Способ создания ортофотопланов по материалам аэровидеосъемки

 

Изобретение относится к области фотограмметрии. Способ создания ортофотопланов по материалам аэровидеосъемки включает выполнение аэровидеосъемки, преобразование аналогового видеофильма в цифровой вид или запись цифрового видеофильма на компьютер, создание электронного накидного монтажа, редактирование электронного накидного монтажа и проектирование блоков фототриангуляции, измерение стереопар и отбраковку ошибочных данных, построение и уравнивание блоков фототриангуляции, регистрацию снимков и формирование ортофотоизображений, монтаж ортофотопланов. Электронный накидной монтаж создают путем ориентирования очередного кадра относительно всех перекрывающихся и ранее обработанных изображений. Проектирование блоков фототриангуляции выполняют автоматически с использованием всех геометрических связей, удовлетворяющих заданным критериям. Построение и уравнивание блоков фототриангуляции выполняют с автоматической отбраковкой ошибочных данных. Технический результат состоит в повышении производительности технологических процессов создания ортофотопланов, совершенствовании процесса проектирования и уравнивания блоков триангуляции. 2 ил.

Изобретение относится к области фотограмметрии. Известен способ создания ортофотопланов по материалам аэровидеосъемки, включающий калибровку видеокамеры, выполнение аэровидеосъемки, преобразование аналогового видеофильма в цифровой вид или запись цифрового фильма на компьютер, проектирование фототриангуляционных блоков, измерение координат соответственных точек стереопар, идентификацию и измерение связующих точек смежных стереопар, построение и уравнивание блоков фототриангуляции, создание цифровой модели рельефа (ЦМР), ортофототрансформирование снимков с учетом (ЦМР), монтаж и оформление ортофотопланов [1].

Способ имеет ряд недостатков.

1. Необходимость калибровки видеокамеры. Калибровка видеокамеры производится с целью определения элементов внутреннего ориентирования и остаточной дисторсии оптической системы. В данном способе эта операция необходима, так как обработка снимков выполняется по алгоритмам перспективной фотограмметрии, требующим высокоточного их определения. Привязка к калибровочным данным не позволяет изменять увеличение оптической системы камеры в процессе съемки.

2. Трудоемкость аэросъемочных работ. Из-за малой разрешающей способности видеоизображения съемку выполняют приблизительно в масштабе плана с малых высот по прямолинейным маршрутам с захватом узкой полосы местности, что приводит к большому количеству перекрывающихся маршрутов и, следовательно, к большим затратам летного времени.

3. Необходимость использования связующих точек в смежных стереопарах требует привлечения оператора для выбора таких точек, что ограничивает возможности автоматизации процесса фототриангуляции.

4. Необходимость создания ЦМР. Создание ЦМР является одной из самых сложных и трудоемких операций. Для создания ортофотоснимка создавать ЦМР не обязательно, достаточно иметь модель плановых смещений точек на снимке, вызванных влиянием рельефа местности.

Наиболее близким к заявляемому является способ создания ортофотопланов по материалам аэровидеосъемки, включающий выполнение аэровидеосъемки, преобразование аналогового видеофильма в цифровой вид или запись цифрового фильма на компьютер, создание электронного накидного монтажа, редактирование монтажа и проектирование блоков фототриангуляции, измерение стереопар и отбраковку ошибочных данных, построение и уравнивание блоков фототриангуляции, регистрацию снимков и формирование ортофотоизображений, монтаж ортофотопланов [2].

Недостатками способа являются:

1. Создание накидного монтажа выполняют путем анализа перекрытия между двумя последовательными снимками видеофильма, что часто приводит к недопустимым погрешностям монтажа. Редактирование монтажа в этом случае должен выполнять оператор.

2. Проектирование блоков триангуляции выполняют операторы в интерактивном режиме. Точность и надежность фотограмметрических построений при этом полностью зависит от опыта оператора.

3. Качество измерения стереопар анализируют в каждом маршруте отдельно. Автоматическая отбраковка ошибочных измерений в пределах триангуляционного блока отсутствует.

Таким образом, технологические процессы по фотограмметрической обработке материалов аэровидеосъемки выполняют в отдельных технологических этапах, в которых значительный удельный вес занимают неавтоматизированные операции, требующие вмешательства оператора.

Задачей изобретения является:

- повышение производительности технологических процессов создания ортофотопланов по материалам аэровидеосъемки за счет совершенствования методики формирования электронного накидного монтажа;

- совершенствование процесса проектирования и уравнивания блоков триангуляции.

Поставленная задача осуществляется посредством того, что в способе создания ортофотопланов по материалам аэровидеосъемки, включающем выполнение аэровидеосъемки, преобразование аналогового видеофильма в цифровой вид или запись цифрового видеофильма на компьютер, создание электронного накидного монтажа, редактирование электронного накидного монтажа и проектирование блоков фототриангуляции, измерение стереопар и отбраковку ошибочных данных, построение и уравнивание блоков фототриангуляции, регистрацию снимков и формирование ортофотоизображений, монтаж ортофотопланов, электронный накидной монтаж создают путем ориентирования очередного кадра относительно всех перекрывающихся и ранее обработанных изображений, проектирование блоков фототриангуляции выполняют автоматически с использованием всех геометрических связей, удовлетворяющих заданным критериям, построение и уравнивание блоков фототриангуляции выполняют с автоматической отбраковкой ошибочных данных.

Заявленный способ осуществляется следующим образом

Аэросъемку производят с большой высоты и с большим увеличением изображения. Увеличение изображения достигают за счет увеличения фокусного расстояния камеры (трансфокация изображения). При этом проектирование изображения происходит через центральную часть объектива, практически свободную от влияния дисторсии. Широкую полосу местности захватывают за счет качания видеокамеры в вертикальной плоскости, перпендикулярной направлению полета со скоростью и амплитудой, обеспечивающей необходимые перекрытия изображений. Траектория такого движения оптической оси видеокамеры поясняется графическими материалами на фиг.1 (вид сверху) и фиг.2 (вид спереди). Основными параметрами аэровидеосъемки являются: высота полета (Н), масштаб аэровидеосъемки, амплитуда колебания камеры (А), угловая скорость перекладки камеры (ω) и ширина полосы съемки на местности (d_y). Параметры съемки рассчитывают исходя из величины допустимого перекрытия снимков при заданной скорости полета и частоте кадров. Пусть Р_x и Р_y - минимально допустимое перекрытие снимков соответственно в направлении полета и в направлении, перпендикулярном направлению полета, В_x и В_y - расстояния между проекциями главных точек снимков в соответствующих направлениях, V_x - скорость полета, L_x и L_y - длины сторон видеокадра на местности, n - частота кадров. Тогда:

Преобразование аналогового видеофильма в цифровой вид или запись цифрового фильма на компьютер производят с помощью стандартных устройств - видеобластеров и прилагаемых к ним программ.

Создание электронного накидного монтажа выполняют по программе автоматического совмещения изображений. Для этого задают параметры совмещения, включающие допустимое минимальное перекрытие снимков, частоту следования кадров (каждый кадр, через один и т.д.), допустимый взаимный угол разворота смежных снимков, номер начального и конечного кадра обрабатываемого фрагмента видеофильма. Цифровой видеофильм автоматически считывают и определяют перекрытие каждого последующего кадра с предыдущими кадрами на основе анализа композиции цветов смежных кадров путем конформного преобразования очередного кадра относительно всех перекрывающихся изображений. В результате находят плановые координаты центральной точки кадра, угол поворота и масштаб текущего кадра относительно предыдущих кадров. Формируют изображение кадра и записывают в компьютер в растровом формате. Создают файл с записью параметров предварительного ориентирования каждого кадра в общей системе координат. Надежность совмещения достигают за счет того, что положение последующих кадров определяют не только относительно предыдущего кадра, но и относительно нескольких ранее совмещенных кадров, с которыми имеется перекрытие.

Проектирование блоков триангуляции выполняют автоматически с использованием всех геометрических связей, удовлетворяющих заданным критериям по программе "Проектировщик". Для этого считывают файл параметров предварительного ориентирования кадров и находят пары кадров, имеющие заданное перекрытие. Из последовательности кадров, соответствующей порядку следования снимков в фильме, составляют основной маршрут. Все остальные стереопары, сформированные из снимков основного маршрута, считают независимыми маршрутами. Информацию о структуре блоков, составленных из маршрутов и стереопар, а также параметры предварительного ориентирования кадров записывают в таблицу триангуляции.

Измерение стереопар производят по программе автоматической фототриангуляции. Информацию о структуре блока считывают из таблицы триангуляции, последовательно находят общие точки на стереопарах и выполняют измерение их координат с помощью автоматического коррелятора. Обработка каждой стереопары выполняется в три этапа. На первом этапе используются параметры предварительного ориентирования снимков, с помощью которых находят смещения точек “правого” кадра относительно точек “левого” кадра. На втором этапе изображения кадров, составляющих стереопару, уменьшают и преобразуют из 24-битовой палитры в 8-битовую, находят 120 общих начальных точек, равномерно расположенных по площади перекрытия кадров, отыскивают общие начальные точки на смежных кадрах, используя алгоритм, основанный на анализе разностей цветов и корреляционных коэффициентов в заданной зоне стереопары. На третьем этапе координаты начальных точек переводят в систему координат исходных изображений, по полученным координатам общих начальных точек уточняют предварительные параметры проективного преобразования координат точек левого кадра в систему координат точек правого кадра, создают на левом снимке сеть точек с заданным шагом, последовательно находят изображения точек левого кадра на правом кадре и записывают их координаты.

Блок триангуляции строят способом блочного трансформирования снимков [3] в следующей последовательности:

а. Вычисляют приближенные параметры трансформирования всех кадров блока в систему координат начального кадра.

b. Уравнивают параметры трансформирования с учетом всех фотограмметрических связей каждого кадра.

с. Выполняют отбраковку ошибочных измерений робастным способом [4].

d. Уточняют параметры трансформирования кадров путем повторного уравнивания.

е. Рассчитывают и вводят поправки за влияние рельефа местности. Отбраковка ошибочных измерений выполняется робастным методом [4]. Он основан на введении весов уравнений, которые зависят от величины поправок измерений. Отбраковка выполняется в три этапа. На первом этапе (первая итерация) вычисляются поправки и ошибка единицы веса. На втором этапе (вторая и третья итерации) вводятся веса таким образом, чтобы на первоначальное определение неизвестных точки с грубыми ошибками не оказывали никакого влияния. В этом случае иногда бракуются и некоторые хорошие измерения из-за того, что начальные приближения неизвестных отличаются от искомых величин на первых двух итерациях. Поэтому на третьем этапе (третья и последующие итерации) вводятся веса, позволяющие избежать отбраковки хороших измерений. Метод определяет именно то измерение, которое содержит грубую ошибку и вычисляет истинную величину этой ошибки.

Представляемый способ проверен при создании ортофотопланов на территорию Омского государственного аграрного университета. Оценка производилась путем сравнения цифровых ортофотопланов масштаба 1:2000, построенных по материалам аэровидеосъемки с цифровым кадастровым планом масштаба 1:1000, составленным в ГУДП “Сибземкадастрсъемка” по материалам аэрофотосъемки 1994 г. Аэровидеосъемка была выполнена в 1998 г. с самолета АН-2, с высоты 500 м, при скорости 150 км/час, с шестикратной трансфокацией объектива видеокамеры. Цифровые ортофотопланы были созданы заявляемым способом. Для плановой привязки использовались четкие контурные точки кадастрового плана. Ортофотоплан был совмещен с кадастровым планом по 12 опорным точкам. Средняя квадратичная погрешность совмещения ортофотоплана составила 0.35 м. Оценка точности производилась по расхождениям координат контурных точек кадастрового плана и соответствующих им точек ортофотоплана. Для блока, состоящего из 30 стереопар основного маршрута и 20 связующих маршрутов, было выбрано 42 контрольные точки. Средние квадратичные плановые смещения контрольных точек составили 0.8 м, что соответствует нормативной точности планов масштаба 1:2000.

Совершенствование методики создания электронного накидного монтажа и автоматизация проектирования блоков триангуляции позволяют до 50% снизить затраты ручного труда на данном технологическом этапе. Введение операции автоматической отбраковки грубых измерений при построении и уравнивании блочной триангуляции позволило в 4-5 раз сократить время поиска и устранения влияния некачественных измерений.

Способ может использоваться для создания и оперативного обновления контурных планов застроенных территорий, при съемке трасс линейных сооружений и инженерных объектов, при построении фронтальных планов фасадов зданий и сооружений, при съемке интерьеров зданий, при проектировании объектов и обустройстве территории городов и поселков. По данной технологии выполнено обновление кадастровых планов поселений масштаба 1:2000 в Омской области на общей площади 1100 га, в Республике Хакасия - 1600 га, в Ханты-Мансийском АО - 1000 га, в Красноярском крае - 1400 га. Выполнено создание фотопланов фасадов двух многоэтажных зданий в г. Омске.

Источники информации

1. Гельман Р.Н., Никитин М.Ю., Констандогло Ю.В. Аэровидеосъемка: области применения, методика фотограмметрической обработки//Геодезия и картография, 1999, - № 1, с.39-43.

2. Макаров А.П., Быков Л.В. Опыт и перспективы обновления кадастровых планов с применением материалов аэровидеосъемки местности//Информационный бюллетень ГИС ассоциации, 2001, № 2(29)-3(30), с.7-9 (прототип).

3. Быков Л.В., Макаров А.П., Малявский Б.К. Способ ориентирования пары снимков//Патент № 2177603.

4. Чибуничев А.Г., Михайлов А.П., Егорова О.И. Робастный метод отбраковки грубых ошибок в фотограмметрических измерениях//Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1992, № 2.

Формула изобретения

Способ создания ортофотопланов по материалам аэровидеосъемки, включающий выполнение аэровидеосъемки, преобразование аналогового видеофильма в цифровой вид или запись цифрового видеофильма на компьютер, создание электронного накидного монтажа, редактирование электронного накидного монтажа и проектирование блоков фототриангуляции, измерение стереопар и отбраковку ошибочных данных, построение и уравнивание блоков фототриангуляции, регистрацию снимков и формирование ортофотоизображений, монтаж ортофотопланов, отличающийся тем, что электронный накидной монтаж создают путем ориентирования очередного кадра относительно всех перекрывающихся и ранее обработанных изображений, проектирование блоков фототриангуляции выполняют автоматически с использованием всех геометрических связей, удовлетворяющих заданным критериям, построение и уравнивание блоков фототриангуляции выполняют с автоматической отбраковкой ошибочных данных.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2