CC BY
108
Дистанционное зондирование Земли, фотограмметрия
УДК 528.8:528.7
ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДАННЫХ ЦИФРОВОЙ СЪЕМКИ ПРИ НАЗЕМНОМ ЛАЗЕРНОМ СКАНИРОВАНИИ
Александр Владимирович Комиссаров
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 638108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного 10, кандидат технических наук, доцент кафедры физической геодезии и дистанционного зондирования, тел. (383)361-01-59, e-mail: avkom82@mail.ru
В статье приводится методологическое обоснование направлений совместного использования данных наземного лазерного сканирования и цифровой съемки. Выполнен анализ производственных материалов, на основе которого установлено, что проблема повышения точности сканерных данных возникает только при решении экспертных (точных) и высокоточных задач. Приведены результаты расчета параметров цифровой съемки для покрытия всей области поля зрения наземных лазерных сканеров. Сделано теоретическое обоснование о нецелесообразности развития методов повышения точности сканерных данных при помощи цифровых камер, поскольку пути к повышению точности данных лазерного сканирования просматриваются явно, а качество изготовления объективов практически достигло пределов. Поэтому цифровые снимки целесообразнее использовать при дешифрировании массива точек и создании ортоизображений для повышения производительности векторизации объектов.
Ключевые слова: наземный лазерный сканер, цифровой снимок, сравнительный анализ.
SUBSTANTIATION OF DIRECTIONS OF DATA
USE DIGITAL SURVEY IN TERRESTRIAL LASER SCANNING
Alexander V. Komissarov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10, Plakhotnogo St., Ph. D., Associate Professor of Department Applied Informatics and Information Systems, tel. (383)361-01-59, e-mail: avkom82@mail.ru
The article presents the methodological substantiation of directions of data sharing terrestrial laser scanning and digital photography. The analysis of production materials on the basis of which found that the problem of improving the accuracy of scanner data occurs only when the decision of the expert (precision) and high-precision applications. The results of the calculation of digital photography options to cover the entire area of the field of ground-based laser scanners according to. Made a theoretical basis on inexpediency of increasing the accuracy of scanner data techniques using digital cameras as the way to improve the accuracy of laser scanning data is clearly visible, and the quality of manufacturing lenses almost reached the limits. Therefore, it is more expedient to use digital images when interpreting an array of points and creating orthoimages for performance vectoring objects.
Key words: terrestrial laser scanner, digital image, comparative analysis.
Данные наземного лазерного сканирования можно дополнить цифровой съемкой, вследствие чего встает объективный вопрос о повышении точности данных лазерной съемки. Основными параметрами, влияющими на качество
и количество снимков, полученных цифровой камерой одновременно с лазерным сканированием объекта, являются [1-7]: размер элемента ПЗС-матрицы; фокусное расстояние объектива;
- размер ПЗС-матрицы;
- горизонтальный и вертикальный углы поля зрения камеры;
- расстояние до объекта съемки.
Для того, чтобы точность цифровых снимков соответствовала точности данных наземного лазерного сканирования, необходимо располагать сканерную станцию от объекта съемки на допустимом расстоянии, которое зависит от размера элемента ПЗС-матрицы и фокусного расстояния объектива выбранной цифровой камеры [5].
Для расчета расстояния Я от цифровой камеры, установленной на сканер, до объекта с заданной детальностью следует использовать формулу масштаба съемки в преобразованном виде, а именно:
Я = , (1)
их, у
где 5 - размер элемента изображения на местности;
йху - размер элемента ПЗС-матрицы;
/- фокусное расстояние цифровой камеры;
к - коэффициент восприятия наименьшего размера объекта на снимке. Согласно работе [8], при опознавании зрительного изображения коэффициент к для компактных объектов равняется 3,5, а для линейных - 1,5.
В табл. 1 приведены расчеты отстояния цифровой камеры до объекта для часто применяемых типов камер при совместном использовании с данными наземного лазерного сканирования. Из анализа производственных материалов можно сделать вывод, что проблема повышения точности сканерных данных возникает только при решении экспертных (точных) и высокоточных задач. Как видно из табл. 1, повысить точность можно только при использовании длиннофокусных цифровых камер. Но особенностью данных камер является то, что для покрытия цифровыми снимками всего поля зрения сканера необходимо большое количество снимков. Для определения количества снимков, полностью покрывающих область сканирования, необходимо знать горизонтальный и вертикальный углы поля зрения цифровой камеры, которые можно рассчитать по формулам:
, х х, у фцк = 2агс*ё
0цК = 1у /у
где фщ, 0цк - горизонтальный и вертикальный углы поля зрения камеры;
1х, 1у - размер ПЗС-матрицы.
Таблица 1
Зависимость расстояний от сканера до объекта съемки от параметров цифровой камеры и требуемой точности данных при к = 3,5
-о
Параметры Расстояние от сканера до объекта съемки, м
Модель камеры, количество пикселей, размер элемента Rollei, 22 Mpix, 9 мкм №ЬП D200, 10 Mpix, 6 мкм №ЬП D300, 12,3 Mpix, 5,5 мкм №Ьп D3X, 24,5 Mpix, 3,5 мкм Canon Ш Mark IV, 16 Mpix, 3,2 мкм
Точность продукции Фокусное расстояние, мм
40 80 150 20 35 85 20 35 85 20 35 85 20 35 85
Высокоточные (точность менее 1 мм) до 1,3 до 2,5 до 4,8 до 1,0 до 1,7 до 4,0 до 1,0 до 1,8 до 4,4 до 1,6 до 2,9 до 6,9 до 1,8 до 3,1 до 7,6
Экспертные, или точные (точность до 1 мм) до 12,7 до 25,4 до 47,6 до 9,5 до 16,7 до 40,5 до 10,4 до 18,2 до 44,2 до 16,3 до 28,6 до 69,4 до 17,9 до 31,3 до 75,9
Архитектурно-строительные (точность до 1 см) до 63,5 до 127,0 до 238,1 до 47,6 до 83,3 до 202,4 до 51,9 до 90,9 до 220,8 до 81,6 до 142,9 до 346,9 до 89,3 до 156,3 до 379,5
Проектировочные (точность до 5 см) до 127,0 до 254,0 до 476,2 до 95,2 до 166,7 до 404,8 до 103,9 до 181,8 до 441,6 до 163,3 до 285,7 до 178,6 до 312,5
Топографические (точность до 10 см) до 254,0 до 507,9 до 190,5 до 333,3 до 207,8 до 363,6 до 326,5 до 571,4 до 357,1
и
о
а а -а г; о а а
о ^
о а о,
0
05
а а
г;
1
а
о 3 о
а
Вычисленные по формулам (2) значения углов фцк, 0цк при заданных размерах ПЗС-матрицы и фокусном расстоянии представлены в табл. 2.
Таблица 2
Углы поля зрения цифровых камер
Модель цифровой камеры f, мм Горизонтальный угол Вертикальный угол
Nikon D200 20 59 59' 24,2" 42 27' 27,6"
35 36 42' 44,8" 25 03' 39,2"
85 о 15 34' 15,9" о 10 27' 33,3"
Nikon D300 20 о 60 43' 09,7" о 42 44' 03,8"
35 37 13' 44,5" 25 14' 07,8"
85 15 48' 14,5" 10 32' 03,0"
Nikon D3X 20 72 27' 46,0" 52 35' 02,6"
35 46 02' 51,5" 31 37' 39,9"
85 о 19 53' 19,8" о 13 18' 33,2"
Rollei (22) 40 о 62 32' 42,8" о 49 12' 55,9"
80 34 01' 38,3" 25 51' 34,8"
150 18 32' 47,3" 13 57' 48,5"
Canon 1D Mark IV 20 42 44' 32,2" 29 16' 29,9"
35 25 14' 25,8" 16 58' 52,3"
85 о 10 32' 10,7" о 07 02' 06,8"
Тогда расчет количества снимков, требуемого для покрытия области сканирования, можно произвести по формулам [9-11]:
nx =
Ф
ск
Фцк (100 - q)
■ 100% + 2
0
n„ = ■
ск
0цк (100 - q)
■ 100% + 2
(3)
где пх, пу - количество снимков по горизонтали и вертикали;
фск, 0ск - горизонтальный и вертикальный углы поля зрения сканера; р - продольное перекрытие снимков; д - поперечное перекрытие снимков.
Для вычисления количества снимков по формулам (3) заданы размеры области сканирования для сканера Riegl ЬМБ Ъ 4201: 360° по горизонтали и 80° по вертикали, а продольное и поперечное перекрытия приняты 56 и 22 % соответственно, как минимальные критерии для обеспечения уравнивания. Результаты расчетов приведены в табл. 3.
Дистанционное зондирование Земли, фотограмметрия
Таблица 3
Количество снимков для покрытия области сканирования сканера Riegl ЬМБ Ъ 4201
Цифровая камера f, мм Количество снимков Общее количество снимков
по горизонтали по вертикали
Nikon D200 20 16 3 48
35 26 5 130
85 62 11 682
Сапоп 1D Mark IV 20 23 4 92
35 38 7 266
85 91 16 1 456
Из табл. 3 видно, что при использовании длиннофокусных камер значительно увеличивается количество снимков. Это усложняет процесс совместной обработки снимков и данных наземного лазерного сканирования и снижает производительность работ, хотя обеспечивает более высокую точность на больших расстояниях от сканера до объекта съемки.
Эти выводы сделаны для идеальной модели объектива. При работе с реальными объективами даже после калибровки величины остаточных аберраций достигают трех пикселей. Это еще в большей степени свидетельствует о невозможности повышения точности сканерных данных при помощи цифровых снимков.
О нецелесообразности развития методов повышения точности сканерных данных при помощи цифровых камер говорит и тот факт, что пути к повышению точности данных лазерного сканирования просматриваются явно [12-14], а качество изготовления объективов практически достигло пределов.
Поэтому цифровые снимки целесообразнее использовать при дешифрировании массива точек и создании ортоизображений для повышения производительности векторизации объектов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Антипов И. Т. Математические основы пространственной аналитической фототриангуляции. - М.: Картгеоцентр - Геодезиздат, 2003. - 296 с.
2. Гельман Р. Н., Дунц А. Л. Лабораторная калибровка цифровых камер с большой дис-торсией // Геодезия и картография. - 2002. - № 7. - С. 23-31.
3. Dorstel C., Jacobsen K., Stallmann D. DMC - photogrammetric accuracy - calibration aspects and generation of synthetic DMC images // Procs. 6th Conference on Optical 3-D Measurement Techniques, PP. 74-82, Zurich, Switzerland, September 22-25, 2003.
4. Laser mirror scanner LMS-Z420 technical documentation and users instructions. - Riegl Austria, 2006.
5. Рис У. Г. Основы дистанционного зондирования. - М.: Техносфера, 2006. - 336 с. : 12 с. цв. вклейки.
6. Гук А. П., Шляхова М. М. Некоторые проблемы построения реалистических измерительных 3D моделей по данным дистанционного зондирования // Вестник СГУГиТ. - 2015. -Вып. 4 (32). - С. 51-60.
7. Карпов А. К., Середович А. В., Иванов А. В. Опыт применения наземного лазерного сканирования для определения объемов зерна на складских аграрных предприятиях // ГЕО-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск : СГГА, 2009. Т. 1, ч. 1. - С. 141-143.
8. Аковецкий В. Н. Дешифрирование снимков : учебник для вузов. - М.: Недра, 1983. -
374 с.
9. Kopacik A., Korbosova M. Optimal configuration of standpoints by application of laser terrestrial scanners // INGEO 2004 and Regional Central and Eastern European Conference on Engineering Surveying, Bratislava, Slovakia, Novermber 11-13, 2004.
10. Monnier F., Vallet B., Soheilian B. Trees detection from laser point clouds acquired in dense urban areas by a mobile mapping system // ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences XXII ISPRS Congress, Commission III/4, 25 August -01 September 2012, Melbourne, Australia. - 2012. - Vol. I-3. - PP. 245-250.
11. Probabilistic feature matching applied to primitive based registration of TLS data / J. Franc, ois Hullo, G. Thibault и др.// ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences XXII ISPRS Congress, Commission III/4, 25 August - 01 September 2012, Melbourne, Australia. - 2012. - Vol. I-3. - PP. 221-226.
12. Комиссаров А. В., Широкова Т. А., Комиссаров Д. В. Общий подход к изучению погрешностей наземной лазерной съемки, вызванных метрологическими свойствами объектов // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2013. - № 1. - С. 36-42.
13. Наземное лазерное сканирование: монография / А. В. Комиссаров, В. А. Середович, Д. В. Комиссаров, Т. А. Широкова. - Новосибирск: СГГА, 2009. - 261 с.
14. Михайлов А. П., Синькова М. Г. Применение стереоскопического метода для наблюдения и обработки результатов трехмерного лазерного сканирования // Геодезия и картография. - 2003. - № 9. - С. 24-28.
Получено 10.02.2016
© А. В. Комиссаров, 2016
