CC BY
135
УДК 528.915+528.425
Т.А. Хлебникова, С.П. Нефедов, Н.И. Шушлебина ФГУП центр «Сибгеоинформ», Новосибирск
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ МЕСТНОСТИ ПО МАТЕРИАЛАМ АЭРОФОТОСЪЕМКИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ НАВИГАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС
Анализ научной и технической литературы за последние 10 лет показывает неуклонное возрастание интереса как со стороны специалистов различного профиля, так и рядовых потребителей к использованию трехмерного представления данных для решения широкого круга задач в различных отраслях и сферах человеческой деятельности (геология, геофизика, нефтяная и газовая отрасли, архитектура и дизайн и др.).
В ФГУП центр «Сибгеоинформ» рамках НИР проводятся научно-исследовательские и экспериментальные работы по разработке технологии построения трехмерной цифровой модели местности по материалам аэрофотосъемки для решения задач навигации с использованием ГИС.
До настоящего времени задачи навигации, такие, например, как прокладка маршрутов в соответствии с заданными критериями по существующим транспортным коридорам (наземным, воздушным, морским), прокладка новых транспортных коридоров, контроль местоположения движущегося транспортного средства по маршруту, повсеместно решаются с использованием двумерных цифровых карт. Однако возможности трехмерного представления данных в ГИС, во-первых, позволяют решать задачи сетевого анализа с учетом рельефа, что позволяет получать параметры маршрутов или новых транспортных коридоров, учитывающие реальную обстановку на местности, и, во-вторых, обеспечивают визуализацию полученных результатов в привычной для пользователя трехмерной среде.
Поскольку собственно решение сетевых задач, обеспечивающих построение минимальных или оптимальных маршрутов и прокладку новых, и их визуализация в трехмерной среде обеспечивается программными средствами конкретной ГИС, то основной задачей НИР являлась задача комплексного согласования на информационном уровне трехмерных моделей местности, создаваемых средствами цифровых фотограмметрических станций (ЦФС), используемых в отрасли, и трехмерных моделей местности, построение которых осуществляется во внутренних структурах 3D-ГИС на основе входных трехмерных пространственных данных ЦММ, полученных экспортом из ЦФС, и проверка реализации этой задачи с помощью разрабатываемой экспериментальной технологии.
Под трехмерной цифровой моделью местности (территории) - 3D ЦММ понимается модель, включающая в себя цифровую модель рельефа ЦМР и трехмерную цифровую модель объектов местности ЦМОМ.
Технология включает в себя следующие основные этапы:
- Создание 3D ЦММ по материалам аэрофотосъемки на ЦФС, включая экспорт ЦМР, ЦМОМ в выходные форматы, совместимые с 3D-THC;
- Конвертация ЦМР, ЦМОМ в 3D-rMC и создание трехмерных сцен, включающих в себя: создание модели земной поверхности и создание трехмерных моделей объектов местности.
Сбор трехмерной пространственной информации осуществлялся средствами двух ЦФС (ЦФС ЦНИИГАиК, г. Москва, ГНПП «Геосистема», г. Винница, далее ЦФС ЦНИИГАиК; цифровая фотограмметрическая система PHOTOMOD компании Ракурс, г. Москва, далее PHOTOMOD) по производственным материалам в объеме одного маршрута аэрофотоснимков. Характеристики аэрофотоснимков: масштаб залета - 1 : 8 000, фокусное расстояние АФА - 153.44 мм, формат кадра 23 х 23 см. Территория объекта представляет собой равнинную местность с застройкой сельского типа, имеются луговые массивы, болото, небольшие лесные участки. Гидрография представлена одной рекой и мелкими озерами.
Поскольку предполагалось использование в качестве трехмерных ГИС -ГИС КАРТА 2005 и ARCGIS, то выходная информация была представлена в двух форматах: внутреннем формате ГИС КАРТА 2005 Vector и SHP.
Технологическая схема создания трехмерной цифровой модели местности по материалам аэрофотосъемки аналогична схеме создания двумерной модели. Особенности заключаются в выработке дополнительных требований, определяющих специфику работы с трехмерной информацией.
Эти требования относятся к подготовке информационного обеспечения:
- К подготовке классификатора и его содержанию;
- К правилам сбора цифровой информации о рельефе и объектах местности на ЦФС.
Во-первых, в классификатор должны быть внесены дополнительные слои, обеспечивающие формирование объемного вида элементов конструкции сооружений, например, основание крыши, конек крыши, боковая сторона крыши, навес (коньки крыш и грани кровли необходимы для воссоздания трехмерной модели крыш сложной конфигурации).
Во-вторых, требуется включение дополнительных характеристик, обеспечивающих передачу высотной составляющей объекта в виде абсолютного значения.
Наряду с этим семантическая информация к объектам должна включать в себя в обязательном порядке сведения о материале и других характеристиках, отражающих внешний вид объектов (количество повторяющихся элементов, порода, тип поверхности и т. п.), что позволит в последующем при моделировании трехмерных сцен в 3D-ГИС обеспечить относительно фотореалистичное отображение трехмерных объектов с использованием стандартных библиотек текстур, не прибегая к дополнительному и затратному как по времени, так и по средствам процессу получения детальных фототекстур для каждого объекта или группы типовых
объектов на заданную территорию, если последнее не диктуется спецификой решаемой задачи (например, создание трехмерных моделей уникальных, исторических, археологических и т. п. памятников). Следует отметить, что при создании трехмерных сцен для решения задач навигации фотореалистичное представление трехмерных объектов не требуется -достаточно использовать либо стандартную библиотеку текстур 3D-ГИС, либо закрашивание объектов в соответствии с предоставляемыми 3D-ГИС возможностями.
Требования к правилам сбора цифровой информации об объектах местности, в части специфики создания 3D ЦММ, заключаются в следующем:
а) Для объектов «Здания, строения» должны быть собраны границы контуров оснований, границы контура крыш, контуры всех необходимых пристроек (с типом локализации - площадной), которые должны быть отображены по техническим условиям заказчика.
б) Для крыш строений следует собрать контур основания крыши, определить и внести в семантическую информацию высоту основания крыши и высоту конька от основания крыши в семантике, если крыша имеет вид призмы. В случае, если крыша имеет иную форму, собрать контур основания крыши, собрать дополнительными трапециями (или треугольниками) боковые стороны.
в) Для отображения стен зданий, сооружений, которые не видны на стереоскопической модели, необходимо получить наземные фотоснимки. Так как эти фотоснимки будут использованы в качестве основного источника цифровой текстурной информации, желательно использование цифровой камеры. Применение цифровой камеры исключит фотохимическую обработку и сканирование фотоснимков. Фотоснимки, полученные в результате наземной съемки, например, фототеодолитом, следует использовать для определения и уточнения вертикальных размеров моделируемых объектов.
г) Для получения координат и высот точек объектов, закрытых на данной стереомодели тенью, изображением других объектов (крона деревьев, забор и т.д.), перспективой изображения, в среде ЦФС должна быть предусмотрена разработка дополнительных программных модулей.
Формирование ЦМР по аэроснимкам на ЦФС в зависимости от характера территории должно осуществляться:
а) По пикетам в виде регулярной сетки (GRID-модель) для территорий со сглаженным рельефом;
б) По пикетам в виде нерегулярной триангуляционной сети (TIN -модель) для территорий с сильно выраженным рельефом.
В случае формирования GRID-модели величина шага сетки зависит от требуемого масштаба представления территории.
Основным представлением ЦМР в ЦФС PHOTOMOD является TIN-модель, представляющая собой кусочно-линейную интерполяционную модель поверхности. При необходимости возможно преобразование TIN в регулярную матрицу высот.
TIN строится по набору пикетов, которые используются в качестве узлов триангуляционной сети, и структурных линий - 3D векторных линий вдоль характерных вытянутых форм рельефа, таких, например, как хребты и тальвеги.
Набор пикетов для ЦМР может производиться как вручную, так и в автоматическом режиме.
ЦФС ЦНИИГАиК обеспечивает создание ЦМР в виде TIN-модели и регулярной матрицы высот.
ЦМОМ формируется на ЦФС обоих типов в виде совокупности цифровых данных о контурах объектов местности, в которых информация о высотной составляющей объектов должна быть представлена в виде абсолютного значения и отражена в семантической информации к объекту в качестве одной из характеристик.
При разработке экспериментальной технологии ЦМОМ и ЦМР, полученная на ЦФС в виде матрицы высот, конвертировались в ГИС КАРТА 2005.
По введенной матрице высот программными средствами ГИС, реализующими основные методы интерполяции, формировалась новая матрица высот, по которой осуществлялось построение трехмерной модели рельефа земной поверхности.
Проверка степени идентичности модели рельефа, полученной на ЦФС, модели рельефа, полученной в среде ГИС КАРТА 2005, осуществлялась путем анализа метрической точности трехмерной модели.
Анализ метрической точности 3D ЦММ проводился по следующей методике:
1. Оценка точности выполнялась по высотной составляющей метрической информации контрольных точек, так как плановые координаты точек ЦМОМ и ЦММ, полученные на ЦФС, не изменяются при импорте их в 3D ЦММ.
2. В качестве контрольных точек были приняты четко опознаваемые точки, измеренные опытным оператором на стереофотограмметрических моделях двух стереопар аэрофотоснимков. Стереофотограмметрические модели строились по результатам фотограмметрического сгущения, результаты которого характеризуются следующими оценками:
- Средние погрешности по расхождению на опознаках не превышали: в плане - 0.0S м, по высоте - 0.09 м; на общих точках: в плане - 0.0S м, по высоте - 0.08 м;
- Максимальные погрешности по расхождению на общих точках смежного маршрута не превышали в плане - 0.16 м, по высоте - 0.1S м.
3. Исходные данные для построения поверхности рельефа на ЦФС были подготовлены в двух вариантах:
- Набор пикетов по узлам сетки 20 х 20 метров на местности и характерным формам рельефа;
- Набор пикетов по узлам сетки 10 х 10 метров на местности и характерным формам рельефа.
4. Модель земной поверхности строилась средствами ГИС КАРТА 2005.
Модель земной поверхности в ГИС КАРТА 2005 представлена матрицей высот, являющейся регулярной структурой, содержащей элементы, значения которых - высоты рельефа местности.
Элемент матрицы соответствует квадратному участку местности, размер стороны которого соответствует точности матрицы.
Основными параметрами матрицы высот являются:
- Масштаб матрицы, предназначенный для согласования совместного отображения матрицы и векторной карты;
- Размер матрицы, состоящий из ширины и высоты матрицы в метрах;
- Точность матрицы, отражающая размер в метрах стороны квадратного участка местности, соответствующего элементу матрицы.
Размер элемента матрицы для двух вариантов исходных данных задавался значениями: 1 м, 5 м, 10 м, 20 м.
Результаты оценки точности для ГИС КАРТА 2005 в виде расхождений высот на контрольных точках представлены в табл. 1, 2, где 0 - значение средней ошибки, т - значение средней квадратической ошибки.
Таблица 1. Результаты оценки точности высот точек, полученных средствами
ГИС КАРТА 2005 по узлам сетки 20 х 20 метров
Номера контрольных точек Ъ ЦФС (м) 3D ЦММ (20 м)
1 м 5 м 10 м 20 м
1 2 3 4 5 6
1 32,75 32,91 32,75 32,79 32,91
2 33,24 33,13 33,28 33,29 33,13
3 32,47 32,67 32,68 32,46 32,67
15 31,66 31,78 31,66 31,66 31,78
16 30,92 30,92 30,92 30,92 30,92
17 31,65 31,46 31,65 31,73 31,46
3 т 0,16 0,11 0,09 0,16
0,21 0,17 0,14 0,21
Таблица 2. Результаты оценки точности высот точек, полученных средствами
ГИС КАРТА 2005 по узлам сетки 10 х 10 метров
Номера контрольных точек Ъ ЦФС (м) 3D ЦММ (10 м)
1 м 5 м 10 м 20 м
1 2 3 4 5 6
1 32,75 32,9 32,91 32,75 32,35
2 33,24 33,20 33,17 33,28 32,87
3 32,47 32,68 32,32 32,42 32,42
15 31,66 31,72 31,74 31,63 31,78
16 30,92 31,00 30,99 30,99 30,99
17 31,65 31,55 31,50 31,50 31,50
3 0,09 0,12 0,14 0,42
т 0,11 0,19 0,21 0,82
По данным, приведенным в таблицах 1,2, сделаны следующие выводы:
1. Полученные значения средних погрешностей высот не превышают 0.20 м, что удовлетворяет требованиям «Инструкции по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов» для масштабов 1 : 2 000, 1 : 1 000 с сечением рельефа 1 м.
2. Средние погрешности высот точек, полученные по узлам сетки 10 х 10 м, незначительно меньше, чем средние погрешности, полученные по узлам сетки 20 х 20 м. При этом объем измерений значительно возрастает.
3. Для равнинной территории достаточно выполнять сбор ЦМР по узлам сетки не плотнее чем 20 х 20 м.
4. Полученные значения средних погрешностей высот точек для равнинной местности позволяют считать точность 3D ЦММ, полученной в среде ГИС, сопоставимой с точностью ЦМР, полученной на ЦФС.
5. Таким образом, разработанная экспериментальная технология позволяет создавать на ЦФС по материалам аэросъемки ЦМР и ЦМОМ для последующего получения трехмерных моделей в ГИС.
© Т.А. Хлебникова, С.П. Нефедов, Н.И. Шушлебина, 2006
