4. Внешнее ориентирование модели

Для внешнего ориентирования одиночного снимка и стереопары снимков могут использоваться либо элементы внешнего ориентирования, полученные на стадии фотограмметрического сгущения, либо координаты опорных точек, полученные из фотограмметрического сгущения или полевой привязки снимков. После ориентирования модели или снимков производят сбор информации о рельефе и/или контурах в последовательности, определяемой характером картографируемого участка.

Составленный оригинал карты (плана) должен быть сведен со смежными листами карт (планов) того же или более крупного масштаба, создаваемыми одновременно или составленными ранее. Если для старой карты (плана) была использованы система координат, отличающаяся от принятой в данных работах, то координаты всех объектов старой цифровой карты (плана) предварительно преобразовываются в нужную систему. Такая операция должна быть проведена на весь район картографирования.

Для определения координат точек модели в геодезической системе координат необходимо выполнить геодезическое (внешнее) ориентирование.

Рисунок 6 – Внешнее ориентирование модели.

O_гX_гY_гZ_г – геодезическая система координат;

SXYZ – фотограмметрическая система координат;

SX_гY_гZ_г – вспомогательная система координат, оси которой параллельны осям геодезической системы координат, а начало в точке S-начало фотограмметрической системы координат.

X₀,Y₀,Z₀ – геодезические координаты начала фотограмметрической системы координат.

Угол – это продольный угол наклона модели. Это угол между осью Zг и проекцией оси Z на плоскость ZгXг.

Угол n – это поперечный угол наклона снимка, угол между осью Z и плоскостью XгZг.

Угол Q – это угол между осью Y и плоскостью YгZг на плоскости X Y, угол поворота модели.

Для внешнего ориентирования модели необходимо знать координаты опорных точек. Опорная точка – это точка с известными геодезическими координатами.

На первом этапе известными являются геодезические координаты Xг,Yг,Zг и X,Y,Z опорных точек, а неизвестными будут являться элементы внешнего ориентирования модели: X₀, Y₀, Z₀, E, , , t. Для нахождения семи неизвестных необходимо знать координаты как минимум трех опорных точек. После определения семи неизвестных элементов внешнего ориентирования будут определяться геодезические координаты Xг,Yг,Zг всех точек модели. После выполнения внешнего ориентирования производится оценка точности. Она определяется путем вычисления расхождения между геодезическими координатами:

∆ X_г= X_г'- X_г; (1)

∆ Y_г= Y_г'- Y_г; (2)

∆ Z_г= Z_г'- Z_г; (3)

Где X_г', Y_г', Z_г' – это координаты опорных (контрольных) в геодезической системе координат, вычисленные после внешнего ориентирования модели. X_г, Y_г, Z_г – координаты опорных точек, полученные из полевых работ (каталог координат).

2.5. Цифровое ортотрансформирование снимка

Применение фототрансформирования предполагает установление коллинеарного соответствия между объектами местности и их изображениями на фотоснимке. Это условие выполняется для фотоснимков плоской местности, если и формат, масштаб фотографирования и размеры картографируемого участка позволяют пренебречь влиянием кривизны Земли. При наличии на местности значительных превышений использование перспективного трансформирования фотоснимков уже не дает нужной степени приближения к ортогональной проекции.

При ортофототрансформировании исходный фотоснимок разбивается на маленькие элементарные участки, для которых влияние угла наклона и рельефа местности становятся незначительными. На этом основании перспективное трансформирование каждого участка заменяется масштабным преобразованием, которое приводит изображение к заданному масштабу.

В пределах каждого элементарного участка изображение исходного фотоснимка проектируется со своим коэффициентом увеличения n, при котором на светочувствительном материале получается ортогональная проекция местности в заданном масштабе.

Значение этого коэффициента увеличения вычисляется по высотам Н тех точек местности, чье изображение на исходном фотоснимке совпадает по положению с так называемыми центрами привязки элементарных участков, т.е. тех его точек, для которых устанавливается строгое взаимно однозначное соответствие с одноименными точками местности.

Ортофототрансформирование наряду с фототрансформированием находит широкое применение на производстве. Ортофототрансформирование выполняется на ортофототрансформаторах типа ОФПД, Ортофот, Ортокомп. Ортофототрансформирование следует проектировать тогда, когда число зон трансформирования превышает трех. Оно может быть запроектировано в сочетании с другими методами на отдельные участки на основе характера анализа рельефа.

Процесс ортофототрансформирования состоит из нескольких этапов:

• подготовительные работы (расчет данных, подготовка УП и ОФПД к работе);

• построение модели;

• сканирование модели;

• получение ортофотоснимков;

• монтаж фотоплана;

• оценка точности изготовления фотопланов.

Изготовление ортофотопланов может выполняться по нескольким технологиям в зависимости от конкретных условий производства.

Ц

Оценка качества (по контрольным точкам)

ифровое трансформирование фотоснимков является логическим развитием метода ортофототрансформирования. Различают два способа цифрового трансформирования: цифровое трансформирование всего снимка и цифровое ортофототрансформирование.

Цифровое трансформирование заключается в преобразовании массива трехмерной цифровой информации (координат x, y и оптических плотностей точек) изображения исходного снимка в трансформированную информацию соответствующую горизонтальному снимку заданного масштаба.

При его осуществлении координаты идентичных точек исходного и трансформированного фотоснимков находятся во взаимно однозначном соответствии, которое может быть выражено с помощью формул коллинеарного соответствия:

;

;

; ,

где

-координаты горизонтального фотоснимка;

-координаты точек исходного фотоснимка;

- координаты точек трансформированного снимка;

-фокусное расстояния исходного снимка;

-компоненты матрицы ориентирования в геодезической системе координат;

-масштабный коэффициент.

Из анализа формул следует, что для непосредственного решения задачи перспективного трансформирования фотоснимков требуется знание их элементов внутреннего и внешнего ориентирования.

На практике реализация такого решения стала возможной в результате обработки прибора аналитического трансформатора предложенного проф. А.Н. Лобановым и д.т.н. И.Г. Журкиным.

Этот способ применяется тогда, когда смещение точек, вызванное рельефом местности, не превышают допустимых значений, то есть при трансформировании плоскоравнинных территорий. В этом случае трансформирование сводится к исправлению изображения за угол наклона и приведение его к заданному масштабу.

Цифровое ортотрансформирование заключается в преобразовании по элементарным участкам исходного цифрового снимка в трансформированное цифровое изображение. Размеры элементарных участков цифрового трансформированного снимка определяются плотностью узлов ЦМР и зависят от характера рельефа и требований к точности создания цифрового фотоплана.

Из определения перспективного трансформирования следует, что получение трансформированного фотоснимка в требуемом масштабе основано на применении перспективного и масштабного преобразований, совместное действия которых можно выразить следующей формулой:

,

где

-поточечный перенос изображения исходного фотоснимка;

-Общее масштабное преобразование трансформированного фотоснимка.

Из нее видно, что в пределах текущего элементарного участка геометрических преобразований не производится. Приведение получаемого трансформированного фотоснимка к заданному масштабу обеспечивается последующим общим масштабным преобразованием его изображения.

Процесс цифрового трансформирования фотоснимков осуществляется прямым и обратным методом.

В прямом методе направление движения измерительной информации совпадает с направлением при преобразовании координатных систем.

В обратном методе трансформирования движение вычислительной и измерительной информации противоположно по направлению:

При сканировании трансформируемого фотоснимка производится формирование исходной матрицы координат пикселей и оптических плотностей.

3. Экспериментальные работы. Ортотрансформирование снимков в программном комплексе OrthoPhotoSDS

Цифровое ортотрансформирование снимков выполнялось в программном комплексе OrthoPhotoSDS 2.0, созданном на кафедре Фотограмметрии и дистанционного зондирования СГГА.

1. Ввод исходных данных. Этот процесс включает в себя загрузку левого и правого снимков стереопары и ввод паспортных данных аэрофотоаппарата в сертификаты левого и правого снимков.

Рисунок 7 - Сертификаты левого и правого снимков.

2. Внутренне ориентирование. Выполняется путём снятия отсчётов на координатные метки на левом и правом снимках.

Рисунок 8 - Внутреннее ориентирование левого и правого снимков.

3. Взаимное ориентирование снимков. Выполняется по двенадцати точкам в стандартных зонах. После измерения координат всех ориентирных точек выполняются вычисления (определяются элементы взаимного ориентирования по условию компланарности). На основе полученных результатов выполняется редактирование измерений на точках, остаточный поперечный параллакс на которых превышает допуск, затем измерения и вычисления повторяются до тех пор, пока величина остаточного поперечного параллакса не станет допустимой.

Рисунок 9 - Взаимное ориентирование.

4. Внешнее ориентирование модели. Выполнялось по 8 опорным точкам, замаркированным на снимках. Одновременно с измерением координат опорных точек в программе создаётся каталог геодезических координат. В процессе внешнего ориентирования была отключена точка 427 и исключены четыре точки по причине плохого распознавания.

Рисунок 10 - Внешнее ориентирование.

Рисунок 11 - Каталог геодезических координат

5. Создание цифровой модели рельефа.

Цифровая модель рельефа, ЦМР - средство цифрового представления 3x-мерных пространственных объектов (поверхностей, рельефов) в виде трехмерных данных как совокупности высотных отметок или отметок глубин и иных значений аппликат (координаты Z) в узлах регулярной сети с образованием матрицы высот, нерегулярной треугольной сети (TIN) или как совокупность записей горизонталей (изогипс, изобат) или иных изолиний.

В данном случае была создана нерегулярная ЦМР, содержащая порядка 250 точек. После измерения координат выполнялось редактирование измерений с целью устранения ошибок опознавания (аналогично предыдущим процессам).

Рисунок 12 - Цифровая модель рельефа до редактирования

Рисунок 13 - Цифровая модель рельефа после редактирования.

6. Визуализация ЦМР. Построение горизонталей и поверхности. В результате этого этапа были получены растровое изображение визуализации ЦМР и векторное изображение в виде горизонталей.

Рисунок 14 - Растровое изображение ЦМР.

На изображениях наблюдается несоответствие полученной ЦМР и действительного рельефа местности. Это вызвано недостаточным количеством пикетов вдоль прибрежной линии водных объектов.

7. Ортотрансформирование снимков.

Ортотрансформированием называется процесс исправления снимков за углы наклона и за рельеф, а также приведение их к заданному масштабу.

Результатом построения ЦМР будут геодезические координаты всех точек модели. По этим координатам, а также полученным из построения модели элементам внешнего ориентирования, вычисляются координаты точек на ортотрансформированном снимке.

Рисунок 15 - Параметры трансформирования

Рисунок 16 - Графическое представление зоны ортотрансформирования.