Разработка и исследование методов цифровой наземной стереофотограмметрической съемки

В последнее время в фотограмметрии и смежных с ней областях произошли значительные изменения. Переход современной фотограмметрии на строгие и функциональные аналитические методы обработки предоставил возможность усовершенствовать и автоматизировать многие фотограмметрические процессы.

Аналитическая фотограмметрия, сочетающая достоинства аналитических методов и возможности более информативных и обладающих исключительно высокими изобразительными свойствами аналоговых фотоизображении, является наиболее высокоточной.

Вместе с тем, в настоящее время получило широкое распространение цифровое представление снимков, которое, в отличие от аналогового фотоизображения, позволяет более строго выполнять их трансформирование. Более того, цифровые изображения позволяют применять к ним преобразования, невозможные в аналоговой и аналитической фотограмметрии, например, проективные и нелинейные. Помимо этого, цифровые методы позволяют многократно копировать изображения без потери качества, для улучшения изобразительных свойств применять к ним детальный анализ, преобразование цветов и многое другое. Немаловажным достоинством цифрового представления изображений является также возможность непосредственного создания векторных графических примитивов, как в плоскости снимка, так и в пространстве стереомодели, позволяющих создавать высокоинформативные модели местности или изучаемых объектов. Цифровая фотограмметрия не требует дорогостоящего прецизионного оборудования, что сделало ее доступной для многих отраслей народного хозяйства.

Вместе с тем, цифровые изображения обладают более низкой информативностью и изобразительными свойствами по сравнению с фотоизображениями, что сказывается на точности решаемых задач, а их обработка требует значительных вычислительных мощностей. Это выдвигает к решению задач фотограмметрии новое требование – наиболее полное использование полезной информации на основе более точных математических закономерностей.

Развитие компьютерной техники и вычислительных средств идет в направлении повышения их производительности, увеличения объемов хранимой и обрабатываемой информации, а также повышении функциональности программного обеспечения. Тактовая частота процессоров современных персональных компьютеров достигла 3,5 Ггц, оперативная память у рабочих станций обычно составляет 1 Гб и более, объем информации, хранимый на одной машине, превышает 500 Гб. Объединение рабочих станций при помощи локальных и глобальных вычислительных сетей и организация специализированных хранилищ информации обеспечивает возможности, сравнимые с дорогостоящими мейнфреймами – большими вычислительными машинами. Таким образом, технические средства практически перестали ограничивать объемы вычислительных работ.

В отличие от прочих методов получения измерительной информации об объекте (например, геодезических), наземная стереофотограмметрическая съемка (НСС) в современных условиях позволяет быстро, в том числе и в режиме «реального времени», получать большие объемы информации об изучаемых объектах, а стоимость работ при этом значительно ниже. Вместе с тем, имеются возможности совершенствования методов НСС и за счет применения особых способов выполнения стереосъемки.

В последнее время появилось значительное количество новых разнообразных технических средств для получения снимков и их геодезического обоснования, в том числе и для наземной стереофотограмметрической съемки.

Развивающиеся сейчас методы наземного лазерного сканирования весьма перспективны, но пока требуют привлечения методов НСС- В то же время, они дают возможность определять координаты большого количества опорных точек со значительной точностью, однако такое их применение ограничено большой стоимостью оборудования при относительно небольших объемах работ. Применение систем глобального позиционирования (GPS Global Position Systems) для создания геодезического обоснования также существенно увеличивает точность решения задач, но по тем же причинам применяется в основном при геодезическом обосновании для аэросъемки.

Появление цифровых съемочных камер (ЦСК) с достаточно большой информационной емкостью дало реальную возможность непосредственно получать цифровые изображения для фотограмметрии. Хотя в настоящее время это в наибольшей мере касается наземной стереофотограмметрии, в частности архитектурной н строительной, но, вместе с тем, наметился переход на непосредственное получение цифровых изображений и в аэросъемке.

Непосредственное получение цифровых снимков позволяет избежать фотохимического процесса и процесса сканирования, полностью исключив при этом возникновение различного рода искажений, вносимых усадкой фотоматериала и погрешностями сканирования, и сопутствующих этому потерь точности снимка. Помимо этого, к достоинствам большинства цифровых съемочных камер можно отнести возможность оперативного контроля получаемого изображения. Как правило, они снабжаются высококачественными оптическими системами, которые, однако, требуют учета нелинейных искажений. При этом современные способы калибровки позволяют обеспечить точность порядка 0,2‐ОД пиксела. Геометрическое качество изготовления светочувствительных матриц таких камер также весьма высоко. Основным недостатком даже лучших образцов ЦСК пока является более низкое разрешение получаемого изображения по сравнению со сканированными фотоснимками. Вместе с тем, их постоянное совершенствование позволяет надеяться на дальнейшее увеличение их информативности до уровня используемых в фотограмметрии фотоизображений при сохранении доступной стоимости.

В настоящее время для НСС применяются в основном дорогостоящие прецизионные «профессиональные» ЦСК со значительной информационной емкостью, но наряду с этим делались и делаются многочисленные попытки использовать компактные «любительские» ЦСК, достигнувшие в настоящее время достаточно высокой информативной емкости при относительно невысокой стоимости. Их использование весьма перспективно для целей НСС.

Такие камеры, как правило, снабжены оптической системой с переменным фокусным расстоянием, что может являться немаловажным достоинством при съемке в стесненных условиях пространства улицы. Это позволяет более эффективно и свободно выполнять съемочные работы.

Для фотограмметрической обработки в настоящее время в основном применяются методы перспективной (традиционной) фотограмметрии, основанные на положениях центральной проекции и требующие восстановления связок проектирующих лучей. Вместе с тем, реальный объектив строит изображение по законам проективной геометрии. При этом только линейные отклонения от центральной проекции для аэрофотоаппаратов (АФА) могут достигать 30 мкм (т.е. 1/6000 от формата кадра), а для неметрических камер должны составлять еще большую величину (порядка 500 мкм).

Проективная фотограмметрия была разработана к.т.н., проф. Е. И. Калантаровым и представляет собой экстракт положений из теории проективной геометрии, сформулированных применительно к фотограмметрии. В теорию проективной фотограмметрии вошли научные достижения П. А. Кобозева, Г. Л. Жукова, А. И. Мазмишвили, М. С. Муравьева, Ю. М. Трунина и др. Разработкой и исследованием методов и алгоритмов решения фотограмметрических задач на основе положений проективной фотограмметрии в разное время занимались Г. Ю. Сбоева, М. Ж. Сагагщьгкова, С. Х. Огородников, А. Л. Говоров, С. В. Романова.

Использование положений проективной фотограмметрии (ПФ), основными соотношениями которой являются проективные и аффинные преобразования пространств различной размерности, позволяет по-иному подойти к выполнению основных фотограмметрических процессов. Отличительной особенностью ПФ является использование скалярной метрики, вследствие чего координаты и элементы ориентирования представляются безразмерными числами – скалярами, Присущие традиционной фотограмметрии элементы внутреннего и внешнего ориентирования в явном виде здесь не используются» однако проективные параметры включают их в себя и дополняют их, при этом традиционные элементы могут быть выделены из проективных путем матричных преобразований. Обработка снимков проективными методами позволяет наиболее полно учитывать линейные преобразования снимков за счет дополнительных элементов ориентирования и освобождает от внутреннего ориентирования снимков, т.к. этот процесс заложен в проективных преобразованиях.

Использование проективных преобразований приводит к тому, что почти все уравнения поправок для решения фотограмметрических задач в ПФ могут быть представлены в линейном виде относительно элементов ориентирования, что дает возможность решать большинство задач прямым методом, не требующим знания приближенных значений искомых величин. Это позволяет упростить методы решения задач и сократить вычислительный процесс. Хотя ПФ предъявляет более высокие требования к количеству и расположению опорных точек, однако в фотограмметрии, как правило, используется избыточное количество опорных точек, что снимает эту проблему при решении многих фотограмметрических задач. Более подробно данный вопрос рассмотрен в главе 3.

Значительного повышения точности можно добиться, частично используя проективные методы, например, при проективном внешнем ориентировании модели, Такие комбинированные методы позволяют широко использовать взаимосвязь традиционных и проективных методов, объединять их достоинства и исключать недостатки, обеспечивая универсальность технологии, поэтому такие методы получили название «универсальных», Универсальные методы основываются на теории традиционной и проективной фотограмметрии, а также на калибровке съемочной и обрабатывающей аппаратуры, и обеспечивают решение задач как проективной, так и традиционной фотограмметрии. Таким образом, применение проективных и универсальных методов является средством повышения точности фотограмметрических задач.

Определение целей и постановка задач экспериментальных исследований. На основании сказанного выше сложившуюся ситуацию можно охарактеризовать следующим образом: «современная фотограмметрия» в том числе наземная, в настоящее время получила большой арсенал технических средств и широко использует цифровые методы представления (получения) и обработки изображений. При этом более низкая информативность цифровых изображений требует максимального использования заложенных в них возможностей. Вместе с тем, с целью сокращения затрат на производство работ (что весьма актуально в настоящее время) можно пойти по пути сокращения объемов полевых работ за счет уменьшения масштаба съемки, что также выдвигает требования к дальнейшему повышению точности фотограмметрических определений. Стоимость работ в наземной фотограмметрии может быть также снижена за счет более доступного съемочного оборудования. В этом аспекте актуально использование, например, малоформатных цифровых съемочных камер, предоставляющих некоторые дополнительные возможности. Немаловажным фактором во многих случаях является сокращение сроков фотограмметрической обработки» решения задач в режиме т.н. «реального времени», что также требует использования легких и компактных камер. Помимо этого, цифровые методы позволяют сделать фотограмметрическую продукцию более разнообразной, что значительно усиливает роль фотограмметрии как средства информационного обеспечения в различных отраслях. Все это обуславливает актуальность темы исследований.

Основной целью данной работы является исследование методов калибровки и решения основных фотограмметрических задач на основе положений проективной фотограмметрии, разработанных проф. Е. И. Калантаровым, в первую очередь применительно к наземной стереофотограмметрической съемки. Попутно проводились исследования по усовершенствованию существующих методов наземной стереосъемки: наклонно-конвергентного способа стереосъемки и блочных сетей.

Основными задачами работы являются:

– проведение детальных исследований проективных методов калибровки съемочных камер;

– исследование проективных методов решения задач;

– совершенствование способа наклонно‐конвергентной стереосъемки, заключающееся в разработке и исследовании метода обработки получаемых таким образом снимков на основе проективного трансофрмирования.

Исследуемые методы и алгоритмы одинаково применимы как к цифровой, так и к аналитической фотограмметрии, однако исследования проводились на основе цифровой съемочной аппаратуры, главным образом неметрических трансфокаторных съемочных камер. В работе также рассматриваются вопросы, несколько выходящие за рамки наземной фотограмметрии (например, методы построения и уравнивания блочных сетей). Вместе с тем, ранее несвойственные НСС методы развития сетей фототриангуляции могут быть применены для построения блочных моделей наземных объектов, имеющих значительную площадь или протяженность, а также позволяют использовать снимки более крупного масштаба в целях повышения точности фотограмметрических определений.

На основании вышесказанного можно сформулировать следующие основные задачи исследований:

1. Исследование связи традиционных и проективных параметров внутреннего ориентирования съемочных камер, а также определение способов перехода между проективными и традиционными методами обработки. Исследование методов калибровки на основе проективных соотношений для ряда цифровых съемочных камер, в том числе трансфокаторных. Это направление включает методы калибровки при помощи плоского тест‐объекта и пространственного полигона опорных геодезических точек, выбор оптимального количества коэффициентов дисторсии и технологии калибровки, статистическую оценку их точности. Сюда также входят оценка точности (с привлечением статистических методов) и сравнительный анализ качества решения задач при использовании традиционных и проективных соотношений.

2. Исследование и оценка точности наклонно‐конвергентного способа наземной стереофотогралшетрической съемки, а также определение оптимальной схемы для нормального случая съемки, применимой как в НСС, так и в аэрофотосъемке.

3. Исследование методов и разработка алгоритмов решения основных фотограмметрических задач на основе аффинных и проективных соотношений проективными и универсальными методами. Установление связи параметров внешнего ориентирования традиционных и проективных снимков. В число исследуемых задач были включены: внешнее ориентирование одиночного снимка и блочной сети на основе уравнений проективной коллинеарности, взаимное ориентирование стереопары снимков и построение моделей на основе универсальных и проективных соотношений, аффинное и проективное внешнее ориентирование снимков и моделей. Так как работа включает более широкое рассмотрение применительно к аэрофотосъемке и космической фотограмметрии, то здесь также рассматриваются методы построения и уравнивания блочных фотограмметрических сетей на основе аффинных и проективных преобразований прямыми и итеративными методами.

4. Анализ технологии трансформирования цифровых изображений и влияния качества цифрового изображения на точность фотограмметрических определений. Исследование возможностей и путей совершенствования процесса цифрового трансформирования изображений для целей создания новых видов фотограмметрической продукции (на примере комбинированного обмерного чертежа), выдвижение рекомендаций по технологии трансформирования.

Объектами исследований в работе являлись цифровые изображения, полученные при помощи различных цифровых съемочных камер, в том числе снабженных трансфокатором, а также математические модели цифровых снимков для различных случаев съемки. В работе применялись следующие методы исследования: проверка математических и статистических гипотез, математическое моделирование снимков с заданными параметрами случайных ошибок, статистическая оценка результатов исследований, экспериментальная проверка решения задач по реальным снимкам.

Данная работа состоит из четырех глав, соответствующих определенным выше направлениям, В каждой главе приведено краткое теоретическое обоснование предлагаемых методов и пути их реализации, описан ход экспериментальных работ, в конце каждой главы сделаны сравнительный анализ полученных результатов. В заключительной части работы приведены обобщенные выводы о целесообразности и областях применения предлагаемых методов.

Экспериментальные работы производились на базе кафедры фотограмметрии Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК). В процессе исследований было использовано оборудование и программно‐аппаратные средства кафедры, в том числе универсальная метрическая камера UMK‐10/1318 и фотограмметрические рабочие станции "Моно\ "СтереоФото", "Photomod 3.11/3.5", а также экспериментальные программные разработки доц. А. В. Говорова.

В процессе исследований использовались: цифровая камера "Hewlett Packard Photo Smart 715", любезно предоставленная кафедрой высшей геодезии.