЧ-области электромагнитного спектра. Более длинные волны СВЧ-энергии могут проникать сквозь облачный покров, туман и дождь, что позволяет РЛС работать в неблагоприятных метеорологических условиях, которые исключают использование систем наблюдения в видимой и ИК-областей.

Сегодня РЛС можно отнести к наиболее распространенным цифровым съемочным системам. РЛС SAR, имея с высокое разрешение, применяются в геологическом и топографическом картографировании. Своевременный мониторинг состояния моря и ледовой обстановки в интересах мореходства, детальная характеристика биомассы - также задачи РЛС. Они устанавливаются как на воздушных, так и на космических носителях, обеспечивая покрытие съемкой земной поверхности как в региональном, так и в глобальном масштабе на периодической основе или по запросам.

После успешного применения радиолокаторов бокового обзора с синтезированной апертурой для высокоточного определения высот по радиолокационным стереопарам был разработан также интерферометрический способ. Этот способ использует разность фаз сигналов с двух расположенных на некотором расстоянии радиолокаторов. Радиоинтерферометрия применяется как в самолетном, так и в космическом вариантах.

Цифровые фотограмметрические станции

Для проведения полноценной автоматизированной обработки аэрокосмических снимков, как правило, создаются специализированные $\textit{цифровые фотограмметрические станции}$ (ЦФС). Под цифровой фотограмметрической системой (или станцией) понимается совокупность программных и технических средств, связанных общей функцией и обеспечивающих выполнение комплекса технологических процессов и операций, необходимых для получения аэрофототопографической съемки в цифровом виде по цифровым изображениям. Под продукцией, получаемой непосредственно от цифровой фотограмметрической системы, будем понимать цифровой ортофотоплан и векторную модель контуров снятых объектов.

Обработка цифровых растровых снимков обычно производится в стереоскопическом режиме с использованием специальных средств: 3D-мониторов, обычных мониторов со стереоскопической насадкой или обычных мониторов со стереоскопическими очками. Последний способ наиболее часто применяется в реальных производственных системах, так как меньше ограничивает движения оператора в пространстве и, при этом, дает хороший стереоэффект в большом диапазоне точек пространства перед монитором. Для демонстрационных целей и на уровне полупрофессионального использования также применяется анаглифический метод стерео с цветовым разделением стереоизображений.

Автоматизированные процессы $\textit{геометрических преобразований}$ и $\textit{дешифрирования }$образуют костяк ПО цифровых фотограмметрических станций. В частности, при установлении связи координат точек изображения с пространственными объектами используются проективные преобразования. Это ускоряет решение, но часто не соответствует реальному процессу, поскольку требует геометрически идеальной модели формирования изображения, чего практически не встречается на практике. Поэтому в фотограмметрии проективные преобразования в настоящее время, как правило, находят применение лишь на этапе определения начального приближения при решении задачи.

Кроме того, как и в машинной графике, часто возникают задачи восполнения данных, когда через несколько точек следует провести кривую или поверхность - это классическая задача интерполяции и частый случай аппроксимации. Для решения таких задач используются интерполяция $В$-сплайнами, аппроксимация кривыми Безье и ряд других методов. В фотограмметрии аналогичными способами решаются такие специфические задачи, как укладка горизонталей, построение границ однотипных областей, показываемых на картах, и т. д.

В связи с формированием видеомоделей объектов для построения перспективных снимков по этим моделям в фотограмметрии благодаря вычислительной геометрии возник и новый процесс - триангуляция Делоне. Теперь появилась возможность строить перспективные снимки, наблюдаемые из заданных точек пространства и под заданным ракурсом. Задача по устранению "мертвых пространств" успешно решена с привлечением усилий геометров и специалистов по машинной графике. Также решена и задача удаления невидимых поверхностей, то есть нахождения преобразования, отображающего множество трехмерных объектов на множество их видимых частей в двумерном пространстве.

Проблема автоматизации обнаружения и дешифрирования объектов оказалась гораздо сложнее задачи автоматизации процесса геометрических преобразований. Поэтому успехов здесь меньше. Большой вклад здесь внесло компьютерное зрение. В современной цифровой фотограмметрии используются различные способы выделения однородных областей, отрезков и их атрибутов (по которым, например, дешифрируются отдельные здания прямоугольной формы, дороги и др.), сглаживание кривых, выделение окружностей, построение карт линеаментов, маркированных объектов, выделение краев и углов, границы теней и т. д. Цветные и многоспектральные снимки позволяют выделять растительность, водоемы, искусственные объекты и др. Геометрическими процессами здесь являются интерполяция и аппроксимация кривых и поверхностей.

Основной научной проблемой в данной области сегодня является усовершенствование алгоритмов и программного обеспечения цифровых фотограмметрических станций и внедрение в производство технологий, основанных на современных цифровых методах обработки аэрокосмических снимков. Применение цифровых способов съемки и обработки аэрокосмических снимков, включая и построение видеомоделей участков местности, требует использования и новых подходов к качественной и количественной оценке разрабатываемых съемочных датчиков, теорий и методов решения фотограмметрических задач. Практическим работам с новыми технологиями здесь должны предшествовать исследования, позволяющие проверять правильность предлагаемых решений, оценивать работоспособность созданных программных продуктов, получать надежные результаты по оценке точности и давать рекомендации по применению созданных программных продуктов и технологий. Большое внимание также должно быть уделено и синтезу видеоинформации, полученной с разных датчиковых систем в разных диапазонах спектра, а также разработке общей системы параметров для этих систем в части их стандартизации при выполнении фотометрической и геометрической калибровки.

Полезные ссылки

  1. ☝ К началу
  2. ☜ Авиационные и космические приложения
Личные инструменты
Пространства имён

Варианты
Действия
Навигация
Инструменты