Методы цифровой фотограмметрии

Изображения могут быть представлены, в зависимости от способа их получения, в аналоговой или цифровой форме.

Аналоговая форма изображения предполагает его получение каким-либо образом на физическом носителе – на бумаге, фотобумаге, фотопленке и др. и используется с незапамятных времен. Во многих случаях такая форма является основной, особенно там, где важна юридическая значимость изображения либо если оно необходимо для использования в нестационарных условиях.

Ц и ф р о в а я ф о р м а изображения возникла в связи с потребностью его представления в памяти электронных вычислительных машин, и в настоящее время является одной из основных. Для представления изображения в цифровой форме может использоваться две модели данных: векторная и растровая.

Векторная модель данных применяется для отображения дискретных объектов цифровой карты, плана, составительского оригинала и др. с помощью набора примитивов и их комбинаций – точек, соединяющих их линий, граней, ребер и др. Все точки векторной модели задаются в координатной системе местности.

Растровая модель данных применяется для представления непре­рывных изображений с помощью элементов упорядоченного массива цифровых сигналов, интерпретирующих яркости соответствующих им элементов исходного объекта или изображения. При визуализации этот массив преобразуется в двумерную матрицу, соответствующую плоскости исходного изображения, а элементы массива – в квадратные ячейки одинакового размера, являющиеся наименьшими адресуемыми элементами. Каждый такой элемент, называемый пикселем, соответствует определенному участку исходного объекта (изображения) и характеризуется цветом, яркостью и иными параметрами. Пиксель цифрового изображения является оптически однородным, и внутри его отдельные элементы изображения не выделяются. Экспериментально установлено, что для воспроизведения на цифровом снимке компактного объекта его размер должен быть не менее четырех пикселей.

В фотограмметрии под цифровым изображением понимают его растровую форму, в которой массив цифровых сигналов формируется непо­средственно в процессе съемки с помощью цифровой камеры, либо путем сканирования соответствующего аналогового изображения (аэронегатива, реже – диапозитива).

Растровое изображение строится из составляющих его пикселей, размещаемых построчно слева направо и сверху вниз, а доступ к какому-либо из них осуществляется по номеру соответствующего столбца и строки. Эти величины и используются в качестве координат пикселя в системе с началом в левом верхнем углу и осями, совмещенными с его внешними границами.

Растровые координаты пикселя относятся к его центру, хотя с помощью математического аппарата (например, при переносе со смежного снимка) они могут быть найдены с точностью до доли пикселя. В этих случаях для доступа к пикселю используется целая часть его растровых координат.

При фотограмметрической обработке цифрового изображения необходимо знать физические координаты избранной точки в линейной форме (в мм или мкм). Расчет таких координат выполняется по растровым координатам и известному размеру пикселя.

Цифровые изображения получают двумя способами, один из которых предполагает сканирование полученных в процессе аэрофотосъемки аэронегативов, а второй - непосредственно в процессе съемки, с использованием цифровых съемочных систем (сенсоров). В обоих случаях цифровое изображение формируется с помощью приборов с зарядовой связью (ПЗС) в форме ПЗС-матрицы или ПЗС-линейки с примерно одинаковыми техническими возможностями. При использовании ПЗС-матрицы кадр изображения формируется по схеме, аналогичной фотокамере, в фокальной плоскости которой вместо фотопленки располагается ПЗС-матрица. Применение ПЗС-линейки предполагает сканирование местности или изображения параллельными маршрутами.

Сканирование фотоснимков выполняется с помощью оптико-электронных приборов – сканеров различных конструкций, из которых в топографо-геодезическом производстве применяются только фотограмметрические сканеры планшетного или барабанного типа.

Фотограмметрические сканеры (рисунок 4.16) характеризуются высоким геометрическим разрешением и высокой геометрической точностью, определяемой величиной ошибки сканирования и повторяемостью (изменением ошибки в десяти сканированиях). С их помощью можно сканировать черно-белые (полутоновые) или цветные снимки.

Некоторые фотограмметрические сканеры предусматривают возможность сканирования аэронегативов непосредственно с аэрофильмов, как это и практикуется в фотограмметрическом производстве.

Важнейшим этапом технологии формирования цифрового изображения является эталонирование сканера, особенно в случае, если он не является фотограмметрическим. Сущность эталонирования заключается в сканировании контрольной сетки с нанесенными на нее горизонтальными и вертикальными штрихами, расстояния между которыми известны с точностью 1–2 мкм.

На полученном изображении измеряют растровые координаты крестов контрольной сетки в системе, преобразуют их в линейную меру с учетом заданного геометрического разрешения и сравнивают полученные значения с точными координатами, отсчитанными по контрольной сетке. По найденным разностям координат соответствующих точек строят поле искажений, характеризующее все виды геометрических погрешностей, вносимых сканером в той или иной точке поля сканирования.

В последующем полученные этим сканером изображения могут быть исправлены в соответствии с параметрами поля искажений. Как свидетельствуют публикации, таким способом искажения фотограм­метрического сканера можно уменьшить до 1 мкм.

Цифровые съемочные системы (сенсоры) представляют собой кадровые аэрокамеры или линейные сканеры, ориентированные на получение снимков местности. К особенностям таких камер относится то, что каждый пиксель формируемого изображения занимает строго определенное положение, а их последовательность определяет положение координатных осей измерительной системы, что исключает необходимость «впечатывания» координатных меток и внутреннего ориентирования полученных снимков, как это имеет место при использовании аналоговых аэрокамер.

Современная технология обработки материалов аэрофототопографической съемки предполагает получение цифровых топографических или специальных карт (планов) соответствующего содержания:

Цифровая карта (план) – это карта (план) в цифровой форме, обеспечивающей возможность ее хранения, манипулирования и отображения.

Цифровая модель местности (ЦММ) –совокупность информации о положении, характеристиках объектов местности, связях между ними, а также топографической поверхности, представленные в форме, доступной для обработки на ЭВМ.

Таким образом, цифровая карта (план) – это аналоговая карта (план) в форме базы данных или файла, которые становятся картой только при выводе на экран или при создании твердой копии. При этом математическая основа цифровой карты, проекция, разграфка, точность и др. остаются такими же, как и для соответствующей ей аналоговой карты. В то же время определение ЦММ не содержит привязки ни к какому-либо масштабу, ни к системе координат, ни к разграфке, ни к точности.

Основой для получения цифровых карт (планов) является цифровая модель местности (ЦММ), в составе которой можно выделить цифровую модель ситуации (объектов контуров) ицифровую модель рельефа, которые можно определить следующим образом.

Цифровая модель ситуации (ЦМС) –совокупность информации о плановом положении, характеристиках объектов и связях между ними.

Цифровая модель рельефа (ЦМР) –информация о рельефе местности, представленная совокупностью точек с известными координатами и высотами, связей между ними и способа определения высот новых точек по их известным плановым координатам.

В составе ЦММ выделяется две составляющих:

позиционная (метрика), формируемая в процессе векторизации и определяющая описание положения объекта, его формы и размеров с по­мощью набора примитивов (точек, линий, дуг и др.);

непозиционная (семантика), создаваемая с помощью классификатора и определяющая содержание объекта, его свойства и отношения с другими объектами.

Для решения задач цифровой фотограмметрии на современном этапе развития применяются полнофункциональные цифровые фотограмметрические системы, ориентированные на решение всего комплекса задач по созданию топографических и специальных карт и планов, эксплуатируются во многих специализированных топографо-геодезических и изыскательских организациях.