Панасенкова Надежда Александровна

: Горно-геологический
: Геоинформационные системы и технологии
:
"Оценка точности построения ортофотопланов в фотограмметрической станции Дельта"
: доцент Шоломицкий Андрей Аркадьевич

Автореферат

1. Введение
2. Цель и задача работы
3. Предполагаемая научная новизна
4. Предполагаемая практическая ценность
5. Обзор текущего сотояния темы исследования
6. Перечень нерешённых проблем
7. Планируемые и полученные собственные результаты
8. Заключение
9. Перечень ссылок


1 Введение

Быстрый прогресс в области технологий визуализации карт уже привел к тому, что цифровые карты повсеместно и быстро вытесняют привычные бумажные. На очереди новый этап эволюции средств отображения окружающего нас мира: цифровые карты становятся трехмерными, объемными. В современное время развитие цифровых технологий, спутниковых навигационных систем и систем дистанционного сбора геоданных не могло не сказаться не только на полноте и достоверности картографической информации, но и на способах ее представления, а также организации доступа к ней. На данный момент имеется множество примеров внедрения этих передовых технологий, практически доказавшие свою перспективность [7].
Также все очевиднее просматривается тенденция массового применения внедрения географических информационных систем (ГИС) во все сферы науки, производства и образования, что объясняется их широкими функциональными возможностями, мощными информационными ресурсами, огромными аналитическими возможностями и простотой освоения. Ниже представлена информация о сферах применения цифровых изображений, планов, использующихся для создания и эксплуатации ГИС на примерах реализованных проектов с помощью различных программных продуктов, в частности систем "Карта 2005", Дельта, Photomod, Талка, Ортофотоплан, ЦФС-ЦНИИГАиК [5, 10].
Основные области применения:
    - Топографическое картирование в масштабах 1:2000 и мельче;
    - Создание ортофотопланов и ортофотокарт высокого разрешения в видимом и ближнем инфракраcном диапазоне;
    - Создание и актуализация ГИС;
    - Цифровая картография;
    - Дистанционное зондирование;
    - Идентификация заболоченных земель;
    - Обновление карт землепользования;
    - Таксация леса (в лесном хозяйстве ведется учет леса, его материальная оценка: определение возраста, высоты и диаметра растущих деревьев, запаса древесины, ее годичного прироста, качественная оценка леса и т. п. Таксацию проводят при лесоустройстве, отводе лесосек в рубку, инвентаризации леса.);
    - Планирование новых мест застройки;
    - Обследование и инвентаризация ЛЭП, нефте- и газопроводов, автомобильных и железных дорог, инженерных коммуникаций;
    - Экологические исследования;
    - Сельскохозяйственные исследования: выявление болезней растений, определение фазы вегетации.
    - Административно-территориальное управление, создание и ведение городского и земельного кадастра.
    - Использование ортофотопланов в основе ГИС для силовых структур и служб быстрого реагирования МВД и МЧС.
    - Инженерные коммуникации и ГИС
    - Телекоммуникации и ГИС
    - Нефтяная и газовая промышленность
    - Транспорт и ГИС
    - Недропользование
    - Решение бизнесс-функций и задач (учет и управление имуществом, для демографического анализа, для связи с клиентами и партнерами, доставки товаров и маршрутизации, выбора и анализа местоположений, маркетингового анализа и планирования, предоставление услуг через Интернет).


2 Цель и задачи работы


Комбинирование различных видов данных и изменение их свойств позволяет создавать карты различных характеристик местности для решения широкого круга задач. Точность решения какой-либо задачи связана с точностью входящих в нее данных. Так как ортофотопланы, получаемые из цифровых снимков, являются основой для решения задачи, то точность их построения непосредственно влияет и на точность получаемого решения задачи.
Из набора отдельных снимков местности разного масштаба и вида могут создаваться электронные ортофотопланы на большие территории с постепенным наполнением векторными данными (в виде пользовательских карт), привязкой к внешним базам данных. При совместном применении ортофотопланов и матриц высот рельефа могут решаться большинство задач планирования, оперативного управления на местности.
Для исследования мною был выбран именно ортофотоплан. Такой фотографический план местности формируется путём аэрофотосъёмки на точной геодезической опоре. Он создается с последующим преобразованием аэроснимков из центральной проекции в ортогональную на основе эффективного метода их дифференциального ортофототрансформирования, разработанного в середине 60-х гг. 20 в. Последний, в отличие от известного метода трансформирования аэроснимков по зонам, рассчитан на автоматизированное устранение искажений аэроснимка (обусловленных рельефом местности и отклонениями оси аэрофотоаппарата от вертикали при съёмке) путём последовательного проектирования трансформируемого изображения возможно малыми участками с помощью специальных приборов - ортофотопроекторов. Аэроснимки, преобразованные данным методом (т. н. ортофотоснимки), позволяют составить карты на любые районы, что существенно расширяет применение аэро-фотосъёмочных материалов при топографических, геологических и др. проектно-изыскательских работах [11]. Выполняя свою работу, я поставила себе несколько задач, решая которые я смогу глубже понять особенности ортотрансформирования. Вот некоторые из поставленных задач:
1)    освоить основы фотограмметрических измерений, изучить методику подготовки снимков для трансформирования;
2)    познакомиться с различными цифровыми станциями (зарубежными и отечественными), включающих в свой комплекс операций выполнение ортотрансформирования;
3)    поиск и изучение существующих методик оценки точности построения ортофотопланов;
4)    подготовку исходных растровых образов и дополнительной информации для построения и обработки фототриангуляции, съемку ситуации и рельефа в карьере по стереомодели, составление ортофотоплана карьера в пределах выделенных снимков;
5)    выполнить оценку точности построения модели и ортофотоплана [12].
Последний пункт перечисляемых задач тесно связан с целью моей работы, которой является определение методики выполнения оценки точности построения ортофотопланов.


3 Предполагаемая научная новизна


В рассмотренных методах оценки точности построения ортофотопланов [4, 8, 9] имеет место работа со снимками, обработанными в системе Photomod или моделируется теоретическое представление снимков; рельеф снимаемой местности спокойный, равнинный, использовалась приближенная цифровая модель рельефа, а также другие особенности, о которых я подробнее остановлюсь в пункте 5 автореферата. В моей работе я анализирую ортофотоплан, созданный ЦФС Delta, на основе аэрофотоснимков карьера "Восточный" Докучаевского флюсодоломитного комбината. Использовались снимки №102, 104, 106, 108, 110, размером см. Средний масштаб снимков - 1:8000, высота фотографирования - 800 м. Разность между экстремальными значениями отметок составляет порядка 200 м, то есть обрабатывались снимки карьера с крутыми откосами и большими перепадами высоты. Для съемки карьера применялась черно-белая на триацетатной основе аэрофотопленка, светочувствительностью 600 единиц.
Аэрофотоснимки были получены путем фотографирования земной поверхности с летательного аппарата с помощью аэрофотоаппарата.


4 Предполагаемая практическая ценность


Известно, что точность автоматического получения цифровой информации о рельефе по растровым изображениям обусловлена алгоритмом отождествления одноименных точек растровых стереоизображений и появляющихся искажений, которые обусловлены рельефом, ошибками сканирования фотоснимков, внутреннего и внешнего ориентирования получаемых изображений. Указанные процессы приводят к появлению геометрических ошибок, порождающих в свою очередь фотограмметрические искажения при трансформировании, а следовательно, порождающие ошибки конечных продуктов, включающих применение ортофотопланов. Поэтому контроль качества и точности ортофотоплана начинается при съемке местности и заканчивается только на последнем этапе получения планов или карт [8].


5 Обзор текущего состояния темы исследования


Применение цифровых методов фотограмметрии в практике топографических, кадастровых и прочих съемок или обновления карт стало реальностью сегодняшнего дня. Конечно, цифровые методы далеко еще не вытеснили аналоговые и аналитические методы и средства, однако, вряд ли кто сомневается, что это вопрос ближайшего будущего [13]. Для изучения настоящего состояния изученности темы моей работы, как одного из цифровых методов обработки снимков, я познакомилась с некоторыми цифровыми фотограмметрическими станциями и попыталась выяснить, какие же алгоритмы и методы оценки точности построения ортофотопланов используются в них. По результатам поиска тематической информации в Интернет было обнаружено, что существует большое количество средств для работы с ортофотопланами, но далеко не все компании готовы предоставлять информацию о методике оценивания. Рассмотрим некоторые практические и теоретические достижения за последние годы.
На Пятом Международном семинаре Пользователей Систем PHOTOMOD (Юрмала, 2005, [4]) представители компании "Ракурс" докладывали об определение точностных характеристик снимков QuickBird. Целью работы являлось определение точности ортоизображений, получаемых по снимкам QuickBird при трансформировании их с спользованием матриц высот различной точности, исследование точностных характеристик снимков уровня Standard, сравнительный анализ полученных результатов и разработка технологии получения ортофотопланов максимальной точности.
В качестве приближенной цифровой модели рельефа (ЦМР) используется модель GTOPO30 с размером ячейки 900 м, доступная для всей поверхности Земли. Геометрическая коррекция продуктов Ortho Ready Standard заключается в трансформировании исходных снимков на поверхность постоянной высоты (средней высоты съёмочного участка) над эллипсоидом, причем средняя высота вычисляется по приближенной модели рельефа.
Для проведения эксперимента использовались: снимок уровня предварительной обработки Ortho Ready Standard, ЦМР с точностью 0.15 м по высоте, полученная по материалам аэрофотосъёмки, а также, для проведения сравнительного анализа, матрица высот, построенная по горизонталям карты масштаба 1 : 25 000 с сечением рельефа 2.5 м и снимок QuickBird уровня предварительной обработки Standard. Разрешение (приведенное) обоих снимков 0.6 м. Все работы производились в цифровой фотограмметрической системе PHOTOMOD.
Всего на район работ имелось 35 опорных точек. Для большей достоверности количество контрольных точек превосходило количество опорных в 2.5 раза. На первом этапе проводилось внешнее ориентирование снимка. В результате были получены следующие результаты: среднеквадратическая ошибка (СКО) по расхождениям на опорных точках 0.392 м, максимальная - 0.638 м, по контрольным точкам 0.526 м и 0.933 м соответственно. Отсюда можно сделать вывод, что координаты опорных точек были определены с точностью лучше 1 пикселя, а аппроксимирующая модель на основе RPC точно отображает условия съёмки.
Для получения ортофотоплана максимальной достижимой (по имеющимся входным данным) точности использовался снимок уровня обработки Ortho Ready Standard, матрица высот с точностью 0.15 м и опорные точки, определенные с точностью 0.15 м. Матрица высот очень подробная, описывающая не только формы рельефа, но и искусственные объекты: мосты, эстакады, насыпи. Размер ячейки матрицы высот 9,6 м.
Максимальная ошибка построения ортофотоплана составила 1.089 м по контрольным точкам и 0.836 м по опорным, а СКО по контрольным точкам - 0.607 м. Учитывая, что СКО на контрольных точках при внешнем ориентировании составила 0.526 м, можно считать, что СКО планового положения точек на построенном ортофотоплане 0.607 м обусловлена, в основном, точностью начального опознавания точек и внешнего ориентирования. Столь подробная матрица высот позволяет достичь практически максимальной возможной точности трансформирования изображения с таким разрешением.
При построении ортофотоплана по матрице высот, построенной по горизонталям карты масштаба 1 : 25 000, использовались те же самые опорные и контрольные точки. Матрица высот также с размером ячейки 9.6 м. Максимальная ошибка ортофотоплана составила 1.189 м по опорным точкам и 2.231 м по контрольным.
Наиболее точным из продуктов, который предлагает компания DigitalGlobe для любой территории мира без предоставления заказчиком дополнительных данных (опорных точек и ЦМР), является Standard. Его заявленная точность по критерию СЕ90 составляет 23 м (СКО планового положения точек 14 м). Для проведения анализа точностных характеристик снимков этого уровня обработки, на снимке Standard были опознаны те же точки, что и на снимке Ortho Ready Standard (где они использовались в качестве опорных и контрольных). Далее координаты этих точек, определенные по геокодированному изображению Standard, сравнивались с их известными координатами, пересчитанными из исходной системы координат в WGS 84/UTM с помощью программы Геодезический Калькулятор, входящей в комплект поставки PHOTOMOD.
Вычисление разности плановых наземных координат dX и dY, определенных по снимку Standard, и полученных в результате пересчета известных координат в WGS84/UTM, дало следующие результаты:
Min dX = -8.564 м Min dY = +3.769 м
Max dX = -13.360 м Max dY = +8.406 м
Среднее dX = -11.058 м Среднее dY = +6.415 м
Очевидно, что в координатах, снятых со снимка, присутствует систематическая ошибка. Приняв систематическую составляющую равной средним значениям dX и dY, и исключив её как систематическую ошибку, получаем:
Min dX = -2.302 м Min dY = -2.646 м
Max dX = +2.309 м Max dY = +1.991 м
СКО X = 1.390 м СКО Y = 1.050 м
СКО XY =1.74 м, Max dXY = 2.94м
Изучая общий подход к точности ортофотоплана, были рассмотрены работы Мышляева В.А. [8, 9]. Точность автоматического получения цифровой информации о рельефе по растровым полутоновым изображениям обусловлена не только совершенством алгоритма отождествления одноименных точек растровых стереоизображений, но и искажениями кодов оптических плотностей, с которыми этот алгоритм оперирует. Эти искажения определяются как рельефом, так и ошибками сканирования фотоснимков, внутреннего и взаимного ориентирования получаемых изображений.
Указанные процессы приводят к появлению геометрических ошибок, которые, в свою очередь, порождают фотометрические искажения при эпиполярном (базисном) трансформировании, то есть при формировании кодов оптических плотностей вдоль соответственных базисных линий. В этом случае выполняется априорная оценка точности автоматического получения цифровой информации о рельефе по стереоизображениям [8].
Точность цифровых ортофотопланов определяется: масштабом исходных фотоснимков; ошибками элементов внутреннего, взаимного и внешнего ориентирования исходных фотоснимков или их растровых полутоновых изображений; ошибками цифровой модели рельефа; величиной пикселя сканирования исходных фотоснимков и др.
Ошибки элементов внутреннего, взаимного и внешнего ориентирования зависят от точности: измерения координатных меток и связующих (одноименных) точек стереоизображений; геодезической планово-высотной привязки аэрокосмоснимков.
Как правило, эти ошибки определяются при совместном уравнивании фотограмметрических и геодезических результатов измерений.
Точность ортофотоплана характеризуется ошибкой в положении контурных точек, измеренных на цифровом ортофотоплане и местности. Учитывается также ошибка ортофотоизображения, обусловленная влиянием рельефа местности, в частности, влиянием ошибки определения высот элементарных участков цифрового трансформированного фотоснимка в i-ой точке ортофотоизображения.
В свою очередь, эта ошибка определяется точностью ЦМР, которая может быть получена двумя вариантами.
Первый вариант предполагает, что ЦМР характеризуется некоторой ошибкой, единой для всего фотоизображения и не зависящей от местоположения точек на фотоснимке [9].
Второй вариант (наиболее распространенный) заключается в том, что точность ЦМР оценивается по ряду локальных значений, представляющих собой разности высот, полученных в связующих точках по результатам фототриангуляции и по ЦМР путем интерполяции между высотами в узловых точках.


6 Перечень нерешенных проблем


Но при реализации какого-либо метода оценивания следует отметить некоторые возникающие вопросы или проблемы.
Например, при создании ортофотоплана масштаба 1:5000 собственными силами исполнителя затраты на покупку цифровой фотограмметрической системы PHOTOMOD окупаются уже при обработке всего лишь одного стандартного снимка QuickBird. Чем больше объём работ, выполняемых по снимкам QuickBird, тем выгоднее выполнять эти работы самостоятельно. В случае с рассматриваемой станцией Delta, для самостоятельного оценивания построения ортофотоплана, необходимо разработать методику данной оценки. Частью моей работы и является решением данного вопроса.
Под цифровой фотограмметрической системой понимается совокупность программных и технических средств, связанных общей функцией и обеспечивающих выполнение комплекса технологических процессов и операций, необходимых для получения продукции аэрофототопографической съемки в цифровом виде по цифровым изображениям. Под продукцией, получаемой непосредственно от цифровой фотограмметрической системы, будем понимать цифровой ортофотоплан и векторную модель контуров снятых объектов, с которыми я и провожу свои научные исследования [13].


7 Планируемые и полученные результаты


Для реализации поставленной задачи первоначально был выполнен подготовительный комплекс работ, который включает в себя:
    - подготовку исходных растровых образов и дополнительной информации;
    - выполнение внутреннего, взаимного и внешнего ориентирования снимков;
    - обработку фототриангуляции с помощью программы BlockMSG;
    - съемку ситуации и рельефа в карьере по стереомодели и нанесение условных знаков;
    - составление ортофотоплана карьера в пределах выделенных снимков;
    - оценку точности построения модели и вычислений координат;
    - создание ортообъектов;
    - сравнение и анализ стерео- и ортообъектов**.
** При сравнении предположим, что любой простой или составной объект или его часть, построенная в стерео режиме в пределах данной работы может называться "стереообъект", аналогично, построенный по ортофотоплану - "ортообъект"
В результате построения фототриангуляции карьера и выполнения уравнивания получены следующие результаты:

ПРОТОКОЛ ПОСТРОЕНИЯ БЛОКА      
  В каталоге опорных точек                          5
  Число стереопар в блоке                           4
Количество точек на моделях                        107
       из них многократных                        107
Количество контрольных пунктов на местности         0
Количество уравнений связи моделей                 47

Модели соединяются без поиска грубых ошибок 

Средние отклонения в метрах при соединении моделей:
                               на связующих точках      0.12
                                 на опорных точках      0.33
Всего контрольных точек
               плановых         0
               высотных         0
Средние отклонения в метрах на контрольных точках
                                          в плане     0.000
                                        по высоте     0.000
 ПРОТОКОЛ УРАВНИВАНИЯ БЛОКА        

  В каталоге опорных точек                          5
Всего измеренных изображений на снимках          198
 Всего снимков в блоке                             5
Количество опорных пунктов на местности:
                       планово-высотных:            5
                               плановых:            0
                               высотных:            0
 Число определяемых пунктов на местности :        55
Число уравнений коллинеарности в блоке             396
Число избыточных измерений в блоке                201
Уравнивание выполнено без исключения систематических ошибок
Средние квадратические величины поправок в фотокоординаты
                        по оси  Х в мм          0.007
                        по оси  Y в мм          0.008
Ошибка единицы веса в мм                         0.011
После уравнивания средние отклонения  на опорных точках
                                    в плане ( метры):     0.427
                                   по высоте( метры):     0.445

Возможные варианты решения:
    - определение линейных отклонений
    - определение площадных отклонений

Метод сравнения:
    - сравнение контуров и центров объектов, построенных в стерео режиме и по ортофотоплану

Сравнение линейных объектов выполняется по следующим принципам:

1. измеряется линейное отклонение между контурами стерео- и ортообъектов;
2. выполняется визуальная идентификация углов поворота линии откоса карьера на контуре по ортофотоплану и в стереорежиме, после чего эти точки становятся концами линейной ошибки;
3. линия отклонения проводиться к сравниваемым контурам с максимально перпендикулярно. Для точного наведения на точку контура используется привязка, а для сохранения перпендикулярности, выбираемые точки должны располагаться приблизительно напротив друг друга (рис1.1).






4. такой выбор точек обеспечивает достоверность измерения. Также достоверность измерений обеспечивается выбором только четко различимых объектов, с четкими контурами. Для сравниваемых объектов обязательным условием отбора является их видимость как в стерео, так и в моно режиме.
5. Исключаются из измерений объекты, не удовлетворяющие требованию 4, а также те, на которых наблюдается значительное расхождение стерео- и ортообъектов. Таковыми являются объекты, расположенные на снимках в зонах наибольшего искажения, в угловых и затемненных частях, а также в зонах склейки цифровых снимков.
6. Линейное отклонение измеряется на тех участках, где ортообъект равномерно отстоит от стереообъекта (рис 1.2, а). Таким образом, однократное линейное измерение полностью характеризует величину отклонения вдоль всего исследуемого контура. Длина построенной линии и будет точечной величиной отклонения.





7. линейное измерение ошибки выполняется на участках, где нет замкнутого полигона, то есть в случаях, когда стерео- и ортоконтуры не пересекаются.

Сравнение площадных объектов:

1. Площадное отклонение без учета знака измеряется в случае незначительных или неравномерных отклонений (рис 1.2, б). После определения площади отклонения, рассчитывается среднее отклонение на данном участке как отношение этой площади к длине линии, ее обозначающей.
2. При сравнении не разделяются измерения на внутренние и внешние площади, так как целью выполнения измерений является определение модуля величины отклонения. Поэтому внешнее и внутреннее отклонение характеризуется как общее площадное отклонение.


8 Заключение


В результате выполнения измерений было обработано около 300 контуров рельефа по стереоизображению и около 150 по ортоизображению, 10 контуров зданий, 50 точечных объектов. Значение отклонений ортообъектов от стереообектов варьируется в зависимости от места расположения контура.
При появлении ошибки идентификации контура ошибка достигала 8-10м, измерения сразу отбраковывались. На 80 % точках измерения ошибка составила менее 0.5 м, в остальных случаях достигала 1.5-2 м.
После выполнения измерений, я планирую выполнить статистический анализ отклонений с построением необходимых графических приложений.


9 Перечень ссылок


1. МОДУЛИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА PHOTOMOD, Компания по обработке ДДЗ "Ракурс", http://www.racurs.ru/?page=2
2. Виготовлення цифрових ортофотопланів з використанням програмного забезпечення OrthoEngine, С. Давидчук, О. Дишлик; НВЦ "Геоматика",
http://www.geomatica.kiev.ua/training/DataCapture/RemoteSensing/chapter109.htm 3. Фотограмметрическая обработка данных дистанционного зондирования, Научный центр оперативного мониторинга Земли, http://www.ntsomz.ru/articles/articles_dzz/photo_dzz
4. Определение точностных характеристик снимков QuickBird, В.Н. Адров, Ю.И. Карионов, П.С. Титаров, В.Г. Харитонов, М.О. Громов, http://www.geoomsk.ru/public/QuickBird/
5. ТЕХНОЛОГИЯ, ОПЫТ СГУЩЕНИЯ И СОЗДАНИЯ ЦИФРОВЫХ ОРТОФОТОПЛАНОВ НА ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ЦФС, Т. А. Хлебникова, Е. Я. Лужбина, Л. М. Светлакова, http://www.ugi.ru/archivKonfUGI/konf2003/dokladi/Hlebikova.htm
6. Digital Ortho-Photography and other Techniques in the Creation of a Cadastral Register by Pierluigi Potenza, Italeco S.p.A. - I.R.I. Iritecna, Rome, Italy http://www.fao.org/sd/LTdirect/LTforum/LTfo0010.htm.
7. Карты местности становятся трехмерными. Максим Рахманов / CNews Analytics, http://www.cnews.ru/reviews/free/gov2005/part15/3d.shtm
8. Априорная оценка точности автоматического получения цифровой информации о рельефе по стереоизображениям, В.А. Мышляев, журнал "Геодезия и картография", 2005 год, №2
9. Оценка точности цифровых ортофотопланов, В.А. Мышляев, журнал "Геодезия и картография", 2005 год, №5
10. Обзор цифровых фотограмметрических систем, С.А. Кадничанский, С.И. Хмелевской (центр ЛАРИС), http://cpmsugc.euro.ru/DPSReview.htm
11. Гольдман Л. М., Ортофотоплан, Областной Вологодский web-портал>Ассоциация электронных библиотек ПОЛНОТЕКСТОВАЯ БИБЛИОТЕКА. http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/085/172.htm.
12. Могильный С.Г. Фотограмметрия. - Киев: Вища школа, 1985.- 278с.
13. Кадничанский С. А., Хмелевской С.И. Обзор цифровых фотограмметрических систем, центр ЛАРИС. http://cpmsugc.euro.ru/DPSReview.htm