Фотограмметрія Дорожинський

Рис. 7.54. Етапи опрацювання даних лазерного сканування

топографічні характеристики та тип сканера. Кількість помилок не перевищувала 10 % від загальної кількості точок, найменша кількість припадала на райони рівнинні або злегка горбисті.

Класифікація точок ЦМП. Відповідно до вимог у ЦМП повинні входити тільки точки з першого лазерного відбиття, які належать до точок поверхні землі, рослинності та елементів конструкцій. Для підвищення ефективності опрацювання виконували з метою одночасної побудови ЦММ і ЦМП. Ступінь ручного втручання був значно меншим. Це випливає з факту, що тільки постійні об'єкти могли бути залишені в файлі даних, натомість всі інші об'єкти (про них вже згадано вище) усувались. До точок, що залишились, застосовано автоматичну класифікацію - фільтрацію.

Для будинків додатково використано їхні контури, отримані з геодезичного кадастру. Проблематичним було визначення в багатьох випадках, від якого об'єкта відбився імпульс лазера. Встановлено, що тільки суто прагматичний підхід, досвід і логіка давали вичерпну відповідь у кожному конкретному випадку.

Перевірка якості Встановлення якості відігравало важливу роль у цьому проекті. Перед виконанням першої частини проекту необхідно було передбачити (спланувати) перевірку якості на всіх етапах опрацювання даних, особливо якості даних, що утворюють ЦММ та ЦМП.

Для базового контролю якості "хмара" точок була автоматично перекваліфікована відповідно до описаної вище процедури. Метою такого контролю було виявлення відсутності даних між смугами сканування, і в такий спосіб можна було перевірити загальну точність даних та якість вирівнювання смуг та маршрутів. Комплектність даних перевіряв оператор з використанням сіток різної густоти, яку він міг легко

280

Рис. 7.55. Зображення до і після опрацювання

Рис. 7.56. Зображення, згенероване з лазерних даних (Швейцарські Альпи)

змінювати. Практично кожний випадок неповних даних легко виявлявся та усувався. Загальна точність даних встановлювалась з використанням точок з відомими висотами та контрольних точок. Важче було виявити незбіг смуг великої протяжності. І тут використано різниці між ЦММ і ЦМП. Беручи до уваги те, що алгоритми класифікують нижчу поверхню як місцевість, а вишу як ЦМП, різниці становлять елементи, які не є елементами топографії місцевості. Якщо базовий контроль якості виявив помилки, то необхідно було виконати певний аналіз та корекцію.

281

Для візуального контролю в класах об'єктів різні типи даних було отримано з "хмари" точок. Додаткові дані, такі, як карта пікселів (зображення) та ортофотокарта використовувались як допоміжний матеріал. Для перевірки ЦММ застосовано: регулярні сітки (з кроком 2 м, 10 м і 100 м) точок ЦММ з набором кольорів, сітки ухилів, горизонталі (з перетином 2 м, 5 м, 10 м залежно від характеру), різниці висот між відомими точками з ЦММ і ЦМП, зокрема для контрольних точок.

Для ЦМП використано такі самі підходи, а також сітку рослинності (сітку, утворену тільки з рослинності), сітку будинків з набором кольорів, сітку з різниці ЦММЦМП. Безперечно, таке збирання даних - це тільки один аспект детальної перевірки. Через обмежену кількість статистичних тестів широко використано досвід та знання вйераторів та контролерів. Зображення до і після опрацювання подано на рис. 7.55.

Згенерований образ з лазерних даних показано на рис. 7.56.

Навчання. З огляду на те, що перевірка і контроль у ручному режимі значною мірою залежать від кваліфікації оператора, то навчання і підготовка кадрів стають центральними у виробничій діяльності. У нашому проекті операторам були доступні всі технологічні відомості та документація через систему Intranet.

Оскільки у ході виконання робіт технологічні аспекти постійно оновлювались та вдосконалювались, то ті, хто навчався чи працював, мали можливість опановувати нововведення. Окрім того, що існували загальні підходи до вживаних технологій, і цьому навчались всі виконавці, кожен міг мати і мав індивідуальні інструментальні засоби, якими найчастіше користувався.

Висновки. Завдяки реалізації цього проекту фірма Swissphoto довела, що лазерне сканування з літака є завершеною технологією, що забезпечує побудову ЦММ та ЦМП високої точності та якості навіть для важкодоступних гірських районів. Саме ця технологія дала змогу зібрати необхідні дані в стислі терміни та зекономити кошти. Густота закоординованих точок перевищила сформульовані вимоги, за винятком декількох невеликих територій. Точність визначення висот точок, визначена за контрольними пунктами, становила 25-35 см. Найбільші різниці у висотах отримано для штучних споруд (дороги, мости, будівлі), а також для лісів. В обох випадках візуальний контроль підтвердив, що похибка була результатом інтерполяційних способів, а не похибок фільтрації чи похибок у координатах.

З огляду на великий обсяг виконаної роботи основні висновки можна вважати достатньо аргументованими. На підставі набутого досвіду встановлено, що управління подібним проектом повинно доповнюватись діями, що дають змогу вести пошук нових підходів і планувати використання модернізованих чи оновлених технічних та програмних засобів. Необхідно використовувати інструментарій, що допомагає максимально автоматизувати окремі процеси, проте не виключається ручне доопрацювання, перевірка та контроль побудованих моделей оператором. Постійне підвищення кваліфікації персоналу є абсолютно потрібним, і тільки воно може забезпечити технологічний прогрес.

У перспективі метод лазерного сканування буде ефективнішим і точнішим як завдяки вдосконаленню лазерних сканерів, так і завдяки розширенню потенційних можливостей програмного забезпечення.

282

8.КОСМІЧНА ФОТОГРАММЕТРІЯ

8.1.Предмет космічної фотограмметрії. Об'єкти досліджень

Зчасу запуску першого штучного супутника Землі (СРСР, 1957 рік) минуло півстоліття. Космонавтика за цей короткий час досягла таких вершин, які на початку космічної ери здавались фантастикою.

Розвиток методів та засобів космічних досліджень визначив формування нового напрямку в фотограмметрії, який тепер ми називаємо космічна фотограмметрія. Це розділ фотограмметрії, який займається теорією, технологією і практичною реалізацією у сфері отримання та опрацювання космічних знімків (образів) з метою виявлення кількісних та якісних характеристик Землі, Місяця, планет Сонячної системи та інших космічних об'єктів.

Вивчення Землі з космосу ведеться на підставі знімання (космічних знімків), здійсненого зі штучних супутників Землі (ШСЗ). Найактуальнішим завданням є отримання картографічних матеріалів у різних масштабах - від дрібних до великих, що у перспективі повинно замінити методи аерофотограмметрії. Іншим важливим напрямком є дистанційне зондування Землі (ДЗЗ), в якому картографічна компонента

єлише однією із великої кількості складових (геологія, геофізика, метеорологія, екологія, гідрологія, океанографія, рослинний світ тощо). Кожний із напрямків ДЗЗ

євузькопрофесійною сферою; тому це є предметом вивчення та розвитку кожної конкретної галузі знань.

Серед задач ДЗЗ виокремлюється дуже важливий напрямок, пов'язаний із моніторингом різних небезпечних явищ та процесів (повені, пожежі, руйнування берегової лінії, льодовикові процеси та багато інших).

Для вивчення планет та інших небесних тіл Сонячної системи використовують автоматичні міжпланетні станції (АМС). Космічні зображення, отримані з цих апаратів, допомагають розв'язувати астрометричні, картографічні, планетологічні та прикладні задачі. Як зазначають дослідники, в космічній фотограмметрії в оригінальний спосіб поєднались астрометрія, небесна механіка та аналітична фотограмметрія.

На особливу увагу в космічній фотограмметрії заслуговує побудова глобальних опорних мереж на планетах та великих супутниках Юпітера, Сатурна тощо. Такі мережі є основою для подальшого картографування цих небесних тіл. Доволі часто космічна фотограмметрія (а саме це її задача) є єдиним методом побудови таких опорних мереж, оскільки наземні спостереження або неможливі, або ж не дають такої точності, яку забезпечує космічна фотограмметрія.

283

Оскільки умови космічного знімання істотно відрізняються від аерознімання, то і теоретичні, і технологічні розв'язання доволі часто істотно різняться від опрацювання аерофотознімків. Ці відмінності полягають у такому:

-висоти знімання у десятки - сотні разів перевищують висоти фотографування

злітака;

-рух ШСЗ та АМС відбувається по орбітах відповідно до законів небесної механіки; це дає змогу визначати координати центрів знімання з інтегрування диференційних рівнянь руху ШСЗ чи АМС;

-орієнтування топографічних знімків в інерційному просторі виконується автономно, з використанням додаткових технічних засобів (астродавачів, синхронного фотографування зоряного неба додатковою камерою, лазерних або радіовіддалемірів тощо).

Об'єкти, що досліджують засобами космічної фотограмметрії, дуже різні. Це і планета як космічне тіло, і поверхня планети, і окремі її фрагменти як з макропогляду, так і з дуже малої відстані (наприклад, зі спущених на поверхню самохідних апаратів, як це було для Місяця - "Луноход").

Апаратура для отримання зображень та методи опрацювання образів взаємопов'язані, а їхнє розмаїття значно більше, аніж в аерочи наземній фотограмметрії. Про це йтиметься далі.

8.2 Картографічні супутникові системи високої точності та роздільної здатності

8.2.1. Супутникові системи світу

Супутникові системи - це сукупність супутників багатоцільового призначення. Залежно від виду, призначення і типу використання інформації супутники поділяються на:

1. Науково-спостережні: призначені для вивчення Космосу, Всесвіту і довкілля. Вони часто використовуються для картографування і допомогають у дослідженні і моніторингу Землі у різних її частинах за допомогою фотографування чи сканування земної поверхні. Перший такий супутник був запущений СРСР у 1957 р.

2. Військово-стратегічного призначення: використовуються для відстеження бойових зон, для спостереження за запусками ракет, за ядерними випробовуваннями, зброєю, шпигуванням, перехопленням повідомлень, спостереження за появою невідомих об'єктів, курсу судна, відстеження руху військової техніки. Перший "шпигунський" супутник Discoverer І був запущений у США 28 лютого 1959 р. як частина секретної програми Corona.

284

3.Навігаційні (GPS): подібні до попередніх, але використовуються для того, щоб визначити місцезнаходження і позицію, передусім в авіаційній і морській навігації. Такі системи існують від 1978 р. і дотепер є широковживаними для військових, індустріальних, комерційних та наукових потреб.

4.Метеорологічні: використовуються для збирання даних, необхідних для прогнозування погоди, для вимірювань із Космосу параметрів таких явищ, як хмарність, вітер, температура атмосфери. їх також використовують для виявлення

івивчення кліматичних змін і глобального потепління. Перший метеорологічний супутник - Explorer 7, запущений 13 жовтня 1959 р.

5.Телекомунікаційні: слугують для мобільного зв'язку, міжміських і міжнародних з'єднань, телепередач через супутникові системи, комп'ютерного зв'язку, для звукових сигналізаторів. Перший геостаціонарний орбітальний супутник зв'язку - це SYNCOM3, запущений 19 серпня 1964 р.

Кожен із супутників виводиться на певну орбіту. Розрізняють кілька типів орбіт, які зображено на рис. 8.1.

Геостаціонарна орбіта (GEO), відома ще як геосинхронна навколоземна орбіта) - орбіта заввишки близько 35 900 км.над поверхнею Землі над екватором, на якій супутник здійснює один оберт за 24 години, зберігаючи фіксовану позицію над Землею. При такій високій орбіті сигнали супутників можуть охоплювати більшу частину планети, окрім точок Північного і Південного полюса, і є найпридатнішими для комунікаційних зв'язків і спостережень.

Геосинхронна перехідна орбіта (МЕО) відома ще як середня або овальна - це орбіта заввишки близько 20 000 км над поверхнею Землі. Супутники, розміщені на цій орбіті замість кругових обертів навколо Землі, рисують овал, покриваючи Північний

іПівденний полюси.

Рис. 8 1. Типи орбіт

285

Низька навколоземна орбіта (LEO) - орбіта, розташована найнижче з усіх до Землі. Швидкість супутників, розміщених на цій орбіті, має бути доволі високою, щоб уникнути виведення їх з орбіти чи зіткнення з Землею. Ця орбіта є найпридатнішою для використання інформації для моніторингових, метеорологічних і наукових цілей.

Перелік деяких супутників Землі подано у табл. 8.1, а заплановані запуски на найближчі роки зібрано у табл. 8.2.

Таблиця 8.1

Перелік деяких супутників Землі*

286

* За даними бібліотеки Міжнародного інституту геоінформаційних наук і обсерваторії Землі

(Нідерланди).

287

Таблиця 8.2

Прогнозовані та заплановані запуски нових супутників від 2005 p.*

* Інформація зібрана за даними офіційних і неофіційних джерел Міжнародного інституту геоінформаційних наук і обсерваторії Землі (Нідерланди) і може змінюватися.

288

Супутники є державною або приватною власністю, тобто належать компаніям чи країнам, і іноді їх можна орендувати. Продукція, а це інформація і зображення, допомагають покращати комунікаційну мережу як всередині окремої країни, так і в усьому світі. До речі, за потенціалом доходів ринок космічного зв'язку перевищує ринок послуг із виведення космічних апаратів на орбіти.

Стосовно супутникових систем навігаційного призначення, то необхідно особливо відзначити їх революційний вплив на геодезію, картографію, фотограмметрію, про що вже неодноразово згадувалось.

Усвіті сьогодні існують такі незалежні супутникові системи:

1)NAVSTAR - Global Position System, створена США; сузір'я складалося з 24 супутників;

2)ГЛОНАСС - Глобальна навігаційна супутникова система, створена у СРСР, нині належить Росії; сузір'я складалося із 24 супутників.

3)Galileo - Європейська система глобального позиціонування, створюється країнами-учасницями Євросоюзу; сузір'я складатиметься з ЗО супутників.

На відміну від двох перших систем, що були першочергово призначені для військових потреб, система Galileo призначена переважно для використання у цивільних і комерційних цілях, а реалізація проекту розпочата в 2007 році.

8.2.2. Значення роздільної здатності

Перспективним напрямком комерціалізації космосу є ринок дистанційного зондування землі (ДДЗ). Залежно від можливостей апаратури ДЗЗ та від технічних параметрів, особливо таких, як висока точність і роздільна здатність, виникає розподіл за ознакою функціонального використання інформації, що надходить з космічних апаратів.

Роздільна здатність - величина, що визначає вибір масштабу знімання за заданого показника детальності знімків. За детальністю знімки поділяються на:

1.Знімки низької роздільної здатності (кілометри).

2.Знімки середньої роздільної здатності (сотні метрів).

3.Знімки високої роздільної здатності, які, своєю чергою, поділяються на:

-знімки дуже високої роздільної здатності (10-20 метрів);

-знімки надвисокої роздільної здатності (1 метр і менше).

Наприклад, знімки низької роздільної здатності є корисними у використанні для великих територій, а також для таких потреб, як контроль температури морської поверхні, вивчення стану рослинності, для аналізу стихійних лих. Знімки високої роздільноїздатності від 10 до ЗО м придатні для використання в картографії, моніторингу, для картографування у масштабах 1:50 000 та 1:25 000. Кожна роздільна здатність має найкраще застосування для різних типів призначень (аплікацій). Наприклад, найвищі вимоги до точності і детальності збирання даних та картографування серед кадастрів має містобудівний кадастр. Для його ведення з використанням ДДЗ необхідні цифрові дані про рельєф земної поверхні і, на відміну від земельного кадастру, ще й дані про висоту будівель, споруд і промислових об'єктів. Космічні знімки високої роздільної

289