CC BY
244
УДК 528.7
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ «ИСТИННЫХ» ОРТОФОТОПЛАНОВ (TRUE ORTHO) В ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Лариса Геннадьевна Евстратова
ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова», 119991, Россия, г. Москва, ГСП-1, Ленинские горы, 1, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории аэрокосмических исследований кафедры картографии и геоинформатики географического факультета, тел. (495)939-50-42, e-mail: lge_21@mail.ru
Окружающая человека среда является основным объектом изучения в географических исследованиях. Ортофотопланы являются актуальным источником информации. Показана геометрия возникновения «мертвых зон» на ортофотопланах с изображением городской территории. Рассмотрена возможность получения «истинного» ортоизображения - true ortho.
Ключевые слова: аэрокосмические снимки, «мертвые зоны», ортотрансформирование. USING OF THE TRUE ORTHOPHOTO FOR GEOGRAPHIC RESEARCHES
Larisa G. Evstratova
Moscow State University, 119991, Russia, Moscow, 1 Leninskiye Gory, Ph. D., Laboratory of Aerospace Methods, Faculty of Geography, Researcher, tel. (495)939-50-42, e-mail: lge_21@mail.ru
Surrounding environment is a main object of study for geographic researches. The orthophoto is actual source of the information. The geometry of the hidden area appearance especially for images over urban areas is presented. Possibility of generation of a true orthophoto is considered.
Key words: airspace images, hidden area, true orthophoto.
В настоящее время в географических исследованиях широко используются аэрокосмические изображения, т.к. они являются одним из основных источников информации о Земле.
Используя космические снимки различного разрешения можно выявить границы естественных образований, а затем уточнить их положение, используя космические снимки более высокого разрешения или аэрофотоснимки и определить разнородные характеристики поверхности, объектов [1].
Получение своевременной информации о состоянии территорий и объектов основано на использовании современных космических средствах, методах сбора и обработки данных. Для специалистов, исследующих природные и при-родно-общественные геосистемы, наиболее эффективным инструментом моделирования и анализа являются географические информационные системы (ГИС). Для отображения пространственной информации о поверхности Земли используются карты разных видов и масштабов. Это топографические, географические, геологические, лесоустроительные, кадастровые карты и т.д. Однако, использование карт в качестве основы для ГИС иногда бывает просто невозможно, так как многие топографические и другие карты не обновлялись на протяжении 20 - 30 лет и не соответствуют состоянию местности. В связи с интен-
сивным развитием космических съемочных систем одним из основных методов обновления карт стало обновление по материалам космических съемок.
Трансформирование является неотъемлемым элементом обработки аэрокосмических снимков при получении по ним метрической информации. Этот процесс существенно влияет на качество выполнения мониторинга по многозональным космическим снимкам, т.к. для эффективного выявления изменений необходимо в первую очередь тщательное совмещение информации [2].
Цифровое трансформирование и ортотрансформирование снимков выполняется с конца 70-х гг. прошлого века. Трансформирование снимков на имеющихся ЭВМ занимало тогда до нескольких часов. Но именно в то время были разработаны основные подходы и методы трансформирования [3]. На смену метода прямого трансформирования, где требовалось выполнять интерполяцию для заполнения пропусков и наложений, пришел метод обратного трансформирования, свободный от этих недостатков и позволяющий без интерполяции получать трансформированное изображение.
Были разработаны методы ортотрансформирования, которые учитывают смещения точек на снимке вследствие влияния рельефа местности [3, 4]. Информацию о рельефе дает цифровая модель рельефа, которая может быть получена как в результате стереофотограмметрической обработки снимков, так и любым другим способом (картографическим, геодезическим, из радиолокационной интерферометрии и т. д.).
Однако объектом изучения географов и геоэкологов являются экосистемы, представленные различными природно-антропогенными комплексами, в частности городские территории.
На ортоснимках с изображением городских территорий даже после выполнения ортотрансформирования имеются зоны, которые не соответствуют изображению местности. Это так называемые «мертвые зоны», т. е. зоны, которые не отображаются на ортотрансформированном снимке вследствие того, что снимок является центральной проекцией местности [5]. Объекты, возвышающиеся над поверхностью земли, закрывают часть местности. Она то и не изображается на снимке (рис. 1). Кроме того, на изобразительное качество ортофо-топлана будут влиять зоны, закрытые тенью от объекта.
В 80 - 90-х годах были разработаны методы позволяющие устранять «мертвые зоны» на ортотрансформированном снимке, такой способ получил название «True ortho».
Как видно из рис. 1, размер области SM, закрытой объектом, зависит от положения точки съемки относительно объекта и от его высоты, а размер области тени St — от положения источника излучения (Солнце) относительно объекта. Область тени не зависит от положения объекта, и тень будет и на снимке II, который в то же время не имеет «мертвой зоны» от соответствующего объекта на первом снимке.
Рис. 1. Формирование «мертвых зон» и теней на снимке
Область зоны, закрытой объектом местности, определяется направлением на него проектирующего луча из точки S1 и объектом с высотой h над поверхностью Земли:
SM = htga, (1)
где tga = ^^; X - расстояние от надира до точки M; H - высота фотографирования.
Размер тени определяется положением Солнца относительно объекта и зависит от высоты объекта ST = htghe. На снимке тень будет занимать участок
изображения,
S7
m
где m - знаменатель масштаба снимка. Соответственно при
одной высоте съемки снимки, полученные длиннофокусными АФА, будут иметь меньший размер области тени.
Устранить тень можно путем «выравнивания» яркостей на затененной области - растяжением диапазона яркостей в области тени на весь рабочий диапазон.
Для устранения «мертвой зоны» используется соседний снимок II, на котором изобразилась соответствующая часть местности. Нужно перенести со снимка II на снимок I соответствующее изображение закрытого на нем участка. Однако следует заметить, что на снимке II область также останется закрытой тенью. Поэтому предварительно необходимо выполнить процедуру «выравнивания» яркостей.
Для эффективного устранения «мертвых зон» необходимо выполнить аэрофотосъемку с продольным перекрытием 80% и с поперечным - более 30%.
Сущность метода построения «истинного» ортофотоплана заключается в определении положения «мертвых зон»: нахождении на соседних снимках изображения, соответствующего «мертвой зоне», и заполнения ее на орто-трансформированном снимке этим изображением. Для этого необходимо выполнить «true ortho» - «истинное ортотрансформирование» каждого снимка используя не только цифровую модель рельефа, но и цифровую модель объектов (ЦМО) зданий, сооружений, деревьев и т. п., «закрывающих» другие объекты местности.
При ортотрансформировании космических снимков этот метод сложно использовать, так как стереопары космических снимков получают путем съемки с соседних орбит с отклонением оптической оси. Поэтому метод весьма, дорогой и трудоемкий. Для устранения влияния теней пользуются тем, что космические снимки имеют широкий динамический диапазон и используя методы изменения гистограммы и методы фильтрации получают приемлемое изображение в области тени [6].
Таким образом, ортофотопланы используют как новый вид информации, они могут содержать различную тематическую информацию, в зависимости от требований пользователя, поэтому ортофотоплан несет в себе как метрическую информацию, т.е. соответствует определенной метрической точности, так и тематическую информацию. Кроме этого по современным космическим стерео-снимкам можно построить пространственную модель местности, на основании которой можно получить 3D модель и соответственно использовать ее как для анализа природных ресурсов, так и городской территории. Причем плановой основой 3D модели является ортофотоплан.
На основе ортофотопланов получают следующие виды продукции:
- топографические и кадастровые карты масштабов 1:5000 - 1:100000, выполняется обновление карт масштаба 1:2000 - 1:100000;
- карты изменений местности путем обработки ортофотопланов, полученных на различные даты и использование процедур «выявления изменений» Change Detection;
- базовую пространственную основу для информационного обеспечения и обновления данных в ГИС;
- основу для 3D моделирования поверхности.
В заключение хочется отметить, что современный географ-картограф должен быть знаком с методами цифровой обработки изображений, понимать сущность алгоритмов применяемых при анализе изображений в современных программных комплексах, чтобы целенаправленно использовать знания для дешифрирования аэрокосмических снимков с целью создания карт и решения метрических задач, возникающих при географических исследованиях. [7].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гук А. П., Евстратова Л. Г., Алферова А. С. Комплексный анализ космических снимков для выявления изменений при мониторинге территорий // ГЕ0-Сибирь-2009. V Между-нар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск: СГГА, 2009. Т. 4, ч. 2. - С. 181-185.
2. Автоматизированное дешифрирование аэрокосмических снимков. Выявление изменений состояния территорий и объектов по многозональным космическим снимкам, полученным на разные даты / А. П. Гук, Л. Г. Евстратова, Е. П. Хлебникова, М. А. Алтынцев, С. А. Арбузов, А. С. Гордиенко, А. А. Гук // Геодезия и картография. - 2013. - № 8. - С. 39-47.
3. Лобанов А. Н. Фотограмметрия : учебник для вузов. - М.: Недра, 1984. - 552 с.
4. Евстратова Л. Г. Трансформирование космических снимков с использованием программного комплекса ENVI: учеб. пособие. - Новосибирск: СГГА, 2008. - 53 с.
5. Евстратова Л. Г. Создание «реальных» ортофотопланов (True Ortho) по аэрофотоснимкам с использованием программного комплекса INPHO // Геодезия и картография. -2011. - № 3. - С. 29-32.
6. Bang K. I., Habib A. F., Shin S. W., Kim K. O. Comparative Analysis of Alternative Methodologies for True Ortho-photo Generation from High Resolution Satellite Imagery / ASPRS 2007 Annual Conference Tampa, Florida, May 7-11, 2007.
7. Трёхмерное аэрокосмическое моделирование: учеб. пособие / Ю. Ф. Книжников, О. В. Вахнина, Е. Г. Харьковец, А. К. Ильясов, Л. Г. Евстратова, М. С. Шахмина; Под ред. Ю. Ф. Книжникова. - М.: изд. геогр. ф-та МГУ, 2011. - 216 с.
© Л. Г. Евстратова, 2015
