CC BY
484
УДК 528.7 А.П. Гук
СГГ А, Новосибирск
ПРИНЦИПЫ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ, ПОЛУЧАЕМОЙ ПО АЭРОКОСМИЧЕСКИМ СНИМКАМ
Современная фотограмметрия стремительно развивается, расширяются сферы ее применения принципиально меняются математические модели обработки снимков. В данной работе предлагается новый взгляд на цели и задачи фотограмметрической обработки снимков, поддерживающий лишь одну функцию фотограмметрии - получение по снимкам метрической информации.
Можно отметить несколько факторов, которые характеризуют современную фотограмметрию и определяют направление ее развития.
1. Стало возможным получать кадровые цифровые снимки сравнивая по формату и изобразительными и метрическими свойствами с фотографическими снимками;
2. Стали доступны для проведения практических работ сканерные космические снимки высокого и среднего разрешения;
3. Для определения элементов внешнего ориентирования широко применяются GPS и INS систем;
4. 3D моделирование вышло из стадии исследования, начали создаваться 3D ГИС;
5. Лазерная съемка позволяет эффективно получать цифровые модели рельефа и местности;
6. Широкое распространение получили методы численного анализа многозональных космических и аэроснимков, методы автоматизированного дешифрирования.
И все-таки основная особенность современного этапа развития фотограмметрии - получение цифровых кадровых снимков и цифровых сканерных космических снимков высокого разрешения.
Что же нового вносят цифровые снимки в фотограмметрию?
Основная цель обработки снимков - получение информации, которую условно можно разделить на две составляющие - качественные характеристики объекта и пространственное расположение и геометрические характеристики объекта.
Традиционно фотограмметрия занимается изучением геометрических свойств снимков и разработкой технологии получения по снимкам координат объектов и их пространственного расположения.
Распознавание объекта и определение его качественного состояния относится к дисциплине - дешифрирование снимков.
Для решения фотограмметрических задач выполняются измерения координат точек снимка. Дешифрирование выполняется путем визуального
анализа изображений опытным специалистом в области класса объектов, который распознается на снимке (например, можно выделить топографическое дешифрирование, геологическое дешифрирование, дешифрирование лесных массивов и т. д.) дешифрирование выполняется на основе дешифровочных признаков, которые являются, в основном, относительными и не требуют выполнения измерений снимков.
Одним из основных дешифровочных признаков являются яркости объектов изображения.
Яркости изображений объектов рассматривались только с точки зрения дешифрирования и снимок являлся измерительным только в геометрическом плане. В первую очередь это объяснялось нестабильностью фотометрических параметров вследствие фотохимической обработки. С другой стороны условия съемки также существенно влияют на яркости изображений объектов на снимках.
Идея измерений яркости для дешифрирования объектов на снимках и формирования на их основе численных дешифровочных признаков относится к началу 70-х годов XX века.
В это время стала развиваться многоспектральная космическая съемка, позволяющая одновременно получать несколько изображений объекта в узких зонах электромагнитного спектра.
Таким образом, традиционно в фотограмметрии измерялись только координаты точек на снимках и фотограмметрическая система была измерительной только в геометрическом плане. Значения яркости изображения объекта в каждом из спектральных каналов служили численным дешифровочным признаком объекта.
Были разработаны алгоритмы обработки яркостей для дешифрирования объектов. Для выполнения дешифрирования начали использовать измерения яркостей и выполнять математическую обработку этих измерений.
Таким образом, для получения информации по космическим снимкам нужно выполнять не только геометрические, но и фотометрические измерения. Для создания измерительной системы требуется, чтобы система реагировала только на изменения измеренных параметров и мало зависела от «внешних» факторов, то есть система должна быть стабильной относительно измеренных параметров.
На рис. 1 показана принципиальная схема сбора информации по
фотографическим снимкам.
Заметим, что съемочные камеры (АФА) обеспечивают высокую геометрическую
точность построения
изображения и наибольшую нестабильность в измерения вносят атмосфера и
фотохимическая обработка пленки.
С точки зрения
фотограмметрических измерений фотопленка + фотохимическая обработка вносят существенные
искажения в яркости изображения объектов.
Кроме того,
принципиальное отличие
снимков, полученных цифровой камерой, от фотографических состоит в том, что в процессе формирования изображения «измеряются» координаты
каждого элемента изображения, то есть происходит дискретизация на жесткофиксированной сетке, заданной элементами матрицы ПЗС, на которой формируется изображение. Одновременно происходит и измерение яркости каждого элемента. И хотя доля случайного фактора велика, уже можно говорить, что система является измерительной как в геометрическом, так и в фотометрическом плане.
Если рассматривать получение информации по снимкам как измерительную систему, то наибольшую нестабильность в процесс измерения вносит процесс регистрации информации: влияние атмосферы и фотохимической обработки.
Цифровой снимок является уникальной формой записи информации об объекте и обладает лучшими, чем фотоизображение метрическими свойствами.
Действительно, при получении цифрового изображения исключается процесс фотохимической обработки, который существенно снижает метрические свойства фотографических снимков.
Цифровое изображение представляет собой матрицу чисел, с заданной метрической структурой. Элементы матрицы целые числа, характеризующие
Рис. 1
яркости объектов. Заметим, что при получении цифрового изображения из фотографического с помощью сканера измерительной системой является сканер.
Многозональные съемочные системы - цифровые и позволяют измерять спектральные яркости объектов в узких зонах спектра и соответственно получать изображения в узких зонах спектра, которое является в некотором смысле измерительным в фотометрическом плане.
На рис. 2 показана схема получения информации об объекте по цифровым снимкам.
То есть съемочная камера является одновременно системой не только
формирующей изображения.
Как видно из рис. 2 выполненные измерения обрабатываются по специальным алгоритмам и на этой основе определяют качественные характеристики объектов. Дешифрирование снимков в большой мере становится измерительным, то есть
съемочная система является измерительной как в геометрическом, так и в
фотограмметрическом смысле.
Материалов космических съемок среднего и высокого разрешения,
аэрофотоснимков различных масштабов, снимков, полученных метрическими и бытовыми цифровыми камерами,
дополнительных данных в виде GPS и INS измерений, геодезических измерений
и т.д.
Фотограмметрическая обработка матрицы цифрового изображения сводится к преобразованию исходной матрицы с сохранением метрической структуры. Задача извлечения информации по снимку связана с выделением элементов, групп элементов (областей), последовательности элементов
(линий), обладающих определенными свойствами. Этот процесс выполняется оператором посредством дешифрирования снимков или рисовки контуров (в случае получения картографической информации), однако, в последнее время все чаще производится в автоматическом или полуавтоматическом режиме.
В результате получают набор элементов, номера которых - суть метрическая информация (информация о координатах объекта), а присвоение объекту признака - результат процесса распознавания - и отнесение объекта к заданному классу.
С появлением цифровых методов обработки снимков стало возможным выполнять практически любые преобразования измерений (трансформирование в заданную проекцию, формирование свободного от
Рис. 2
различного вида метрических ошибок (например, дисторсии изображения), улучшение геометрических свойств изображения, улучшение фотометрического качества).
Собранная метрическая информация соответствует по точности исходному снимку, а точность результата зависит от способа обработки измерений и используемых дополнительных данных (опорных точек, данных GPS, INS, калибровки и т. д.) и математической модели обработки.
Точность результата может быть изменена путем использования дополнительных данных применяемого метода обработки. В принципе может быть достигнута точность соответствующая внутренней метрической точности изображения (как в геометрическом, так и в фотограмметрическом плане).
Стало возможным реализовать новые технологии, позволяющие задавать заданный уровень точности обработки информации. Причем уровень точности собранной информации можно повысить путем использования дополнительных данных не выполняя заново сбор информации по снимкам.
Это принципиальное изменение технологии фотограмметрической обработки снимков.
Важным является вопрос совмещения информации различного уровня. Например, информация, полученная по снимкам разных масштабов или снимки разной измерительной точности (например, снимки, полученные измерительной и неметрической камерами). Вероятно, что возможность совмещения информации будет определяться уже изобразительными свойствами снимков.
Учитывая, что цифровое изображение дискретное, детальность (информативность) снимка можно в некоторой степени оценить используя теорему Котельникова о дискретизации, хотя в реальности этот процесс значительно сложнее.
Возникает возможность повышения изобразительной и метрической точности изображения путем комбинации изображений с высокими геометрическими измерительными свойствами (но с низкой детальностью, или же с недостаточной информативностью относительно некоторых свойств объектов) и изображений с высокой изобразительными, но низкими геометрическими свойствами. Следует заметить, что частично эта задача решается, например, при «слиянии» панхроматического и спектрального каналов. Однако, в целом задача более сложная, так как при совмещении снимков, полученных разными системами в разное время, требуется выполнить идентификацию точек изображения.
Таким образом, основную задачу современной фотограмметрии можно сформулировать как задачу получения по снимкам метрической информации о состоянии объектов, изображающихся на снимках и преобразования этой информации в заданный вид и с заданной точностью.
На кафедре сформировалось новое научное направление, связанное с разработкой технологии получения по снимкам информации заданного уровня точности на основе совместной обработки разнородных данных
(материалов аэрокосмических съемок, GPS и INS измерений, геодезических измерений, карт и других типов данных).
Исследованию этого вопроса посвящены, выполненные на кафедре фотограмметрии и ДЗ, кандидатские диссертации Евстратовой Л.Г., Макарчука А.Л., Козориза М.Д., Хлебниковой Е.П., Павленко А.В., Креснова В.Г., работы выполненные к.т.н. Белошапкиным М.А. (ООО «АэроГИС»)
В соответствии с вышеизложенными принципами на кафедре разрабатываются программные средства реализованные в новой версии цифрового стереоплоттера ASDS-2 и SDS-mono.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Евстратова Л.Г. Разработка технологий создания цифровых карт по аэрокосмическим снимкам на основе метода свободно ориентированных моделей // Автореферат кандидатской диссертации. - Новосибирск, 2005.
2. Козориз М.Д. Разработка и исследование технологий инвентаризации нефтяных месторождений по материалам аэрокосмических съемок // Автореферат кандидатской диссертации. - Новосибирск, 2003.
3. Павленко А.В. Разработка методики создания фотограмметрических 3D-моделей местности по аэрокосмическим снимкам // Автореферат кандидатской диссертации. -Новосибирск, 2006.
4. Макарчук А.Л. Комплексный геомониторинг нефтегазоносных районов Западной Сибири по материалам дистанционного зондирования // Автореферат кандидатской диссертации, Новосибирск. - 2005.
© А.П. Гук, 2006
