Фотограмметрія кінця ХХ століття – здобутки і тенденції

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсова на тему:

Фотограмметрія кінця ХХ століття - здобутки і тенденції

Вступ

На зламі другого і третього тисячоліть відбувається такий злет науково-технічного прогресу, про який 20-30 років тому не могли ми і мріяти. Нові техніка і технології суттєво вплинули на геодезію, картографію, фотограмметрію та інші наукові дисципліни про Землю. Серед найвпливовіших досягнень відзначимо наступні:

- розвиток космічної техніки і технологій, зокрема функціонування супутникових навігаційних систем та їх використання для геодезії;

- розвиток електронно-обчислювальної техніки, в тому числі поява потужних персональних комп'ютерів з величезними об'ємами зовнішньої та внутрішньої пам'яті і з високою швидкодією;

- розвиток мікроелектроніки і розробка нових типів сенсорів, серед яких для нас є важливими т.зв. "прилади з зарядовим зв'язком", здатні фіксувати електромагнітне випромінювання з високими геометричними і радіометричними параметрами;

- розвиток лазерної та оптико-електронної техніки, радіотехнічних способів дистанційного вивчення різноманітних об'єктів, в тому числі земної поверхні;

- розвиток геоінформаційних технологій, в яких найновіші можливості всіх вище перелічених науково-технічних досягнень спроектовані на ідеологічну платформу геоінформатики, що об'єднує тематичні відомості та знання, здобуті з різних наукових дисциплін про Землю.

Вплив цих досягнень настільки змінив теперішню фотограмметрію, що технології 15-20 річної давності сприймаються як віддалена історична епоха.

Наше бачення сьогоднішньої фотограмметрії здійснене на базі аналізу значної за обсягом літератури і в першу чергу матеріалів XVIII і XIX Конгресів товариства з фотограмметрії та дистанційного зондування (ISPRS). У спрощеному вигляді зміст фотограмметрії відображає рис.1, в якому показані чотири головні компоненти фотограмметрії, а також взаємозв'язок фотограмметрії з користувачами та геоінформатикою. Дана робота присвячена окресленню стану і можливостей фотограмметрії наших днів. Тут ми не зачіпаємо інших важливих проблем, серед яких в наші дні важливим є взаємозв'язок фотограмметрії і геоінформаційних систем (ГІС). Зазначимо, що фотограмметрія й надалі є головним джерелом картографічних і топографічних даних в ГІС, а результати інтерпретації аерокосмічних зображень творять основу дистанційного моніторингу різноманітних процесів.

1. Навігаційно-цифрова фотограмметрія

Цей термін запропонований нами в 1997 році, коли стало зрозумілим після XVIII Конгресу ISPRS (Відень, 1996), що фотограмметрія, по-перше, чітко стала на шлях цифрової фотограмметрії, і по-друге, застосування глобальних позиційних систем (GPS) суттєво міняє фотограмметричні технології.

GPS застосовується для забезпечення навігації літального апарату при аерофотозніманні та для фіксації просторових координат центрів проекцій (аерокамери) підчас знімання земної поверхні чи інших об'єктів.

Цифрова фотограмметрія, як відомо, оперує з цифровим знімком, який можемо отримати двома шляхами:

- скануванням фотографічного зображення,

- використовуючи цифрову знімальну камеру замість фотографічної.

Рис 1. Основні складові частини фотограмметрії та взаємозв'язки з іншими системами:

Опрацювання цифрового знімка ведеться на цифровій фотограмметричній станції (ЦФС), до складу якої входить комп'ютер, периферійні пристрої та програмне забезпечення для рішення фотограмметричних задач. Отже, в цифровій фотограмметрії головним носієм інформації є цифровий знімок. У вітчизняній літературі цифрові знімальні системи практично не описані. І це не дивно, бо вперше цифрові аерокамери демонструвались на XIХ Конгресі ISPRS (Амстердам, липень 2000 р.), тоді як на попередньому XVIII Конгресі ISPRS про цю апаратуру були тільки несміливі натяки. Виходячи з цих міркувань, подаємо тут опис цифрових аерокамер, який повинен бути корисним для читача.

2. Цифрові аерознімальні системи

Цифрові знімальні камери для широкого вжитку з'явились на ринку на початку 90-х років, але перші з них не могли конкурувати з фотокамерами по якості отриманих зображень. Причиною цього стану була невисока роздільна здатність сенсора - приладу із зарядовим зв'язком (ПЗЗ), який фіксував відбите від об'єкту електромагнітне випромінювання та продукував електричний сигнал, пропорційний до цього випромінювання.

Схема цифрової камери показана на рис. 2.

Ця та деякі інші причини мали ще більший стримуючий вплив на створення цифрової аерознімальної камери.

Відомо, що роздільна здатність фотокамери вимірюється кількістю ліній в одному міліметрі(л/мм). Сучасні аерофотооб'єктиви мають в центрі пол зображення роздільну здатність150л/мм, а дисторсія об'єктиву виносить 1-2 мкм, що є вже на грані можливостей геометричної оптики. Такі об'єктиви справедливо називають бездисторсійними.

Роздільна здатність цифрової камери вимірюється кількістю пікселів в одному дюймі (записується як dpi). Піксел стосовно сенсора ПЗЗ означає розмір його чутливого елемента. Якщо перевести роздільну здатність 150л/мм в точність можливих вимірів, то отримаємо 6.7мкм. Це означає, що розмір чутливого елемента ПЗЗ повинен становити саме таку величину. Тільки в 1997-98 роках передові фірми почали продукувати такі ПЗЗ, і тому стало можливим створити цифрову аерокамеру високої роздільної здатності.

Рис.2 - Схема цифрової знімальної камери:

1 - об'єкт з електромагнітним випромінюванням,

2 - оптична система (об'єктив),

3 - система світлофільтрів (для кольорового зображення),

4 - ПЗЗ-матриця,

5 - електричні заряди,

6 - регістр,

7 - процесор,

8 - аналогово-цифровий перетворювач,

9 - цифрове зображення.

Друга проблема, яку треба було розв'язати конструкторам, полягала в потребі дуже швидкого зчитування інформації з ПЗЗ і нагромадженн її на відповідних носіях. Про обсяг інформації красномовно говорить такий підрахунок: аерознімок формату 230х230 мм при розмірі піксела 7мкм містить в собі інформацію обсягом майже 1 гігабайт (GB). Коли мова йде про швидке накопичення інформації під час польоту та про сотні і тисячі знімків, то проблема стає зрозумілою. Тільки обчислювальна техніка з її сучасними можливостями розв'язала це завдання.

Третя проблема полягає в тому, що під час польоту необхідно фіксувати лінійні елементи зовнішнього орієнтування та утримувати платформу аерокамери в горизонтальному положенні. Першу задачу розв'язує GPS, а другу - інерціальна навігаційна система (ІНС). На час написання цієї праці створено три типи цифрових аерознімальних фотограмметричних камер:

- ADS40, фірма LH-Systems (Швейцарія),

- DMC2001, фірма Z/I imaging (Німеччина - США),

- HRSC - A, Німецький Центр космічних досліджень (DLP).

Цифрова аерокамера ADS40 є продуктом співпраці фірми LH-Systems та Центру DLP. Принциповим в конструкції є те, що використовується ПЗЗ у вигляді лінійки, а для формування зображення застосований принцип дії електрооптичного сканера.

В площині прикладної рамки поміщені ПЗЗ - лінійки, які одночасно реєструють випромінювання в шести спектральних діапазонах (див. таблицю 1). Для діапазону панхроматичного (чорно-білого) особливим є те, що одночасно фіксуються три полоси місцевості: "поглядом вперед", "поглядом надирним" і "поглядом назад". Саме ця особливість дозволяє пізніше отримувати стереозображенн об'єкту. Інше цікаве конструкторське рішення полягає в тому, що для панхроматичного діапазону в тому місці прикладної рамки, де має бути ПЗЗ-лінійка, поміщаєтьс не одна, а дві в такий спосіб, що вони взаємно зміщені між собою на половину пікселя. Кожна лінійка має 12000 пікселів, а такий зсув підвищує роздільну здатність вдвічі - 24000 пікселів.

Для діапазонів червоного, зеленого, голубого і двох інфрачервоних використовуються ПЗЗ-лінійки, які фіксують надирну "полосу" місцевості.

Оригінальним оптичним рішенням є те, що оптична система проектує на ПЗЗ-лінійки зображення ортогонально (рис.3).

Особливість формування сканерного зображення полягає в тому, що воно "склеюється" з полос.

Кожна полоса має ніби свій миттєвий центр проекції, а так як літак пересувається, то суцільне зображення є деформованим. Скажімо, прямолінійна в натурі ділянка дороги на зображенні буде викривленою - така є реальна геометрія сканерних зображень; особливо це стосується аерозніманн і в меншій мірі космічного знімання.

Рисунок 3:

Для виправлення зображення необхідно для кожного миттєвого положення камери (для кожної полоси) знати лінійні і кутові елементи зовнішнього орієнтування. Ця проблема розв'язана в той спосіб, що одночасно і синхронно працює приймач GPS та інерціальна система (це розв'язанн належить фірмі Аррlanix). Геометричне виправлення здійснюється аналітичним шляхом, і для подальшого використання маємо повноцінне правильне зображення.

Таблиця 1 - Основні параметри камери ADS40:

Об'єктив : фокусна віддаль світлосила роздільна здатність Розмір піксела ПЗЗ- лінійка (зміщена) каналу панхром ПЗЗ- лінійки спектральних каналів Кут поля зору перпенд. до напрямку польоту Кут між лінією надиру і напрямком "вперед" Кут між лінією надиру і напрямком "назад" Спектральні канали : - панхроматичний - червоний - зелений - голубий - інфрачервоний 1-ий - інфрачервоний 2-ий	ѓ = 62.5 мм 1 : 4 150 л/мм 6,5 мкм 2х12 000 пікселів 12 000 пікселів 64є 26є 16є 465-680 нm 608-662 нm 533-587 нm 428-492 нm 703-757 нm 833-887 нm
Радіометрична роздільна здатність Розмір піксела на місцевості (при висоті польоту 3000 м) Ширина полоси сканування (при висоті польоту 3000 м) Частота зчитування елементів полоси образу Частота вимірювання елементів орієнтування Об'єм пам'яті (зовнішньої) для запису знімків під час польоту	8 біт 16 см 3,75 км 200-800 Гц 200 Гц 200-500 гігабайт (до 4-х год. польоту)
Маса камери: модуль оптичний SH40 модуль контролю CИ 40 пам'ять зовнішня ММ40 інтерфейс оператора ІО 40	70 кг 22 кг 3 кг 8 кг

Цифрова камера DMS 2001 (Digital Modular Camera) (фірма Z/I Imaging) принципово відрізняється від попередньої тим, що в ній використовується ПЗЗ-матриця. Щоб збільшити кут поля зору, в камері використано 4 об'єктиви, зорієнтовані між собою в такий спосіб, що зображення мають між собою мінімальне перекриття. Концепція багатооб'єктивної системи не є новою, і була використана в 80-х роках при створенні багатоканальної фотографічної камери МКФ-6 (космічний варіант, 6 об'єктивів) та камери МСК-4 (варіант для літака, 4 об'єктиви). Оптичний принцип формування зображення - це центральна проекція. Тому в цій камері відсутня деформація зображення, як це має місце в сканерній камері ADS40, і саме тому конструкція камери є простішою. Камера використовує стандартну гіростабілізуючу платформу T-AS, яка раніше використовувалась для аерофотокамери RMK-Top. Камера має пристрій компенсації змазу зображення, який використовує електронну систему об'єднання зображення з часовою затримкою. Така система дозволяє зчитувати сигнали з чергових строк ПЗЗ-матриці синхронно з пересуванням образу в площині прикладної рамки камери. Технічні характеристики подані в таблиці 2.

Таблиця 2 - Основні параметри камери DMC 2001:

Модуль панхроматичний: об'єктив, фокусна віддаль світлосила цикл роботи розмір піксела ПЗЗ для 1-ого об'єктива, пікселів ПЗЗ для 2-ого і 3-ого об'єктива, пікселів ПЗЗ для 4-ого об'єктива, пікселів Кут поля зору: для 1-ого об'єктива, градуси для 2-го і 3-ого об'єктива, градуси для 4-ого об'єктива, градуси Модуль багатоспектральний: об'єктив, фокусна віддаль світлосила цикл роботи розмір піксела радіометрична роздільна здатність ПЗЗ об'єктивної системи, пікселів Кут поля зору системи, градус	ѓ = 120 мм 1 : 4 1 образ за 2 сек. 6х6 мкм 7000х4000 7000х7500 13500х8000 39єх22є 39єх42є 74єх44є ѓ = 25 мм 1 : 4 1 образ за 2 сек. 12х12 мкм 12 біт 3000х2000 72єх50є

Як бачимо з таблиці 2, роздільна здатність складає 12 мкм і є гіршою у 2 рази від цього ж параметра для швейцарської камери (6,5 мкм). Це пояснюється тим, що на разі ПЗЗ-матриці, які продукує промисловість, є гіршими від ПЗЗ-лінійок. Можна з впевненістю прогнозувати, що з часом якість ПЗЗ-матриць підвищиться.

Цифрова камера HRSC Німецького Центру космічних досліджень (DLR) була створена для космічних досліджень Марса. Базується на концепції електрооптичного сканера з використанням цілої гами ПЗЗ-лінійок. Варіант камери для аерознімання має символ HRSC-A (High Resolution Stereo Camera - Airborne). Ця знімальна система має п'ять ПЗЗ-лінійок, що працюють в діапазоні панхроматичному та чотири лінійки для спектрального діапазону (видимого та інфрачервоного).

В роботі відзначається, що перші дослідні роботи відносятьс до 1997 року, а трохи пізніше DLR у співпраці з французькою фірмою ISTAR та голландською Geodan Geodesic виконали знімання понад 50 європейських міст. Деякі технічні параметри подані в таблиці 3.

Цікавим є аспект використання цієї камери для створенн ортофотокарт забудованих територій. Оскільки камера належить до вузькокутних, а полос з одночасним зніманням є п'ять, то можна так підібрати їх, щоб отримана стереопара дозволила майже прямовисно "заглянути" у вузькі вулиці. Тоді високі будівлі не будуть створювати таких перешкод, які ми завжди маємо при використанні нормальних та ширококутних камер. Очевидно, саме цей фактор сприяв створенню ортофотопланів для європейських та американських міст зі щільною забудовою.

В планах Центру є створення двох модифікацій: вузькокутної камери з ѓ=150 мм та ширококутної з ѓ=47 мм. Оскільки планується використовувати ПЗЗ-лінійки з 12000 елементами, то стає зрозумілим, що точність фотограмметричних побудов підвищується принаймні в 2 рази.

Таблиця 3 - Основні параметри камери HRSC:

Фокусна віддаль Кут поля зору, перпендикулярно до лінії польоту Кількість ПЗЗ-лінійок Кількість пікселів в лінійці Розмір піксела Радіометрична роздільна здатність Частота сканування Кути, під якими отримано панхроматичні полоси дл стереозображення Системи орієнтування Гібростабілізація, система	ѓ=175 мм 12є 9, з них кольор - 4 стерео - 5 5184 7 мкм 10 біт, стиснена - до 8 біт 450 ліній за секунду ± 18,9є GPS + IN T-AS

3. Цифрові фотограмметричні станції

Цифрова фотограмметрична станція (ЦФС) в сучасному представленні - це система технічних і програмних засобів, за допомогою яких здійснюєтьс опрацювання зображень (цифрових знімків), що дозволяє отримувати кінцеву фотограмметричну або картографічну продукцію. Іноді термін ЦФС замінюють на "робоча фотограмметрична станція".

В деяких публікаціях та технічних описах до ЦФС долучають як невід'ємну складову частину фотограмметричний сканер, але ми схиляємось до думки, що сканер треба розглядати як окремий технічний засіб, незалежний від ЦФС.

Базовим технічним засобом ЦФС є потужний персональний комп'ютер (іноді два), на якому ведеться обробка цифрових знімків. До комп'ютера ставлятьс високі вимоги стосовно внутрішньої і зовнішньої пам'яті, швидкодії, розмірів графічного екрана. Станція має оптичну систему (стереоскоп) або поляризаційні фільтри-окуляри для можливого стереоскопічного розглядання та вимірюванн стереопари, візуалізованої на екрані комп'ютера. Для переміщення зображень використовують сервоприводи або "мишу" - стандартний технічний засіб ПЕОМ.

Програмне забезпечення є серцевиною технології цифрової фотограмметрії. Чим розгалуженішим і потужнішим воно є, тим більші технологічні можливості має ЦФС. Вважається, що типова станція дозволяє реалізувати такі процеси:

- створення топографічних карт і планів;

- побудова мереж фототріангуляції;

- побудова цифрових моделей рельєфу;

- створення цифрових ортофотопланів чи карт.

Перші ЦФС на світовому ринку з'явились на початку 70-х років, але за десять років вони значно змінились за своїми технічними параметрами і технологічними можливостями. В наші дні ставлення до ЦФС як чогось загадкового вже немає: вважається, що ЦФС може створити спеціаліст чи фірма, яка має комп'ютер, програмістів та фахівця-фотограмметриста, що здатний написати алгоритми фотограмметричних задач. В цьому спрощеному трактуванні є доля правди, проте створити добре програмне забезпечення для ЦФС - задача доволі непроста.

В наші дні ринок фотограмметричних станцій динамічно розвивається. Це пов'язано не тільки з удосконаленням техніки і технологій, але й з різними організаційними змінами, які зазнають відомі у світі фірми. Так, фірма Іntergraph (США) в 2000 році об'єдналась з фірмою Zeiss (Німеччина) і виникла фірма Z/I imagings, про яку ми згадували в п.2.1.

Фірма Leica (Швейцарія) дещо скоріше розділилась на три фірми, і тепер фотограмметричне та аерознімальне обладнання виготовляє фірма LH-Systems (leica-Helava).

Подамо короткі відомості про деякі ЦФС.

ЦФС Imagestation є продукцією фірми Іntergraph (Hunstville, США). Використовується комп'ютер з обсягом оперативної пам'яті 32-256 мбайт, 1 Гбайт дискової пам'яті, високою швидкодією, екраном 1664х11248 пікселів та глибиною зображення 24 біти.

Стереоспостереження реалізовані на базі рідких кристалів та інфрачервоного управління; на екран з частотою 120 Гц подається або лівий, або правий знімок, а оператор, розглядаючи зображення через окуляри, сприймає ці зображення стереоскопічно. Програмне забезпечення є одним з найпотужніших серед ЦФС. Останні версії станції дозволяють будувати мережі фототріангуляції в автоматичному режимі (т.зв. автоматична тріангуляція), коли пошук та вимірювання фотограмметричних точок відбувається автоматично, тобто працює програмний модуль цифрової кореляції відеосигналів.

ЦФС DVP (Digital Video Plotter) випускала фірма Leica (Heerbrugg, Швейцарія). Технічною платформою служить будь-який комп'ютер з класу РС; до розміру екрану є такі вимоги: 800х600 пікселів або 1024х768 пікселів. Глибина зображення - 8 біт. Стереоспостереження виконуються оператором за допомогою стереоскопа, прикріпленого до корпусу комп'ютера.

ЦФС DPW (Digital Photogrammetric Workstation) випускає фірма LH-Systems (Heerbrugg, Швейцарія). Для стереоспостереження використовуєтьс потужний комп'ютер Sparc - Station з оперативною пам'яттю 5 Гбайт, екраном Tektronix або Stereo Graphics з глибиною зображення від 8 до 32 біт. Звичайний комп'ютер класу РС служить для вводу та опрацювання службової та семантичної інформації.

ЦФС Traster T10 випускала фірма Matra (Франція). Для стереоспостережень використовується станція SUN SPARC, екран має розміри 1280х1028 пікселів, глибина зображення 24 біт. Спостереження ведеться з використанням поляризації на рідких кристалах, частота зображення 120 Гц. Інші функції, не пов'язані із зображенням, реалізує комп'ютер стандартних параметрів.

ЦФС PHOTODIS ST випускала фірма Zeiss (Oberkochen, Німеччина). Використовується комп'ютер Silicon-Graphics Workstation, стереоспостереження здійснюється за допомогою закривача на рідких кристалах та "мишки" для переміщення просторової марки; оперативна пам'ять 64Мбайт, дискова пам'ять 2Гбайт.

ЦФС "DELTA" випускає фірма "Геосистема" (Вінниця, Україна). Використовується стандартний комп'ютер класу РС. До 2000 року в станції для спостережень використовувався стереоскоп, а пізніше поляризаційні фільтри. Переміщення просторової марки здійснюється або за допомогою штурвалів, або "мишкою". Станція вигідно відрізняється від продукції своїх конкурентів невисокою ціною при досить високих технологічних можливостях.

Характерною рисою усіх станцій є безперервне покращення як технічних параметрів (за рахунок використання потужніших комп'ютерів), так і програмного забезпечення, що розширяє технологічні можливості. Особливо це стосується створення цифрових ортофотокарт та автоматичної тріангуляції. В цих процесах важливим етапом є виконання стерео спостережень автоматично або при мінімальній участі оператора-фотограмметриста. Ця проблема була чітко сформульована ще в 50-х роках ХХ століття, хоча відомі праці професора А. Скірідова з 1930-35 роках, в яких він писав про автоматизацію стерео вимірювань на підставі явища фотоелектричного ефекту. Практична реалізація була здійснена в широких масштабах і з реальним технологічним змістом в останні 10-15 років і базується на цифровій кореляції відеосигналів.

Задачу автоматизації фотограмметричних вимірів можна розбити на такі складові:

- автоматичний пошук на знімках образів, для яких наперед відоме їх стандартне представлення (координатні мітки, хрести, точки - замасковані у вигляді певних геометричних фігур на місцевості, такі як круг, квадрат, хрест тощо), замасковані на знімках точки з використанням маркувального приладу (наприклад, TRANSMARK);

- автоматичний пошук на сусідніх знімках чітких контурних точок; це стосується або стереопари, або зон між маршрутного перекриття;

- автоматичний пошук ідентичних точок на лівому і правому знімках стереопари.

Розв`язання кожної з цих задач має свої особливості і базується на певних методологічних засадах. Тут торкнемося лише ідеї розв`язання останньої задачі - знаходження однієї і тої ж самої точки місцевості на двох знімках стереопари.

Основою розв`язання є твердження: дві точки, що належать лівому і правому знімкам, вважаються ідентичними, якщо їх оптичні щільності є однаковими. На лівому знімку вибирається точка, оптична щільність її завжди відома. На правому знімку задається зона пошуку з певною кількістю точок. Для кожної пари оптичних щільностей (ліва точка - права точка) обчислюється коефіцієнт кореляції, а ідентичними вважаються ті точки, для яких коефіцієнт кореляції вважається максимальним.

Сучасні комп`ютери з високою швидкодією дозволяють ідентифікувати до сотні точок за секунду, тобто з такою швидкістю проводити стереовимірювання.

4. Фотограмметричні сканери

Аерофотознімки, отримані такими аерокамерами як RC-30 (Leica, Швейцарія) чи RMK (Zeiss, Німеччина) мають високі геометричні параметри та роздільну здатність. Через це такі знімки використовуються досить широко в практичних фотограмметричних роботах. Щоб використати фотознімок для опрацювання на ЦФС, його треба перетворити в цифрову форму. Це здійснює фотограмметричний сканер, схема якого представлена на рис.4. В якості сенсора найчастіше використовується ПЗЗ-лінійка, а її переміщення здійснює високоточна механічна система типу координатографа чи монокомпаратора.

Рисунок 4:

Для фотограмметричного сканера важливими характеристиками є геометрична точність, радіометрія (здатність фіксувати оптичну щільність або колір), а також такі показники як максимальний розмір знімка, можливість сканувати нерозрізаний фільм та окремі кадри (негативи і позитиви), сканувати кольорові та чорно-білі знімки. Для програмного забезпечення основними показниками є можливість калібрувати зображення, тобто усувати геометричні спотворення, контролювати процес сканування, конвертувати дані в різні формати.

На ринку геометричних сканерів відомі такі фірми: Intergraph (США), Zeiss (Німеччина), Leica, LH-Systems (Швейцарія), Геосистема (Україна).

Як приклад, приведемо деякі дані про сканер "Delta" фірми "Геосистема":

- сканер DeltaScan-Color, призначений для сканування кольорових негативів формату до 300ґ300 мм, фільм рулонний з ручним подаванням негативів або розрізаний фільм, геометрична точність сканування 4 мкм;

- сканер Delta Scan-BW призначений для сканування чорно-білих знімків, геометрична точність 3,5 мкм при розмірі піксела 7 мкм або 7 мкм при розмірі піксела 14 мкм;

- використовуються прецизійні двигуни постійного струму та давачі лінійних переміщень з точністю 1 мкм;

- число градацій яскравості 4096 (12 біт) вихідних з перетворенням в 256 (8 біт) із записом на диск;

- час сканування чорно-білого знімка 180ґ180мм з розміром піксела 14 мкм становить 12 хвилин, а для знімка 230ґ230 мм 20 хвилин;

- передача кольору за один прохід - 24 розряди;

- програма виконує калібрування сканера за даними сканування контрольної сітки;

- програмно забезпечується запис в форматах DIP, BMP, TIF з розмірами пікселів, кратних до основного 7, 14, 28, 56 мкм;

- управляючий комп'ютер Pentium з 17-ти або 21-дюйовим монітором, що працює в середовищі Windows Х.

Фотограмметричні сканери постійно вдосконалюються як технічно, так і програмно. Незважаючи на досить високу ціну, вони мають широке застосуванн в практиці.

5. Навігаційна компонента фотограмметрії

GPS та навігація аерофотознімання.

Тим, хто займається аерофотозніманням, добре відомо, яка велика відповідальність лежить на екіпажі аерознімального літака і яку високу майстерність мусять мати пілоти, штурмани та бортоператори, щоб уникнути браку при аерозніманні, яке є досить дорогим видом робіт. Особливо важко проводити аерознімання з малих висот, коли земля дуже швидко "втікає" під бортом літака.

Навігаційні GPS якісно покращили процес аерознімання. Існує декілька варіантів застосування GPS, використання яких залежить від поставлених задач. Найпростішою (стосовно вимог по точності) є застосування недорогих навігаційних GPS для прокладання маршруту польоту. Це можуть бути одночастотні приймачі, здатні фіксувати траєкторію польоту з точністю 150м і нижче. Фактично ця ситуація спостерігається в керуванні літаком під час пасажирських та вантажних перевезень.

В аерозніманні на сьогоднішній день застосування GPS значно і ширше, і точніше. Аерофотокамери останнього покоління RMK TOP (Zeiss), RC20 i RC30 (Leica, LH-Systems) об'єднані з GPS в єдині системи, які дозволяють повністю автоматизовувати аерознімальний процес. Ці системи мають назви: CCNS-4, T-Flight (Zeiss), Ascot (Leica). В цих системах використовується двочастотний GPS-приймач, який працює в режимі DGPS; тому в районі знімального об'єкту встановлюється наземна базова станція. Саме диференційований режим дозволяє уникнути неоднозначності у визначенні координат літака після відповідної математичної обробки.

Опустимо опис теоретичних і технічних деталей GPS-навігації і лише зазначимо, що сучасні системи дозволяють фіксувати положення аерофотокамери з точністю 5-10 см, що задовільняє вимоги навіть крупномасштабного картографування. Інші відомості можна почерпнути з літератури. Отже, застосування GPS при аерофотозніманні дозволяє:

- прокладати аерознімальні маршрути згідно з проектом (координати точок маршрутів попереднього задаються і вводяться в комп'ютер );

- оптимізувати процес заходу літака на аерознімальний маршрут (розвороти, зміна курсу, зміна висоти польоту тощо);

- виводити літак в задану точку простору, звідки треба виконати аерознімання;

- фіксувати координати центра проекції підчас експозиції з високою точністю (як зазначалось, до 5-10 см).

Остання з можливостей є дуже важливою і полягає в наступному. Якщо під час польоту зафіксовані просторові координати центрів проекцій (лінійні елементи зовнішнього орієнтування), то це суттєво впливає на технологію фотограмметричних робіт. Нами встановлено, що в цьому випадку будувати блочну мережу фототріангуляції можна без опорних точок, тобто без польової прив'язки знімків. Це здешевлює в цілому топографічні роботи та розширяє можливості картографування недоступних територій.

6. Об'єднання GPS з інерціальними навігаційними системами (ІНС)

ІНС складається з гіроскопа (виконує кутову стабілізацію аерокамери підчас нахилу літака) та акселерометра (визначає зміну швидкості польоту літака). Об'єднання GPS та ІНС суттєво доповнюють одне одного.

Відомо, що стабільність показів GPS є високою в доволі великому часовому періоді, але в коротких проміжках часу можуть виникати певні труднощі, в основному через втрату сигналів від супутників підчас навігаційного маневру. ІНС навпаки - дають добрі покази в коротких часових проміжках, але у великих часових періодах спотворюються впливом т.зв. гіроскопічного ефекту та систематичними похибками акселерометрів, що мають тенденцію до накопичення. Об'єднання GPS та ІНС дає доповнюючий ефект: в короткочасових проміжках ІНС "поправляє" дані GPS, а в довгих часових проміжках GPS компенсує систематичні похибки ІНС. Інтегровані навігаційні системи (GPS + ІНС), як згадувалось, є тепер невід'ємною частиною цифрових аерознімальних комплексів. Вони дозволяють фіксувати кути нахилу знімальної камери з точністю 10^//-20^//, що в багатьох випадках задовільняє розв'язання фотограмметричних задач.

Стримуючим фактором у широкому використанні таких систем є їх висока вартість та проблеми інсталяції на невеликих (але економічних) літальних апаратах.

7. Космічна фотограмметрія

Прикладна космонавтика, що зародилась фактично разом з першим польотом людини в космос, набула в наші дні широкого застосування. Її складовою частиною можемо вважати отримання зображень (знімків) з космічних апаратів. Розвиток космічного знімання йшов двома шляхами: це застосування фотограмметричних систем та використання електрооптичних сканерів. Оскільки перший шлях вимагає повернення проявленого фото-фільму на Землю, то він вважається менш перспективним стосовно отримання зображень в реальному часі, тобто підчас польоту космічного апарату. При застосуванні сканерів використовуються потужні радіотехнічні засоби, які дозволяють отримані зображення автоматично передавати з борта космічного апарату на Землю. Донедавна сильними стримуючими факторами у застосуванні були невисока роздільна здатність сенсорів (ПЗЗ-матриць або ПЗЗ-лінійок), обмежені можливості швидкої передачі величезних обсягів сигналів на наземні станції.

В останнє десятиліття ці проблеми в значній мірі згладжені. Оскільки детальний аналіз теперішніх технічних засобів зайняв би багато місця, обмежимось лише такими висновками. По-перше, поява ПЗЗ-лінійок з високою роздільною здатністю дозволила зреалізувати космічні знімальні системи високої роздільної здатності (як приклад, система IKONOS); по-друге, електрооптичні сканери працюють в широкому діапазоні електромагнітного випромінювання і, як правило, одночасно в декількох спектральних діапазонах; це дозволяє використовувати зображення для дешифрування та інтерпретації різних об'єктів та процесів. По-третє, потужні приймально-передавальні радіотехнічні комплекси дозволяють оперативно отримувати відеодані та нагромаджувати їх у цифровій формі, придатній для подальшого комп'ютерного опрацювання.

В останні 2-3 роки у світі широко рекламуються космічні знімальні системи високої роздільної здатності та геометричної точності; зокрема IKONOS - продукти американської фірми SPACE-IMAGING. Читач зможе отримати повне представлення про можливості космічних знімальних систем з таблиці 4.

Таблиця 4 - Відомості про продукцію фірми SPACE - IMAGING:

№№	Назва продукту	Спектральні діапазони, номери	Роздільна здатність, м	геометрична точність, м в плані по висоті	Відповідність масштабу карти
1.	СARTERRA Reference	1, 2, 3, 4, 5	4, 1	25,4, 22,0	1:50 000
2.	СARTERRA Мар	1, 2, 3, 4, 5	4, 1	12, 10	1:24 000
3.	СARTERRA Pro	1, 2, 3, 4, 5	4, 1	10, 8	1:10 000
4.	СARTERRA Precision	1, 2, 3, 4, 5	4, 1	4, 4	1:4 800
5.	СARTERRA Precision Plus	1, 2, 3, 4, 5	4, 1	2, 3	1:2 400

Примітка:

Канали:

1:0,45 - 0,52 мкм (голубий);

2:0,52 - 0,60 мкм (зелений);

3:0,63 - 0,69 мкм (червоний);

4:0,76 - 0,90 мкм (інфрачервоний);

5:0,45 - 0,90 мкм (панхром).

На особливу увагу заслуговує використання космічних знімків для крупномасштабного картографування. Дані IKONOS-продуктів свідчать про досить високу точність визначення місцеположення об'єктів (до 2 м, див.табл.4, позиція 5). Проте в літературі є критичні зауваження стосовно ефективності і економічності IKONOS-знімання, котрі в двох словах зводяться до наступного: для отримання згаданої вище точності треба знати координати деякої кількості опорних точок; вартість матеріалів СARTERRA перевищує вартість аерознімальних матеріалів; роздільна здатність аерофотознімків є значно кращою від IKONOS-зображень.

Напевно, що це реальна оцінка ситуації, але в недалекому майбутньому ці проблеми в значній мірі згладяться, бо така загальна тенденці розвитку прикладної космонавтики.

8. Радарна інтерферометрія

Найбільшою натуральною перешкодою при зніманні у видимому діапазоні є хмарність.

Тому аерознімання (фото - чи цифрове) можна проводити лише за добрих погодних умов, а космічне знімання взагалі в такий спосіб майже не регулюється і тому на багатьох знімках частина поверхні Землі закрита хмарами.

Радіодіапазон є прозорим для хмар і тому віддавна приваблював спеціалістів.

Перші радари використовувались ще в 40-х - 50-х роках, але в основному, для навігації літаків та морських суден (через невисоку точність).

Використання радарів з т.зв. синтезованою апертурою суттєво вплинуло на якість отримуваних зображень.

Найбільш привабливою є радарна інтерферометрі (англ. InSAR: Interferometry Syntesic Aperture Radar).

В літературі приведена геометрична схема InSAR при зніманні з двох сусідніх орбіт (див. рис.5).

Рис.5 - Геометрична схема інтерферометрії з двох орбіт:

Фази Y₁ таY₂ відбитих сигналів залежать від віддалей R₁ та R₂; якщо зафіксувати різниці фаз, то можна обчислити різницю віддалей R₁ та R₂, і в подальшому отримати просторовий образ об'єкту. Накладання відбитих сигналів з різницею фаз творить інтерферограму, яку пізніше опрацьовують комп'ютерним шляхом. В літературних джерелах наводиться досить детальний опис формування інтерферограм, їх вид та поступова "крок за кроком" візуалізація.

Надзвичайно цікавою і важливою є реалізація проекту топографічного вивчення Землі з використанням космічної радарної інтерферометрії, яка здійснилась 11-20 лютого 2001 року за допомогою супутника Endeavour. Автори і реалізатори проекту: NASA (США), NIMA (Національне картографічне агенство, США), ASI (Космічне агенство Італії), DLR (Німецький центр космічних досліджень).

Політ тривав біля 100 годин, висота орбіти становила 233 км. За цей час відзнято майже 95% земної поверхні. Геометрична точність знімання в плані становить 15-20 м, по висоті 6-16м в залежності від спектрального діапазону знімання. Роздільна здатність становить 30х30 метрів. Опрацювання даних проводиться в NASA та DLR та триватиме до жовтня 2002 року. Використання даних знімання (цифрова модель рельєфу, поєднання із зображеннями, одержаними з супутників типу SPOT та LANDSAT) можливе в геології, гідрології, археології, в різних прикладних галузях (телекомунікація, транспорт тощо). Автори обіцяють доступність цих даних майже на всю поверхню Землі за кошти, які покривають лише витрати на тиражування, копіювання даних.

Іншим прикладом радарного знімання є діяльність німецької фірми Aero-Sensing Radar Systeme, яка спеціалізується на створенні топографічної продукції, використанні даних в лісовому господарстві, гідрології, екології, телекомунікаціях тощо.

В проспекті фірми, що демонструвала свої результати на ХІХ Конгресі ISPRS, наводяться деякі цікаві дані, наприклад: роздільна здатність зображення від 0,5 м до 5 м, точність визначення висоти від 5 см до 5 м (в залежності від висоти польоту та хвильового діапазону). Швидкість знімання (км² за 1 годину) складає: при висоті польоту 1 км - 540 км², 4 км - 2160 км², 14 км - 7560 км². При крупно масштабному зніманні можна отримати цифрову модель рельєфу у вигляді регулярної сітки з кроком 2,5 м та точністю 5 см.

Наведені дані свідчать про широкі можливості цього напрямку в сучасній фотограмметрії.

Лазерне сканування місцевості.

Цей метод дозволяє будувати цифрову модель рельєфу; базується на лазерному вимірюванні віддалі від приладу (встановленому на літаку) до точки місцевості. Фактично це система приладів, встановлених на літаку і на землі, а також відповідне програмне забезпечення.

На борту літака встановлюється потужний лазерний віддалемір, бортова GPS, інерціальна навігаційна система (ІНС), відеокамера, блок сканування, блок реєстрації даних. На землі повинні мати наземну GPS та робочу станцію для опрацювання опрацювання даних, отриманих в польоті, та створення ЦМР.

Найчастіше використовується лазерний віддалемір, що працює в інфрачервоному діапазоні і висилає імпульси з частотою кілька тисяч на секунду. Блок сканування відхиляє промені перпендикулярно до лінії польоту, а за рахунок переміщення літака отримують сукупність полос. Точність вимірювання віддалі складає 1 см. Інтегрований комплекс GPS-ІНС відіграє таку саму роль, як описано в п. 2.4.2.

Синхронно з лазерним сканером працює відеокамера, скерована вздовж надирного променя; вона захоплює і знімає всю полосу сканування. Часом встановлюють ще одну камеру, скеровану під кутом 45° вперед, яка дає перспективне зображення земної поверхні.

Сумісна обробка всіх даних (лазер, GPS, ІНС ) дозволяє створити цифрову модель рельєфу як сукупність точок, від яких відбився лазерний промінь. Кількість точок складає до 100 000 на 1 км², точність фіксації висот становить 15-25 см для відкритих рівнинних територій, і 50-70 см - для гористих. Швидкість лазерного сканування поверхні орієнтовно становить 100 км² за 1 годину польоту.

Лазерне сканування вже вийшло зі стадії експерименту і застосовується в практиці для просторового моделювання забудованих територій, інвентаризації доріг, ліній електропередач та ін.

Зробимо декілька зауважень, які позитивно характеризують цей метод:

- для сканування не є перешкодою рослинність;

- оскільки лазер є активним джерелом випромінювання, то результат не залежить від натуральної освітленості поверхні та від погоди;

- точність побудови ЦМР є досить високою;

- час отримання кінцевого продукту - ЦМР є досить коротким і може складати 2-3 дні після польоту;

- кошти на побудову ЦМР є менші, ніж при використанні інших способів, в т. ч. традиційного фотограмметричного;

- можна отримати з результатів сканування просторову модель об'єктів, наприклад, забудови міст.

Недоліком способу є те, що для створення ортофотокарт треба додатково проводити аерофотознімання.

9. Актуальні сфери застосування фотограмметрії в теперішніх умовах нашої держави

Економічні проблеми, з якими зіткнулась Україна в минулому десятилітті, суттєво вплинули на практичне застосування методів фотограмметрії в різних галузях господарювання. Але на фоні доволі "сірого" економічного стану не можна не бачити світлі сторони діяльності фотограмметричної спільноти. Перш за все відзначимо той факт, що в Україні не занедбана фотограмметрична освіта (Львів, Київ, Донецьк), вона поширюється і міцніє в інших регіонах. Наші фахівці розвивають і нарощують наукові дослідження, захищають дисертації, публікують свої дослідження, виступають на найвідоміших форумах світового рівня. Особливо приємним є факт наростаючого розвитку фотограмметричного приладобудування, що здійснює енергійна фірма "Геосистема " з Вінниці. То ж на сьогодні маємо в Україні висококваліфікованих спеціалістів, власні фотограмметричні сканери і станції, великий досвід практичної діяльності. Задумуючись над сферами найближчого в часі реального застосування фотограмметрії, мимоволі думаєш про економічну віддачу - де її можна найшвидше отримати?

Хоча ми вважаємо себе далеко неаграрною державою, все-таки наше оптимістичне бачення пов'язане із земельною реформою та використанням фотограмметрії в кадастрі. Про це ми писали у статті - передмові до конференції в 1997 році. Тепер, коли технічні і технологічні можливості зросли, ми мусимо повністю переорієнтуватись на геоінформаційні технології і цифрову фотограмметрію і допомогти спеціалістам інших напрямів створити ринок землі і нерухомості. Слово за політиками, які вже теж напевно зрозуміли, що земельне питання - наріжний камінь переходу до ринкової економіки.

Інший аспект фотограмметрично - геоінформаційної сфери полягає у розвитку наших міст, у сфері управління міським господарством. Просторове моделювання на базі аерокосмічного знімання дозволить фахівцям приймати в короткі терміни оптимальні управлінські рішення.

Важливою сферою застосування аерокосмічної компоненти фотограмметрії є дистанційний моніторинг екологічної ситуації та безпеки життєдіяльності в окремих регіонах чи районах. На думку приходять повені Закарпаття, зсувні процеси в багатьох наших регіонах (Крим, Дніпропетровщина, Чернівці, Закарпаття), різні за розмірами техногенні процеси (Донбас, Кривий Ріг, Львівщина та інші), які об'єктивно відстежуються аерокосмічним зніманням і фотограмметрією (можливо, це не всім вигідно!).

Не можна оминути сферу використання фотограмметрії для архівації пам'яток культурної спадщини (архітектура, археологія), де методи фотограмметричного знімання разом з ГІС - технологіями та просторовим моделюванням створюють нові можливості для проектних робіт та наукових пошуків.

Енергозабезпечення потребує постійного контролю за станом нафто- та газопроводів, ліній електропередач, різного типу електро- чи компресорних станцій, розподільчих вузлів. Такі лінійні споруди як залізниці чи автомобільні шляхи з мостовими переходами, безліччю будівель теж вимагають об'єктивного обстеження. В цій сфері повинен діяти інженерно-фотограмметричний моніторинг.

Таким чином, перед фотограмметристами стоять важливі завдання і будемо сподіватись, що в найближчі роки їх праця не тільки буде потрібна в державі, але й принесе реальну користь в загальному науковому, економічному і культурному поступі.

Література

1. Fricker, S.Walker, R.Sandau "LH-System's ADS40 : Photogrammetry goes fotally digital". Vermessuing, Photogrammetry, Kulturtechnik, 2000. http://www.lh-systems.com.

2. Z.Kurcynski "Nowe wyzwania i szanse". Geodeta, №12 (67), Warsztawa, 2000, s.5-11. аерознімальний фотограмметричний радарний

3. DMS 2001. Digital Modular Camera, a produkt of Z/I Imaging. Specification Sheet. Amsterdam, 2000.

4. Lehmann F. The High Resolution Camera Airborne (HRSC - A). GIM - International, Juli 2000.

5. Дорожинський О.Л. Аналітична та цифрова фотограмметрія. Конспект лекцій для студентів базового напрямку "Геодезія, картографія, землевпорядкування".- Львів, 2000.- 80 с.

6. Color Photogrammetric Scanner "Delta", XIX ISPRS Congress, Vienna, 1996. http://www.vinnitsa.com/geo.

7. Дорожинський О.Л. GPS і фотограмметрія - що це дає? // Вісник геодезії та картографії.- 1999.- № 3.- С.16-17.

8. Leica Ascot. GPS - Supported Flight Navigation System for the Acquisition of Spatial Data. Heerbugg, Swiss, 1996.

9. Дорожинський О.Л. Аналітична фототріангуляція при відомих координатах центрів проекцій. // Вісник геодезії та картографії.- 1999.- № 4.- С.19-21.

10. Kurczynsni Z., Preuss R. Podstawy fotogrametrii. Oficyna wydawnictwa Politechniki Warszawskiej. Warszawa, 2000.

11. Spase Imaging Europe. Carterra Imagery.

Размещено на Allbest.ru