CC BY
455
Аэрокосмические съемки и фотограмметрия
АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ СЪЕМКИ И ФОТОГРАММЕТРИЯ
УДК 528:8
Т.А. Широкова, А.В. Антипов СГГ А, Новосибирск
МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ ОРТОФОТОПЛАНОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДАННЫХ ВОЗДУШНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ
В статье представлена методика создания ортофотопланов с применением данных воздушного лазерного сканирования в программном продукте MicroStation TerraSolid.
ортофотоплан, воздушное лазерное сканирование, методика, оценка точности.
T.A. Shirokova, A.V. Antipov SSGA, Novosibirsk
METHODIC OF ORTHOPHOTOPLANS’ CREATION BY MEANS OF LIDAR DATA
In the article orthomosaic creation method by means of lidar data in MicroStation TerraSolid software is shown.
orthomosaic, lidar scanning, methodic, accuracy assessment.
Современные тенденции в геодезии, цифровой фотограмметрии и картографии связаны с повышением требований к точности, достоверности, полноте содержания и полезности геодезической информации, картографической продукции и топографических материалов.
Важное научно-техническое значение приобретают прогрессивные технические средства и технологии, используемые для создания топографо-геодезической и картографической продукции, к которым относятся и лазерно-локационные (ЛЛ) системы, обладающие рядом преимуществ в получении метрической информации о земной поверхности перед другими методами: высокая производительность на этапах сбора и обработки данных, максимальное сокращение наземных геодезических работ по планово-высотному обоснованию, возможность получения информации о земле даже под кронами деревьев и др. [1].
При ортотрансформировании снимков исключаются смещения точек за влияние рельефа и углов наклона, для учета которого необходимо иметь метри-
24
Аэрокосмические съемки и фотограмметрия
ческую информацию о поверхности земли, представленную цифровой моделью рельефа (ЦМР).
С помощью программных продуктов для обработки данных воздушного лазерного сканирования (ВЛС) предоставляется возможность автоматически выделять классы объектов, строить цифровые модели рельефа и зданий, выполнять ортотрансформирование аэрофотоснимков и решать другие задачи.
Поскольку в настоящее время не существует общепринятых методик создания цифровых ортофотопланов по данным ВЛС в том или ином программном продукте (1111), то исследования, посвященные разработке методики ортотрансформирования аэрофотоснимков по данным лидарной съемки в программном продукте MicroStation TerraSolid, являются актуальными.
В процессе выполнения исследований была разработана методика ортотрансформирования снимков с применением данных ВЛС в 1111 TerraSolid, представленная на рис. 1.
Рис. 1. Методика ортотрансформирования снимков по данным воздушного лазерного сканирования в 11 TerraSolid
25
Аэрокосмические съемки и фотограмметрия
В качестве исходных данных для экспериментальных исследований работоспособности методики использовались материалы аэрофотосъемки (75 снимков) и лидарной съемки (36 962 653 точек лазерных отражений) г. Ниагара-Фолс (общая площадь 12 кв. км); траектория полета носителя; параметры цифровой камеры; координаты контрольных точек. Территория съемки представляет собой открытую местность, перепад высот колеблется от 60 до 180 м.
На первом этапе была выполнена предварительная обработка лидарных данных, в результате чего создана рабочая среда, в которой производилась обработка всего набора данных; весь массив точек лазерных отражений (ТЛО) был разделен на 12 равных блоков площадью 1 км2 для удобства и сокращения времени дальнейшей обработки данных; создан рабочий проект; выполнен импорт ТЛО в проект; траектория полета носителя соотнесена с отдельными маршрутами. В итоге предварительной обработки данных ВЛС была получена единая точечная модель, разбитая на блоки.
Для ортотрансформирования снимков с применением данных ВЛС в ПП MicroStation TerraSolid все точки лазерных отражений были разделены на два класса: принадлежащие земле и ей не принадлежащие. В данном программном продукте для выделения точек класса «Земля» реализован метод молдинга [1, 2]. С целью установления оптимальных параметров для отнесения ТЛО к классу «Земля» для различных типов территорий съемки выполнены экспериментальные исследования, в результате которых выявлены следующие параметры классификации точек лазерных отражений для данного характера местности [2]: максимальный размер стороны здания - 250 м (был измерен на аэрофотоснимках); предельный угол наклона рельефа относительно горизонтальной плоско-
о
сти - 88 (для исключения точек лазерных отражений, принадлежащих стенам зданий); дистанция приближений (максимально возможное превышение анализируемой точки над плоскостью рассматриваемого треугольника) - 0,5 м; угол приближения (максимальный угол между прямой, соединяющей точку-кандидата с ближайшей вершиной треугольника, и ее проекцией на плоскость
о
треугольника) - 19 .
Для автоматической классификации ТЛО были написаны специальные макрокоманды, которые использовались для всех обрабатываемых блоков.
После проведения автоматической классификации точек лазерных отражений было выявлено, что к классу «Земля» отнесено 29,5 % всех ТЛО.
В ходе исследований выполнена оценка качества автоматической классификации ТЛО, принадлежащих земной поверхности, в ПП TerraSolid. Для этого использовалась формула:
k = E х100 %, (1)
A
где Е - число правильно классифицированных ТЛО в автоматическом режиме; A - общее количество ТЛО, относящихся к классу «Земля».
26
Аэрокосмические съемки и фотограмметрия
В результате выявлено, что достоверность автоматического отнесения точек лазерных отражений к классу «Земля» составила 88,8 %.
На следующем этапе в соответствии с разработанной методикой (см. рис. 1) производилось предварительное построение ЦМР по ТЛО класса «Земля» в автоматическом режиме, ее отображение и создание ортофотоплана. Для его построения были заданы следующие параметры: имя файла; размер пикселя, равный 20 см; формат выходных данных - ECW compressed.
Полученная редактируемая ЦМР и ортофотоплан были использованы для проведения качественной и наглядной классификации ТЛО в интерактивном режиме.
Интерактивная классификация точек лазерных отражений позволила исключить ТЛО, «ошибочно» отнесенные к тому или другому классу (рис. 2).
Ф - ТЛО класса “Земля” О - ТЛО класса “Вода”
Массив точек после автома- ТЛО после интерактивной классификации тической классификации
Рис. 2. Пример интерактивного выделения ТЛО, принадлежащих водной поверхности, из класса «Земля»
Далее в автоматическом режиме были созданы линии «порезов» снимков и произведено их редактирование в интерактивном режиме (рис. 3). Для этого заданы номера интересующих снимков, указаны линии «порезов», подлежащие редактированию, и с помощью выбранных инструментов изменено их положение таким образом, чтобы эти линии не пересекали высотные объекты и объекты, служащие ориентирами.
Поскольку соседние снимки имели различное значение яркости пикселей, в области перекрытия была
Рис. 3. Пример отредактированных линий «порезов» изображений
27
Аэрокосмические съемки и фотограмметрия
проведена яркостная коррекция изображений. Для этого рядом с линиями «пореза» было указано несколько точек («цветовых» узлов) в областях, имеющих наибольшую разницу яркостей. Затем с помощью специальной команды «цветовые» узлы автоматически размещены по всему предварительно созданному фотоплану. «Цветовые» узлы и линии «порезов» были сохранены в файл для дальнейшего их использования.
Для окончательного ортотрансформирования снимков была выполнена специальная команда из основной панели «TerraPhoto» в соответствии с установленными параметрами: имя файла; тип проекции - UTM; система координат - WGS-84; размер пикселя выходного изображения - 20 см, равный размеру пикселя исходного изображения; формат выходных данных - GeoTIFF, позволяющий использовать созданный ортофотоплан в других НИ; директория, в которой хранится файл, содержащий положение линий «порезов» и коэффициенты яркостного преобразования изображений.
В результате данной операции была построена окончательная ЦМР и создан ортофотоплан, фрагмент которого представлен на рис. 4.
На последнем этапе произведена оценка точности созданного цифрового
ортофотоплана по расхождениям координат 21 контрольной точки и по линиям «порезов» изображений.
Ири проведении оценки точности ортофотоплана по контрольным точкам измерение координат на фотоплане не составляло труда, так как эти точки располагались на линиях разметки дорог и стоянок с асфальтированным покрытием и надежно распознавались на снимках.
Максимальное расхождение планового положения ALmax контрольных точек составило 0,59 м, СКО расхождений планового положения mAL контрольных точек -0,40 м, а максимальное несовмещение контуров по линиям «порезов» - 0,54 м.
Контроль качества созданного ортофотоплана выполнен на основе допусков, взятых из инструкции по фото-грамметричиским работам при создании карт и планов [3], на основании которой предельные расхождения планового положения контрольных точек ALdm не должны превышать 0,5 м для создания плана масштаба 1 : 500 и 1,0 м для плана масштаба 1 : 1 000. Допустимая СКО расхождений планового положения контрольных точек mALdon для создания плана масштаба 1 : 500 составляет 0,31 м, а
Рис. 4. Фрагмент ортофотоплана на территорию г. Ниагара-Фолс
28
Аэрокосмические съемки и фотограмметрия
для плана масштаба 1 : 1 000 - 0,63 м. Несовмещение контуров по линиям соединения фрагментов соседних трансформированных снимков не должно превышать 0,35 м для создания плана масштаба 1 : 500 и 0,7 м для плана масштаба 1 : 1 000.
Исходя из результатов оценки точности и контроля качества созданного цифрового ортофотоплана следует, что он соответствует плану масштаба 1 : 1 000.
При проведении экспериментальных работ также был построен цифровой ортофотоплан с применением ЦМР, созданной по ТЛО, плотность расположения которых задана в два раза ниже исходной, и произведена его оценка точности. В этом случае максимальное расхождение планового положения ALmax контрольных точек получилось равным 0,79 м, а СКО расхождений планового положения mAL контрольных точек - 0,57 м. Максимальное несовмещение контуров по линиям «пореза» составило 0,66 м. Из сравнения полученных величин с допусками из инструкции [3] был сделан вывод: вычисленные СКО mAL и максимальные ALmax удовлетворяют требованиям создания ортофотоплана масштаба 1 : 1 000.
В процессе исследований разработанной методики (см. рис. 1) для ортотрансформирования аэрофотоснимков с применением данных ВЛС была построена ЦМР на основе точек лазерных отражений, принадлежащих классу «Низкая растительность» (трава высотой не более 0,2 м над землей). Количество ТЛО этого класса составило 32,9 % от общего числа лазерных точек, т. е. примерно равно числу ТЛО класса «Земля».
Построение ЦМР, создание ортофотоплана и его оценка точности производились аналогично, как и при использовании ТЛО класса «Земля». Максимальное расхождение планового положения ALmax контрольных точек составило 0,61 м, СКО расхождений планового положения mAL контрольных точек - 0,41 м, максимальное несовмещение контуров по линиям «пореза» - 0,63 м. Полученные СКО mAL и максимальные ALmax не превышают допустимых ошибок [3] при создании цифрового ортофотоплана масштаба 1 : 1 000.
В силу того, что высота низкой растительности не превосходила 20 см относительно поверхности земли, точность цифрового ортофотоплана, созданного на основе ЦМР, построенной по точкам класса «Низкая растительность», практически не отличается от точности ортофотоплана, когда ЦМР строилась по ТЛО, принадлежащим классу «Земля». Полученные результаты подтверждаются величиной изменения смещения точек на ортофотоплане из-за влияния высоты низкой растительности (Ираст = 20 см), вычисленной по формуле [3]:
ASrh
h х tgrn
раст о г'
M
к
(2)
где MK - знаменатель масштаба создаваемого ортофотоплана (1 000);
Ф - угол сканирования (45о).
Так как A5rh не превышает 0,2 мм и составляет 0,3 % от смещения точек за рельеф, то данной величиной можно пренебречь. Следовательно, из проведен-
29
Аэрокосмические съемки и фотограмметрия
ного эксперимента можно сделать важный практический вывод: при цифровом ортотрансформировании снимков с использованием данных воздушного лазерного сканирования ЦМР можно строить по ТЛО классов «Земля» и «Низкая растительность».
В процессе выполнения исследовательских работ было создано три цифровых ортофотоплана: по всем лазерным точкам, принадлежащим классу «Земля», по ТЛО класса «Земля», разреженным в два раза, и по ТЛО, относящимся к классу «Низкая растительность». Сравнительный анализ представленных в таблице результатов оценки точности ортофотопланов показал, что цифровой ортофотоплан, построенный по всем ТЛО, принадлежащим классу «Земля», является самым точным.
Точность создания ортофотопланов
Таблица
ТЛО для построения ЦМР Параметры точности ортофотопланов
по контрольным точкам по линиям «порезов»
^Lmax., м тЛь, м ЛLmax, м
Все ТЛО класса «Земля» 0,59 0,40 0,54
ТЛО класса «Земля», разреженные в два раза 0,79 0,57 0,66
ТЛО класса «Низкая растительность» 0,61 0,41 0,63
Точность всех цифровых ортофотопланов удовлетворяет допускам инструкции по фотограмметрическим работам при создании планов масштаба 1 : 1 000. Следовательно, каждый из них может использоваться как самостоятельный вид топографической продукции либо как основа для сбора цифровой векторной информации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Данилин, И.М. Лазерная локация земли и леса: учеб. пособие / И.М. Данилин, Е.М. Медведев, С.Р Мельников. - Красноярск: Институт леса им. Сукачева СО РАН, 2005. - 182 с.
2. Antipov, A. Ground point classification using molding filter in TERRASOLID / A. Antipov, O. Martemyanova // International summer Student Seminar, 21-25 September Novosibirsk 2010, Russia. - PP. 18-22.
3. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. - М.: ЦНИИГАиК, 2002. - 100 с.
Получено 22.11.2010
© Т.А. Широкова, А.В. Антипов, 2010
Т.А. Широкова - канд. техн. наук, профессор кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования.
А.В. Антипов - аспирант.
Тел.: 344-39-75.
30
