Назначение и области применения цифрового трансформирования снимков

Трансформированием снимков может выполняться и цифровыми методами. Основными областями его применения являются топография и картография.

При создании и обновлении карт различного назначения по аэрокосмическим снимкам создаются трансформированные изображения местности в проекции карты. Эти изображения могут быть созданы по одиночным снимкам или по нескольким перекрывающимся снимкам. Цифровое трансформирование выполняется с точностью, соответствующей точности предъявляемой действующими нормативными документами к точности карт соответствующего масштаба.

Цифровые трансформированные изображения используют для создания контурной части карт, путем векторизации цифровых изображений в среде CAD или ГИС, а также как самостоятельные картографические документы. В частном случае, если при трансформировании снимков не учитываются влияние кривизны Земли и проекция карты на положение контуров, трансформированное изображение представляет собой ортогональную проекцию местности на горизонтальную плоскость. Такой вид трансформирования называется ортотрансформированием.

Помимо топографии и картографии, цифровое трансформирование используется для создания по исходным снимкам перспективных изображений местности из заданных точек пространства. Такие изображения используют в военной области, например, в летных тренажерах и в архитектуре - при проектировании различных сооружений. Применяется оно также для преобразования стереопар исходных снимков в стереопару снимков идеального случая съемки в системе координат фотограмметрической модели. Такое преобразование выполняется в цифровых стереофотограмметрических системах.

Процесс цифрового трансформирования состоит из двух этапов. На первом этапе процедура геометрического трансформирования создает «бланк» подходящего размера и устанавливает масштаб (размер пиксела). На втором - определяются пиксельные значение (плотности) каждого пиксела трансформированного изображения. С этой целью, изменяются параметры геометрического трансформирования каждого выводимого пиксела, для того чтобы определить его положение в системе координат строк и столбцов исходного растрового изображения.

Принципиальная схема цифрового ортотрансформированния снимков представлена на рис.76. Исходными материалами при цифровом ортотрансформировании снимков служат: цифровое изображение исходного фотоснимка; цифровая модель рельефа (в большинстве случаев используется регулярная сетка ЦМР в виде сетки квадратов на местности); элементы внутреннего и внешнего ориентирования снимка; параметры внутреннего ориентирования снимка в системе координат цифрового изображения.

Основными процессами ортотрансформирования являются:

- Формирование «бланка».

- Определение плановых геодезических координат центров каждого пиксела «бланка».

- Вычисление высоты каждого центра.

- Вычисление координат изображений центров в плоской прямоугольной системе координат исходного снимка.

- Преобразование их в систему координат цифрового изображения.

- Вычисление оптических плотностей пикселов «бланка».

Рис.76

«Бланк» - прямоугольная матрица цифрового ортоснимка, строки и столбцы которой параллельны осям X и Y геодезической системы координат. Координаты одного из ее углов заданы в этой же системе координат. Размер элементов (пикселов) матрицы обычно принимается равным приближенной величине D×m, в которой:

- D - размер пиксела цифрового изображения исходного снимка;

- m - знаменатель среднего масштаба снимка.

Значения координат угла создаваемой матрицы выбирают кратными величине ее элементов.

По значениям индексов i и j элементов матрицы a*_ij определяют координаты X, Y центра соответствующего пиксела цифрового ортоснимка в геодезической системе координат. Значения Z_i находят методом билинейного иинтерполирования.

Рис.77

На рис.77 DX = X_i - X₁, а DY= Y_i - Y₁, где X₁ и Y₁ - координаты узла 1 цифровой модели рельефа. Высоту точки Z_i вычисляют по формуле:

,

(160)

в которой:

,

По координатам X_i, Y_i, Z_i и значениям элементов внутреннего и внешнего ориентирования снимка определяют координаты х,у соответствующей точки на исходном цифровом снимке в системе координат снимка Sхуz. При этом:

,

(161)

где:

.

По координатам х,у и значениям параметров внутреннего ориентирования цифрового изображения вычисляют координаты точки снимка в системе координат цифрового изображения о_сх_су_с. В случае использования аффинных преобразований при выполнении внутреннего ориентирования, для этого используют формулы:

Затем по координатам х_c и у_c вычисляют пиксельные координаты точки:

x_p = x_c/D, y_p = y_c/D.

Используя x_p,y_p точки цифрового изображения снимка, являющейся проекцией центра пиксела матрицы цифрового ортоснимка, находят ближайшие к этой точке четыре пиксела цифрового изображения снимка. Далее, методом билинейной интерполяции по формулам (8) определяют значение оптической плотности D_i или цвета, присваиваемого соответствующему пикселу матрицы цифрового ортоснимка. При этом значение величин Dх_p, Dy_p определяют по формулам:

Dx_p = x_pi – x_pk, Dy_p = y_pi – y_pk.

Таким же образом определяются оптические плотности и цвет всех остальных пикселов цифрового ортоснимка.

В Талке задача получения трансформированного изображения решается несколько иначе. В программе есть разделе «параметры расчета фотоплана», в котором предлагается задать параметр, «точность преобразования», Этот параметр определяет число трансформационных зон, на которое делится снимок. Причем, по умолчанию он равен 128x128. Это означает, что каждый фотоснимок разбивается 128 вертикальными и 128 горизонтальными полосами на 16384 зон, в каждой из которых используется свой закон преобразования снимка при создании фотоплана. На самом деле зон даже несколько больше, поскольку каждая определяемая точка, поставленная оператором, участвует в разбиении на зоны как вершина. Сводка на границах зон гарантируется, поэтому увеличение их числа грозит только увеличением времени расчетов и тем, что увеличение параметра «точность преобразования» ведет к существенному расширению используемого для промежуточных расчетов дискового пространства. В точки каждой зоны снимка можно ввести поправки за искажения на снимке, за наклон оптической оси и за рельеф, для чего используются задачи: «ошибки снимка», «рельеф местности» и «наклон оптической оси»».

Указанный выше учет следует выполнять по мере надобности. Так, например, «рельеф местности» следует учитывать только, если проводился расчет рельефа для каждой стереопары, выполнялась блочная фототриангуляция и создавалась единая ЦМР (либо для расчетов использовали ЦМР, созданную по картографической информации).

Аналогично, «ошибки снимка» следует включать, если был проведен расчет в задаче «ошибки снимка». Задача «наклон оптической оси» выполняется, если проводилась блочная фототриангуляция, но рельеф местности не строился и не использовался для расчетов (технология построения фотопланов для равнинных местностей). При расчетах смещения точек снимка из-за влияния рельефа наклон оси и так учитывается, поэтому задачу «наклон оси» выполнять не следует.

Отметим, что в программе оператору предлагается выбор конечной продукции между «фотосхемой», «фотопланом» и «ортофотопланом». Он тесно связан с только что рассмотренными параметрами. Так, выбор «фотосхемы» автоматически означает отключение задач учета рельефа и наклона оси. Выбор «фотоплан» означает учет наклона оси, а выбор «ортофотоплан» равносилен автоматическому включении задачи по учету рельефа.

В программе предлагается довольно богатый выбор значений параметра «точность преобразования», (от 2х2 до 1024х1024). В горных районах и для снимков мелкого масштаба, возможно, следует устанавливать параметры более 128, например, 512. Для равнинных местностей и для снимков крупного масштаба можно уменьшить число зон до 32х32.

Для задачи «ошибки снимка» никогда не бывает нужно значение больше, чем 128. Для задачи «смещение за рельеф» желательно, чтобы значение параметра «точность преобразования» было не меньше, чем отношение (размер снимка на местности в метрах)/(шаг матрицы единой ЦМР), т.е. чем число пикселей единой ЦМР, лежащих на стороне снимка. Обычно 128 бывает достаточно. Расчет «ошибок снимка» с одним значением параметра, а «геометрии» с другим, является допустимым и не приводит к ошибке. В то же время не стоит при расчете геометрии брать значение параметра «точность преобразования» меньше, чем при расчете смещения за рельеф: это будет означать, что при расчете смещения за рельеф записана лишняя информация, которая потом не используется. Аналогично, если в задаче «смещение за рельеф» точность преобразования меньше, чем число пикселей единой ЦМР, лежащих на стороне снимка, то это значит, что создана излишне подробная единая ЦМР.

Как указывалось выше, ортофотоснимок это растровое фотоизображение, полученное на основе одного из исходных изображений стереопары путем его трансформирования в ортогональную проекцию. Делают это только после построения единой ЦМР (пространственной сети TIN). Поэтому задача «Смещение за рельеф», например в Талке, обязательно выполняется для каждого фотоснимка проекта, который участвует в создании ортофотоплана, если создавалась ЦМР и есть желание учесть смешение точек фотоснимка из-за влияния рельефа при создании фотоплана. Смещения точек фотоснимка из-за влияния рельефа хранятся в виде сетки трансформационных зон во внутреннем формате программы. Ее размерность устанавливается по значению параметра «Задача»/«Фотоплан»/ «Параметры процесса построения фотоплана»/«Точность преобразования». Не следует забывать, при создании фотоплана, поставить флаг «Учитывать искажения за рельеф» для использования этой сетки. При ее вызове на экран дисплея появляется примерно такая картинка (Рис. 78). Если сетка смещений за рельеф очень сильно искривлена или растянута в каком-то месте, то обычно это означает, что в единой ЦМР присутствуют ошибки («ступенька» или «выброс»). Появление сообщения об ошибке обычно означает, что «модель рельефа не может быть однозначно спроектирована на плоскость данного снимка». Это бывает, например, когда на ЦМР есть настолько крутые склоны или глубокие овраги, что они не видны на снимке. Такие явления обычны и при плохом качестве (грубых ошибках) ЦМР стереопар, по которым строилась единая ЦМР.

В некоторых экзотических случаях, при крупномасштабной съемке и большой площади залета, возможна ситуация, когда из-за наклона плоскости снимка часть ЦМР оказывается «за спиной». Это тоже приводит к ошибке. В этом случае остается только создать несколько ЦМР с рамками меньшего размера, и рассчитывать смещения за рельеф для части снимков по одной, а для другой части снимков – по другой ЦМР.

При фотографировании местности, на которой расположены высокие объекты (например, здания) возникает задача «Сдвиг объектов». Если ее не решать, то на фотоплане, рассчитанном программой, крыша дома будет смещена по отношению к основанию. В этом случае и ортофотоплан нельзя считать строгим. Для решения задачи те крыши домов, которые предполагается смещать должны быть соответствующим образом помечены. После ее решения они будут смещены на их основания в соответствии с рельефом. Образовавшиеся «мертвые зоны» (области, которые не были видны на том снимке, с которого дом был взят на исходный фотоплан) будут заполнены с других снимков проекта.

6.2.9.2 Создание цифровых фотопланов (Михайлов)

Цифровые фотопланы могут быть созданы по перекрывающимся цифровым трансформированным снимкам. На рис.79 представлен принцип формирования цифрового фотоплана. Для его создания используются трансформированные снимки с одинаковым размером пикселов и имеющие координаты начал систем координат цифровых изображений O₁ и O₂ кратные размеру пиксела.

При создании цифрового фотоплана в зоне перекрытия трансформированных снимков проводят линию пореза в виде полилинии с узлами K_i. Затем, с ее помощью в каждой строке определяют граничные пикселы, совмещенные с линией пореза, и приступают к формированию матрицы цифрового фотоплана.

Координаты начала системы координат цифрового фотоплана X_OM принимаются равными наименьшему значению координат X_O1 и X_O2 начал систем координат цифровых трансформированных снимков, а Y_OM – наибольшему значению координат Y_O1 и Y_O2 .

Каждая строка матрицы фотоплана формируется из строки трансформированного снимка P₁, включая граничный пиксел и строки снимка P₂, начиная с пиксела, следующего за граничным. Таким методом можно присоединить к созданному фотоплану другие перекрывающиеся снимки.

Цифровые фотопланы могут быть созданы путем формирования матрицы цифрового фотоплана непосредственно по всем перекрывающимся цифровым снимкам. На рис.80 иллюстрируется процесс формирования цифрового фотоплана этим методом.

В рассматриваемом методе на перекрывающихся цифровых изображениях снимков проводят линии пореза, которые представляют собой полилинии. По координатам узлов полилинии в системе координат цифрового снимка определяют координаты проекций узлов полилинии на цифровом фотоплане в системе координат объекта и формируют полилинии на цифровом фотоплане.

исходные цифровые снимки

цифровой фотоплан

Рис.80

По этим полилиниям определяют граничные пикселы, которые формируют границы участков цифрового фотоплана, формирование которых будет производиться по соответствующим цифровым изображениям снимков. Формирование цифрового фотоплана в пределах каждого из этих участков производится аналогично процессу формирования цифрового ортоснимка, изложенного в разделе выше.

Определение координат X,Y узлов полилинии в системе координат цифрового фотоплана по значениям координат x_c, y_c их изображений в системе координат цифрового изображения снимка производится методом приближений следующим образом.

По координатам x_c, y_c изображения узла вычисляются координаты x, y изображения узла в системе координат снимка. В случае если при внутреннем ориентировании цифрового снимка использовались аффинные преобразования, эти вычисления производятся по формулам:

.

Затем вычисляются значения координат X, Y узла в системе координат цифрового фотоплана по формулам:

X = XS + (Z – ZS)X¢/Z¢ Y = YS + (Z – ZS)Y¢/Z¢,

(162)

в которых:

В первом приближении значение высоты узла принимают равной среднему значению высот точек цифровой модели рельефа Z₁. По вычисленным значениям X₁,Y_1, используя цифровую модель рельефа, методом билинейной интерполяции, определяют уточненное значение высоты узла Z₂, по которому определяют уточненное значение координат узла X₂,Y₂. По координатам X₂, Y₂ узла, в свою очередь, определяют новое значение высоты узла Z₃.

Вычисление продолжают до тех пор, пока разность значений координат X и Y узла в приближениях не будут превышать установленного допуска. Возможен вариант, в котором контролируется разность высот точек узла в приближениях.

Процесс определения координат X,Y узлов полилинии методом приближений представлен на рис.81. Отметим также, что цифровые методы позволяют использовать параметры сглаживания Их следует устанавливать для того, чтобы добиться изменения оптических плотностей (функции яркости) снимков с целью их взаимного выравнивания (уравнять общий фон разных фотоснимков для того, чтобы уменьшить контрастность перехода от одного снимка к другому). В результате переход от одного фотоснимка к другому становится незаметен.

В Талке (Тюкавкин) соединение снимков в фотоплан или фотосхему происходит так: фотоснимки упорядочиваются в маршрутах слева направо (а если маршруты идут по столбцам маршрутной схемы, то сверху вниз), а сами маршруты - сверху вниз. Так, в приведенном ниже примере 622 - первый снимок проекта, 623 - второй –… -, 807 седьмой и т.д. Пусть фотоснимки проекта расположены в трех маршрутах, идущих по строкам маршрутной схемы следующим образом:

622 623 624 625 626 627

807 806 805 804 803

1111 1112 1113 1114 1115

Первый фотоснимок проекта укладываются на создаваемый лист фотоплана с учетом искажений за рельеф, наклона оптической оси, дисторсии и т.п. При этом заполняется только те точки (пиксели) фотоплана, которые приходят из области, нанесенной на первом снимке, то есть часть снимка вне области как бы отрезается и выбрасывается.

После этого берется второй фотоснимок и вычисляется, с учетом всех законов трансформирования, зона на листе фотоплана, в которую перейдет область второго фотоснимка. Эта зона заполняется значениями оптических плотностей второго фотоснимка. Причем в пересечении зон остаются значения оптических плотностей первого снимка. Таким образом, фотоснимок с меньшим номером имеет приоритет при заполнении фотоплана.

Вывод следует такой: при нанесении зоны на снимке редактировать ее левую и верхнюю сторону не нужно, так как эта сторона накрывается другим снимком. Области на снимках должны выглядеть примерно так, как показано на рис. 82

На рис 83 изображена примерная укладка областей на лист фотоплана. Сам лист изображен жирной черной рамкой. Все, что вне рамки - не заполняется.

Область, заполняемая со снимка 622, залита зеленым, снимок 623 – голубым, 624 – синим, 625 – красным, 804 – желтым (остальные не показаны).

Из рисунка ясно, почему не нужно редактировать левую и верхнюю границу области фотоснимка 804 - они все равно затираются фотоснимками 625, 626 сверху и фотоснимком 805 слева, так как данные снимки имеют приоритет. Более того, редактирование верхней и правой границы области фотоснимка 804 вредно, так как при этом можно случайно «отрезать лишнее», что приведет к появлению черной дыры на фотоплане.

Рис. 82

Для наглядности такая ошибка в построении областей приведена на рис. 83. Между снимками 625, 626 и 804 имеется «дыра». Она появилась из-за неправильно построенной области на снимке 625, там есть большая неоправданная выемка. Вообще же линию разреза, то есть редактируемую правую и нижнюю сторону следует вести примерно посередине области перекрытия снимков, то есть процентов на 30 размера снимка от правого края и на 15-20 от нижнего.

Рис. 84

Следует обратить внимание и на то, что область на снимке 625 после входа (если идти справа налево в нижней части снимка) в область снимка 624 резко поднимается вверх. Это делается для того, чтобы избежать повторного выхода из области. Такая ошибка демонстрируется на рис. 84:

Собственно, ошибкой это не является, но производит неприятное впечатление мелкокусочного фотоплана.

После примерного построения областей обычно приступают к их редактированию. Для этого каждый снимок открывается отдельно и области редактируются в крупном увеличении, обычно от 1:4 или даже 1:1. При этом для редактируемых сторон областей необходимо придерживаться следующих принципов.

1) граница области должна проходить вблизи от центральной линии зоны перекрытия соседних снимков; для продольного перекрытия это обычно означает отступ порядка 30% от края фотоснимка (так как зона перекрытия имеет порядок 60%), для поперечного - порядка 15% от края;

2) в случае использования метода «фотоплан» без построения рельефа граница области должна проходить по возможности вблизи от определяемых или опорных точек, заданных оператором в процессе работы с точками; допускается прохождение границы через точки;

3) граница области не должна разрезать малоразмерные высотные объекты, в основном это относится к зданиям и постройкам всех типов;

4) длинномерные объекты и четкие контура (дороги, реки и т.п.), которые невозможно обойти, должны разрезаться по возможности под прямым углом

закругленные углы и линии (то есть ломаные линии с большим числом;

5) предпочтительнее закругленные углы и линии (то есть ломаные линии с большим числом звеньев).

6.2.9.3 Точности цифровых трансформированных фотоснимков и фотопланов

Созданные в результате цифрового трансформирования снимков цифровые изображения местности по точности должны соответствовать требованиям, предъявляемым к их точности нормативными документами Роскартографии, если фотопланы предназначены для создания кадастровых и топографических карт (планов) или технического задания на производство работ, если фотопланы создаются для решения других задач.

Контроль созданных трансформированных фотосников и фотопланов проводят по расхождениям значений координат контрольных точек, измеренных непосредственно на цифровом плане и координат этих точек, определенных в результате геодезических измерений или в результате построения сети пространственной фототриангуляции. В качестве контрольных точек выбираются точки, расположенные непосредственно на земной поверхности, так как изображения объектов местности возвышающихся над ней (крыши домов, мосты и т.п.) имеют на фотопланах искажения. Контроль фотопланов производится также по расхождениям одноименных контуров расположенных на линии пореза (граничной линии) смежных трансформированных фотоснимков.

В случае если трансформированные фотоснимки и фотопланы создавались для создания топографических и кадастровых карт (планов), расхождения в плане положения контрольных точек не должны превышать величины 0.5 мм в масштабе создаваемой карты (плана), а расхождения одноименных контуров на граничной линии величины 0.7 мм.

Перед процессом формирования цифровых трансформированных изображений, с целью контроля точности определения элементов ориентирования исходных снимков и построенной цифровой модели рельефа местности, производят априорную оценку их точности.

Она производится по контрольным точкам, путем сравнения значений их плановых координат, определенных в результате геодезических или фотограмметрических определений и значений координат расчетного положения изображения контрольной точки на трансформированном изображении.

Определение плановых координат расчетного положения изображения контрольной точки производится по значениям координат изображений контрольных точек на исходных снимках, значениям элементов внутреннего и внешнего ориентирования снимков, параметрам внутреннего ориентирования снимка в системе координат цифрового изображения с использованием цифровой модели рельефа. При этом используется алгоритм, аналогичный алгоритму определения координат углов граничной линии на фотоплане.

При определении координат в качестве начального приближения, используется высота контрольной точки, значение которой было определено в результате геодезических или фотограмметрических определений.

Проведение априорной оценки точности позволяет проконтролировать качество фотограмметрических работ, выполняемых для обеспечения процесса цифрового трансформирования и при необходимости повторить эти процессы.