CC BY
3
УДК 528.721.28
Ю.Ф. Книжников, Р.Н. Гельман, Е.Г. Харьковец
КОМПЬЮТЕРНЫЕ СТЕРЕОИЗМЕРЕНИЯ В УНИВЕРСИТЕТСКОЙ ПОДГОТОВКЕ ГЕОГРАФОВ1
Программы учебных курсов "Аэрокосмические методы исследований", которые читаются в высших учебных заведениях географам и студентам других природоведческих специальностей, традиционно предусматривали освоение стереоскопических наблюдений и измерений аэрокосмических снимков [1—4]. Учебные практические работы по этой тематике выполнялись с помощью простейших измерительных фотограмметрических приборов — зеркально-линзового стереоскопа с параллактическими линейками или параллаксометром, а также стереокомпаратора. Сейчас, когда энергично внедряются компьютерные технологии и цифровая фотограмметрия повсеместно вытесняет аналоговую и аналитическую, ситуация существенно изменилась.
Имеющиеся на рынке универсальные программно-аппаратные комплексы (системы), получившие по ГОСТу название цифровые фотограмметрические приборы: отечественные PHOTOMOD, "Талка", ЦНИИГАиК и зарубежные, например Image Station компании "Intergraph", предназначены для топогра-фо-геодезического производства. Они обеспечивают выполнение всего комплекса технологических процессов создания и обновления цифровых топографических карт масштаба 1:5 000—1:25 000 по аэрокосмическим снимкам. Однако эти приборы не только очень дорогие, но и сложны в освоении, хотя нередко частные фирмы организуют в специализированных топографо-геодезических учебных заведениях компьютерные классы, оснащенные фирменными программными продуктами, которые, кстати сказать, регулярно модернизируются.
Однако для вузов природоведческого профиля такой путь весьма проблематичен; универсальные цифровые фотограм метрические приборы могут в них использоваться в лучшем случае как демонстрационные. Это существенно затрудняет первоначальное обучение студентов-географов, геологов стереоскопическим измерениям аэрокосмических снимков, воспроизводимых на видеоэкране компьютера. С пособиями по простейшим стереоскопическим наблюдениям дело обстоит лучше. Появление персональных компьютеров и цифровых фотоаппаратов реанимировало некогда популярную стереоскопическую фотографию, широко представленную сейчас на многочисленных стереосайтах в Интернете, например www.stereoart.ru. Здесь воспроизводятся художественные стереоснимки различного содержания, приводят-
ся рекомендации по их изготовлению и наблюдению безочковым и анаглифическим способом.
В статье предлагается один из вариантов программно-аппаратного обеспечения учебных практических работ по визуальным стереоизмерениям аэрокосмических снимков, выполняемых с помощью персонального компьютера.
Применение стереофотограмметрического метода в географо-геологических исследованиях имеет свои особенности. Обычно для обработки используют не блок или маршрут снимков, а одиночную стереопару. Географ самостоятельно измеряет стереоскопическую модель местности чаще всего для получения различного рода морфометрических показателей — относительных высот точек местности, длин линий, углов наклона склонов и их экспозиции, площадей отдельных объектов, объемов положительных и отрицательных форм рельефа, а также для построения профиля местности и т.д. По разновременным стереомоделям получают показатели динамики, характеризующие пространственные изменения объектов местности и скорость протекания различных природных процессов.
Известно, что фотограмметрия не располагает практическими технологиями прямого определения таких показателей по стереоскопической модели: их вычисляют по пространственным координатам отдельных точек, которые в свою очередь получают по плоским координатам и параллаксам, стереоскопически измеренным по паре снимков. Поэтому основным стереоизмерительным прибором в таких случаях может служить класссический стереокомпаратор. Необходимость создания простого и недорогого цифрового фотограмметрического прибора с ограниченными функциями традиционного оптико-механическо-го стереокомпаратора стала очевидной уже при первом появлении на рынке дорогостоящих цифровых универсальных фотограмметрических систем. Нетребовательный к вычислительным ресурсам, простой в освоении, доступный по цене компьютерный стереокомпаратор в комплекте с прикладными программами, составленными для решения конкретных задач, можно использовать при географическом применении цифровых стереосъемок, а главное, для обучения компьютерным стереоизмерениям.
Из многочисленных приемов стереообработки снимков студент-географ прежде всего должен научиться наблюдать и измерять цифровую стереоскопическую модель местности на экране монитора, ос-
' Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 04-05-64285).
i к А
Y А М,ш
1
X У
f —►
воив основную метрическую операцию — стереоскопическое визирование (наведение) подвижной измерительной маркой на поверхность объемной стереоскопической модели местности. Можно с уверенностью прогнозировать, что эта базовая измерительная процедура, которая неизменно применяется в фотограмметрии уже более века, и в будущем будет эффективно О использоваться для получения трехмерной геопространственной информации по аэрокосмическим снимкам, несмотря на быстрое совершенствование и частую смену приборов и программного обеспечения [5].
Компьютерный стереокомпаратор. Принцип устройства компьютерного стереокомпаратора показан на рис. 1. На экран монитора выводятся два цифровых снимка "JI" и "П", составляющие стереопару. Для измерений используют высвечиваемые на экране визирные марки т и т', которые могут перемещаться относительно снимков вдоль общих осей системы координат X w Y. Кроме того, правый снимок "П" стереопары может дополнительно перемещаться относительно левого. Координатная система цифрового снимка определяется строками и столбцами его матрицы с началом координат в нижнем левом углу каждого снимка. Единицей измерения координат служит пиксел (pix) изображения. С помощью наблюдательной системы исполнитель воспринимает стереомо-дель местности и одну пространственную измерительную марку. При совмещении марки т с точкой М на левом снимке в памяти компьютера фиксируются координаты х, у этой точки в системе левого снимка. Совмещение соответствующей ей точки М' на правом снимке с маркой т' осуществляется параллактическим смещением, например, правого снимка "П" на величины продольного и поперечного параллакса, которые при совпадении начала координат обоих снимков соответственно равны р = х-х' и q = y-/. Результаты измерений х, у, у!, /, р, q, а также номера каждой из точек записываются в файл. Информация, содержащаяся в файле измерений, служит исходной для обработки по прикладным программам.
На кафедре картографии и геоинформатики географического факультета МГУ для этих целей стал применяться цифровой стереофотограмметрический прибор на базе персонального компьютера — компьютерный стереокомпаратор KSK, созданный отечественной фирмой ИБИК по техническому заданию кафедральной лаборатории аэрокосмических методов. В 1995—1996 гг. была создана первая версия компьютерного стереокомпаратора KSK-1 с мигающими (эклипсными) жидкокристаллическими светозатвор-ными стереоочками. Результаты его успешного испытания послужили основой для последующих версий
к м' П
j I 1 к <] гЧ t ш
г У
г X р
* -fcj
Рис. 1. Принципиальная схема измерений на компьютерном стереокомпараторе координат и параллаксов точек цифровых снимков
KSK-2, KSK-3 и наконец в 2003 г. - версии KSK-4 как коммерческого продукта (разработчики С. Г. Белов и A.C. Инвалев).
Стереокомпаратор работает в среде операционных систем Windows 98/NT/2000/XP. Минимальные рекомендуемые характеристики персонального компьютера: процессор Pentium 700, оперативная память 128 Мб, видеопамять 32 Мб. Поддерживается работа с файлами формата .bmp суммарным размером 1,5 Гб и глубиной цвета 8—24 бит. Работа светозатворных стереоочков синхронизируется с изображением на мониторе с помощью специального фирменного контроллера, вставляемого в VGA-разъем компьютера. К контроллеру прилагается разветвитель для одновременного подключения нескольких стереоочков (по нашему опыту, до 3—4), это имеет весьма существенное значение при использовании стереокомпаратора для учебных целей, так как в случае необходимости позволяет небольшой группе студентов работать на одном компьютере. Компьютерный стереокомпаратор KSK-4 располагает, пожалуй, всеми необходимыми функциями для удобного наблюдения и измерения стереомодели, а также для регистрации результатов измерений. Предусмотрено 5 способов наблюдения стереомодели: с помощью светозатворных очков при строчной и кадровой сепарации снимков, анаг-лифических и призменных очков, а также безочковым способом (невооруженным глазом) (рис. 2).
Благодаря компьютерным технологиям удалось реализовать в одном приборе несколько различных способов наблюдения стереомодели. Теперь исполнитель может быстро их оценить и выбрать для себя наиболее комфортный способ получения стереоскопического эффекта. В компьютерном стереокомпараторе возможно увеличивать/уменьшать изображение в 2, 4, 8 раз и более простой репликацией (дублированием) или прореживанием пикселов. После выполнения измерений в выбранной точке стереомодели ее можно отметить на экранном изображении специальным маркером, а в таблице измерений разместить текстовый комментарий особенностей измерений.
Как известно, для определения пространственных координат точек местности помимо измеренных по снимкам координат и параллаксов точек необхо-
» Стереокомпаратор [кр.стр]
Файл Редактирование Просмотр Справка
-|0|х|
|о -л * Н *т 0Х ^ ® ® ^^ \ ш'-л 1а Ш!
Размер изображения... 2 560" 1 920 пикселов Размер изображения ... 2 560" 1 920 пикселов
Глубина цвета.................24 бит Глубина цвета.................24 бит
| Размер Файла 14 745 656 байт Размер Файла................ 14 745 656 байт
I............................................--- Начальные отсчеты---------- ---------------------------------
| х{о У ¡0 Р ¡0 <3^
0К | Салсе! { Справка
'20001- 1:1 | Хл=!835.0 Ул =1024.0 Хп=1598.0 Уп =1009.0 ! р-237.0 4-15.0 Рис. 2. Компьютерный стереокомпаратор К5К-4. Окно открытия проекта и меню способов сепарации снимков стереопары (вверху)
димо располагать данными как о параметрах съемочной аппаратуры (фокусное расстояние камеры/ положение начала координатной системы снимка хд, >'о, дисторсия объектива), так и о самой съемке (углы наклона а0, со0 и угол разворота снимка к0, координаты точек съемки, длина съемочного базиса В). Параметры аппаратуры получают в процессе ее предсъе-мочной калибровки, а параметры съемки двумя методами: прямым — с помощью специальных приборов во время съемки и косвенным при камеральной обработке — по координатам опорных точек, рационально расположенных на снимках. Второй метод наиболее универсален и точен, хотя и требует определения координат опорных точек либо по точной карте, либо путем полевых измерений. На практике оба метода определения параметров съемки можно комбинировать.
Современная фотограмметрия располагает несколькими хорошо отработанными способами определения параметров съемки с использованием опорных точек, число которых на стереопару в зависимости от применяемого способа колеблется от теоретически минимального числа — трех точек до полутора-двух десятков. Поскольку для вычисления пространственных координат X, У, Z приходится использовать почти 20 различных величин, то соответствующие
формулы оказываются достаточно сложными. В общем виде их можно представить как
Х= Рх(х,у,х',у',ПА,Пс),
Г =/>(*, у,х',у', ПА,ПС),
г=Р2(х, у,х',у\ аА,пс),
где х, у,х',у' — измеренные по стереопаре снимков координаты точек; Ос — совокупность параметров съемочной аппаратуры и съемки соответственно. На такого типа зависимостях основан алгоритм, выбранный в качестве основного для учебной компьютерной программы определения пространственных координат, как правило, в местной системе, которая, однако, должна быть правильно горизонтирова-на, привязана по абсолютной высоте и правильно ориентирована (в крайнем случае по магнитному азимуту).
Таким образом, учебный цифровой стереофото-грамметрический прибор состоит из двух программных блоков — стереоизмерительного, в качестве которого использован компьютерный стереокомпаратор КБК-4, и вычислительного, где реализовано несколько способов вычисления пространственных координат и элементарных морфометрических показателей.
Учебная
база исходных данных
Цифровой стереофотограм-метрический прибор
Внешние программы
Некоторые операции (промежуточные расчеты, визуализация результатов и др.) могут выполняться с использованием внешних программ (Surfer, Photoshop и др.). Для организации занятий студентов целесообразно располагать специализированной учебной базой исходных данных. Она должна включать тематически подобранные стереопары цифровых снимков и соответствующие им параметры съемочной аппаратуры и съемки, определенные с требуемой для учебных целей точностью (рис. 3).
Практическая реализация. В качестве примера рассмотрим одну из учебных работ из компьютерного стереопрактикума, которую выполняют картографы географического факультета МГУ по определению морфометрических показателей термокарстового провала (воронки) на горном леднике по стереомоде-ли, полученной по наземным цифровым снимкам. Основная цель студенческой работы — освоение компьютерных визуальных измерений цифровой стерео-модели в отдельных точках. Задание предусматривает определение диаметра и глубины воронки, ее площади и объема, крутизны склонов, превышения дна относительно уреза воды соседнего озера, построение вертикального профиля.
Для определения необходимых показателей студент должен самостоятельно выполнить измерения на компьютерном стереокомпараторе, стереоскопически визируя на выбранные им 30—50 точек местности (рис. 4), произвести вычисления координат, необходимых показателей и представить полученные результаты с помощью соответствующих программ. В учебных целях для вычисления объемов, а иногда и площадей целесообразно прибегнуть к аппроксимации реальных объектов геометрическими фигурами — конусом, кругом и т.д. или их различными комбинациями. При этом не обязательно все показатели получать только программным путем — пользовательская инструкция к компьютерной программе в таких случаях зачастую оказывается слишком громоздкой. Если необходимый показатель можно вычислить, выполнив одно—три арифметических действия, как, например, при вычислении объема цилиндра по его высоте и известной площади основания, то проще при-
Рис. 3. Блок-схема функционирования учебного цифрового стереофотограмметрического прибора
бегнуть к помощи обычного калькулятора. В рассматриваемой работе оказалось достаточно использовать утилиты для программного вычисления по координатам прямой линии между двумя точками L, ее наклону (3°, горизонтальному проложению, превышению h между ее концами, а также площади S замкнутого контура неправильной формы; все остальные показатели быстро получают по этим элементам с помощью калькулятора, выводимого на экран монитора.
Для построения вертикального профиля местности достаточно по заданному направлению определить пространственные координаты характерных точек и, например, с помощью программы Surfer построить кривую профиля. Более сложной оказывается задача построения профиля строго по прямой линии между двумя выбранными на снимке точками. Здесь следует учитывать, что вследствие влияния рельефа прямая на снимке соответствует на местности, вообще говоря, не прямой, а кривой. В этом случае требуются более сложные способы построения профиля. Только в некоторых частных случаях задача построения строго прямолинейного профиля местности по стереомодели упрощается. Например, если направление линии профиля проходит через центр горизонтального (планового) аэроснимка или направлено по столбцам матрицы изображения вертикального наземного снимка, то прямая линия на снимке будет соответствовать прямой на местности.
Важный элемент учебной работы — оценка точности полученных показателей. В качестве основы для точностного анализа удобно использовать разные значения величины одного и того же показателя, определенные несколькими студентами в процессе выполнения учебного задания. При точностном анализе
„ (- гереокоппсфат ор {кр.г.тр]
Файл Редактирование Просмотр Справка
| Покадровый
1 685.0 835.0 1 486.0 893.0 1 93.0 1727.0 932.0 1 533.0 938.0 194.0
Г Хя«=1835.0 Ул =1024.0 Хп=1598.0 Уп=1009.0
Р=23?,0 4=15.0
Рис. 4. Термокарстовый провал на горном леднике Башкара (Приэльбрусье). Маркировка точек и регистрация результатов
измерений стереомодели на К8К.-4
необходимо проиллюстрировать влияние двух основных источников погрешностей — аппроксимации и измерений. Соотношение этих погрешностей служит основой для выбора рациональной методики определения по стереоскопической модели морфометриче-ских показателей.
Отметим здесь, что цифровой фотограмметрический прибор КБК-4 и его упрощенную, а следовательно, более дешевую модификацию можно использовать в качестве простого компьютерного стереоскопа для наблюдения на экране монитора аэрокосмических снимков (www.stereo-pixel.ru). Для этого имеющиеся стереопары фотографических снимков предварительно должны быть оцифрованы, например, с помощью обычного сканера. Если стремиться сохранить на стереомодели информацию исходных фотографических снимков, имеющих разрешающую способность К, то размер пиксела р1хс при цифровании необходимо выбрать не более
ра<
1
2 Ш
Разрешающую способность Я конкретного фотографического снимка наиболее просто оценить по известной эмпирической формуле
/? = 2,5у, мм ',
где V — увеличение, при котором уже начинает восприниматься нерезкость изображения.
Заключение. Для стереоскопических наблюдений традиционных аэрокосмических снимков на фотобумаге или фотопленке многие десятки лет использовался линзово-зеркальный стереоскоп, а для простейших стереоизмерений — параллаксометр. В настоящее время, когда получают распространение цифровые снимки, стереоскопические наблюдения на экране монитора выполняют другими известными способами, применяя светозатворные, анаглифические или призменные очки. Для обучения наблюдениям и измерениям стереомодели на видеоэкране целесообразно использовать специальный учебный цифровой стереофотограмметрический прибор, созданный на основе компьютерного стереокомпаратора, который, в отличие от цифровых фотограмметрических приборов универсального назначения, прост в освоении и нетребователен к вычислительным ресурсам, а по стоимости не превосходит персональный компьютер базовой конфигурации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Книжников Ю.Ф. Основы аэрокосмических методов географических исследований. М., 1980.
2. Книжников Ю.Ф. Аэрокосмическая подготовка географов. Методологические и организационные вопросы // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 1983. № 5. С. 62—68.
3. Новаковский Б.А. Фотограмметрия и дистанционные методы изучения Земли: картографо-фотограмметрическое моделирование. М., 1997.
Лаборатория аэрокосмических методов
4. Серапинас Б. Б. Топографические карты, фотоснимки и геодезические измерения (для студентов геологического факультета МГУ). М., 1980.
5. Цифровая стереоскопическая модель местности: экспериментальные исследования / Под ред. Ю.Ф. Книж-никова. М., 2004.
Поступила в редакцию 06.03.2006
Yu.F. Knizhnikov, R.N. Gelman, E.G. Kharkovets
AUTOMATED STEREO MEASUREMENTS IN THE TRAINING
OF UNIVERSITY GEOGRAPHERS
In order to train students in automated stereo measurements the MSU Department of Cartography and Geoinformatics applies specialized soft- and hardware which is easy in use and reasonable in price. An example of practical work is presented on finding out the morphometric parameters of a thermocarst depression in a mountain glacier on the basis of ground digital images measured on the computer stereocomparator.
