Некоторые аспекты совершенствования технологий создания и обновления кадастровых планов фотограмметрическим методом

Проведение земельной реформы в Российской федерации, необходимость учёта, инвентаризации и кадастровой оценки земель, мониторинга территорий, появление и развитие рынка недвижимости, выявление экологических нарушений обусловливают необходимость получения многоплановой информации о Земле и её поверхности. Её получение осуществляется различными методами: наземными и по материалам аэрои космических съемок. При крупномасштабном картографировании больших территорий используют материалы аэрофотосъёмки, применение которых оправдано экономически: меньшая стоимость единицы продукции по сравнению с наземными методами, сокращение сроков производства работ и трудозатрат.

С начала 90-х годов в нашей стране началась и к настоящему времени практически закончилась реконструкция аэрофотогеодезического производства. Произошёл переход к созданию картографической продукции методом цифровой фотограмметрии. Метод цифровой фотограмметрии имеет ряд преимуществ, определивших его широкое применение:

— фотограмметрическая обработка снимков производится на основе строгих реализаций зависимостей координат точек снимка и местности,.

— более точно учитываются факторы, нарушающие условие коллинеарности, возникающие при получении снимковхранение информации в цифровом виде позволяет импортировать её в другие картографические программы и ГИС;

— использование менее дорогих технических средств для создания картографической продукции и т. п.

Для создания базовых планов и карт в основном применяют стереофотограмметрическую обработку снимков, но также используется и обработка одиночных снимков. Существующие технологии изготовления планово-картографической продукции имеют различные варианты, позволяющие учитывать технические требования со стороны заказчика, особенности исходных материалов аэрофотосъёмки, техническую и кадровую обеспеченность предприятия-исполнителя, финансовые возможности заказчика и т. п.

Исследования, выполненные в данной диссертационной работе, направлены на усовершенствование некоторых технологических процессов на основе анализа геометрических свойств аэрофотоснимка. При этом определяющим тезисом являлось повышение точности конечных результатов, сокращение материальных затрат при создании базовых планов или их обновлении путём оптимизации технологии фотограмметрической обработки снимков. Поиск способов, минимизирующих материальные затраты, объясняется следующими соображениями.

Существующие технологии создания планово-картографического материала на основе стереофотограмметрической обработки снимков позволяют получать высокоточные результаты. Однако высокая стоимость фотограмметрических станций, программного обеспечения и периферии ограничивает возможность приобретения подобного оборудования. В первую очередь это относится к областным или районным земельным комитетам, где производится дежурное сопровождение (обновление) базовых и кадастровых планов, земельно-кадастровых информационных баз данных. При этом целесообразно использовать технологии, основанные на фотограмметрических преобразованиях одиночного снимка, как более экономичные.

Актуальность данной работы обусловлена:

— необходимостью применения метода цифровой фотограмметрии при организации учёта, инвентаризации и кадастра земель для широкого круга пользователей;

— существованием нерешённых теоретических вопросов фотограмметрической обработки снимков, имеющих практическое значение при создании (обновлении) базовых и кадастровых планов и карт, мониторинге земель;

— необходимостью повышения уровня автоматизации при оценке топографических и кадастровых изменений территорий.

Целью диссертационной работы является разработка рекомендаций для повышения метрической точности создаваемых базовых и тематических планов на основе исследований фотограмметрических преобразований одиночного снимка.

Для достижения поставленной цели в работе предполагается решение ряда задач, связанных с изучением технологических процессов цифровой фотограмметрии:

— разработка требований к параметрам аэрофотосъёмки застроенных территорий для возможного использования центральных частей снимков при создании планово-картографичесих материалов;

— исследование влияния взаимного расположения опорных точек на точность решения обратной фотограмметрической засечки;

— исследование возможности решения обратной фотограмметрической засечки, используя плановые координаты опорных точек;

— исследование аналитической модели рельефа при построении структурно-регулярной ЦМР по пикетам, с изменяющейся густотой их расположения на снимкеисследование влияния точности оконтуривания изображений объектов при векторизации на точность определения их площадей;

— исследование точности геометрического совмещения разновременных нетрансформированных снимков при их синтезировании.

Достоверность основных положений, выводов, рекомендаций сформулированных в диссертационной работе обеспечивается теоретическими расчетами, выполненными автором, а также обеспечивается достаточной выборкой результатов определений, использованием современных методов математической обработки результатов измерений, применением современной вычислительной техники. Для реализации некоторых исследований под руководством автора составлены модули программ фотограмметрической обработки снимков.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что на основании разработанных автором алгоритмов решения поставленных технологических задач фотограмметрической обработки снимков, впервые выполнены подобные теоретические и экспериментальные исследования. Используя математический аппарат, выведены формулы, определяющие аналитические связи геометрических свойств снимков. Предлагаемые в работе рекомендации направлены на повышение точности конечных результатов, при упрощении технологии получения метрической и семантической информации и снижении затрат.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы. В первой главе выполнен аналитический обзор технологий обработки одиночного снимка, рассмотрены основные процессы фотограмметрической обработки. Во второй главе исследованы способы ориентирования снимка, исследованы возможности повышения точности определения элементов внешнего ориентирования. В третьей главе исследованы вопросы размещения высотного обоснования для создания модели рельефа, обеспечивающей обработку одиночного снимка. В четвёртой главе выполнены теоретические и экспериментальные исследования влияния формы и размеров контуров при векторизации на точность определения их площадейисследован способ синтезирования разновременных^{трансформированных} снимков.

Заключение

.

В результате проведённых в диссертации работ автором исследованы аналитические зависимости геометрических свойств снимков от влияния различных факторов, выведены формулы, с помощью которых рассчитаны допустимые значения исследуемых величин.

1. На основе выполненных автором расчётов и исследований предлагается технология создания планов с использованием центральных частей снимков.

Изображение в центральной части снимка можно считать ортогональным, и поэтому можно ожидать уменьшение размеров «мёртвых зон». Величины перекрытий, определяющих размеры рабочей площади, будут лимитироваться допустимыми размерами «мёртвых зон» и параметрами фотографирования^Н и т.

Для выяснения этого вопроса была выведена формула зависимости радиуса г крута с центром в точке надира, в пределах которого ширина «мёртвой зоны» не превышает заданной величины на местности, от высоты здания Ь (м) и фокусного расстояния объектива { аэрофотоаппарата. Выполнены для различных случаев АФС расчёты значений продольных и поперечных перекрытий снимков, обеспечивающих возможность применения центральных частей снимков для создания планов застроенных территорий путём масштабирования снимков. Для этого предлагается проведение аэрофотосъёмки с фокусным расстоянием АФА 1000 мм, с продольным и поперечными перекрытиями рх=ру =70%. На основе расчетов так называемых «мёртвых зон», возникающих при съёмке высотных объектов в городах и поселениях, определены размеры центральных частей снимка, в пределах которых эти зоны минимальны. Использование центральных частей снимков позволяет сократить процесс досъёмки при полевом дешифрировании не изобразившихся объектов в «мёртвых зонах" — так как в предлагаемом варианте фотограмметрическая обработка сводится к масштабированию центральных частей снимка, то сокращаются объёмы работ по сплошной привязке снимков и затраты на их проведение, исключается процесс построения цифровой модели рельефа. Предполагаемый экономический эффект составит примерно 10% (расчёт выполнен по результатам обработки тестового участка).

Приведена блок-схема основных процессов предлагаемой технологии.

2.Исследован вопрос о влиянии взаимного расположения опорных точек на точность ориентирования снимка. Выполнены аналитические расчеты минимальных взаимных отстояний опорных точек для однозначного решения обратной фотограмметрической засечки. Выведена формула для расчёта предельно допустимого угла между проектирующими лучами на опорные точки. При углах засечки, находящихся в пределах 20°-160°, обеспечивается заданная СКО определения координат центра проекции (в данном случае не более 0,5м). Из приведённых результатов также понятно, что минимальный угол, образованный проектирующими лучами на опорные точки для заданных параметров, не должен быть менее 1116°. С использованием выведенной формулы определены расстояния между опорными точками при обработке фрагментов снимков, расположенных на различном удалении от главной точки, для случаев съёмки с различными фокусными расстояниями. Приведены результаты минимально допустимых расстояний между опорными точками для случая, когда средняя квадратическая ошибка положения центра проекции составит 1 м и минимально допустимый угол засечки равен 10°. В настоящее время наблюдается тенденция применения больших коэффициентов увеличения, что предполагает обработку небольших по площади участков снимков. В связи с этим выполненные автором исследования и полученные результаты могут быть учтены при размещении опорных точек. Например, в некоторых случаях при малых размерах обрабатываемого участка размещение опорных точек должно проводится не строго по периметру данного участка, а несколько дальше от его центра в соответствии с выведенной и приведённой выше формулой. 3. Разработан алгоритм и создан модуль программы использования плановых опорных точек для определения элементов внешнего ориентирования одиночных снимков. Используя известные классические уравнения поправок, автором выведено уравнение поправок применительно для решения обратной фотограмметрической засечки по плановым опорным точкам. Используя выведенное уравнение поправок составлена матрица коэффициентов при неизвестных ЭВО. Теоретически доказана обусловленность неопределённости внешнего ориентирования при использовании только плановых опорных точек. Теоретически и экспериментально доказана возможность решения обратной фотограмметрической засечки с использованием четырёх плановых и одной планово-высотной опорных точек. Это минимально допустимый набор опорных точек. Пять опорных точек такого сочетания дают возможность составить 10 уравнений с 10-ю неизвестными. Вычисленные элементы внешнего ориентирования сравнивались с полученными средними результатами при решении обратной фотограмметрической засечки классическим способом.

Расхождения по X, координат центра проектирования достигали 2 м.

В результате теоретических и экспериментальных исследований возможности использования плановых опорных точек при фотограмметрической обработке одиночных снимков, можно сделать следующие выводы:

— для определения ЭВО снимка возможно использование плановой опоры;

— для определения высотной координаты Zs центра фотографирования одна из опорных точек должна быть планово-высотной;

— желательно опорные точки располагать по углам рабочей площади снимка;

— опорная точка не должна находиться на расстоянии ближе Ш0 от главной точки снимка.

4.Предложена регулярноструктурная цифровая модель рельефа. В качестве схемы планового расположения высотных пикетов предлагается использовать радиально-кольцевую сеть треугольников, сгущающихся от точки надира к краям снимка. Произведённые расчёты выявили зону в центральной части снимка, в пределах которой смещения за рельеф не превосходят допустимого значения. Выведена формула для определения радиуса Я круга с центром в точке надира, внутри которого практически отсутствует влияние рельефа на смещение точек. Аналитическое трансформирование в этой зоне заменяется масштабированием. Представляется целесообразным цифровую модель рельефа аппроксимировать поверхностью сложного многогранника, каждой гранью которого является треугольник близкий к равностороннему. Каждый из этих треугольников предлагается использовать в качестве элементарной площадки, в пределах которой производится трансформирование на наклонную плоскость, задаваемую вершинами данного треугольника. При фотограмметрической обработке частота расположения пикетных точек и расстояния между ними будут определяться удалённостью изображения участка местности от точки надира. Выведена формула для расчёта расстояний между пикетными точками, используемыми для аппроксимации рельефа. Сторона равностороннего треугольника тем больше, чем меньше радиус зоны, в пределах которой он находится, чем больше фокусное расстояние аэрофотоаппарата и чем меньше угол наклона местности. Анализ полученных результатов показывает, что выбор пикетных точек должен производиться по заранее составленному проекту расположения зон и точек. Расположение точек в соответствии с результатами, полученными в данных исследованиях, позволит создать ЦМР близкой к реальному рельефу. Предлагаемое радиальнокольцевое размещение высотных пикетов позволяет создать модель рельефа регулярную по форме и структурную по содержанию. Регулярность следует из геометрически закономерного расположения узлов сети, а структурность обеспечена учётом влияния рельефа с заданной точностью. Алгоритм построения сети пикетов может быть использован как вариант при автоматизированном стереофотограмметрическом построении ЦМР, так как координаты узлов сети в системе координат снимка могут быть предвычислены.

5. Выполнен анализ возможности моделирования рельефа при фотограмметрической обработке фрагментов увеличенных снимков с помощью наклонной плоскости. Предложен алгоритм построения аналитической модели рельефа в виде наклонной плоскости. Выведена формула определения допустимого расхождения между высотами точки — практической и полученной аналитически. В результате исследования полученной функции на экстремум определены предельно допустимые расхождения высот, не влияющих на точность объединения (сшивки) соседних фрагментов снимка. По выведенным формулам вычислены допустимые расхождения при определении высот точки из моделей рельефа для смежных фрагментов в зависимости от фокусного расстояния АФА и масштаба создаваемого плана при обработке четвертей увеличенных снимков.

6. Исследован способ мониторинга ситуации на местности путём совмещения разновременных аэрофотоснимков. Предложена методика синтезирования^{трансформированных} разновременных снимков с целью визуального выявления изменений на местности. На основе геометрического анализа смещений точек снимка, вызванных углом наклона, выполнены расчёты предельно допустимых углов наклона синтезируемых разновременных снимков, значения которых практически не влияют на геометрическое совмещение изображений. Исследован вопрос влияния рельефа местности на точность совмещения изображений. Выведена формула, позволяющая определить допустимые превышения точек местности, при заданной геометрической точности синтезирования. Анализ полученных результатов позволяет сформулировать рекомендации с позиций фотограмметрии, которые могут быть учтены при выполнении новой аэрофотосъёмки: маршруты новой аэрофотосъёмки следует совмещать с маршрутами прежней съёмки (это упрощает и другие работы по обновлению карт) — при невозможности совмещения маршрутов следует увеличить продольные и поперечные перекрытия снимковдля новой съёмки использовать АФА с прежним значением фокусного расстояния.

7. Исследовано влияние формы и изрезанности границ контуров при векторизации изображений объектов на точность определения их площадей. Предложены критерии, учитывающие связь формы, изрезанности границ контура (периметра) и его площади. Погрешность определения площади за влияние точности оконтуривания изображения объекта зависит от его периметра и предельной погрешности опознавания и наведения курсора на поворотные точки границ участков и объектов на снимке. Относительная погрешность определения площадей объектов зависит от площади объекта и его конфигурации. Предложенный критерий оценки конфигурации объектов может быть использован для определения площадей объектов с заданной точностью. При этом сводится к минимуму погрешность, вызванная сложностью конфигурации изображения объекта. Получаемые в этом случае площадные характеристики объекта могут с большей вероятностью использоваться при мониторинге территорий.