3. Цифровые карты (планы)
В настоящее время по аэро-, наземным и космическим снимкам карты (планы) создаются, хранятся, обновляются и передаются пользователям в цифровой форме. Прежняя графическая форма карт (планов) используется по просьбе пользователя или по другим причинам. Конечной продукцией, кроме цифровой карты (плана), может быть цифровой фотоплан и цифровая фотокарта, у которой информация в векторном виде наложена на растровое изображение. Также по снимкам создаются цифровые модели рельефа (ЦМР) и цифровые модели местности (ЦММ).
Цифровая карта, как и ее предшественница «бумажная карта», является моделью местности, объекты которой по координатам поворотных точек записаны в цифровом виде по определенным правилам. С одной стороны - это правила отображения графических объектов с определенными топологическими связями (точки, линии, полигоны, и т.д.), с другой стороны - это отображение объектов по правилам, которые предписывает классификатор (дома, дороги, леса, реки и т.д.).
Согласно [4]: Цифровая карта (ЦК) - цифровая картографическая модель, содержание которой соответствует содержанию карты определенного вида и масштаба.
В [5] дается определение цифровой модели местности, как множества, элементами которого являются топографо-геодезическая информация о местности и правила обращения с ней.
Оба понятия «цифровая карта» (ЦК) и «цифровые модели местности» (ЦММ) практически тождественны, с тем только отличием, что первый четко определяет содержание «модели» и показывает «картографическое» происхождение определения, а второй имеет претензию на более широкое толкование.
В [6] определена классификация цифровых карт по содержанию и назначению, например: цифровая топографическая карта, цифровая кадастровая карта, цифровая авиационная карта и др. Цифровая карта является основным продуктом картографического производства. Для ее создания, обновления, манипулирования с ней - решения картометрических задач, проектирования и т.д. используются автоматизированные картографические системы (АКС) и географические информационные системы (ГИС). Цифровая карта является базовой информационной основой ГИС и это новое качество существенно изменяет и расширяет области использования картографической продукции.
В начальный период перехода от «бумажной» карты к цифровой состоял в оцифровке картографических произведений на твердом носителе (бумага, пластик, разделенные копии на алюминиевой основе). Непродолжительное время для этого использовались дигитайзеры, сейчас твердые копии сканируют на планшетном или барабанном сканере, а затем оцифровывают (векторизуют) в различных графических редакторах, работающих с растрами.
В настоящее время основными способами создания и обновления (актуализации) ЦК являются:
- наземная тахеометрическая съёмка,
- наземная съёмка с использованием спутниковых систем глобального позиционирования,
- фотограмметрическая обработка данных аэрокосмической фотосъёмки,
- обработка данных воздушного лазерного сканирования.
Очевидно, что перечисленные выше способы создания и обновления ЦК используются, как самостоятельно, так и в комбинации, что обусловлено выбором оптимальной технологии.
Принадлежность цифровой карты к ГИС привела к тому, что перечисленные способы создания ЦК стали называть сбором пространственных данных.
Программной средой создания и обновления ЦК могут быть специализированные программы обработки пространственных данных (например - лазерного сканирования или тахеометрической съёмки), автоматизированные картографические системы, географические информационные системы, цифровые фотограмметрические системы (ЦФС). Наблюдается тенденция на интеграцию функциональных возможностей различных систем, например ЦФС с ГИС, как система сбора пространственных данных и манипулирования ими.
Цифровые карты позволяют создавать банки цифровой топографической и картографической информации, которая может быть использована многократно, полностью или частично по мере надобности.
4. Цифровая фотограмметрическая система
В конце 20 века появление компьютеров с большими объёмами памяти и быстродействием, достижения в области компьютерной графики и цифровых методов записи изображений привели к созданию нового типа фотограмметрической техники - цифровой фотограмметрической системы (ЦФС), заменившей к началу 21 века оптико-механические и аналитические приборы.
ЦФС - это аппаратно-программный комплекс, предназначенный для фотограмметрической обработки аэрокосмической и наземной фотосъёмки. «Цифровой» фотограмметрическую систему назвали в связи с тем, что на ней обрабатываются изображения, представленные в цифровом виде. В ЦФС измеряют следующие снимки:
- кадровые аналоговые снимки, полученные на фотоплёнке в фотокамере и переведённые в цифровую форму на фотограмметрическом сканере;
- кадровые цифровые снимки, полученные цифровой фотокамерой;
- цифровые сканерные изображения, полученные аэро или космической сканерной системой;
- радиолокационные изображения, полученные радиолокаторами бокового (РЛБО) и кругового обзоров (РЛКО).
В данном методическом пособии рассматривается фотограмметрическая обработка только первых двух видов снимков.
Первые ЦФС появились в 80-х гг. прошлого века с появлением достаточно производительных персональных компьютеров и пришли на смену аналитическим фотограмметрическим приборам. Главным фактором перехода к цифровым системам является возможность автоматизации широкого круга задач фотограмметрической обработки снимков, полученных различными съёмочными системами: оптическими, оптико-механическими, оптико-электронными.
Внешне ЦФС (обобщённая блок-схема показана на рис. 1) отличается от персонального компьютера только наличием наблюдательной системы для стереоскопического наблюдения (см. с. 23-25), а для наведения измерительной марки на снимок или пространственную модель объекта кроме «мыши» могут быть использованы специальные манипуляторы, например: штурвалы, трекбол, специальные курсоры. Во всех системах наведение марки на точку выполняется как непосредственно оператором, так и с использованием коррелятора.
Функциональные возможности ЦФС определяются развитием ее программной составляющей, которая для решения широкого круга задач фотограмметрической обработки аэрокосмической и наземной фотосъёмки должна обеспечивать выполнение следующих процессов: фототриангуляция для блока снимков, стереовекторизация контурной части карты и каркасов для 3D-моделей зданий и сооружений, создание оригинала рельефа и других форм цифровой модели рельефа, создание фотоплана, векторизация по фотопланам.
В России среди систем широкого профиля используются отечественные ЦФС: «Талка», «Фотомод», украинская система «Дельта», известная в России под названием - ЦФС ЦНИИГАиК, зарубежные системы «Inpho» (Германия), «I/S-Intergraph», «DPW-Helava» (США) и др. Кроме названных систем существуют специализированные системы, которые предназначены для решения задач обработки только космических данных или применительно к решению задач прикладной фотограмметрии, например архитектуры.
Основными тенденциями развития ЦФС являются: автоматизация процессов измерения в фототриангуляции, построения ЦМР и ортофотопланов, интеграция с ГИС, совершенствование программ трехмерного моделирования.
5. Стереопара и стереоскопическая модель
Использование восприятия человеком глубины при наблюдении и измерении снимков основано на том, что снимки построены по тем же законам перспективной, центральной проекции, что и изображения на сетчатках глаз. Два снимка, на которых изобразился один и тот же объект, называют стереоскопической парой или сокращённо стереопарой.
П редположим, что из двух точек SЛ и SП (рис. 2), отстоящих друг от друга на расстоянии, равном глазному базису bГ, были получены снимки РЛ и РП фотокамерой с фокусным расстоянием f, равным расстоянию наилучшего зрения d0. Если эти снимки установить перед глазами человека в такие же положения, в которых они находились во время съёмки, то точки снимков, являющиеся изображениями точек (М, N) объекта, спроектируются на сетчатки глаз (m, n и m', n') человека так, как будто он наблюдает этот объект. Разные отстояния точек M и N вызывают взаимные смещения их изображений на снимках. Эти смещения (m'n') при рассматривании снимков преобразуются в физиологические параллаксы , по величине и знаку которых головной мозг строит объёмный образ сфотографированного объекта. Наблюдаемое объёмное изображение называют стереоскопической моделью или стереомоделью. Изображения точки объекта на левом и правом снимках называют соответственными точками. Например, изображения точки М - точки m и m', а изображения точки N - точки n и n'.
Реальные условия получения снимков не соответствуют параметрам зрения человека. В результате стереомодель не будет подобна сфотографированному объекту. Её вертикальный масштаб 1:mB будет отличаться от горизонтального масштаба 1:m. Соотношение между масштабами определяется формулой:  . Например, при фокусном расстоянии фотокамеры f = 100 мм стереомодель будет вытянута вверх в 2,5 раза, а при f = 350 мм будет сжата в 0,7 раз. Изменение увеличения наблюдательной системы не изменяет этот коэффициент, т.к. оно одновременно изменяет как горизонтальный, так и вертикальный масштабы. В то же время вытягивание рельефа на стереомодели облегчает его восприятие, а также съёмку рельефа.
Другой особенностью стереомодели является то, что она вытягивается в сторону наблюдателя при перемещении головы человека влево-вправо относительно стереопары. Удаление (приближение) стереопары к глазам наблюдателя вызывает растяжение (сжатие) стереомодели. Небольшие развороты снимков относительно друг друга и относительно глаз человека приводят к наклонам и разворотам стереомодели в пространстве. Имеющиеся на снимках смещения точек, вызванные наклонами снимков и другими причинами, приводят к деформации стереомодели. Суммируя сказанное, нужно отметить, что стереомодель не является строгим подобием сфотографированного объекта. Однако из-за того, что на плановых снимках смещения точек, вызванные разными источниками, имеют сравнительно малые величины, наблюдаемая по этим снимкам стереомодель даёт, в целом, верное представление о рельефе местности.
Кроме термина стереомодель, используют другой термин - стереоэффект. Различают прямой, обратный и нулевой стереоэффекты. Прямой стереоэффект возникает при рассматривании левого снимка левым глазом, а правого - правым (рис. 3, а, перекрывающиеся части снимков покрыты сетчатым полем). Если снимки поменять местами (рис. 3, б), то физиологические параллаксы поменяют знак, и будет наблюдаться обратный стереоэффект, т.е., например, возвышенности будут восприниматься как углубления. Если оба снимка повернуть на 900 и сместить вверх-вниз относительно друг друга (рис. 3, в), то будет наблюдаться нулевой стереоэффект, т.е. два плоских изображения сольются в одно плоское. Это объясняется тем, что вдоль глазного базиса установятся ординаты точек, разности которых вызываются разными положениями снимков в пространстве, а не рельефом местности.
Измерения стереопары выполняют при прямом стереоэффекте. Обратный стереоэффект можно использовать при измерении узкой глубокой долины. В этом случае дно долины будет восприниматься как водораздел и чисто психологически марку будет легче наводить на него.
6. Условия получения стереопары и
способы наблюдения стереомодели
Для получения стереопары нужно выполнить два условия.
1. Снимки должны быть получены из разных точек пространства.
Условие является обязательным для получения измерительного стереоизображения.
2. Разномасштабность снимков не должна быть более 16%.
Если на фотограмметрическом приборе можно изменять масштабы изображений каждого снимка стереопары независимо друг от друга, то это условие не является обязательным.
Для наблюдения объёмного изображения по стереопаре нужно выполнить два условия.
1. Каждый глаз должен рассматривать только один снимок.
2. Снимки необходимо развернуть в своих плоскостях так, чтобы линии, соединяющие соответственные точки на обоих снимках, были параллельны глазному базису.
Чтобы выполнить условие 1, используют следующие способы.
Оптический способ основан на рассматривании снимков через оптические системы. Простой оптической системой является зеркально-линзовый стереоскоп, который можно использовать и при обработке снимков на компьютере. В этом случае стереоскоп устанавливают перед экраном, на который одновременно выводят оба снимка: левый снимок - на левую половину экрана, а правый снимок - на правую половину.
Принцип анаглифического способа был публикован в 1853 г. В.Рольманом, но только в 1858 г. Дж.Д'Альмейде продемонстрировал получение объёмного изображения этим способом, а в 1891 г. Луи Дукас дю Орон изготовил первые стереооткрытки.
Снимки проектируют на экран одновременно, но в разных цветах: левый снимок - в красном цвете, а правый снимок - в сине-зелёном. Наблюдатель надевает очки, у которых перед левым глазом установлен красный светофильтр, а перед правым глазом - сине-зелёный. В результате каждый глаз будет видеть снимок с соответствующей окраской, и оператор будет наблюдать объёмное изображение. Недостатки способа: 1) наличие очков; 2) светофильтры должны быть тщательно подобраны по частотным характеристикам как между собой, так и с соответствующими изображениями на экране. Если это не соблюдается, то каждый глаз видит слабое изображение соседнего снимка; 3) потери света в светофильтрах; 4) при наблюдении цветных снимков происходит искажение цветовой гаммы. Способ используют при обработке снимков на ЦФС.
Способ чередования снимков (предложен Д'Альмейде в 1858 г.) основан на поочередном проектировании снимков на экран. С такой же частотой синхронно открывается левая или правая ветви наблюдательной системы. Для рассматривания стереоизображения применяют затворные очки с жидкокристаллическими фильтрами. Недостатки способа: 1) наличие очков; 2) потеря света в фильтрах. Этот способ используется при обработке снимков на ЦФС.
Поляроидный способ (предложен Ж.Андертоном в 1891 г.) основан на том, что снимки проектируют на экран одновременно через поляроидные светофильтры с углом поляризации между ними, равным 900. Наблюдатель надевает очки с поляроидными светофильтрами и с таким же углом поляризации. Недостатки способа: 1) наличие очков; 2) потеря света в поляроидах составляет 50%; 3) при отражении от экрана может происходить частичная деполяризация, что ухудшает стереоизображение. Данный способ используют при обработке снимков на ЦФС, но для этого применяют специальный монитор, у которого имеются два жидкокристаллических экрана, расположенных под 900 друг к другу. На каждый экран выводится один из снимков стереопары, но в поляризованном под 900 свете относительно друг друга. Между экранами расположена под углом 450 к каждому экрану полупрозрачная стеклянная пластина, которая позволяет оператору наблюдать оба изображения через поляроидные очки.
При растровом способе, предложенном Бертье и Лизегангом в 1896 г., два снимка проектируют на экран, составленный из линз цилиндрической формы. Оптические лучи, несущие изображения левого и правого снимков, отражаются противоположными гранями линз и попадают в соответствующий глаз наблюдателя. Недостатки способа: 1) из-за интерференции световых лучей нарушается равномерность освещения по полю стереоизображения; 2) ограничение размеров стереоизображения. Данный способ используют при безочковом просмотре стереокинокартин, а также при изготовлении объёмных открыток. В фотограмметрии этот способ не нашел применения.
|
