Разработка концептуальной технологической схемы предоставления пространственных данных
Процесс предоставления пространственных данных (данных ДЗЗ) условно можно разделить на 3 больших этапа:
1. Подготовка данных ДЗЗ и обеспечение исходными данными;
2. Фотограмметрическая обработка данных ДЗЗ;
3. Подготовка метаданных и публикация на геопортале.
Подготовка данных ДЗЗ и обеспечение исходными данными
Получение сырых данных происходит, как правило, при помощи космических летательных аппаратов, аэрофотосъёмочных самолётов, беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
Под сырыми данными подразумеваются аэрокосмические снимки, полученные со средств дистанционного зондирования Земли (самолётные и космические).
Различают оптические снимки и радиолокационные данные.
Оптические снимки получают со спутников ДЗЗ, аэрофотосъёмочных самолётов и БПЛА, оснащённых оптико-электронной съемочной аппаратурой, которая регистрирует электромагнитное излучение в оптическом диапазоне электромагнитных волн: ультрафиолетовом, видимом или инфракрасном диапазоне.
В зависимости от спектрального разрешения оптико-электронная съемочная аппаратура делится на панхроматическую и мультиспектральную для проведения съемки в панхроматическом и/или мультиспектральном режимах, с получением в результате панхроматических и/или мультиспектральных аэрокосмических снимков.
Панхроматические или чёрно-белые снимки получают при съемке во всем видимом диапазоне спектра.
Мультиспектральные (многозональные, цветные) снимки получают при одновременной съемке одного и того же участка Земли в разных спектральных каналах.
Величина, характеризующая размер наименьших объектов, различимых на космическом снимке называется пространственным разрешением.
Перед выполнением камеральных фотограмметрических работ выполняется сбор, изучение и оценка исходных съемочных и картографических материалов, материалов полевых топографо-геодезических работ.
Исходными материалами при создании топографических карт и планов или выполнении других работ, требующих работы с данными ДЗЗ являются архивные материалы наземной, аэро- или космической съемки (черно-белые, цветные или спектрозональные изображения), материалы планово-высотной подготовки снимков. Могут использоваться и другие дополнительные материалы (топографические и специальные карты и планы смежных масштабов, эталоны дешифрирования, справочники, словари, схемы, протоколы-описания, ведомости, лоции и т. п.).
Вместе с исходными материалами изучаются и анализируются (если это необходимо) также инструкции, наставления, руководства, условные знаки и др. документы, касающиеся содержания и технологии проведения работ [44].
Для того чтобы подобрать данные в ХГД или выполнить фотографирование (сканирование) участка местности потенциальному заказчику необходимо сформировать техническое задание (ТЗ), где будут изложены требования, описывание параметры съёмки (Например, охват территории, пространственное разрешение, зона спектра, временной промежуток и т.п.). Данные, как правило, можно посмотреть в каталоге на геопотале поставщика протранственных данных.
После того как поставщиками пространственных данных будет проанализировано ТЗ, можно будет либо идентифицировать данные в архиве, либо проводить выполнение новой съёмки (получение данных уровня обработки 1А, 1В).
Далее заказчик указывает уровень обработки данных ДЗЗ. Обычно, если нужен уровень обработки больше 1, то требуется фотограмметрическая обработка. В таблице 1 приведены международные уровни обработки данных ДЗЗ:
Таблица 1.
| Стандартный уровень | Описание, формат изображения и метаданных |
| Абсолютно «сырые» данные, содержащие информацию с ПЗС-датчиков в процессе съемки, без каких-либо преобразований. Информация может иметь сжатие. Данный уровень является базовым для формирования последующих уровней обработки. Как правило, агентства не распространяют данные этого уровня. Используется исключительно в целях изучения работы съемочных систем. | |
| 1A | Включает только радиометрическую коррекцию искажений, вызванных разницей в чувствительности отдельных ПЗС-датчиков сканирующей системы. Никакие геометрические исправления для изображений этого уровня не выполняются, поэтому они остаются практически необработанными или «сырыми». Предоставляются коэффициенты абсолютной радиометрической калибровки. (RAW, TIFF; CEOS, XML). |
| 1B | Включает радиометрическую коррекцию, как и уровень обработки 1A, а также геометрическую коррекцию систематических ошибок ПЗС-датчиков сканирующей системы, в том числе панорамные искажения, искажения, вызванные вращением и кривизной Земли, колебанием высоты орбиты спутника. Применена абсолютная радиометрическая калибровка. Коэффициенты RPC-полиномов. (RAW, TIFF; CEOS, XML, ASCII). |
| 2А | Изображения, как правило, приведены к стандартной картографической проекции без использования наземных опорных точек. Проецирование изображения выполняется на среднюю плоскость или используется глобальная цифровая модель рельефа (DEM) c шагом на местности 1 км. Могут быть предоставлены файлы, содержащие коэффициенты рационального многочлена (RPC), аппроксимирующие геометрию изображения (GeoTIFF; XML, ASCII). |
| 2B | Изображения уровня 2А приведены к стандартной картографической проекции с использованием наземных опорных точек. Проецирование изображения выполняется на среднюю плоскость или используется глобальная цифровая модель рельефа (DEM) с шагом на местности 1 км. Могут быть предоставлены файлы, содержащие коэффициенты рационального многочлена (RPC), аппроксимирующие геометрию изображения (GeoTIFF; XML, ASCII). |
| 3A | В отличии от уровня 2B, изображения уровня 3A проецируются в заданную картографическую проекцию путем ортотрансформирования с использованием модели снимка, опорных наземных точек и модели рельефа местности. Полученные изображения являются ортоскорректированными с определенной точностью. Изображения нарезаются на стандартные картографические листы (GeoTIFF; XML, ASCII). |
| 3B | Уровень 3B подразумевает объединение изображений уровня 3A в единые бесшовные растровые мозаики, покрывающие большие территории (GeoTIFF; XML, ASCII). |
Если данные ДЗЗ уровней 1А и 1В по точности обеспечивают выполнение задач, поставленных в ТЗ, то эти данные отправляются заказчику.
В противном случае требуется фотограмметрическая обработка.
Фотограмметрическая обработка данных ДЗЗ
Для того, чтобы выполнить фотограмметрическую обработку, необходимо выполнить технологический процесс, состоящий из следующих действий:
1. Загрузка данных ДЗЗ в программную среду (в нашем случает это ЦФС (цифровая фотограмметрическая система) Photomod – это система для обработки данных ДЗЗ, позволяющая решать полный цикл задач, таких как сбор данных для фототриангуляции, создания трехмерных моделей местности, ортофотопланов, цифровых карт);
2. Создание проекта, в котором определяется тип съёмки и система координат;
3. Внутреннее ориентирование. Процесс внутреннего ориентирования снимка, заключается в измерении координат координатных меток. В процессе внутреннего определятся центр проекции относительно снимка, что позволит провести проектирующие лучи через центр проекции и точки снимка. Таким образом мы восстанавливаем связки проектирующих лучей, существовавших в момент фотографирования [45]. Для выполнения внутреннего ориентирования нам необходимо знать фокусное расстояние, координаты главной точки снимка, и камеру, которой проводилась съёмка.
При космической съёмке этот процесс не выполняется, так как все данные о внутреннем ориентировании содержатся в XML-файле, который входит в комплект поставки данных;
4. Взаимное ориентирование снимков. Цель - построение фотограмметрической модели местности. Этот процесс необходим для точного совмещения контуров на смежных снимках, то есть устранение поперечного параллакса в шести стандартных зонах. Взаимное ориентирование выполняется в том случае, если в фотограмметрической обработке участвуют два и более смежных снимков, образующих стереопары (так называемый стереоблок).
Для космической съёмки выполнение взаимного ориентирования зависит зачастую от качества RPC-коэффициентов, от которых зависит геометрия изображения. Например, для снимков с КА GeoEye с пространственным разрешением 0,5 м взаимное ориентирование выполнять не требуется, а для снимков с КА Ресурс П с пространственным разрешением 1 метр выполнение взаимного ориентирования обязательно;
5. Внешнее ориентирование снимков. Элементы внешнего ориентирования нужны для того, чтобы сориентировать обрабатываемый нами снимок или блок снимков относительно системы координат объекта, то есть относительно геодезической системы координат и приведения фотограмметрической модели к заданному масштабу, так как после выполнения взаимного ориентирования модель имеет произвольный масштаб и произвольную пространственную ориентацию. Для выполнения внешнего ориентирования нам необходимо на стереопару иметь минимум 4 опорные планово-высотные точки по углам стереопары;
6. Рисовка рельефа в стерео режиме или импорт матрицы высот со стороннего ресурса.
Цифровая модель рельефа (ЦМР) – это неотъемлемая часть цифровой карты или цифровой модели местности (ЦММ), где объектом «моделирования» является рельеф местности. Исходной информацией для создания такой модели являются съёмочные пикетные точки с геодезическими координатами X, Y, Z и структурные линии рельефа, вершины которых имеют координаты X, Y, Z. На сегодняшний день имеются следующие источники исходной информации о рельефе:
· наземная топографическая съемка,
· фотограмметрический метод обработки стереопар аэрокосмической съёмки,
· данные воздушного лазерного сканирования,
· радиолокационная интерферометрия.
Исходная ЦМР может быть преобразована в пространственную модель поверхности в виде треугольников, вершинами которых являются съёмочные пикетные точки. Правила построения такой триангуляции определены в теоремах российского математика Б. Н. Делоне.
Триангуляция Делоне (TIN – Triangular Irregular Network – треугольная нерегулярная сеть), т. е. нерегулярная модель рельефа. Регулярной моделью рельефа является матрица высот или DEM (Digital Elevation Model – цифровая модель высот).
Матрица высот (МВ) – это некий набор высотных пикетов регулярной структуры, т. е. на поверхности земли высоты заданы с определенным постоянным шагом ΔX и ΔY. Преимущества регулярной формы представления модели рельефа в удобстве хранения и манипулирования, а недостаток в избытке узлов на спокойном рельефе и недостатке в пересеченной местности.
Другой формой представления ЦМР являются горизонтали, которые могут быть созданы по стереопарам непосредственно в ЦФС путем стереоскопической трассировки линии на заданной высоте. Горизонтали также могут быть построены по нерегулярное (TIN) или регулярной (МВ) модели рельефа. Преимущество горизонталей как формы представления рельефа в том, что это более привычная и наглядная форма представления рельефа [42].
Три основные задачи построения ЦМР на ЦФС:
· построение горизонталей для отображения на топографический картах,
· построение матрицы высот для ортофототрансформирования снимков и создания фотоплана,
· построение модели рельефа для решения прикладных тематических задач.
Точность и подробность ЦМР во всех случаях регламентируется соответствующими нормативными документами [44].
7. Ортофототрансформирование снимков. Трансформированием снимков называют преобразование изображения, полученного в одной проекции, в изображение другой проекции. При выполнении такого преобразования нужно учитывать геометрию построения изображения в съемочной системе и учитывать такие факторы как:
· является ли снимок горизонтальным или наклонным,
· был ли сфотографированный объект плоским или рельефным,
· каковы особенности проекции, в которой должно быть получено трансформированное изображение.
Задача фототрансформирования решается, если заранее на участок местности, изображенной на снимках, построить матрицу высот. В результате трансформированное изображение получается в ортогональной проекции, поэтому такое фототрансформирование называют ортофототрансформированием.
Цифровое ортофототрансформирование снимков является одной из основных операций обработки снимков на ЦФС. Исходное цифровое изображение состоит из элементарных участков-пикселей, которые трансформируют каждый в отдельности с использованием значений элементов ориентирования и данных матрицы высот.
8. Получение конечного фотограмметрического продукта. После выполнения всех процессов фотограмметрической обработки на выходе мы получаем ортофотоплан (план местности, составленный из рабочих площадей трансформированных снимков, который по точности планового положения контуров соответствует топографической карте), то есть растровое изображение в различных форматах и метаданные, описывающие параметры полученного изображения. Метаданные содержат информацию о проекции, в которой получен ортофотоплан, линиях порезов, облачности, цвете фона и т. п.
Подготовка метаданных и публикация на геопортале
1. Подготовка метаданных выходного фотограмметрического продукта.
Как отмечалось выше, после генерации выходных форматов метаданных, мы получаем пакет характеристик, отражающих результаты ортофототрансфомирования. На их основе можно сформировать расширение к базовому пакету метаданных. Эти характеристики нужны для уточнения границ участков порезов, областям с облачностью, областям без фона и цвете фона. На основании этой информации в 3 главе будет составлена таблица.
2. Подготовка данных предпросмотра включает в себя формирование файла, содержащего географическую информацию об общих границах аэрокосмической съёмки на данный участок местности, так и информацию о каждом изображении, входящем в состав данного участка. (например, шейп-файл или файл привязки .kml и т.п.).
3. Выбор протокола публикации. Протоколы бывают 2 видов: векторный и растровый, который подразделяется в зависимости от того, требуется ли тайловая структура. Если тайловая структура требуется, то программа генерирует WMTS-слой, если нет, то WMS-слой.
Существует несколько способов хранения данных на сервере:
· Данные на сервере размещены в определенной проекции и разделены на небольшие фрагменты (тайлы). Процесс доступа к таким снимкам осуществляется на основе номера конкретного тайла в общем массиве, его версии и разрешения (рис. 11);
· Данные на сервере размещены в виде больших растров, процесс доступа к ним осуществляется на основе координат, задаваемых пользователем, размера тайла и его разрешения.
Первый способ хранения данных можно считать предпочтительнее, так как доступ к тайлам занимает меньше времени, так как они имеют небольшие размеры и кэшируются в браузере пользователя. Но есть и неудобства такого способа хранения, так как предполагают предварительную подготовку (нарезку) данных, а для больших объемов информации это ресурсоёмкий процесс [46].
Рис. 11
Для обмена и предоставления пространственных данных необходимо использовать следующие международные стандарты OGC (Open Geospatial Consortium) для организации прямого доступа потребителей к пространственным данным геопортала:
WMS (Web Map Service) – это протокол передачи географически привязанных изображений через Интернет, который является широко используемым стандартом; также его называют картографическим веб-сервисом. Он работает на основе стандартного Интернет-протокола передачи гипертекста http; Программа WMS-клиент подключается к WMS-серверу: в клиенте указывается веб-адрес ресурса-карты (в виде ссылки URL типа http://gis....). В ответ на поступивший запрос WMS-сервер сообщает WMS-клиенту об имеющихся по указанному адресу слоях картографических данных, их возможных параметрах (в формате XML-документа).
WMTS (Web Map Tiling Service) – это один из популярных сегодня стандартов веб-картографии. Он опирается на технологии построения и передачи больших изображений в Интернет с помощью тайлов (от англ. tile — плитка) -- небольших стандартных по размеру фрагментов изображения (чаще всего -- размером 256х256 пикселей).
WFS, WCS – сервисы для удалённого подключения, отображения и использования к векторным и матричным данным на основа стандарта OGC/
Применение этих сервисов позволит минимизировать трафик, ускорит процесс передачи данных, не потеряв детализованную точность, при осуществлении запроса к данным. Применение сервисов позволит использовать различные ГИС, поддерживающие данные протоколы, при обмене пространственной информацией, упростит и повысит надежность при передаче данных. Сервисы предназначены для предоставления в среде Интернет пространственной информации в виде векторных данных или графического изображения данных, описания условий получения геопространственных данных и описания характеристик. Использование стандартов обеспечивает единый доступ для поиска, обмена и предоставления геоданных, создает возможности взаимодействия ГИС-приложений, web-сервисов и БПД (рис. 12) [46].
Рис. 12. Схема взаимодействия сервисов и БПД.
4. Публикация данных / метаданных не геопортале.
После публикации пространственных данных на геопортале, при помощи сервисов заказчику данных предоставляется ссылка на необходимые ему пространственные данные.
Разработка унифицированного списка метаданных на основе анализа нормативно-технических документов и существующих на сегодняшний день геопортальных решений у актуальных поставщиков пространственных данных
В ходе проведения исследования для разработки оптимального набора метаданных ДЗЗ как для исходных данных, так и для данных фотограмметрической продукции проводился анализ нормативно-технических документов и форматов метаданных в которых описывается базовый набор метаданных, необходимый и достаточный для основных операций, таких как поиск данных, определение соответствия данных выдвигаемым требованиям, доступ к данным и их использование; обязательные и условные элементы метаданных; дополнительные (или необязательные) элементы метаданных, позволяющие при необходимости использовать их расширенное описание. К таким метаданным, например, могут относиться некоторые элементы метаданных фотограмметрической обработки.
Оптимизированный список элементов и сущностей метаданных необходим в первую очередь для эффективного использования их заинтересованными организации, которым нужны данные ДЗЗ для централизованного сбора, хранения, анализа, обработки, эффективного поиска и применения в различных областях народного хозяйства. Во-вторых, для централизованного сбора метаданных электронных карт и информации, которая используется при их создании, обновлении и применении. В-третьих, унифицированный перечень элементов метаданных необходим для информационной совместимости различных систем управления, навигации и геоинформационных систем как в Российской Федерации, так и за Рубежом [5, 12].
Исходя из практического опыта, мы знаем, что в зависимости от поставленной задачи, которая стоит перед организацией-исполнителем работ, нужно выбрать данные ДЗЗ, с определенными характеристиками, которые могли бы обеспечить необходимую точность, заданную организацией-заказчиком.
Организация-заказчик должна представить исполнителю работ техническое задание, котором должны быть изложены технические требования, под которые будут подбираться данные ДЗЗ.
Для составления оптимального списка метаданных мною были проанализированы следующие нормативно-технические документы, на основе которым формировался состав списка:
· ГОСТ Р 52573-2006 Географическая информация. Метаданные [5];
· ГОСТ Р 51353-99 Геоинформационное картографирование. Метаданные электронных карт. Состав и содержание [12];
· ISO 19115: 2003 Geographic information – Metadata [7];
· НЦ ОМЗ ПРОТОКОЛ «Структура и формат представления выходных информационных продуктов стандартных уровней обработки, формируемых в КАССП НКПОР КА «Ресурс-П»» [48];
· Фактические метаданные, поставляемые НЦ ОМЗ (Научный центр оперативного мониторинга Земли) в комплекте поставки с данными ДЗЗ (XML-файл);
· Проект «Методические указания по составу, структуре и форматам метаданных материалов и данных ФКГФ» [47];
· Информацию о данных фотограмметрической обработки снимков в программной среде Photomod.
Фотограмметрическими называют методы сбора, использующие технологии получения и обработки данных ДЗЗ.
Фотограмметрические методы сбора данных дополняют другие источники информации в геоинформатике.
Именно результат фотограмметрической обработки снимков является основой для создания картографических слоёв электронных карт.
Согласно ГОСТ Р 51353-99 «Геоинформационное картографирование. Метаданные электронных карт. Состав и содержание» метаданные фотограмметрической информации должны содержать следующие элементы:
1. Данные о фильмах, кадрах и маршрутах: номер фильма, код вида съёмки, номенклатура трапеций, координаты главной точки, съёмочной аппаратуре (марка (модель), заводской номер, фокусное расстояние, сведения о дисторсии, размер кадра, данные калибровки), средний масштаб съёмки, номера кадров, маршрутов, тип плёнки, координаты центра кадра на местности, спектральный диапазон, продольное и поперечное перекрытие, элементы внешнего ориентирования кадра, оптическая плотность вуали (средняя, минимальная, максимальная), наличие дефектов, в процентах (облачность, снежный покров, нерезкость, дымка, посторонние изображения), механические повреждения, электростатический разряд, кольца Ньютона, местонахождение фильмов (или его фрагментов), маршрутов или кадров и его копий;
2. Данные о ЦМР: идентификатор (код), тип, формат представления, система координат и высот, положение точки привязки матрицы, значения координат юго-западного и северо-восточного углов рамки, размеры сторон, шаг дискретизации, единица представления значений высот в элементах матрицы, диагонали и площади территории, покрываемой матрицей, показатели точности представления рельефа (в плане и по высоте).
Данные об источниках создания матрицы: источники исходных данных о рельефе, дата создания, метод создания, признаки согласования смежных матриц по сторонам и по углам, размеры шагов дискретизации в плане и по высоте.
Данные о свойствах рельефа: количественные показатели рельефа (экстремальные и средние значения высот, средний радиус корреляции высот рельефа).
3. Данные о цифровых фотопланах (ортофотопланах): код, координаты углов, система координат и проекция, СКП вычисления абсолютных и относительных координат точек;
4. Данные о цифровых моделях местности (необязательно).
Метаданные делятся на обязательные, условные и дополнительные (необязательные), которые указаны в таблице в Приложении 1.
Таблица содержит описание состава, структуры и форматов метаданных, обеспечивающих создание, обновление и предоставление пространственных данных (в нашем случае данных ДЗЗ), материалов и данных Федерального Картографо-геодезических фондов по типам единиц хранения. Каждому типу единицы хранения соответствуют 4 таблицы.
В таблицу «Общие сведения» вносятся основные сведения, которые позволяют идентифицировать и отобрать необходимые единицы хранения (наборы данных).
Таблица «Информация о данных» описывает основные характеристики набора данных.
Таблица «Ответственные субъекты» содержит информацию о физических и юридических лицах, несущих ответственность за создание, поставку и хранение набора данных.
Таблица «Информация об использовании» содержит сведения о различных ограничениях, наложенных на доступ к данным и их использование.
При этом в каждой таблице:
1. Каждая строка содержит описание одного элемента метаданных
2. Поле «наименование» содержит наименование элемента метаданных.
3. Поле «тип» описывает тип элемента. Используются следующие типы данных:
a. Глобальный уникальный идентификатор- GUID (Globally Unique Identifier) — статистически уникальный 128-битный идентификатор (при внесении метаданных в базу должен генерироваться системой автоматически.
b. Символьная строка – строка символов переменной длины.
c. Список значений – конкретное значение выбирается из справочника, ссылка на «Примечания»
d. Дробное число – число с десятичной запятой, после которой следует дробная часть
e. Целое число – в данном контексте неотрицательное число без дробной части.
4. Поле «обязательность» определяет необходимость заполнения соответствующей графы таблицы (задания элемента метаданных). При этом «О» означает обязательность, «Н» - необязательность. Значение «У» означает условную обязательность. Но при этом должно приводиться условие обязательности «Примечание».