Способ аэрофотосъемки наземных объектов в условиях недостаточной освещенности с помощью беспилотных воздушных судов. Беспилотные летательные аппараты для аэрофотосъемки Что входит в стоимость комплексов Геоскан

УДК: 528.71 А.С. Костюк

Западно-Сибирскй филиал «Госземкадастрсъемка» - ВИСХАГИ, Омск

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ОЦЕНКА КАЧЕСТВА АЭРОФОТОСЪЕМКИ С БПЛА

В статье рассмотрены особенности расчета параметров аэрофотосъемки с малых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Изложен способ оперативной оценки качества аэрофотосъемки с БПЛА.

West-Siberian branch «Goszemkadastrsyomka» - VISHAGI 4 Prospect Mira, Omsk, 644080, Russian Federation

CALCULATION OF THE PARAMETERS AND EVALUATION OF QUALITY WITH UAV AERIAL PHOTOGRAPHY

The article describes the features of calculation of parameters from aerial surveys of small unmanned aerial vehicles (UAVs). Described method for rapid assessment of the quality of aerial photography from unmanned aircraft.

Проведение работ по инвентаризации земель и объектов недвижимости, подготовка документов для постановки на государственный кадастровый учёт и государственная регистрация прав подразумевает выполнение комплекса картографо-геодезических, землеустроительных и кадастровых работ. Для поддержания информации на современном уровне необходим системный мониторинг. Для локального обновления картографического материала интенсивно используемых земель целесообразно использовать беспилотно-пилотируемые летательные аппараты. В Западно-Сибирском филиале предприятия “Госземкадастрсъемка” - ВИСХАГИ разработано несколько летательных аппаратов и все они попадают в весовую категорию до 3,5 кг.

Несмотря на всю простоту любительской съемки с БПЛА, при проведении аэрофотосъемочных работ для целей картографирования возникает ряд проблем, связанных с выбором фотокамеры, устанавливаемой на летательный аппарат, расчетом параметров аэрофотосъемки и оперативной оценке качества материалов аэрофотосъемки.

Выбор фотокамер для целей аэрофотосъемки основан на анализе следующих характеристик: разрешающей способности снимков, физическом размере матрицы, величине угла захвата, веса камеры и её стоимости. Нами была разработана методика присвоения оценочных баллов по каждой характеристике фотоаппарата. Лучшим фотоаппаратом считался фотоаппарат, набравший большую сумму балов. Было исследовано более десяти цифровых камер подходящих для установки на БПЛА из модельного ряда весовой категории до 3,5 кг.

По результатам исследования, наилучшими для целей аэрофотосъемки признаны камеры Canon IXUS-980IS, Pentax Optio-A30 и Sony DSC-W300, их основные характеристики представлены в табл. 1.

Таблица 1 Основные характеристики выбранных фотокамер

Название фотокамеры Длина матрицы, пкс Ширина матрицы, пкс Размер матрицы, " f экв 35 мм кадру, мм Вес, г

Canon IXUS-980IS 4416 3312 1/1.7 36.0 160

Sony DSC-W300 4224 3168 1/1.7 35.0 156

Pentax OptioA30 3648 2736 1/1.8 38.0 150

В настоящее время на беспилотных летательных аппаратах ЗападноСибирского филиала “Госземкадастрсъемка” - ВИСХАГИ установлена фотокамера Pentax Optio-A30. Камера хорошо показала себя во время производственной и экспериментальной аэрофотосъемки. Постоянно развивающаяся технология аэрофотосъемки с БПЛА требует приобретения новых фотокамер и совершенствования методики их выбора.

Расчет параметров аэрофотосъемки изложен в соответствующих нормативных документах. Аэрофотосъемка с малых беспилотных летательных аппаратов имеет ряд особенностей. Превышение допустимых углов наклона снимков, несоблюдение прямолинейности траектории полета, для обеспечения необходимого перекрытия между снимками высокая частота фотографирования и как следствие избыток кадров. Нами была разработана методика расчета следующих параметров аэрофотосъемки с БПЛА: высоты фотографирования, расстояния между маршрутами и между центрами фотографирования на маршруте.

Высота аэрофотосъемки зависит от масштаба создаваемого фотоплана. Величина крайнего пикселя снимка на местности не должна превышать 0.07 мм в масштабе создаваемого фотоплана. Например при создании фотоплана

масштаба 1: 2000 величина пикселя на местности d не должна превышать 0.14 м. Расчет разрешающей способности снимка следует производить для пикселей наиболее удаленных от центра кадра. Схема связи размера крайнего пикселя снимка с местностью показана на рисунке.

На рисунке: f - фокусное расстояние камеры в эквиваленте для 35 мм кадра;

L - длина половины диагонали матрицы, для 35 мм кадра она составит 21.6 мм;

H - высота фотографирования во время АФС;

Рис. 1. Связь размера пикселя снимка с местностью

D - длина половины диагонали снимка на местности.

Из рисунка следует:

d ■ cos(у-Р)

S = ; ; (1) sin у

Hmx = S ■ cos Р; (2)

Расчет максимально допустимой высоты аэрофотосъемки выполняется по формуле (2), где угол в зависит от индивидуальных параметров используемой фотокамеры и может быть рассчитан исходя из величины фокусного расстояния эквивалентного 35 мм кадру.

В зависимости от точности GPS навигации и особенностей пилотирования БПЛА могут быть достигнуты следующие параметры выдерживания самолета на маршруте:

Поперечное смещение от оси маршрута ± 10 м;

Удержание БПЛА на запроектированной высоте ± 15 м;

Расстояние от запроектированного центра фотографирования до точки срабатывания затвора фотоаппарата ± 5 м;

Изменение угла крена БПЛА на маршруте между двумя снимками

Изменение угла тангажа БПЛА на маршруте между двумя снимками

Приведенные параметры полета БПЛА были получены в результате постобработки множества материалов производственной и экспериментальной аэрофотосъемки.

Для расчета расстояния между маршрутами обеспечивающего 30 % поперечное перекрытие при идеальных условиях по формуле (3) вычисляется половина поперечного угла захвата камеры, где Ln^epen - половина ширины 35 мм пленки и составляет 12 мм:

р" = arcctg (------); (3)

Высота полета с учетом погрешности барометрического датчика рассчитывается по формуле (4):

H = H - 20 м (4)

пол max ? V /

Половина ширины захвата местности камерой вычисляется по формуле (5):

D = Hпол ■ tgP"; (5)

Расстояние между маршрутами в идеальных условиях рассчитывается по формуле (6):

где к = 0,7, для обеспечения 30 % поперечного перекрытия снимков.

Для обеспечения надежного сплошного покрытия земной поверхности снимками необходимо учесть максимальные отклонения БПЛА от запроектированного маршрута. Минимальное значение половины ширины захвата местности во время аэрофотосъемки с учетом совокупности погрешностей навигационных данных и пилотирования летательного аппарата вычисляется по формуле (7):

Рш1п = (Нпоп -15м) щ(0- 5°) -10м; (7)

Предельное отклонение между двумя маршрутами составит:

8Р = 2 (Р - Этп); (8)

Расстояние между маршрутами с учетом поперечного смешения БПЛА относительно оси маршрута, удерживания высоты полета и углов наклона камеры, вычисляется по формуле (9):

К = К - §Р ■ (9)

попереч ид? V /

По формулам (1)-(9) вычисляется высота полета БПЛА для выбранных фотоаппаратов и расстояние между маршрутами при создании фотопланов масштаба 1: 2 000. Полученные данные представлены в табл. 2.

Таблица 2 Расчет высоты фотографирования и расстояния между

маршрутами

Название фотокамеры Hmax, м ^ м м Dmin, м м o" Ô Rпопереч, м

Canon IXUS-980IS 520 500 233 106 122 112

Sony DSC-W300 484 464 223 101 116 107

Pentax 0ptio-A30 467 447 198 86 110 87

Расстояние между центрами фотографирования на маршруте рассчитывается по аналогии с расстоянием между маршрутами. По формуле (3) вычисляется половина продольного угла захвата камеры, где L - половина длины 35 мм пленки и составляет 18 мм. Расстояние между центрами фотографирования в идеальных условиях рассчитывается по формуле (6), для обеспечения 60% продольного перекрытия снимков коэффициент к будет равен 0,4. По формуле (7) вычисляется минимальное значение половины длины захвата местности во время АФС. Предельное отклонение расстояния между снимками от рассчитанного вычисляется по формуле (8). Расстояние между центрами фотографирования с учетом погрешности навигационных координат, удерживания высоты полета и углов наклона камеры, рассчитывается по формуле (10):

Результаты полученные в ходе вычисления расстояния между центрами фотографирования вдоль маршрута приведены в табл. 3.

Таблица 3 Расчет расстояния между центрами фотографирования

Название фотокамеры ^ м Dmin, м SD, м Rпрод, м

Canon IXUS-980IS 200 207 87 113

Pentax 0ptio-A30 191 197 83 108

Sony DSC-W300 169 173 78 91

По данным табл. 2 и 3 на примере фотоаппарата Сапоп 1ХШ-98018 составлена карточка параметров аэрофотосъемки с БПЛА для целей получения фотоплана масштаба 1: 2 000._________________________________

Карточка параметров АФС с БПЛА для целей картографирования

Фотокамера: Canon IXUS-980IS

Масштаб АФС: 1: 2 000

Высота полета при АФС: 500 м

Расстояние между маршрутам: ll0 м

Расстояние между центрами фотографирования на маршруте: ll0 м

Допустимое отклонение от оси маршрута: ± l0 м

Допустимое отклонение от запроектированной высоты АФС: ± l5 м

Расстояние срабатывания затвора фотоаппарата от намеченных центров фотографирования вдоль оси маршрута: ± 5 м

Допустимое изменение угла крена БПЛА на маршруте между двумя снимками: 10о

Допустимое изменение угла тангажа БПЛА на маршруте между двумя снимками: 60

Расчет параметров аэрофотосъемки очень важный этап подготовительных работ. Правильно рассчитанные параметры полета позволяют увеличить площадь покрываемую аэрофотосъемкой за один полет и повысить качество материалов аэрофотосъемки.

Для оперативной оценки качества выполнения аэрофотосъемки на нашем предприятии было разработано и внедрено в производство программное обеспечение в виде приложения *.тЬх на базе Маріпіо. Программа позволяет проектировать маршруты согласно рассчитанным параметрам аэрофотосъемки. По полученным данным с борта летательного аппарата в реальном времени строится фактическая траектория полета. В момент прохождения БПЛА над точкой запроектированного центра фотографирования в автоматическом, либо ручном режиме подается команда на срабатывание затвора камеры. По высоте летательного аппарата и его

ориентации в пространстве в момент фотографирования строится условная рамка снимка, по которым можно оперативно оценить покрытие заданной территории аэрофотосъемкой, и, при необходимости, принять решение о повторном прохождении над проблемными участками.

Разработанная методика проектирования аэрофотосъемки с БПЛА позволила существенно сократить время выполнения аэрофотосъемочных работ и повысить качество материалов.

Расчет параметров аэрофотосъемки беспилотным летательным аппаратом

к. с.-х. н., доц.

(СПбГЛТА, г. Санкт-Петербург, Россия)

In article calculation of parameters for aerial photography planning by digital cameras with use of unmanned aerial vehicles is presented.

Аэрофотосъемка беспилотными летательными аппаратами получает все большее распространение, что обуславливает применение в комплексе с БЛА современных цифровых фотокамер, как специально спроектированных, так и стандартных. Снимки, сделанные на цифровую камеру, сразу же после съемки могут быть обработаны. Применение аэрофотоаппаратов (АФА) с БЛА, относящихся к классу Микро и Мини по международной классификации , невозможно, так как они имеют достаточно большой вес и размер, а также обладают рядом недостатков. Например, чтобы получить материалы аэросъемки, пленку нужно проявить и отсканировать. В то же время главным недостатком цифровых фотокамер является низкое разрешение получаемых снимков по сравнению со снимками, полученными АФА с размером кадра 23х23 см .

Для планирования аэрофотосъемки необходимо произвести расчет основных параметров . При расчете параметров аэрофотосъемки беспилотным летательным аппаратом, оснащенным цифровой камерой, потребуются следующие исходные данные, которые сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Исходные данные для расчета параметров аэрофотосъемки

При проведении аэрофотосъемки цифровыми фотокамерами, чтобы получить снимки с требуемым размером пикселя на местности, необходимо выполнять съемку на определенной высоте . Разрешающую способность цифровых снимков принято характеризовать числом точек на дюйм - dpi (от англ. dots per inch) и размером пикселя на местности – GSD (от англ. Ground Sample Distance ). Рассчитывается высота полета по следующей формуле:

H пол - высота полета, м;

GSD - размер одного пикселя на местности, разрешение пикселя, м/пкс;

l х - размер снимка камеры, пкс.

Так как цифровые снимки имеют форму прямоугольника, рекомендуется во время съемки располагать камеру длинной стороной вдоль направления съемки, т. к. это позволит увеличить базис фотографирования, а, значит, и улучшить фотограмметрическую засечку (Рис.1).

Рис. 1. Взаимное расположение снимков в маршруте

На рис. 1 хорошо видно, что если соотношение сторон снимка составляет 2:3, то, расположение снимка длинной стороной вдоль направления съемки позволяет увеличить базис фотографирования (b ) в 1,5 раза. Соответственно в 1,5 раза увеличивается время TRF для записи информации с цифровой камеры на накопитель. Поэтому минимальное расстояние между кадрами Bmin для цифровой камеры в первую очередь зависит от ее технических характеристик и скорости беспилотного летательного аппарата V .

Перекрытия между соседними снимками одного маршрута называются продольными (Px ) . Как слишком малые, так и слишком большие перекрытия для производства непригодны. Для стереоскопического просматривания заснятой местности достаточно иметь продольное перекрытие в 50%. Но краевые части аэроснимков имеют ряд дефектов, поэтому просмотреть стереоскопически всю площадь аэроснимка не удается. Большие перекрытия также недопустимы, так как это резко снижает объемность изображения. При почти 100% перекрытии получаются два одинаковых аэроснимка, у которых нет стереоскопического эффекта. Перекрытия между соседними снимками в равнинных условиях съемки должны находиться в пределах 56-69%, в горных – до 80-90%. Таким образом, расстояние между снимками (B ) с учетом продольного перекрытия определяется по следующей формуле:

Но при проведении аэрофотосъемки с применением БЛА, для того чтобы обеспечить необходимое продольное перекрытие между соседними снимками одного маршрута (Рис.2), должно соблюдаться следующее ограничение:

Рис. 2. Схема аэрофотосъемки участка

Ширина маршрута на местности (LM ) зависит от высоты кадра (ly ) применяемой в комплексе с БЛА цифровой камеры.

Перекрытия между маршрутами называются поперечными (Py ). Величина их обычно задается в пределах 20-40%. Определить расстояние между смежными маршрутами можно по формуле:

Длина участка Dx равна длине среднего маршрута в продольном направлении от левого края первого аэрофотоснимка до правого края последнего аэрофотоснимка. Ширину участка Dy измеряют в поперечном направлении посередине от верхней стороны аэрофотоснимка первого маршрута до нижней стороны аэрофотоснимка последнего маршрута. Таким образом, количество снимков в маршруте N сн определяется как отношение длины участка к расстоянию между снимками с учетом продольного перекрытия.

Количество же маршрутов будет больше на единицу отношения ширины участка к расстоянию между смежными маршрутами.

Количество снимков на участок N уч определяют как общее количество снимков по всем маршрутам аэрофотосъемки.

При оценке эффективности и экономической целесообразности важно определить сколько времени потребуется на аэрофотосъемку участка t уч . Это также позволит оценить в какой период времени лучше проводить данные работы.

В результате можно сделать следующие выводы:

1. По сравнению с традиционными АФА цифровые камеры уступают по техническим показателям (в разрешении снимков), что повышает количество маршрутов и снимков в них при аэрофотосъемке, и как следствие усложняют дальнейшую обработку полученных материалов.

2. При проведении аэрофотосъемки БЛА для обеспечения перекрытия между снимками необходимо учитывать технические характеристики цифровых камер, а также желательно выбирать БЛА с аэродинамической схемой «планер», которая позволяет летать с достаточно малой скоростью.

3. БЛА очень эффективно могут быть использованы для съемки небольших площадей, например для составления кадастровых планов небольших участков и оперативного мониторинга ситуации на проблемных территориях.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации для молодых российских ученых МК-2617.2010.5.

Библиографический список

1. , Вавилов аэрофотосъемка и авиация. Оценка качества аэрофотосъемки: Методические указания к лабораторным занятиям. Л.:ЛТА, 1с.

2. Никифоров беспилотных летательных аппаратов для инвентаризации, картирования и управления объектами садово-паркового хозяйства.//Леса России в XXI веке. Материалы первой международной научно-практической интернет-конференции. - СПб.: СПбГЛТА, 2009. № 1, c. 248-251.

3. Никифоров фотоаппараты, применяемые для аэрофотосъемки беспилотными летательными аппаратами в лесном хозяйстве //Леса России в XXI веке. Материалы первой международной научно-практической интернет-конференции. - СПб.: СПбГЛТА, 2010. № 4, c. 65-70

4. , Кадегров летательные аппараты российского производства, применяемые в лесной отрасли // Леса России в XXI веке. Материалы третьей международной научно-практической интернет-конференции. - СПб.: СПбГЛТА, 2010. № 3, c. 144-149.

5. , Мунимаев зарубежных беспилотных летательных аппаратов // Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ. - Петрозаводск.: Изд-во ПетрГУ, 2010. № 8, с. 97-99.

6. Основные положения по аэрофотосъемке, выполненной для создания и обновления топографических карт и планов ГКИНП. –М.: Недра, 1982, -16 с.

7. Сухих методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве: Учебник. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 20с.

Первая часть статьи «БЕСПИЛОТНЫЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ: ПРИМЕНЕНИЕ В ЦЕЛЯХ АЭРОФОТОСЪЕМКИ ДЛЯ КАРТОГРАФИРОВАНИЯ» касалась вопросов общейтеории: были рассмотрены существующие типы БПЛА, приведены пояснения основных терминов, связанных с их использованием, а также дан обзор нескольких моделей БПЛА, успешно применяемых при аэрофотосъемке в картографических целях.

Во второй части статьи будут рассмотрены особенности фотограмметрической обработки беспилотной аэросъемки, даны рекомендации по ее проведению и по установке основного и дополнительного оборудования на борт БПЛА для получения максимальной точности.

А.Ю. Сечин, М.А. Дракин, А.С. Киселева, «Ракурс», Москва, Россия, 2011.

Особенности данных аэросъемки с БПЛА

Принципиально не отличается от съемки с «больших самолетов», но имеет определенные особенности, которые мы далее рассмотрим. Полет БПЛА, как правило, производится с крейсерской скоростью 70-110 км/ч (20-30 м/c) в диапазоне высот 300-1500 м. Для съемки обычно используются неметрические бытовые камеры с размером матрицы 10-20 мегапикселей. Фокусное расстояние камер обычно составляет около 50 мм (в 35 мм эквиваленте), что соответствует размеру пикселя на местности (GSD) от 7 до 35 см.

Часто снимки с БПЛА обрабатываются простыми нестрогими методами (аффинное преобразование снимков на плоскость). В результате, пользователь получает накидные монтажи, которые помимо низкой точности могут содержать разрывы контуров на стыках соседних снимков.

В данной статье при рассмотрении особенностей съемки с БПЛА и составлении рекомендаций по ее проведению мы будем исходить из строгой фотограмметрической обработки данных, в результате которой можно ожидать точность получаемых результатов (как правило, ортофотомозаики) порядка одного GSD. При значениях параметров съемки, указанных выше, результаты соответствуют по точности ортофотопланам масштабов от 1:500 до 1:2000 в зависимости от высоты съемки.

Для строгой фотограмметрической обработки данных аэросъемки и получения максимально точных результатов необходимо, чтобы снимки в одном маршруте имели тройное перекрытие, а перекрытие между снимками соседних маршрутов при площадной съемке составляло не менее 20%. На практике, при съемке с БПЛА эти параметры выдерживаются далеко не всегда. Полет БПЛА не устойчив, на него влияют порывы ветра, турбулентность и другие возмущающие факторы. Если съемку с обычных самолетов планируют с перекрытием вдоль маршрута 60%, а между маршрутами 20-30%, то проектировать съемку с БПЛА следует с перекрытием вдоль маршрутов 80%, а между маршрутами – 40%, чтобы, по возможности, исключить разрывы в фототриангуляционном блоке .

На БПЛА, как правило, устанавливаются цифровые камеры Canon. Это связано с легкостью электронного управления камерами этой фирмы. Использование бытовых камер имеет как преимущества (невысокая стоимость, легкость замены при «жесткой посадке»), так и недостатки.

Основным недостатком является то, что бытовые камеры изначально не откалиброваны – неизвестны их точные фокусные расстояния, главная точка, дисторсия. При этом нелинейные искажения оптики (дисторсия), допустимые при бытовой съемке, могут составлять до нескольких десятков пикселей, что на порядок снижает точность результатов обработки. Однако, такие камеры могут быть откалиброваны в лабораторных условиях, что позволяет получать точности обработки, практически такие же, как и для профессиональных малоформатных фотограмметрических камер.

Предпочтительней устанавливать на такие камеры объективы с фиксированным фокусным расстоянием. При съемке следует выставлять фокусировку на бесконечность и отключать функцию «автофокуса».

Второй недостаток используемых на БПЛА камер относится конкретно к камерам Canon– в них, в отличие от профессиональных фотограмметрических камер, используется щелевой затвор, в результате чего экспозиция разных частей изображения производится в разные моменты времени и соответствует разным положениям носителя. Так, если выдержка при съемке составляет 1/250 c, то при скорости БПЛА в 20 м/с смещение камеры при съемке кадра составляет 8 см, что сравнимо с разрешением съемки на малых высотах и вызывает дополнительную систематическую ошибку в снимке. Такие ошибки могут накапливаться в процессе фотограмметрического сгущения (уравнивании) при съемке протяженных территорий. Для того, чтобы уменьшить влияние этого эффекта и для ликвидации «смаза» снимков, следует осуществлять съемку с БПЛА с наименьшими возможными выдержками (не длиннее 1/250 c, максимальная выдержка зависит от высоты). Частично проблему щелевого затвора могли бы решить камеры с центральным затвором, имеющие сравнимое с камерами Canonкачество объектива и матриц. Тем не менее, чтобы избежать «смаза» выдержки все равно следует ограничивать.

Снимки цифровых камер, как любительских, так и профессиональных, имеют прямоугольную форму. «Выгоднее» располагать камеру так, чтобы длинная сторона снимка располагалась поперек полета – это позволяет снимать большую площадь при той же длине маршрута. Съемку следует производить с максимальным качеством – с наименьшим jpegсжатием или в RAW, если последнее возможно.

Современный уровень развития навигационных средств позволяет производить измерения элементов внешнего ориентирования (ЭВО) непосредственно в процессе съемки. Типичные точности таких измерений достигают единиц сантиметров по пространственным координатам X,Yи Zи 0.005 градуса по углам крена, тангажа и рысканья для самых точных систем ApplanixPOSAV, устанавливаемых на «большие самолеты». Часто этого достаточно, чтобы производить обработку без использования опорных точек. В любом случае, наличие таких данных значительно упрощает обработку и позволяет выполнять некоторые этапы обработки полностью в автоматическом режиме. Современные достижения микроэлектроники позволяют собрать механический (точнее MEMS– электронно-механический) гироскоп в корпусе размером в несколько мм, стоимостью от 250 $. Такие гироскопы не дают точность профессиональных, имеют значительный уход (порядка одного градуса за час) при эксплуатации, но существенно упрощают последующую обработку данных. При типовых поставках , Дозор 50 на борт могут быть установлены такие малогабаритные инерциальные системы - IMU(на Дозор-50 ставится IMUразработки ООО «Транзаз Телематика») и высокоточные двухдиапазонные GPS (TOPCONeuro160 на Птеро-E4, встроенный ГЛОНАСС/GPS приемник на Дозор-50). Паспортная точность этих GPS приборов составляет 10 мм + 1,5 мм × B (B – удаление до базовой станции в км) в плане и 20 мм + 1,5 мм × B по высоте. К сожалению, обычно на борт БПЛА устанавливают болеедешевые GPSприемники и не устанавливают IMU датчики. Данные о центрах проекции снимков в телеметрической информации снимаются через протокол NMEAи имеют в таком случае точность до 20-30 м, а углы тангажа, крена и рысканья вычисляются через вектор скорости GPSизмерений. Точность угла рысканья в такой телеметрической информации невысокая и может превышать 10 градусов, а сами значения содержат систематические ошибки, что усложняет последующую обработку данных.

Если при съемке использовался двухдиапазонный GPSприемник в дифференциальном режиме (или PPPобработка данных GPS), то требуется минимальное число опорных точек для получения наиболее точных результатов обработки, обычно достаточно 1-2 точки на 100 снимков, в ряде случаев обработку можно проводить без опорных точек. В случае, когда нет точных центров проекции, требования к планово-высотному обоснованию стандартные: одна планово-высотная точка на 6-10 базисов съемки.

Специфика фотограмметрической обработки данных аэросъемки с БПЛА

Обработка аэрофотосъемки с БПЛА в цифровых фотограмметрических системах (ЦФС) в целом аналогична обработке аэрофотосъемки с «больших самолетов». Однако особенности данных с борта БПЛА часто не позволяют использовать автоматические процедуры стандартных пакетов – часть операций (например, расстановку связующих точек) приходится производить в ручном режиме. Ниже мы рассмотрим особенности обработки аэросъемки с БПЛА в ЦФС PHOTOMOD5.2. Именно в этой версии PHOTOMOD введены специальные функции для обработки таких данных, существенно упрощающие и автоматизирующие получение конечной продукции.

Как и при обработке других данных, сначала в ЦФС создается проект, в него вводятся снимки и телеметрическая информация. На основании данных о центрах проекции и углах производится создание накидного монтажа, разбивка по маршрутам. Снимки, попавшие на развороты БПЛА, удаляются в ручном режиме. Неточные угловые элементы внешнего ориентирования приводят к достаточно грубому накидному монтажу (Рис. 1):

Рис. 1. Накидной монтаж по телеметрической информации

Автоматический поиск связующих точек в таких случаях затруднен или требует значительного времени работы компьютера. Для уточнения накидного монтажа в таких случаях в ЦФС PHOTOMOD используется т.н. «автоматический накидной монтаж», который уточняет взаимное расположение снимков (Рис. 2).

Рис. 2. Накидной монтаж после автоматического уточнения

Как мы ранее отмечали, съемка с борта БПЛА производится с увеличенными перекрытиями. Нестабильность полета летательного аппарата иногда может привести к очень большим перекрытиям между соседними снимками, что вызывает сложности в стандартных фотограмметрических пакетах.

Рис. 3. «Перепутывание» снимков при маленьком базисе съемки

Разные углы и высоты съемки соседних кадров приводят к увеличению области поиска связующих точек и увеличению числа грубых ошибок по сравнению со стандартными аэрозалетами. После создания уточненного накидного монтажа выполняется процедура автоматического измерения связующих точек. На первых проходах накидной монтаж опять уточняется:

Рис. 4. Накидной монтаж после первых проходов автоматического измерения связующих точек

На следующих проходах производится доизмерение связующих точек. Несколько проходов необходимы в случае, когда телеметрическая информация не содержит всех углов ориентирования, или углы известны с точностью 10-30 градусов. Если же телеметрическая информация содержит угловые элементы ориентирования с точностью в несколько единиц градуса, то достаточно и одного прохода – надежность автоматических измерений в этом случае повышается. Для борьбы с возможными грубыми ошибками при автоматических измерениях в PHOTOMOD5.2 введено понятие т.н. «доверительной группы связующих точек», когда программа ищет наибольшее число связующих точек для стереопар с наименьшим поперечным параллаксом, остальные связующие точки, не попавшие в группу, считаются ошибочными.

После измерения связующих и опорных точек производится процедура уравнивания. В ЦФС PHOTOMODможно использовать начальное приближение для алгоритма уравнивания как по уточненной схеме блока, так и построенное другими методами. Начиная с версии 5.2 для уравнивания аэросъемки с БПЛА мы рекомендуем использовать новый режим – уравнивание 3D. При уравнивании в PHOTOMODи достаточном числе опорных точек можно использовать самокалибровку. Это дает возможность использования некалиброванных камер. Ожидаемая точность выходных результатов при строгой фотограмметрической обработке составляет приблизительно 1-2 GSDв плане и 2-4 GSDпо высоте. После фотограмметрического уравнивания, результаты которого и определяют точность выходных продуктов, производится построение рельефа (ЦМР) в автоматическом режиме. При необходимости, после уравнивания может быть сделана стереовекторизация – отрисовка в ручном режиме зданий, сооружений, мостов, дамб и других объектов. Построенный рельеф используется для ортотрансформирования снимков. На последнем этапе из ортотрансформированных снимков создается бесшовная мозаика – производится расчет линий порезов, выравнивание яркостей, стыковка контурных объектов. Самокалибровку можно включать и при отсутствии опорных точек, правда, в этом случае можно рассчитать только коэффициенты k 1, k 2 радиальной дисторсии. При использовании камер с щелевым затвором можно дополнительно включить расчет аффинных искажений. В случае стабильности углов ориентирования при съемке такая самокалибровка может повысить точность уравнивания.

Если используется некалиброванная камера и отсутствуют опорные точки, то можно говорить о точности в несколько десятков метров, которая будет определяться точностью

GPSцентров проекций и дисторсией объектива (до нескольких десятков пикселей). В таких случаях можно применять упрощенную автоматизированную последовательность обработки. Бесшовный накидной монтаж указанной точности при этом получается за счет трансформирования исходных снимков в модуле PHOTOMODGeoMosaic.В этом случае используются простейшие методы трансформирования, не учитывающие рельеф местности, а стыковка контуров осуществляется за счет автоматически рассчитываемых связующих точек вдоль автоматически построенных линий порезов.

Примеры фотограмметрической обработки данных аэросъемки с БПЛА

Рассмотрим несколько примеров . Во всех примерах для обработки использовалась ЦФС PHOTOMOD. Отметим, что различными организациями в компанию «Ракурс» для тестирования было передано более 20 блоков аэросъемки с БПЛА. К сожалению, для многих блоков отсутствовали опорные точки и/или съемка была проведена неоткалиброванными камерами. В таких случаях было невозможно оценить точность конечных результатов обработки.

Первый блок, который мы рассмотрим, был снят с борта БПЛА ZALA421-04ф. Данные для исследований были любезно предоставлены ОАО «Газпром космические системы». Блок состоял из 26 маршрутов. Общее число снимков в блоке составило 595. Использовалась предварительно откалиброванная цифровая камера Canon EOS500D. Высота залета над местностью составила около 500 м, размер пиксела на местности приблизительно равен 8 см. На местности были измерены и промаркированы 25 опорных точек, точность координат опорных точек не превышала 10 см. Общий перепад высот местности протяженностью около 3-х километров достаточно большой ~ 70 метров.

Сначала этот же блок аэросъемки был обработан в автоматическом режиме по упрощенной схеме, без уравнивания и использования опорных точек. Привязка осуществлялась по центрам проекции, трансформирование снимков проводилось сразу в модуле GeoMosaicбез учета рельефа. Последующий контроль полученных «псевдо» ортофотопланов по опорным точкам показал расхождения на опорных точках, превышающие 17 м. Такая невысокая точность ортофотплана обусловлена как большим перепадом высот, так и неточностью измерений центров проекций в полете.

Затем блок был подвергнут строгой фотограмметрической обработке. При уравнивании три из измеренных опорных точек считались контрольными. Среднеквадратическая ошибка уравнивания составила по опорным точкам 15 см, 16 см, 12 см, по контрольным точкам 23 см, 29 см и 57 см. Расхождения на связующих точках составили 8 см, 14 см и 69 см. Общий вид блока представлен на следующем рисунке.

Рис. 5. Общий вид «блока 1»

В процессе уравнивания было обнаружено, что координаты центров проекций из телеметрической информации содержат систематическую ошибку, главная из компонент которой составляет 10,5 метра по высоте Z. Среднеквадратические ошибки на центрах проекции после вычитания систематической ошибки составили 84 см, 239 см и 75 см. Существенно большая ошибка по Y(вдоль полета), скорее всего, связана с неточным определением моментов съемки в телеметрии. Большие ошибки по Zна связующих точках возможно связаны с неточной калибровкой камеры и с накопленной ошибкой при съемке камерой с щелевым затвором. Наибольшие ошибки на связующих точках наблюдаются на краях и в углах снимков.

Рис. 6. Величины ошибок на связующих точках

Дальнейшая обработка блока проводилась по стандартной схеме. Был построен рельеф в автоматическом режиме и сделано ортотранформирование с учетом построенного рельефа. Фрагмент построенного ортофото приведен на следующем рисунке. При построении этого фрагмента специально не включалась функция выравнивания яркости для демонстрации совпадения контуров соседних снимков.

Рис. 7. Фрагмент ортофотоплана без выравнивания яркости

В апреле 2011 кафедрой фотограмметрии Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК) были проведены исследования материалов аэрофотосъёмки, полученных с помощью БПЛА Птеро, с целью оценки качества аэросъёмочных работ и фотограмметрической обработки . Съемка выполнялась с высоты около 900 м над средней плоскостью снимаемой местности с борта БПЛА Птеро цифровой фотокомерой CanonEOS5D. Камера была предварительно откалибрована. Для оценки качества материалов использовался фрагмент блока, состоящий из 2-х маршрутов по 6 снимков в каждом. В качестве опорных использовались 14 точек, плановые координаты XYкоторых были сняты с планов масштаба 1:1000, а высота Zопределялась по материалам воздушного лазерного сканирования, выполненного с точностью около 20-30 см. После фотограмметрического уравнивания среднеквадратические погрешности координат на опорных точках составили по X, Yи Zсоответственно 20 см, 21 см и 50 см. Среднеквадратические погрешности координат связующих точек составили 6 см, 6 см, 15 см. Размер пиксела на местности для этого блока GSDсоставляет около 12 см. Общая схема блока показана на следующем рисунке.

Рис. 8. Схема «блока 2» с опорными и связующими точками

Вопросы метрологического обеспечения

В целом, использование БПЛА для аэросъемки и для получения материалов картографической точности показывает экономическую эффективность и является оперативным. Для широкого внедрения такой аэросъемки требуется координация усилий как производителей БПЛА, так и пользователей их эксплуатирующих, а также разработчиков цифровых фотограмметрических систем.

Одним из сдерживающих факторов внедрения БПЛА для решения перечисленных выше задач является отсутствие у большинства организаций практического опыта их использования, а также отсутствие теоретически обоснованных рекомендаций по выбору съемочной аппаратуры для БПЛА и параметров выполняемой с их помощью аэрофотосъемки.

Отметим здесь интересный проект МИИГАиК – с целью отработки и исследования технологий мониторинга и картографирования местности по материалам беспилотной аэрофотосъемки, начаты работы по созданию специализированного исследовательского полигона. Этот полигон, площадью около 50 кв. км, создается в Заокском районе Тульской области, на базе учебного геополигона МИИГАиК, расположенного в 110 км от Москвы.

Территория полигона представляет собой уникальное многообразие картографических объектов. На этой территории расположены разнообразные населенные пункты: поселок городского типа, деревни, дачные и коттеджные поселки; дорожная сеть в виде железных, шоссейных, проселочных и полевых дорог; линии электропередачи различного напряжения; трубопроводы. На территории полигона имеются лесные массивы, различные гидрографические объекты, многообразные формы рельефа, сельскохозяйственные угодья и производственные объекты.

С целью обеспечения отработки и исследования технологий, основанных на применении БПЛА, на территории полигона начаты работы по созданию высокоточной сети планово-высотных опознаков (в виде естественных контуров местности и маркировочных знаков); ведется топографическая наземная съемка характерных участков местности в масштабе 1: 500 и 1: 2000. На эту же территорию по материалам аэрофотосъемки и космическим снимкам высокого разрешения созданы ортофотопланы и цифровые модели местности. По мере поступления новых съемочных материалов эти работы предполагается выполнять в дежурном режиме.

Для оценки изобразительных свойств снимков, полученных с помощь БПЛА, на полигоне будут развернуты радиальные миры.

Первые испытания планируется провести в середине июля 2011 г. Планируется провести тестовую аэрофотосъемку территории полигона в различных масштабах с помощью отечественного БПЛА «ПТЕРО» с целью отработки и исследования фотограмметрической технологии создания карт различного масштаба по полученным материалам аэрофотосъемки. Фотограмметрическую обработку полученных снимков предполагается выполнить на цифровой фотограмметрической системе PHOTOMOD. В сентябре предполагается провести испытания и БПЛА «МИИГАиК Х8», разработанного в МИИГАиК.

Созданием полигона и проведением на нем испытаний БПЛА и технологий, основанных на их использовании, МИИГАиК намерен помочь потенциальным пользователям освоить и внедрить новые технологии, а разработчикам летательных аппаратов и съемочных систем адаптировать их к решению актуальных задач производства.

Выводы

Использование БПЛА в качестве аэросъемочной платформы имеет большие перспективы при съемке небольших по протяженности площадных объектов и при съемке линейных объектов. Данные с БПЛА позволяют получать качественные картографические материалы (пространственные данные) при следующих условиях:

выполнении определенных (вполне посильных) требований к съемочной аппаратуре и процессу съемки (гарантия достаточности перекрытий);

строгой фотограмметрической обработке. Точность при этом возрастает в десятки раз и может составлять около GSD, как и для обычной аэросъемки и космических снимков.

Наши рекомендации для получения максимальной точности результатов съемки предназначены как для пользователей, эксплуатирующих БПЛА, так и для конструкторов, устанавливающих оборудование на беспилотники, и состоят в следующем.

Использовать на БПЛА калиброванные камеры.

Производить съемку с выдержкой не длиннее 1/250с.

Использовать объективы с фиксированным фокусным расстоянием. Если это невозможно, следует фиксировать увеличение (Zoom). Съемка должна производиться с фокусировкой на бесконечность и с отключенным режимом автофокусировки.

Проектировать съемку с увеличенными перекрытиями (80% вдоль, 40% поперек маршрута).

Желательно использовать камеры с центральным затвором.

Желательно использовать двухдиапазонные GPS приемники на борту и дифференциальный режим измерений.

Желательно использование на борту IMU, пусть и не имеющего высокой точности.

Благодарности

Благодарим компании: «Беспилотные системы ЗАЛА АЭРО», ОАО «Газпром космические системы», «АФМ-Серверс», ООО «Геометр-Центр», НПИ и КЦ «Земинформ», ЗАО «Транзас», ЗАО «Лимб» за помощь в подготовке материала, предоставление данных и полезные обсуждения.

Литература

Чибуничев А.Г., Михайлов А.П., Говоров А.В. Калибровка цифровых фотокамер: Вторая научно-практическая конференция РОФДЗ. Тезисы докладов. М., 2001 г. с38-39.

Скубиев С.И., Научно-производственный институт земельно-информационных технологий Государственного университета по землеустройству «Земинформ» (Россия), Использование беспилотных летательных аппаратов для целей картографии. Тезисы XЮбилейной международной научно-технической конференции «От снимка к карте: цифровые фотограмметрические технологии». Гаета, Италия, 2010.

Результаты полевых исследований БПЛА «Птеро»

Данные съёмки с БПЛА, показанные на этой странице, предоставлены . Технология обработки материалов съемки в ПО Agisoft PhotoScan предоставлена ООО "Плаз" .

Применение беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) позволяет существенно снизить затраты на производство аэрофотосъемочных работ. С точки зрения традиционной фотограмметрии качество подобной съемки вероятнее всего будет оценено, как неприемлемое, поскольку на БПЛА, как правило, устанавливаются камеры бытового сегмента, не используется гиростабилизирующая аппаратура, при съемке нередки отклонения оптических осей от вертикали в несколько градусов, что значительно усложняет процесс первичной обработки снимков. Однако для современного фотограмметрического программного обеспечения эти недостатки не представляют значительных проблем. Более того, развитие цифровых методов фотограмметрической обработки уже привело к появлению программ и программных комплексов, способных обрабатывать даже такие "некачественные" данные аэрофотосъемки в высокоавтоматизированном режиме, при минимальном участии оператора.

Рассмотрим технологическую цепочку получения топографической карты с использованием следующих компонентов:

• БПЛА для выполнения аэрофотосъемки;
• ПО Agisoft PhotoScan в качестве инструмента обработки материалов съемки;
• инструментарий ГИС Панорама для векторизации ортофотопланов и получения топокарт.

Аэрофотосъемка с использованием БПЛА

В техническом плане процесс аэрофотосъемки с использованием БПЛА состоит из трех этапов: подготовительного, собственно съемки, и постобработки полученных данных.

Подготовительный этап
На данном этапе производится:

• изучение имеющихся материалов; формирование или сбор требований к материалам, которые нужно получить по результатам съемки – тип и масштаб карты, границы объекта съемки; приведение их в технические требования к съемочным материалам: разрешение, координаты контура участка съемки, перекрытие снимков, точность определения координат центров фотографирования, требования к наземной опорной сети (при комбинированной съемке, например, когда привязка фотоплана производится по точкам наземной опорной сети, требования к точности определения КЦФ вообще не предъявляются);
• формирование полетного задания для БПЛА. Выполняется программой – планировщиком полета, входящей в состав комплекса. Оператор должен выбрать используемый комплекс БПЛА (в случае, если программа позволяет работать с несколькими конфигурациями БПЛА и фотоаппаратуры), задать на карте контур участка съемки и примерное положение стартовой площадки, установить требуемое разрешение и перекрытие, после чего программа рассчитывает план полета и проверяет его выполнимость.

Выполнение аэрофотосъемки
По прибытии на стартовую площадку производится:

• уточнение положения стартовой площадки, задание точки возвращения и ввод данных о скорости и направлении ветра на рабочей высоте, если таковые известны;
• автоматическое уточнение плана полета и повторная проверка его выполнимости;
• старт БПЛА с пускового устройства;
• выполнение съемки в автоматическом режиме;
• посадка.

Выполнение съемки местности с использованием БПЛА

При использовании комбинированного способа выполняется определение координат опорных точек, выбранных для привязки.

Постобработка данных
Заключается в:

• снятии данных (фотоснимки и журнал полета) с бортовых носителей информации;
• визуальной оценке качества фотографий и отбраковке "технических" кадров, если такие записаны. Под техническими кадрами понимаются снимки, сделанные вне пределов участка съемки - при подлете к участку, на дугах разворота и т.п.;
• генерация файла привязки центров фотографирования. В ходе полета аппаратура управления ведет запись различных параметров, среди которых – координаты, скорость и параметры ориентирования летательного аппарата. После окончания съемки из файла журнала полета необходимо выбрать координаты, соответствующие моментам фотографирования, и приписать их конкретным снимкам. Такая обработка, как правило, выполняется в той же программе – планировщике полетного задания.

В соответствии с требованиями отраслевых инструкций , для получения топокарт масштаба 1:2000 необходима фотооснова, имеющая разрешение 15 см/пикс и имеющая погрешность определения координат в каждой точке не выше 60 см. Такое разрешение легко обеспечивается при съемке с БПЛА с использованием компактных фотоаппаратов. Например, съемка камерами типа Canon S-95 или Sony NEX-5 (с объективом SEL30M35) с высоты порядка 200-300 м дает снимки, имеющие разрешение 5 см/пикс.

Привязка требуемой точности достигается измерением координат центров фотографирования с использованием высокоточных GNSS-приемников в пределах референцной сети, или задействованием наземной опорной сети, точки которой привязаны с погрешностью не выше 30 см.

Обработка аэрофотоснимков в ПО Agisoft PhotoScan

Программа Agisoft PhotoScan - универсальный инструмент для генерации трехмерных моделей поверхностей объектов съемки по фотоизображениям этих объектов. PhotoScan с успехом применяется как для построения моделей предметов и объектов разных масштабов – от миниатюрных археологических артефактов до крупных зданий и сооружений, так и для построения моделей местности по данным аэрофотосъемки и генерации матриц высот и ортофотопланов, построенных на основе этих моделей. Обработка данных в PhotoScan предельно автоматизирована – на оператора возложены лишь функции контроля и управления режимами работы программы.

Построение и привязка модели местности в программе состоит из трех основных этапов:

• построение грубой модели. На этом этапе производится автоматическое определение общих точек на перекрывающихся снимках, восстановление проектирующих лучей, определение координат центров фотографирования и элементов взаимного ориентирования снимков, расчет параметров, описывающих оптическую систему (дисторсия, коэффициент ассиметрии, положение центральной точки). Все эти расчеты выполняются в программе за одну операцию;
• привязка полученной модели к внешней (геодезической, географической) системе координат и уравнивание всех параметров системы – координат центров фотографирования и наземных опорных точек, углов ориентирования снимков, параметров оптической системы с использованием параметрического метода уравнивания. В качестве весовых коэффициентов для уравнивания выступают погрешности определения координат точек съемки (центров фотографирования), определения координат точек наземной опорной сети, дешифрирования и маркирования опорных точек на снимках;
• построение полигональной модели поверхности местности на основе определенных на предыдущем этапе параметров. В программе реализован экспресс-способ, заключающийся в триангуляции только общих точек, полученных на первом этапе, и более точные способы обработки, заключающиеся в определении пространственного положения для каждого пиксела изображения (в зависимости от заданной степени детализации обрабатывается каждый первый, каждый четвертый, каждый шестнадцатый, и т. д. – всего пять возможных уровней).

Затем полученная модель используется для генерации ортофотопланов и матриц высот.

С точки зрения оператора процесс работы с программой выглядит следующим образом:

Приведенные скриншоты окна программы наглядно иллюстрируют процесс обработки материалов аэрофотосъемки на примере съемки полигона "Заокский", материалы которой предоставлены ОАО "Газпром космические системы" . Обработка данных материалов на ПК, оснащенном 4-хядерным процессором Intel Core i7 2600K и имеющем 16 Гб оперативной памяти, заняла порядка трех-четырех часов – от загрузки фотографий до экспорта ортофотоплана и цифровой модели местности в формате GeoTiff. Из этого времени около одного часа ушло на дешифирование и маркирование опорных точек – ручной труд оператора, а остальное время заняло выполнение расчетов.

Имеется возможность формирования пакетного задания на обработку. Загрузив исходные снимки, можно сразу указать параметры для каждого из этапов, и программа самостоятельно выполнит весь цикл обработки.

Непосредственно в графическом интерфейсе программы можно производить базовые измерения на полученной модели - измерять расстояния, площадь поверхности и объем модели.

Развитый API позволяет создавать скрипты на языке Python, управляющие обработкой и отображением данных, что позволяет еще более автоматизировать решение типовых задач.

1) Фотографии загружены. В свойствах проекта видно, что проект состоит из блоков (chunks) – обрабатываемых независимо частей проекта со своими фотографиями, моделью, СК, параметрами калибровки оптики и т.п. В данном проекте - один блок, состоящий из 415 фотографий. Метки NA (not aligned) рядом с фотографиями показывают, что положение этих снимков в пространстве модели еще не известно.

2) Выбор системы координат

4) Метки в форме синих шариков отображают взаимное расположение точек съемки (КЦФ), после уравнивания они будут заменены метками другого вида, соответствующим положению плоскостей кадров

5) После выполнения первого этапа обработки – первичного уравнивания и построения точечной модели, формируется облако точек, описывающее модель, и набор параметров взаимного ориентирования фотоснимков. Положение выбранного снимка отображается в области просмотра модели. Снимки, которые не удалось уравнять, по-прежнему отображаются сферами/шариками, и в списке фотографий отмечены меткой NA (not aligned). В данном проекте таких нет

6) Установка маркеров (меток опорных точек). Если известно положение маркеров на снимках (в системе координат снимка), можно просто импортировать эти данные в PhotoScan. Если маркеры еще не дешифрированы, придется задавать их расположение прямо в программе. Для каждого маркера достаточно отметить их положение на одном-двух снимках, и PhotoScan автоматически определяет их положение на других снимках, выделяя снимки, на которых присутствует выбранный маркер, специальными метками. На каждом снимке можно подтвердить итли уточнить автоматически выбранное положение маркера

7) Маркеры расставлены. Можно выполнять построение модели местности

8) Модель готова. Ее можно экспортировать как матрицу высот (цифровую модель местности) и сформировать на основе этой модели ортофотоплан местности.

9) В завершение можно построить текстуру модели и рассматривать ее прямо в программе.

10) Внутреннее представление модели поверхности Землки в PhotoScan - сеть триангуляции Делоне, TIN модель

11) Ортофотоплан всего участка съемки.

12) Цифровая модель местности всего участка съемки

Получение карт на основе ортофотопланов в ГИС Панорама

Комплекс автоматизированного дешифрирования и векторизации по данным ДЗЗ, разработанный на базе ГИС "Панорама" , предназначен для автоматической векторизации линейных и площадных объектов по цветным растровым изображениям земной поверхности.

Процесс автоматической векторизации состоит из следующих основных этапов:

• предварительная обработка растра;
• классификация;
• обработка растра классификации;
• преобразование растра в вектор;
• векторная обработка.

Предварительная обработка является необязательным этапом, включает масштабирование и фильтрацию растра. Масштабирование позволяет значительно ускорить обработку при избыточном разрешении снимка. Фильтрация уменьшает шумы изображения, что положительно влияет на результаты распознавания.

Классификация – процесс определения принадлежности отдельных пикселей исходного растра тому или иному распознаваемому объекту. Классификация состоит из трех основных этапов. На первом этапе пользователь определяет обучающие выборки – указывает области на снимке, однозначно принадлежащие распознаваемым объектам. Затем происходит обучение классификатора – процесс выявления и запоминания статистических дешифровочных характеристик, присущих распознаваемым объектам. Эти данные используются собственно в классификации - определения принадлежности отдельных пикселей исходного растра распознаваемому объекту.

Вычисление статистических дешифровочных характеристик при обучении и классификации выполняется для скользящего окна. При обучении окно перемещается в пределах обучающих выборок, при классификации на всем остальном снимке. В качестве статистических дешифровочных характеристик используется спектральные (средний цвет) и текстурные характеристики (контраст, энергия, корреляция).

К загруженному ортофотоплану в формате GeoTiff применяется технология классификации и распознования

Результатом классификации является растр классификации – растр принадлежности пикселей исходного растра тому или иному распознаваемому объекту. Растр классификации содержит много шумов – неправильно классифицированных пикселей. Их можно отфильтровать исходя из предположения, что плотность расположения неправильно классифицированных пикселей меньше правильно классифицированных.

На следующем этапе производиться фильтрация лишней информации, ее сглаживание и перевод с в линейный и площадной вид

Для этого используются морфологические операции - изменение бинарного состояния пикселя на основе анализа состояния его соседей. К таким операциям относятся:

• эрозия – замена на ноль единичных пикселей, если рядом есть хоть один нулевой пиксель;
• наращивание – замена на единицу нулевого пикселя, если рядом есть хоть один единичный пиксель;
• удаление небольших областей – замена восьмисвязных локальных групп единичных пикселей на нули, если количество пикселей меньше допуска;
• заливка небольших дырок – замена восьмисвязных локальных групп нулевых пикселей на единицы, если количество пикселей меньше допуска;

После обработки растр классификации преобразуется в набор векторных объектов – линий или площадей. В процессе преобразования в линии создаются непересекающиеся линейные объекты. При преобразовании в площади создаются площадные объекты, имеющие общие части контура. На окончательном этапе распознанные объекты объединяются или удаляются на основе анализа их взаимного расположения. Объединенная сеть объектов совместно сглаживается и фильтруется перед сохранением в создаваемую карту.

Результат автоматизированного дешифрирования и векторизации ортофотопланов можно посмотреть и отредактировать в ГИС "Панорама"

При обновлении цифровых карт имеющиеся контура объектов используются для автоматического обучения программы дешифрирования и векторизации. При необходимости оператор может выбрать отдельные участки, которые попадают на наиболее характерные изображения дешифрируемых объектов.

Программа сопоставляет контура объектов и соответствующие им области снимков, запоминает свойства изображения и выполняет уточнение контуров объектов по реальным границам областей с подобными свойствами изображения. При этом создаются и новые объекты в тех местах снимка, где будут найдены близкие по изобразительным свойствам области.

Литература
1. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов ГКИНП (ГНТА)-02-036-02. Москва, ЦНИИГАиК, 2002