Комбинированный способ создания цифровых топографических планов по материалам аэрокосмических съемок Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

КОМБИНИРОВАННЫЙ СПОСОБ СОЗДАНИЯ ЦИФРОВЫХ ТОПОГРАФИЧЕСКИХ ПЛАНОВ ПО МАТЕРИАЛАМ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОК

Татьяна Александровна Хлебникова

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, доцент кафедры инженерной геодезии и информационных систем; тел. (913)474 19 70, e-mail: [email protected]

Олеся Борисовна Архипова

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ст. препод. кафедры инженерной геодезии и информационных систем; тел. (905)954 75 36, e-mail: [email protected]

Статья посвящена вопросам, связанным с появлением новых видов цифровых геопро-странственных продуктов, получивших название 3 D-моделей, трехмерных видеосцен. Рассмотрена схема технологии получения комбинированного цифрового топографического плана и измерительных трехмерных видеосцен по материалам аэрокосмических съемок средствами фотограмметрических технологий и 3D ГИС. Рассмотрены основные проблемы, возникающие при разработке данной технологии.

Ключевые слова: технология, цифровой комбинированный план, измерительная трехмерная видеосцена, ЦМР, ЦМО, ЦФС, 3D ГИС.

COMBINED METHOD FOR CREATION OF DIGITAL TOPOGRAPHIC PLANS ON THE BASIS OF AERIAL PHOTOGRAPHY AND SATELLITE SURVEY

Tatyana A. Khlebnikova

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Assoc. Prof., Department of Ingineering Geodesy and Information Systems, tel. (913)474 19 70, e-mail:[email protected]

Olesa B. Arkhipova

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Assoc., Department of Ingineering Geodesy and Information Systems, tel. (905)954 75 36, e-mail: [email protected]

The paper is devoted to the questions connected with occurrence of new kinds of digital geo-spatial products, the 3D-models, which have received the name, three-dimensional video scenes.

The technological scheme for creation combined digital plan and three-dimensional video scenes through photogrammetric technologies and 3D GIS on the basis of aerial photography and satellite survey is considered. The main problems are discussed which one faces while developing the given technology.

Key words: technology, digital combined plan, measuring three-dimensional video scenes, DEM, DMO, DFS, 3D GIS.

В течение двух последних десятилетий, наряду с традиционной информацией о территории в виде топографических карт, планов в аналоговом и цифровом видах, появились новые цифровые геопространственные продукты, получившие

название 3D-моделей, трехмерных сцен, которые представляют собой трехмерные пространственные аналоги реальных объектов территории [1, 2].

Материалы, рассматриваемые в данной статье представляют собой продолжение работ, опубликованных в [3, 4]. На основе базовых понятий, приведенных в известных словарях по геоинформатике и картографии (данные, пространственные данные, геопространственные данные, местность, территория), в [3] сформулировано свое определение цифрового геопространственного вида продукции. Согласно этому определению, трехмерная измерительная видеосцена - это трехмерная цифровая модель участка территории (3D ЦМТ), включающая в себя цифровую модель рельефа и модели других объектов, расположенных в границах рассматриваемой территории, предназначенная для визуализации в статическом или динамическом режимах и расчетно -измерительных операций с использованием специальных программных средств географических информационных систем (ГИС).

Следует оговориться, что использованное выше определение «измерительная» не совсем корректно применительно к трехмерной видеосцене. Процесс «измерения» сводится к совмещению курсора на экране ПЭВМ с выбранной точкой трехмерной видеосцены. При этом происходит не измерение точки, а считывание значений ее координат X, Y, Z из базы данных.

По мере практического применения трехмерных цифровых моделей территории, пользователи выявили недостатки, приводящие к ограничению их использования. Поэтому комплексное, совместное применение цифровых топографических карт, планов (ЦТК, ЦТП) и трехмерных измерительных видеосцен позволит по наиболее надежно опознаваемым объектам на трехмерной видеосцене определять значения координат и высот точек интересующего объекта территории на цифровой карте с точностью, регламентированной для масштаба данной карты.

Возможности 3D ГИС в настоящее время позволяют только раздельное формирование трехмерной видеосцены, т. е. формирование поверхности, затем «насадку» на нее трехмерных объектов на (под) ней расположенных (постройки, ограждения, деревья и т. д.).

Как показано в [3, 4], исходными данными для создания измерительных трехмерных видеосцен средствами 3D ГИС служат растровые изображения земной поверхности, цифровые модели местности (ЦММ), включающие в себя цифровую модель рельефа (ЦМР) и трехмерную цифровую модель объектов местности (ЦМО).

Для представления объектов в ЦММ используют следующие модели пространственных данных:

- векторная топологическая;

- векторная нетопологическая;

- растровая;

- модели, в которых используются векторные и растровые данные.

С учетом того, что ЦММ будут использованы для создания измерительных трехмерных видеосцен, по которым предполагается осуществлять решение аналитических и расчетных задач, предпочтительной является векторная тополо-

гическая модель с трехмерной размерностью данных. В машинной реализации векторному представлению данных соответствует векторный формат.

Под цифровой моделью рельефа принято понимать цифровое представление земной поверхности, с определенной точностью описывающее пространственное положение (высоту) и структуру земной поверхности. Каждую точку поверхности Земли невозможно передать в модель. Поэтому используются цифровые модели рельефа, которые передают отдельные точки.

Способ моделирования рельефа местности будет зависеть от его характера, масштаба модели, требуемой точности представления рельефа, по которому будут решаться прикладные задачи.

Наиболее распространенные способы цифрового представления рельефа в виде:

- векторных линий (горизонталей или иных изолиний с равным или неравным шагом);

- регулярной матрицы (регулярная или матричная модель) высот земной поверхности (представление на регулярной сетке квадратов, прямоугольников или треугольников, когда в ее узлах заданы значения высоты). В английском языке регулярная сетка квадратов называется GRID;

- нерегулярной, так называемой TIN-модели (TIN - Triangulated Irregular Network), включающей некоторую совокупность точек с высотными отметками, по которым проведена триангуляция с учетом линий разрыва непрерывности.

Под ЦМО понимается цифровая модель объектов местности, содержащая информацию о плановом (координаты X, Y) и высотном (по оси Z) положении, семантических характеристиках объектов территории, имеющих в том числе искусственное происхождение, кроме рельефа [5].

ЦМО формируется в виде совокупности цифровых данных об объемном отображении объектов местности, в которых информация о высотной составляющей объектов должна быть представлена в виде абсолютных высот точек или относительного значения, отраженного в семантической информации объекта в качестве одной из характеристик.

Семантическая информация объектов также должна включать сведения о материале и других характеристиках, отражающих внешний вид объектов, что позволит в последующем при моделировании трехмерных сцен в 3 D ГИС обеспечить более реалистичное отображение трехмерных объектов с использованием библиотек текстур.

Цифровая информация о границах объекта не требует специального моделирования, за исключением операций геометрического преобразования (ортогонализация, разрежение, сглаживание). Текстура необходима для графического отображения реалистического вида трехмерного объекта.

Сложность достоверного отображения объектов на цифровых топографических планах возрастает, когда на территории находится большое число подземных и наземных коммуникаций различного назначения. В таких ситуациях рядом авторов рекомендуется исполнительную съемку выполнять в более крупных масштабах, сложные объекты сопровождать фотоснимками, получен-

ными цифровой неметрической камерой, выполнять съемку наземными лазерными сканерами [6]. При этом наземная лазерная съемка имеет достоинства и недостатки.

В связи с изложенным, в технологию получения цифрового комбинированного плана предполагается включить следующие этапы:

- создание цифровых планов, ортофотопланов по материалам аэрофотосъемки, космической съемки высокого разрешения по известной технологической схеме;

- составление схемы участков, требующих создания измерительных трехмерных видеосцен;

- сбор информации ЦМР, ЦМО по материалам аэрофотосъемки, космической съемки высокого разрешения для дальнейшего создания трехмерных видеосцен на выбранные участки;

- создание моделей рельефа и объектов, трехмерных видеосцен средствами 3D ГИС;

- создание цифрового комбинированного плана.

Определены следующие необходимые условия, при которых будут получены цифровые комбинированные планы:

- цифровой комбинированный план должен включать цифровой топографический план и трехмерные видеосцены отдельных участков плана;

- параметры исходных материалов аэрокосмических съемок: масштаб аэрофотосъемки, разрешение космической съемки - должны обеспечивать создание комбинированного плана в диапазоне не мельче 1: 10 000;

- точность не ниже заданной точности положения объектов и контуров, входящих в состав комбинированного плана.

Технология создания ЦТП, ЦММ местности по материалам аэрофотосъемки известна [7], поэтому здесь рассмотрены только некоторые особенности.

Исходя из схемы предложенной технологии, она может быть реализована на различных ЦФС и ГИС, способных работать с трехмерными видеосценами.

При создании ЦМР, ЦМО средствами фотограмметрических технологий для дальнейшего их использования в 3 D ГИС возникает задача комплексного согласования на информационном уровне трехмерных моделей территории, создаваемых на ЦФС, и трехмерных моделей территории, построение которых осуществляется во внутренних структурах 3D ГИС на основе входных пространственных данных, получаемых экспортом из ЦФС.

Исходя из этого для проведения исследований предложенной технологии выбраны: ЦФС PHOTOMOD (компания Ракурс, г. Москва); программа ГИС КАРТА 2011 - ГИС Панорама (ЗАО «КБ Панорама», Москва).

ЦФС PHOTOMOD предусматривает импорт внешнего классификатора в заданном формате и последующее его использование при кодировании объектов и их характеристик в процессе сбора. Перечень классов объектов и их характеристик, используемых в классификаторе на производственный объект приведен в [4]. Приведенный перечень классов был принят, исходя из состава объектов на рассматриваемой территории.

При разработке технологии обозначены следующие проблемы:

- в зависимости от назначения трехмерной видеосцены нагрузка элементов содержания и объектов будет различной. Возникает проблема определения и обоснования необходимого и достаточного уровня детализации состава объектов. Должны быть разработаны критерии отбора и обобщения для показа объектов, обязательных на трехмерной видеосцене;

- разработка дополнительных требований к подготовке информационного обеспечения цифрового комбинированного плана;

- вопросы точности измерений трехмерных видеосцен практически не отражены в литературе [8, 9]. Должны быть выполнены исследования по оценке точности объектов на цифровом комбинированном плане.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Дуда, Р.О. Распознавание образов и анализ сцен [Текст] / Р.О. Дуда, П.Е. Харт; пер. с англ. - М.: Мир, 1976.-511с.

2. Основные проблемы пространственного представления местности в цифровых картографических изделиях [Текст]/ В.Н.Филатов, В.А.Авдеев, Р.С.Мухудинов, В.А. Радионов // Геодезия и картография. - 2007.-№4. -С.35-38.

3. Журкин И.Г., Хлебникова Т.А. Технология получения измерительной трехмерной видеосцены по материалам аэрокосмических съемок // Геодезия и картография. - 2009. -№ 8. - С. 43-48.

4. Хлебникова, Т. А. Исследование и разработка технологии построения измерительных трехмерных видеосцен по материалам аэрокосмических съемок [Текст]: автореф. дис. на со-иск. учен. степ. док. техн. наук по спец. 25.00.34. «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия» Т. А. Хлебникова - Новосибирск. - 2012. - 47 с.

5. ГОСТ 28441-99. Картография цифровая. Термины и определения [Текст] - Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации. - 2000. - 10 с.

6. Комбинированный способ создания инженерно -топографических планов масштаба 1: 500 промышленных территорий и отдельных промплощадок / Г.А. Уставич, В.А. Середо-вич, Я.Г. Пошивайло, А.В. Середович, А.В. Иванов // Геодезия и картография. - 2009. -№ 1. - С. 31-37.

7. ГКИНП (ГНТА)-02-036-02. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов [Текст]. - М.: ЦНИИГАиК, 2002. - 100 с.

8. Антипов И.Т., Хлебникова Т.А. О достоверности вероятностной оценки точности пространственной аналитической фототриангуляции // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 4. - С. 47-54.

9. Антипов И. Т., Хлебникова Т. А. Исследование вероятностной оценки точности пространственной аналитической фототриангуляции // Вестник СГГА. - 2011. - Вып. 2 (15). -С. 50-57.

© Т.А. Хлебникова, О.Б. Архипова, 2013