4. Цифровая фотограмметрическая станция

Для практической реализации новых технологий ЦНИИГАиК разработана цифровая фотограмметрическая станция (ЦФС), которая получила широкое внедрение в производственных подразделениях Роскартографии, что позволяет считать их базовым техническим средством для создания и обновления цифровых топографических карт и планов.ЦФС решает следующие задачи по топографическому картографированию:

- по аэрофотоснимкам цифровых топокарт масштабов 1:10 000 и 1:25 000, цифровых топопланов масштабов 1:500-1:5 000, цифровых карт и планов повышенной информативности;

- создание цифровых топокарт масштабов 1:50 000 и 1:100 000 методом автоматизированной генерализации;

- создание ортофотопланов всего масштабного ряда по аэрокосмическим снимкам;

- обновление цифровых топокарт масштабов 1:10 000 - 1:50 000 по аэрофотоснимкам, масштабов 1:50 000 - 1:200 000 – по космическим снимкам;

- подготовка цифровых топокарт масштабов 1:10 000-1:200 000 к изданию.

Технической основой разработанных технологий является фотограмметрический сканер для оцифровки фотоснимков, цифровые фотограмметрические станции для выполнения технологических процессов обработки снимков и струйный плоттер для графического представления цифровой информации.

Фотограмметрический сканер предназначен для перевода аналоговых изображений в цифровую форму и обеспечения цифровыми снимками работы цифровых фотограмметрических станций. Средняя квадратическая погрешность определения и восстановления координат по всему полю снимка не более одного минимального элемента изображения (пикселя). Сканером обрабатываются как негативы, так и позитивы на стекле или пленке. Размер обрабатываемых снимков до 30х30см.

Сканер – это прецизионный прибор, и его технические свойства определяются следующими параметрами: оптическая разрешающая способность матрицы сканирования, геометрическая погрешность матрицы, радиометрическая погрешность матрицы, скорость сканирования. Одним из важнейших технических факторов, характеризующих сканирующее устройство, является время изображения или скорость сканирования. Чем больше разрешение изображения, тем дольше процесс сканирования. С другой стороны, чем быстрее скорость сканирования, тем хуже геометрическое и радиометрическое качество цифрового изображения. В современных сканерах для более высокой скорости сканирования считывание информации происходит не отдельными строками, а фрагментами. А некоторые фотограмметрические сканеры имеют возможность вводить снимки рулонами, что значительно облегчает работу оператора и позволяет увеличить скорость обработки сканируемого материала.

Фотограмметрический прибор в своем классическом исполнении представляет из себя устройство для наблюдения стереопары снимков. Существует несколько систем, которые используются в цифровых приборах для визуализации стереопары.

- экран делится на два одинаковых окна, каждый снимок выводится в отдельное окно, а для оператора предусмотрен стереоскоп. Неудобство – положение оператора д. б. строго зафиксированным в одной позиции относительно экрана монитора и стереоэффект может наблюдать только один оператор.

- на экран выводятся сразу два изображения одно поверх другого в двух разных цветах (синий и красный). При этом оператор наблюдает стереопару с помощью очков с разными стеклами. Недостаток – невозможно обработать цветные изображения.

- снимки выводятся на экран один за другим по очереди с частотой смены кадров монитора. Рядом с монитором (обычно сверху) ставится инфракрасный излучатель для передачи сигнала на активные очки оператора. Сигнал синхронизирован со сменой кадров монитора. Очки при этом закрывают либо один либо другой глаз оператора. Недостаток – очки не очень удобной формы и облучение активным инфракрасным сигналом.

- снимки выводятся также, как и в предыдущем, но на экране монитора стоит поляризационный фильтр, а очки оператора являются обычными стеклами с поляризацией одно в горизонтальном, а в вертикальном направлении. Считается самый удобный способ – легкие очки или насадки на очки.

Монитор или видеоконтрольное устройство является основой наблюдательной системы ЦФС. Чтобы на экране отображались два снимка одновременно и качество изображения было максимально хорошим и без дрожания, частота смены кадров не должна быть не менее 100НZ или 120 Нz. Для цифровой фотограмметрической станции необходим такой монитор, чтобы увидеть как можно больше, но и увидеть все в деталях. Существует общепризнанный стандарт – это монитор размером 48-50см по диагонали.

Визуализация стереопары снимков происходит двумя способами:

- изображение неподвижно, марка перемещается относительно экрана. Этот способ самый простой и не требует каких-либо дополнительных ресурсов компьютера.

- марка неподвижна, изображение перемещается относительно экрана. Этот способ связан с установкой специальных графических ускорителей и дополнительной оперативной памятью в графической карте и в самом компьютере.

Очень важным пунктом работы программ визуализации – правильность вывода векторной информации на снимок. Особенностью теоретического подхода в разработке алгоритмов и математического обеспечения ЦФС является сбор и обновление цифровой векторной информации по исходным снимкам, т.е. выполняется трансформирование векторной цифровой карты в цифровой снимок центральной и панорамной проекции. Этот метод исключает трансформирование растровых снимков и поэтому сокращаются затраты машинного времени на преобразование изображений и отпадает необходимость создания и хранения этой информации. Поэтому очень важно, что при обновлении каждая точка двумерной векторной ЦТК получает третью координату Z, что особенно принципиально для крупномасштабного картографирования.

Также очень важно чтобы у программ была возможность автоматически увеличивать и уменьшать изображение с генерализацией пикселов. Здесь речь идет о создании пирамиды масштабов. И последнее – поддержка форматов изображений не только PCX,TIF,GIF,BMP, но и специализированных форматов для хранения космической информации.

Весь комплекс программ фотограмметрической обработки можно поделить на следующие этапы:

- построение фототриангуляционного блока с последующим уравниванием;

- построение геометрической модели местности (путем ориентирования снимка или стереопары или путем использования элементов ориентирования снимков, полученных в результате фотограмметрического сгущения);

- построение цифровой модели рельефа;

- построение цифровой модели местности;

- построение ортофотоизображения;

- построение различных перспективных сцен трехмерных объектов съемки с любых точек визирования.

Модули комплекса включают методы автоматического коррелирования точек съемки для отождествления точек на соседних снимках. Самое важное – способность корректно определить с какой точностью отождествлена каждая точка. При неправильной диагностике оператору приходится перепроверять каждое отдельное измерение, что приводит к проверке – переизмерению всех точек снимка, после чего назвать такой прибор автоматическим.

Модуль построения цифровой модели местности может иметь полуавтоматическую систему определения границ объектов съемки. Т.е. программа автоматически определяет границы всех объектов, а оператору остается только определить что является объектом – дом, дорога, лесополоса и т.д.

Построение ортофотоизображения – процедура построения изображения, при котором оно становится во всех точках ортогональным к поверхности земли. Наиболее важным моментом в этом модуле является способность моделировать ортофотоизображение из нескольких единиц или даже десятков и сотен снимков.