CC BY
257
Обзор современных достижений в фотограмметрии и аэрофотосъемке Review of modern achievements in photogrammetry and aerial photography
УДК 528.71
Хабарова Ирина Андреевна,
кандидат технических наук, доцент кафедры Городского кадастра Хабаров Денис Андреевич,
аспирант кафедры «Почвоведения, экологии и природопользования» Яворская Ирина Дмитриевна,
направление подготовки 21.03.02 «Землеустройство и кадастры», профиль: «Оценка и управление городскими территориями» Иванов Иван Николаевич,
кандидат архитектурных наук, профессор кафедры Основ архитектуры ФГБОУВО «Государственныйуниверситет по землеустройству» E-mail: irakhabarova@yandex.ru, khabarovl77@yandex.ru, yavorskaya-irina@gmail.com, nickbut@yandex.ru
Khabarova Irina Andreevna, Khabarov Denis Andreevich, Iavorskaia Irina Dmitrievna, Ivanov Ivan Nikolaevich
Аннотация. В статье рассматриваются и анализируются основные достижения в фотограмметрии и аэрофотосъемке, в частности методы сбора информации для построения моделей рельефа. Авторы отмечают, что на первое место выходят методы лазерного сканирования территории, как с помощью аэросъемки, спутни-ковой съемки, так и наземной съемки. При этом авторы статьи обращают внимание на то, что развитие способов сбора данных постоянно совершенствуется, становится все более автоматизированным, снижая ошибки «человеческого фактора», модели местности становятся все более информативными, удобными для поиска необходимой информации и обладают еще рядом преимуществ, которые несомненно будут и далее совершенство-ваться для работы как исполнителя моделей, так и для конечного потребителя. Информационное развитие позволяет увеличивать объемы собираемой и обрабатываемой информации, что ускоряет процесс создания моделей местности.
Summary. In the article the authors consider and analyze the main achievements in photogrammetry and aerial photography, methods of collecting information for the construction of relief models. The authors note that the first place goes to the methods of laser scanning of the territory, both with the help of aerial photography, satellite imagery, and ground photography. The authors draw attention to the fact that the development of data collection methods are constantly being improved, becoming more automated, reducing error human factor, terrain models are becoming more informative, easy to find necessary information and have more advantages, which will undoubtedly be further refined to work as artist models, and for the end user. Information development allows to increase the volume of collected and processed information, which speeds up the process of creating terrain models.
Ключевые слова: аэрофотосъемка, фотограмметрия, рельеф, цифровые съемочные системы, беспилотные самолеты, космическая геодезия, ортофотопланы, 3D-модели местности.
Keywords: aerial photography, photogrammetry, relief, digital survey systems, unmanned aircraft, space geodesy, orthophotomap, 3D models of the terrain.
Актуальность работы обусловливается тем, что развитие отраслей народного хозяйства страны требует создания большого количества топографических и специальных карт. Наиболее эффективное решение этой задачи позволяет выполнить аэрофотосъемка и фотограмметрия.
При этом спутниковые навигационные системы GPS имеют важное практическое значение для топографо-геодезических работ. Использование спутниковых приемников позволяет создать геодезическую основу для проведения геологической съемки (топопривязка геофизических профилей, буровых скважин и др.), обеспечения аэрокосмического мониторинга геологической среды на региональном, локальном и детальном уровнях исследований.
Основная цель работ по внедрению и развитию методов аэрокосмического мониторинга — совершенствование установления корреляционных связей между оптическими свойствами экологических комплексов отраженными на аэрокосмических изображениях, и их свойствами в системе различных природных признаков. Аэрокосмический мониторинг позволяет одновременно получать объективную информацию и оперативно выполнять картографирование территории.
Основная часть
Именно аэрофотосъемка - это один из ведущих методов исследования земной поверхности, который дает возможность в небольшой срок зафиксировать большие
площади изучаемой земной поверхности с необходимой точностью. Аэрофотосъемка предоставляет объективные сведения и помогает выявлять объекты местности, которые тяжело различить при визуальном обследовании. При аэрофотосъемке информацию об объектах земной поверхности получают на расстоянии без прямого контакта с ними, поэтому аэрофотосъемка считается методом дистанционного
зондирования.
Огромное значение аэрофотосъемка имеет в сельском хозяйстве. Так, например, с помощью аэрофотосъемки решаются задачи землеустройства и кадастров. Аэрофотосъемка применяется и при проектировании нефтепроводов и газопроводов, линий ЛЭП, при проектировании и реконструкции сельских населенных пунктов и городов, при строительстве гидросооружений и при решении иных задач народного хозяйства страны.
Для того, чтобы изучить современные достижения фотограмметрии и аэрофотосъемки, необходимо сначала понять что изучает фотограмметрия и какова ее роль в современном мире.
Фотограмметрия — наука, изучающая способы определения форм, размеров, пространственного положения и степени изменения во времени различных объектов, по результатам измерений их фотографических изображений.
Предметы изучения фотограмметрии — это геометрические и физические свойства снимков, способы их получения и использования для определения количественных и качественных характеристик сфотографированных объектов, а также приборы и программные продукты, применяемые в процессе обработки.
В настоящее время в фотограмметрии выделяют три направления исследований. В первом изучаются и развиваются методы картографирования земной поверхности по снимкам. Второе связано с решением прикладных задач в различных областях науки и техники. В третьем развиваются технологии получения информации об объектах Земли, Луны и планет солнечной системы с помощью аппаратуры, установленной на космических летательных аппаратах [1].
Современная фотограмметрия как техническая наука тесно связана с науками физико-математического цикла, достижениями радиоэлектроники, вычислительной техники, приборостроения, фотографии. Она органически связана с геодезией, топографией и картографией. На основе достижения физики и особенно оптики созданы современные объективы съемочных и обрабатывающих приборов. Успехи в развитии электроники, радиоэлектроники, вычислительной техники и космической геодезии способствовали автоматизации процессов самолетовождения и управления полетами космических
кораблей созданию сенсоров, для получения изображений в цифровом виде, а также приборов для определения положения снимков в момент фотографирования, автоматизации процессов обработки и хранения информации, которой обладают снимки. Благодаря химии освоен выпуск черно-белых и цветных фотоматериалов. Математика широко применяется в разработке теории фотограмметрии при решении практических задач. Методами, известными в астрономии и геодезии, снимки обеспечиваются опорными точками, необходимыми для создания съемочной сети с целью составления топографических карт и планов или решения прикладных задач.
Перейдем к этапам формирования фотограмметрии. Истоки фотограмметрии как науки о свойствах перспективных изображений и методах их преобразования относятся к эпохе Возрождения, когда были заложены основы теории построения таких изображений и определения по ним формы, размеров и пространственного положения объектов. Начальный период развития фотограмметрии, продолжавшийся с середины Х1Хв. и до начала ХХв., характеризуется возникновением, разработкой ее основ и эпизодическим применением для решения локальных задач в интересах военной разведки и картографирования. Технической основой фотограмметрии послужило изобретение французом Даггеромом фотографии 1839 г. В 1851 — 1859 гг. француз Эмэ Ласседа разрабатывает технологию фотограмметрического составления планов сооружений по их наземным фотографиям.
Создание средств воздухоплавания предоставило возможность перейти от наземной инженерной фотосъемки к аэрофотосъемке. В 1858 г. французом Надаром получены первые фотоснимки с воздушного шара. Это был важный шаг в развитии фотограмметрии — аэрофотоснимок по своей геометрии приблизился к плану местности. В 1910 г. летчик Гельгар получил первые в России фотоснимки с самолета. Первое время аэрофотосъемку применяли в основном в целях военной разведки. В 1922 г. предпринята попытка решения гражданских задач с помощью аэрофотосъемки, опыт оказался удачным. В 1924 г. под руководством М. Д. Бонч-Бруевича создана государственное техническое бюро «Аэросъемка». Через год его работы было доказано, что создание контурных планов и карт в масштабах 1: 2000...1: 50 000 имеет преимущество перед наземной съемкой в производительности, детальности и универсальности получаемых материалов. С 1926г. начались производственные аэросъемки в различных, регионах страны.
Истоки современной цифровой фотограмметрии относятся к 1924 г., когда профессор А.С. Скиридов сформулировал идею автоматизации стереофотограмметрических измерений на основе сравнения фотографических плотностей соответственных зон
смежных снимков. Воплощение этой идеи в цифровой фотограмметрической системе (ЦФС) стало возможным лишь в середине 1980-х гг., с появлением запоминающих устройств, съемочных систем и сканеров с твердотельными светочувствительными элементами на основе приемников с зарядовой связью (ПЗС).
ЦФС представляет собой персональную ЭВМ, оснащенную средствами визуализации стереоскопической модели местности - анаглифическими, поляроидными очками или сте-реонасадкой и специальным программным обеспечением. Она имеет, как правило, модульную структуру с наращиваемыми аппаратными и программными средствами, обеспечивающими обработку материалов аэрофотосъемки начиная от измерения и преобразования изображения и до формирования фотокарты. Одним из первых цифровых приборов, предназначенных для цифровой обработки снимков, является система DCCS (Digital Comparator Correlater System), разработанная в 1985 г. фирмой HAI (США) под руководством У. Хелавы. Из применяемых в настоящее время цифровых фотограмметрических систем можно отметить ЦФС Photomod (ЗАО «Ракурс», Россия, 1993), DVP (Leica, Швейцария, 1993), Realistic Map (Медиаскан, Республика Беларусь) и др.
Современное состояние фотограмметрии характеризуется массовым применением цифровых методов обработки материалов аэрофотосъемки [2].
Мощным стимулом развития цифровых методов в фотограмметрии стало появление цифровых съемочных систем - сенсоров, позволяющих получать цифровые цветные, черно-белые и иные изображения в любом диапазоне инфракрасной, ультрафиолетовой или видимой части спектра.
К достижениям фотограмметрии последних лет относится разработка средств и методов создания цифровых планов и карт по аэроснимкам, создание аэрофотоаппаратов серии АФА-ТК с компенсацией сдвига изображения и нового ортофототрансформатора ЦНИИГАиК ОПЦ, разработку космических топографических комплектов (КТК) -фотоаппаратов ТК-350 и КВР-1000 и др.
В последнее десятилетие, в связи со стремительным развитием вычислительной техники и средств приема изображений на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС), появились условия для постепенного перехода от методов аэрофотосъемки к методам цифровой съемки.
Достижения в аэрофотосъемке
Одним из важнейших применений фотографии является воздушное фотографирование, т. е. получение снимков земной поверхности с летательных аппаратов — самолетов, вертолетов, искусственных спутников Земли и др.
Аэрофотосъемкой называют совокупность работ по получению аэронегативов и аэроснимков местности с целью последующего их использования для создания планов и карт. Термин «аэрофотосъемка» объединяет ряд взаимосвязанных процессов, в частности:
- летно-съемочные работы, включающие разработку технических условий аэрофотосъемки и ее выполнение;
- полевые фотолабораторные работы, включающие фотографическую обработку экспонированных аэрофильмов, изготовление по ним отпечатков и иной первичной продукции;
- полевые фотограмметрические работы, включающие регистрацию материалов аэрофотосъемки и оценку качества исполненной фотосъемки.
Результатом перечисленных работ являются аэронегативы, аэроснимки, а также зафиксированные в полете показания специальных приборов.
Аэронегативы (аэроснимки) — фотографические изображения местности, покрывающие без разрывов заданный участок земной поверхности — используются для последующего преобразования и создания по ним карт и планов. Для обеспечения последующих работ смежные аэронегативы (аэроснимки) должны иметь перекрытия расчетной величины. Метрические и фотометрические характеристики аэронегативов в значительной степени зависят от выполнения технических условий аэрофотосъемки и выбора параметров применяемых фотографических материалов и оптических систем. Точность и качество аэронегативов, в свою очередь, определяет качество создаваемых по ним карт и планов, сроки фотограмметрической обработки, организацию работ и т.п. Для получения полноценных аэронегативов и их эффективного использования необходимо согласование летносъемочных работ, и в первую очередь их параметров, с организацией всего топографо-геодезического производства [3].
В соответствии с законами центрального проектирования, по которым строится изображение местности, точки аэронегатива (аэроснимка) получают смещения, величины которых определяются углом наклона оптической оси аэрофотоаппарата и колебанием рельефа местности. Устранение этих смещений осуществляется в процессе их фотограмметрической обработки, и в частности — фотографического или цифрового преобразования, называемого трансформированием. В связи с этим использование аэроснимков для решения каких-либо задач, связанных с измерениями по ним, без их предварительною трансформирования ограничивается влиянием указанных смещений.
Использование при аэрофотосъемке специального оборудования, обеспечивающего стабилизацию съемочной камеры в полете, компенсацию сдвига изображения, фиксацию
высоты полета, превышений между центрами фотографирования, их координаты и др., существенно упрощают последующую камеральную обработку снимков и повышают ее точность. В состав такого оборудования входят гиростабилизирующие установки, системы глобального позиционирования, оборудование для определения высоты полета, превышений между центрами фотографирования, а также аэронавигационные системы и др. Наличие указанных данных во многом определяет технологию камеральной обработки материалов аэрофотосъемки, существенно влияет на оперативность, точность фотограмметрических построений и объемы полевых работ по их геодезическому обеспечению.
Аэрофотосъсмочные работы выполняются на оборудованных летных средствах специализированными подразделениями гражданской авиации или непосредственно топографо-гсодезическими (землеустроительными, лесоустроительными и др.) предприятиями [4].
При подготовке к топографической аэрофотосъемке проверяют и готовят к работе оборудование, материалы и полетные карты, проводят тренировку экипажей, выполняют расчеты маршрутов, составляют график полетов.
Основным средством, позволяющим получить аэрофотоснимки, является аэрофотоаппарат (АФА) — сложный высокоточный оптико-механический и электронный прибор.
Остановимся на том, как в современном мире происходят процессы аэрофотосъемки, какие используются летательные аппараты для съемки фото с высоты, какая съемочная техника применяется.
Упомяну вкратце, что первые аэрофотоснимки появились еще в XIX веке. В качестве летательных аппаратов тогда использовались воздушные шары и воздушные змеи. Причем воздушные шары для аэрофотосъемки применялись как на привязи с земли, так и свободнолетающие с «воздухоплавателем-опрератором» на борту. И лишь позднее стали применяться самолеты для осуществления аэрофотосъемки.
Аэрофотосъемка при помощи самолетов
Долгое время аэрофотосъемка при помощи самолетов была самым распространенным способом получения фотографий с воздуха. Первые удачнее опыты были проведены еще в на рубеже XIX и XX веков. Наибольшее применение аэрофотосъемка имела тогда в области — аэротопографическая съёмка.
Фотосъемка с самолетов и по сей день имеет большое значение, но ее роль становится все меньше и меньше. На данный момент актуальность аэрофотосъемки с самолетов остается в тех областях, где необходимо получить охват большой площади за минимальное
время. Да и в этих задачах все чаще и чаще применяются снимки из космоса. Менее масштабные задачи решаются при помощи вертолетов, парапланов и, все чаще, с беспилотных летательных аппаратов - мультикоптеров и самолетов (рис. 1).
Рисунок 1 - Самолёты воздушного наблюдения и аэрофотосъёмки
Вертолеты в качестве аппаратов для проведения аэрофотосъемки И по сей день является актуальным видом аэрофотосъемки, поскольку вертолет может зависнуть в определенной точке и позволяет получить охват приличной территории за один вылет. В отличии от самолетов, которые чаще используются для получения информационно-технической аэрофотосъемки, вертолеты часто применяются и для художественной и рекламной съемки с воздуха. С вертолетов делают съемку клипов и эпизодов фильмов, снимают рекламные ролики, это можно увидеть на рис. 2[5].
Рисунок 2 — Аэрофотосъемка с вертолета
Аэрофотосъемка с параплана Если сравнивать с вышеприведенными способами аэрофотосъемки, то мотопараплан (рис. 3) является наименее затратным способом, зачастую не требующим разрешения на полет, а также способном проводить съемку на малых высотах. К минусам можно отнести то, что параплан не способен зависнуть для проведения, к примеру, продолжительной аэрофотосъемки из одной точки, поэтому сшивка качественных сферических панорам является затруднительной с такого рода аппаратов. Еще одним минусом можно назвать
невозможность полетов в городской черте, а также в стесненных условиях — между деревьями, под арками и т.д.
Рисунок 3 — Аэрофотосъемка с мотопараплана
Аэрофотосъемка с беспилотных самолетов Является, пожалуй, наиболее простым и менее затратным способом получения малоплощадной техническо-информационной съемки. Подходит для мониторинга территорий с воздуха, аэрофотосъемки с целью получения ортофотопланов местности и тому подобных задач. Из минусов можно обозначить тот момент, что беспилотные самолеты не пригодны для художественной и рекламной съемки, а такее не способны зависать в точке, требуют определенной площадки для взлета и посадки (рис. 4).
Рисунок 4 — Аэрофотосъемка с беспилотного самолета
Аэрофотосъемка с мультикоптера Наиболее перспективный на данный момент способ получения аэросъемки когда не требуется отснять большие площадные массивы (где самолеты и космические снимки пока вне конкуренции).
Выгодным отличием данного вида аэрофотосъемки является то, что это наименее затратный способ получения аэрофотоматериалов. Стоимость таких услуг все сильнее и сильнее снижается, а возможности аэрофотосъемки с мультикоптеров постоянно увеличиваются. Если раньше для аэрофотосъемки нужно было поднять настоящий самолет или вертолет в воздух (а соответственно согласовать разрешения на полеты, оплатить
дорогостоящее топливо и работу пилотов и многое другое), что обходилось в весьма круглую сумму, а также имело массу ограничений по возможностям, то теперь все оборудование для аэрофотосъемки можно привезти в багажнике любого автомобиля! Для подготовки к полетам из транспортировочного состояния требуется не более 10-20 минут, а съемочная команда состоит всего из двух человек — пилота и оператора. В зависимости от объемов и задач аэрофотосъемки стоимость может начинаться от 5 тысяч рублей [6]. Современные мультикоптеры (квадрокоптеры, гексакоптеры, октокоптеры) (рис. 5) обладают весьма сложными современными системами стабилизации, позволяющими удерживать летающий аппарат в точке с погрешностью 0,5 метра по высоте и 1 метр по горизонтали, они способны на автономные полеты по заранее заданным координатам, могут выполнять автоматический возврат на точку старта и автопосадку по команде, либо же в случае потери сигнала управления или же в других нештатных ситуациях. Для взлета и проведения аэрофотосъемки с мультикоптера не обязательно иметь большую взлетно-посадочную площадку, при необходимости взлет и посадку можно производить даже с рук. Также, в отличии от любой другой техники для съемки с воздуха, мультикоптер способен летать даже в закрытых помещениях. А способность зависать в точке позволяет делать множество кадров из этой точки, которые впоследствии можно сшить в панорамное фотоизображение, либо же создать сферическую 3D панораму, виртуальный тур или виртуальную экскурсию с воздуха.
Рисунок 5 —Мультикоптеры Космическая геодезия в аэрофотосъемке
Для астрономии, геофизики, геологии, метеорологии, биологии и многих других наук применение искусственных спутников и космических аппаратов знаменует качественно новый этап развития. Эти новые летающие исследовательские лаборатории — позволяют ставить и решать задачи, которые до запуска спутников были бы немыслимы.
Первые эксперименты по использованию наблюдений ИСЗ для геодезических определений были проведены еще в начале 60-х годов прошлого столетия и дали импульс к развитию новой науки, получившей название спутниковая или космическая геодезия. Важным преимуществом этого нового космического направления в области наук о Земле является его глобальность. За прошедшие 50 лет теоретические основы и технические средства космической геодезии развивались очень динамично. С каждым новым достижением расширялись сферы применения получаемых результатов, как в прикладных исследованиях, так и при решении фундаментальных задач астрономии, геофизики и геологии [7].
Наиболее существенное увеличение точности измерений в космической геодезии наблюдается последние 20 лет. Лазерная локация спутников, оснащенных специальными отражателями, достигла сантиметровых точностей при полностью автоматизированных системах наведения и слежения за спутниками. Кроме того, быстрое развитие радиотехнических спутниковых навигационных систем, таких как GPS и ГЛОНАСС, полностью изменили подход к задачам определения динамических и физических свойств Земли и позволили значительно повысить точности определения геоцентрических координат наземных пунктов и их изменений со временем.
Аэрофотосъемка в настоящее время дает полную возможность получить точную топографическую карту и при этом свести к минимуму наземные геодезические и топографические работы, которые ограничиваются только определением координат небольшого количества опорных пунктов и их высот. Карта, составленная на основании материалов аэрофотосъемки по точности превосходит карту, созданную при помощи наземной съемки, и имеет перед последней то бесспорное преимущество, что на ней в гораздо меньшей степени сказываются субъективные особенности исполнителя. Поэтому, аэрофотосъемка в нашей стране является главным средством создания топографической карты, почти полностью вытеснившим все остальные методы.
Человек постепенно осваивает околоземное пространство и автоматами, засылаемыми с Земли, успешно изучают другие планеты солнечной системы. Созданные людьми и запущенные в космос искусственные спутники Земли передают на Землю фотографии нашей планеты, сделанные с больших высот.
Таким образом, сегодня можно говорить о космической геодезии, или, как ее еще называют спутниковой геодезии. Люди являются свидетелями зарождения нового раздела картографии, который модно было бы назвать космической картографией [8].
Уже в настоящее время снимки, сделанные из космоса, используются для внесения изменения в содержании карт, являясь наиболее оперативным средством для выявления этих изменений. Дальнейшее развитие космической картографии приведет еще к более значительным результатам.
Значимость, преимущество снимков Земли из Космоса по сравнению с обычными аэрофотоснимками, бесспорны. Прежде всего, их обзорность - снимки с высоты в сотни и тысячи километров позволяют получать и изображения с охватом аэросъемки, и изображения территории протяженностью в сотни и тысячи км. Кроме того, они обладают свойствами спектральной и пространственной генирализации, т. е. отсеиванием второстепенного, случайного и выделением существенного, главного. Космическая съемка дает возможность получать изображение через регулярные промежутки времени, что в свою очередь, позволяют исследовать динамику любого процесса.
Возможность получения космических снимков привела к появлению целого ряда новых тематических карт - карт таких явлений, многочисленные характеристики которых получить другими методами практически невозможно. Так, впервые в истории науки были составлены глобальные карты облачного покрова и ледовой обстановки. Космические снимки незаменимы при изучении динамики атмосферных процессов — тропических циклонов и ураганов. Для этих целей особенно эффективна съемка с цеостационарных спутников - спутников «неподвижно» зависших над одной точкой поверхности Земли, или, точнее двигающихся вместе с землей с одной и той же угловой скоростью.
Принципиально новую информацию космические снимки дали геологам. Они позволили повысить глубинность исследований и породили новый вид картографических произведений - «космофотогеологические» карты. Важнейшим достоинством космических снимков является возможность ведения на них новых черт строения территорий, незаметных на обычных аэрофотоснимках. Именно фильтрация мелких деталей ведет к пространственной организации разоренных фрагментов крупных геологических образований в единое целое. Хорошо заметные на снимках линейные разрывные нарушения, называемые линеаментами, не всегда удается обнаружить при непосредственных полевых обследованиях. Карты линеаментов оказывают существенную помощь при глубинных поисках полезных ископаемых. Неизвестные ранее геологические структуры таким путем открыты в среднем течение Вилюя.
Снимки из Космоса сегодня интенсивно используются в гляциологии, они явятся основным исходным материалом. Практически, все первопроходцы космоса, особенно участники длительных космических полетов, успешно решают различные задачи тематического картографирования. В нашей стране леса занимают более половины территории суши. Информация о многочисленных характеристиках этого лесного фонда огромна и должна регулярно обновляться. Гигантские объемы оперативной, всеобъемлющей и в тоже время детальной информации немыслимы без помощи космонавтов и космического фотографирования. Практика уже доказала, что космическое картографирование лесов, необходимое звено их изучения и управления ресурсами. Регулярное космическое картографирование изменений, происходящих в лесах очень важно для предупреждения и локализации вредных воздействий, решения задач охраны природы. Только, с помощью космической техники удается получать информацию о санитарном состоянии лесов, а с помощью ежедневных съемок со спутников «Метеор» данные о пожарной обстановке в лесах [8,9].
Космическое непрерывное картографирование состояния окружающей среды сегодня обозначают термином «мониторинг». Диапазон средств и методов картографа становиться все шире: от космических высот до подводных глубин, но везде - у пульта управления космическим топографом - планетоходом, у обычного теодолита, у создания карты стоит человек.
Космическая картография
Особенно широкое применение снимки из космоса нашли в картографии. И это понятно, потому что космический фотоснимок точно и с достаточной подробностью запечатлевает поверхность Земли и специалисты могут легко перенести изображение на карту.
Чтение (дешифрирование) космических снимков, так же как и аэрофотоснимков, основано на опознавательных (дешифровочных) признаках. Основными из них служат форма объектов, их размеры и тон. Реки, озера и другие водоемы изображаются на снимках темными тонами (черным цветом) с четким выделением береговых линий. Для лесной растительности характерны менее темные тона мелкозернистой структуры. Подробности горного рельефа хорошо выделяются резкими контрастными тонами, которые получаются на фотографии в результате различной освещенности противоположных склонов. Населенные пункты и дороги также можно опознать по своим дешифровочным признакам, но только под большим увеличением. На типографских оттисках этого сделать нельзя.
Использование космических снимков в картографических целях начинают с определения их масштаба и привязки к карте. Эту работу обычно выполняют по карте более мелкого масштаба, чем масштаб снимка, так как на нее приходится наносить границы не одного, а целого ряда снимков.
Сличая снимок с картой, можно узнать, что и как изображено на снимке, как это показано на карте и какие дополнительные сведения о местности дает фотоизображение земной поверхности из космоса. И даже в том случае, если карта будет того же масштаба, что и фотоснимок, все равно по снимку можно получить более обширную и главное — свежую информацию о местности по сравнению с картой.
Составление карт по космическим снимкам выполняют так же, как и по аэрофотоснимкам. В зависимости от точности и назначения карт применяют различные методы их составления с использованием соответствующих фотограмметрических приборов. Наиболее легко изготовить карту в масштабе снимка. Именно такие карты и помещают обычно рядом со снимками в альбомах и книгах. Для их составления достаточно скопировать на кальку со снимка изображения местных предметов, а затем с кальки перенести их на бумагу.
Такие картографические чертежи называют картосхемами. Они отображают только контуры местности (без рельефа), имеют произвольный масштаб и не привязаны к картографической сетке.
В картографии космические снимки используют прежде всего для создания мелкомасштабных карт. Достоинство космического фотографирования в этих целях заключается в том, что масштабы снимков сходны с масштабами создаваемых карт, а это исключает ряд довольно трудоемких процессов составления. Кроме того, космические снимки как бы прошли путь первичной генерализации. Это происходит в результате того, что фотографирование выполняется в мелком масштабе.
В настоящее время по космическим снимкам созданы разнообразные тематические карты. В ряде случаев характеристики некоторых явлений можно определить только по космическим снимкам, а получить их другими методами невозможно. По результатам космического фотографирования обновлены и детализированы многие тематические карты, созданы новые типы геологических ландшафтных и других карт. При составлении тематических карт особенно полезными являются снимки, полученные в различных зонах спектра, так как они содержат богатую и разностороннюю информацию [6].
Космические снимки нашли широкое применение при изготовлении промежуточных картографических документов — фотокарт. Их составляют так же, как и фотопланы, путем
мозаичного склеивания отдельных снимков на общей основе. Фотокарты могут быть двух видов: на одних показано только фотографическое изображение, а другие дополнены отдельными элементами обычных карт. Фотокарты, как и отдельные снимки, служат ценными источниками изучения земной поверхности. Вместе с тем они являются дополнительным материалом к обычной карте и в полной мере заменить ее не могут.
Облик Земли постоянно меняется, и любая карта постепенно стареет. Космические снимки содержат самые свежие и достоверные сведения о местности и успешно используются для обновления карт не только мелкого, но и крупного масштаба. Они позволяют исправлять карты больших территорий земного шара. Особенно эффективно космическое фотографирование в труднодоступных районах, где полевые работы связаны с большой затратой сил и средств.
Съемка из космоса применяется не только для картографирования земной поверхности. По космическим фотоснимкам составлены карты Луны и Марса. При создании карты Луны были использованы также и данные, полученные с автоматических самоходных аппаратов «Луноход-1» и «Луноход-2». Как же велась съемка с их помощью? При движении самоходного аппарата прокладывался так называемый съемочный ход. Его назначение Ч создать каркас, относительно которого на будущую карту будут наносить топографическую ситуацию. Для построения хода измерялись длины пройденных отрезков пути и углы между ними. С каждой точки стояния «Лунохода» выполнялась телевизионная съемка местности. Телевизионные изображения и данные измерений передавались по радиоканалу на Землю. Здесь производилась обработка, в результате которой составлялись планы отдельных участков местности. Эти отдельные планы привязывались к съемочному ходу и объединялись.
Карта Марса, составленная по космическим снимкам, менее подробна по сравнению с картой Луны, но все же она наглядно и достаточно точно отображает поверхность планеты. Карта сделана на тридцати листах в масштабе 1:5000000 (в 1 см 50 км). Два околополюсных листа составлены в азимутальной проекции, 16 околоэкваториальных листов — в цилиндрической, а остальные 12 листов — в конической проекции. Если все листы склеить друг с другом, то получится почти правильный шар, т. е. глобус Марса.
В зависимости от задач воздушного фотографирования применяют различные виды аэрофотосъемок. Наиболее широкое применение имеет топографическая аэрофотосъемка.
К достижениям фотограмметрии предыдущих лет относится разработка средств и методов создания цифровых планов и карт по аэроснимкам, создание аэрофотоаппаратов серии АФА-ТК с компенсацией сдвига изображения и нового ортофототрансформатора,
разработку космических топографических комплектов - фотоаппаратов ТК-350 и КВР-1000 и др.
В настоящий момент на рынке присутствует достаточно большое количество продуктов для создания трехмерной модели по фотографиям. В результате проводимых исследований были выбраны наиболее подходящие нашим задачам продукты: PhotoScan (Agisoft), Pix4Dmapper (Pix4D), ContexCapture (Bentley Systems) [4]. PhotoScan — это российский продукт, широко используемый специалистами, которые работают с компьютерной графикой и профессиональными дизайнерами. Недорогой и эффективный, PhotoScan является одним из лучших решений для «полупрофессионального» рынка. Войти в список профессиональных решений продукту пока не представляется возможным из-за некоторых недостатков, таких как, слабые возможности масштабирования и низкая производительность (рис.6).
Рисунок 6 - Результаты съемки после обработки РЬо1:о5сап Pix4Dmapper — продукт, который разработан в Швейцарии. Он моментально стал использоваться для аэрофотосъемки с БЛА. Pix4Dmapper обозначется как ведущее решение для работы с ортофотопланами, облаками точек и цифровыми моделями местности (ЦММ) на средних и малых проектах. К его положительным сторонам можно отнести возможность редактирования ортофотоплана, детализацию модели, использование Pix4D большинством производителей БЛА в аппаратной связке с ПО дрона. К минусам можно отнести: низкую
производительность, ограниченные возможности масштабирования и взаимодействия с моделью.
ContexCapture — программа французской фирмы Acute3D, которая в 2015 году вошла в компанию Bentley Systems. Продукт представляется как решение для автоматического и высокоточного построения 3Dмоделей на основе простых фотографий, получаемых с помощью любого устройства — от смартфона до специализированных камер и сканеров. Решение имеет неограниченную масштабируемость — от предмета до города. Точность представления ограничена только параметрами фотографий. Также большим преимуществом является возможность генерации не объемного облака точек, а трехмерного массива, который обладает свойствами геометрической модели. Решение отличается своими промышленными характеристиками. К минусам можно приписать относительно слабые возможности по созданию интерьеров [2].
В итоге, существует три особенных продукта, у каждого из которых есть как достоинства, так и недостатки.
Независимым экспертом было проведено сравнение Pix4D и Agisoft. Для эксперимента использовался беспилотник DJI Phantom 2 и камера GoPro4. Следуя требованиям на сайте поддержки Pix4D, была создана траектория полета дрона, настроены скорость и высота полета. Период съемки был установлен равным двум секундам.
Рисунок 7 - Результаты съемки после обработки Pix4Dmapper
В результате полета было сделано примерно 200 фотографий. После загрузки полученного количества фотографий в выбранные программные продукты были получены следующие результаты (рис. 2).
Заметно, что качество моделей оказалось относительно одинаковым. Однако было замечено, что у продукта Pix4D больше возможностей по работе с моделью, например, есть возможность настраивание параметров в ее визуальном представлении (контраста, яркости, теплового баланса и пр.) или управления камерой (включая свободное перемещение камеры во все стороны для «облета» модели, а не только вращение вокруг оси).
Современные проявления в развитии цифровых систем и технологий в геодезии и картографии стремятся к расширению круга решаемых задач и получению наибольшего количества обрабатываемых исходных данных, интегрируя фотограмметрические, картографические функции больших навигационных спутниковых систем и ГИС.
Перспективное развитие современных методов и технологий аэрофотосъемки, космической съемки, фотограмметрии и 3D-моделирования направлено на уменьшение и исключение количества полевых работ. В их число входит переход от автоматизированных к автоматическим методам обработки в геодезии и картографии.
Поэтому требованием настоящих дней является непрерывное усовершенствование применяемых технологий и внедрение в производство аэросъемочных, геодезических и картографических работ новых достижений разработчиков передовых технологий и программных решений в мире.
Выводы
Суммируя вышесказанное, можно отметить следующее. Фотограмметрия прошла путь от аналоговой до цифровой. Сегодня стандартными фотограмметрическими продуктами являются: цифровой ортофотоплан, цифровая топографическая карта, цифровая модель рельефа. Кроме того, в последнее время появились новые продукты: цифровые истинные ортофотопланы, 3D-модели местности и реалистическая 3D-модель, причем почти все продукты получаются практически автоматически.
Объединив возможности современной фотограмметрии и методы автоматического дешифрирования, в ближайшем будущем получим фотограмметрическую систему нового качества, способную производить новый широкий класс различной продукции, характеризующей не только пространственное, но и качественное состояние трехмерных объектов.
Список использованной литературы
1.Бачурина С.С., Левочкин, В.И., Медведев О.П., Способ А.Б. Использование материалов дистанционного зондирования в целях мониторинга территории Москвы.// Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. 1998. №4(16) (дата обращения 11.11.2019 г.)
2. Власов А.Г. Совершенствование технологии и организации кадастровых съемок.// Диссертация на соискание учёной степени к.т.н.// М. МИИГАиК, 2000г. (дата обращения 11.11.2019 г.)
3. Чугреев И.Г., Владимирова М.Р. Цифровая фотограмметрическая система по обновлению цифровых моделей местности «Апертура 4.0».// Авт. свид. №2002611658, 2002г. (дата обращения 11.11.2019 г.)
4. Лимонов А. Н. Фотограмметрия и дистанционное зондирование [Текст] / А.Н. Лимонов, Л.А. Гаврилова // М.: Академический проект — 2016.
5. Абросимов А.В. Возможности использования данных КА «Ресурс-П» для выявления изменений на земной поверхности [Текст] / А.В. Абросимов, Т.В. Орлов // М.: Геоматика — 2017.
6. Обиралов А.И. Фотограмметрия [Текст] / А.И. Обиралов // М.: КолосС — 2012.
7. Хабарова И.А., Хабаров Д.А. Применение современных технологий по выявлению нерационально используемых земель сельскохозяйственного назначения по материалам дистанционного зондирования Земли.// Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. 2019. №6. С. 37-42.
8. Хабарова И.А., Непоклонов В.Б. Дешифрирование породного состава лесной растительности с использованием спектрально-временных признаков// «Конструкторское бюро» №4 (129)/ 2017 С. 26-32.
9. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. — М.: ЦНИИГАиК, 2002. — 100 с.
