Валентин Зайцев, Светлана Савидова, эксперты DATA+
При создании и ведении БД ГИС важнейшей задачей является обеспечение точности и актуальности географической информации. Если находящаяся в БД ГИС информация неточна или устарела, то ее анализ не будет соответствовать реальной ситуации, и решения, принятые на его основе могут оказаться несостоятельными.
Векторные данные являются основным способом представления географической информации в ГИС. Например, отдельные деревья представляются точками, дороги – линиями, а земельные участки – полигонами. Для создания БД ГИС могут привлекаться различные данные: оцифрованные бумажные карты, данные наземных съемок, GPS-измерения, данные дистанционного зондирования, а также данные, полученные фотограмметрическими методами.
Поскольку находящиеся в БД ГИС данные с течением времени устаревают, нужно периодически их обновлять. Нередко также встают вопросы о точности уже имеющихся данных и повышении их качества. Все это требует затрат времени и денег, которые вполне можно снизить благодаря применению эффективных инструментов выполнения таких работ.
Одним из путей ввода и обновления информации в БД ГИС является дешифрирование космических и аэроснимков. А имея снимки с перекрытием, можно одновременно получать и более точные плановые координаты объектов (x, y), и информацию о высоте (z). Речь может идти и о высотах зданий относительно их основания и о различии высот участков дороги, обусловленном рельефом местности.
В камеральных условиях (т.е., находясь не «в поле», не на местности) полную трехмерную геометрическую характеристику объектов можно получить в процессе фотограмметрических измерений стереопары снимков. Стереопара образуется двумя снимками одного и того же объекта или участка местности, сделанными из разных точек пространства. Один снимок предназначается для левого, другой – для правого глаза. При рассматривании стереопары, например, в стереоскоп, оператор воспринимает глубину на изображении так же, как и при рассматривании самого реального объекта (и даже в большей степени). А методы фотограмметрии обеспечивают получение точной количественной информации в результате дешифрирования стереопар.
Преимущества стереодешифрирования для ГИС очевидны. По стереопаре возможно создание объемной стереоскопической модели, полное восстановление геометрии местности, определение всех трех (x, y, z) пространственных координат точек объектов.
Если раньше для выполнения таких работ необходимо было получение специального образования и приобретение навыка работы на нередко громоздких фотограмметрических приборах, то теперь положение в корне изменилось. Традиционные оптико-механические приборы (стереоскопы, стереокомпараторы, стереопроекторы и т.п.), уже не удовлетворяют современным требованиям по удобству, точности, скорости и стоимости выполнения фотограмметрических работ. Поэтому в последнее время активно развиваются системы цифровой фотограмметрии.
Мы уже рассказывали об одном из модулей цифровой фотограмметрии, имеющемся в ERDAS IMAGINE, – OrthoBASE, который предназначен для проведения триангуляции и создания ортофото (см. ArcReview N 4, 1999 г.).
Для работы со снимками в стереорежиме фирмой ERDAS создан новый программный продукт – Stereo Analyst. Он обладает очень простым и понятным интерфейсом, за которым спрятана вся фотограмметрическая «кухня», – пользователю же достаточно иметь лишь общее концептуальное представление, не отягощенное математическими выкладками и зубодробительной терминологией (впрочем, в Руководстве пользователя имеется краткое введение в стереофотограмметрию для «чайников»).
При работе со Stereo Analyst первым этапом является создание цифровой стереомодели (ЦСМ), – математического описания сцены, по которому в дальнейшем проводится дешифрирование объектов в стереоскопическом режиме. Stereo Analyst позволяет создавать ЦСМ на основе имеющихся стереопар, извлекать из них трехмерную географическую информацию, создавать на ее основе векторные слои ГИС, обновлять и редактировать существующие двухмерные векторные данные и превращать их в трехмерные.
В процессе дешифрирования, пространственная и атрибутивная составляющие слоев ГИС могут быть отредактированы, при этом таблицы атрибутов отображаются одновременно с ЦСМ. Одним из плюсов Stereo Analyst при работе с ГИС является автоматическое присваивание атрибутивной информации векторным объектам (например, площадь, периметр и высота). Дополнительная количественная и качественная атрибутивная информация также может быть введена непосредственно в процессе дешифрирования.
Важным преимуществом Stereo Analyst является то, что он поддерживает создание различных видов цифровых стереомоделей несколькими, понятными даже для начинающих пользователей, способами:
1. Относительная стереопара создается на основе двух снимков с перекрытием. Два перекрывающихся снимка приводятся к одному масштабу, поворачиваются и сдвигаются для создания соответствующей стереопары. Полученная таким образом ЦСМ, содержит опорные трехмерные координаты в произвольной пространственной системе координат модели. Относительная стереопара определяется как неориентированная стереомодель. То есть, это простое согласование перекрывающихся необработанных снимков, аналогичное использованию стереоскопа.
2. Точная ориентированная стереомодель создается с использованием следующих данных:
- два снимка с перекрытием;
- название проекции, эллипсоида и геодезических дат (datum), в которых определены элементы внешнего ориентирования;
- линейные и угловые единицы измерения;
- средняя высота фотографирования (необязательно);
- направление фотографирования (аэросъемка, наземная или панорамная съемка);
- система координат углов;
- калибровочные данные камеры (фокусное расстояние, положение главной точки, дисторсия объектива и др.);
- коэффициенты внутреннего ориентирования (параметры аффинного преобразования для каждого изображения);
- элементы внешнего ориентирования (линейные и угловые) для каждого снимка.
3. Для создания стереопары могут быть использованы результаты внешней триангуляции, проведенной другими фотограмметрическими системами и представленные в виде специальных STP-файлов, имеющих текстовый формат. Для создания такого файла необходима следующая информация:
- два эпиполярных изображения;
- название проекции;
- единицы измерения линейных и угловых элементов;
- система координат углов;
- средняя высота фотографирования;
- фокусное расстояние;
- параметры внутреннего ориентирования (коэффициенты аффинного преобразования для каждого изображения);
- линейные и угловые элементы внешнего ориентирования для каждого снимка.
4. Одним из способов получения стереопар является использование результатов триангуляции, проведенной в IMAGINE OrthoBASE. IMAGINE OrthoBASE может обработать в одном блоке сотни перекрывающихся изображений. Stereo Analyst использует результаты триангуляции для автоматического создания ориентированной стереомодели по любой паре перекрывающихся снимков, причем файлы блоков читаются напрямую без дополнительных операций импорта.
Рис. 1. Пример анаглифического стерео.
Для различных типов конфигурации компьютера Stereo Analyst поддерживает разные режимы стереовизуализации. Возможна поддержка анаглифического (с использованием цветных очков и без специального оборудования, см. рис. 1) и аппаратного стереорежима (с применением специальных поляризационных очков и графического адаптера OpenGL с аппаратной поддержкой стереорежима).
Гибкость Stereo Analyst выражена в поддержке различных форматов данных и в использовании различных типов снимков. Поддерживаются следующие форматы данных прямого доступа (т.е., без импорта): TIFF, GIF, JPEG, Generic binary, Raw binary, MrSID, ERDAS IMAGINE IMG и LAN. Stereo Analyst поддерживает также форматы данных для описания моделей, которые могут напрямую использоваться в Virtual GIS, например формат Multigen. Stereo Analyst позволяет просматривать свойства моделей сенсоров блоков OrthoBASE.
Широкие возможности Stereo Analyst позволяют использовать снимки, полученные различными видами сенсоров:
- стандартные аэрофотоснимки (черно-белые и цветные);
- 35-мм снимки любительских фотоаппаратов;
- средне- и крупноформатные фотоснимки;
- данные с цифровых фотокамер на основе ПЗС;
- данные с аналоговых и цифровых видеокамер;
- архивные фотоснимки, сделанные камерами с неизвестными параметрами;
- снимки, введенные с помощью настольного сканера.
В состав Stereo Analyst входят удобные инструменты трехмерного позиционирования и трехмерного измерения, существенно облегчающие работу по определению точности и дешифрированию стереопар.
Рис. 2. Инструменты трехмерного позиционирования (внизу справа) и измерения (внизу слева).
Инструмент трехмерного позиционирования – это средство для определения точности существующих векторных данных ГИС и цифровых стереомоделей (см. рис. 2). Это также идеальный инструмент для оценки и обеспечения качества данных ГИС. С помощью этого инструмента возможно выполнение следующих функций:
- ввод контрольных точек в трех измерениях для определения точности ЦСМ и векторных слоев ГИС;
- установка соответствующего масштаба для визуализации и проверки точности;
- сравнение положений контрольных точек на изображении с действительными координатами контрольных точек;
- количественная оценка точности цифровых стереомоделей и векторных слоев ГИС.
Инструмент трехмерного позиционирования может также использоваться для определения трехмерных координат точек, которые могут быть переданы в другие приложения с целью выполнения географической привязки, ортотрансформирования или высокоточного определения положения точек.
Инструмент трехмерного измерения – это эффективное средство дешифрирования стереопар и количественного анализа географической информации. Например, граница лесного массива или участка земли может быть оцифрована и измерена во всех трех измерениях.
Инструмент трехмерного измерения полезен для сбора информации в тех местах, где не могут быть проведены полевые исследования, и для которых практически невозможно использовать методы автоматического построения модели рельефа. К таковым относятся площади затопления, дренажные сети, участки плотной городской застройки, лесные массивы, дорожная сеть и мосты. С помощью этого инструмента в камеральных условиях можно с высокой точностью получить следующие данные:
- трехмерные координаты точек;
- длина, уклон и азимут линии;
- превышение (разница высот) между начальной и конечной точками линии;
- площадь и периметр полигона;
- угол между тремя точками полилинии или полигона;
- среднее значение превышения полилинии или полигона.
Результаты всех этих измерений можно сохранить в обычном текстовом файле для последующего анализа и использования в ГИС.
При помощи специального набора инструментов дешифрирования объектов, Stereo Analyst позволяет получать трехмерные данные ГИС с высокой достоверностью и упрощает процесс создания векторных слоев. Для этого предусмотрены следующие возможности:
- Сбор и хранение трехмерных векторных данных в формате шейп-файлов ESRI.
- Дешифрирование и отображение пространственных объектов с геометрией точки, мультиточки (например, дорожная разметка), полилинии (дороги, реки, границы городов), полигоны (участки земли, здания).
- Использование трехмерного «плавающего» курсора для идентификации и сбора трехмерных данных. В процессе дешифрирования объектов пользователь может точно позиционировать «плавающий» курсор на интересующую поверхность.
- Режим непрерывной оцифровки позволяет дешифрировать полилинии и полигоны.
- Дополнительные инструменты: стыковка линий под прямым углом, автоматическое завершение полигона, автоматическая оцифровка параллельной полилинии.
- Трехмерные координаты каждой вершины могут быть показаны в таблице атрибутов.
Stereo Analyst позволяет автоматически использовать при оцифровке общую часть границы смежных полигональных объектов.
Существующие векторные данные могут использоваться непосредственно (шейп-файлы) или быть импортированы, а затем экспортированы для использования в других программных пакетах и приложениях. Stereo Analyst позволяет:
- преобразовывать существующие двухмерные шейп-файлы в трехмерные;
- использовать цифровую модель рельефа или фиксированную высоту в качестве опорного источника вертикальных координат;
- осуществлять импорт и экспорт векторных данных через текстовые файлы;
- осуществлять экспорт проектов Stereo Analyst в описательные текстовые файлы;
- экспортировать трехмерные шейп-файлы в двухмерные.
Stereo Analyst позволяет редактировать и обновлять имеющиеся векторные данные. «Плавающий» курсор может «пристегиваться» к объектам в плане или в трехмерном пространстве, существенно облегчая определение координат и оцифровку при редактировании и обновлении векторных данных. При редактировании можно независимо менять положения вершин линий в плане и по высоте, добавлять и удалять вершины, удлинять линии добавлением вершин к начальному или конечному отрезку, удалять отрезки полилинии, добавлять новые элементы к существующим объектам, выделять элементы объектов, создавать трехмерное представление полилинии или полигона.
Для заполнения и обновления таблиц атрибутов при дешифрировании можно использовать механизм автоматического присваивания значений следующим атрибутам:
- код класса объекта,
- идентификатор объекта (ID),
- площадь (для полигонов),
- периметр (для полигонов),
- длина (для полилиний).
Предусмотренные в продуктах ERDAS функции работы с таблицами CellArray™ позволяют форматировать, упорядочивать, экспортировать и манипулировать атрибутами объектов.
Для классификации дешифрируемых объектов можно использовать классы, присутствующие в Stereo Analyst по умолчанию (соответствуют стандартам топографических карт и планов Геологической службы США). Пользователь может также создавать собственные классы для объектов с геометрией точки, мультиточки, полилинии или полигона. Для этого нужно задать имя и код класса объектов, имя файла для его хранения, описание, представляющую класс пиктограмму, цвет заливки (включая прозрачность) и контур объектов класса, любое количество спецификаций атрибутов. Все новые классы хранятся как трехмерные шейп-файлы.
Для работы с трехмерными стереомоделями и удобства дешифрирования в Stereo Analyst имеются следующие средства:
- Управление изображением:
- регулировка продольного и поперечного параллакса;
- отдельное управление левым и правым изображениями,
- составляющими стереопару;
- произвольное вращение снимков стереопары;
- выбор комбинаций спектральных каналов для многоспектральных и цветных изображений;
- для ускорения визуализации используются пирамидные слои;
- плавное масштабирование;
- автоматическое панорамирование;
- регулировка контрастности и яркости, в том числе на основе гистограмм;
- графический выбор любых перекрывающихся пар снимков из предварительно созданного блока IMAGINE OrthoBASE.
- Управление курсором:
- режим фиксированного курсора;
- поддержка «плавающего» курсора/метки;
- регулировка высоты «плавающего» курсора;
- автоматическое следование курсора по поверхности;
- регулировка цвета, размера и формы трехмерного плавающего курсора;
- Работа с трехмерными объектами (см. рис. 3):
- трехмерная визуализация отдельно взятых объектов;
- автоматическое выделение текстур объектов и их наложение на трехмерную модель объекта;
- экспорт полученных трехмерных моделей объектов в форматы MultiGen и VRML для использования в VirtualGIS (см. рис. 4 ) и других приложениях.
- Каждый пользователь может задавать и сохранять свои установки и опции рабочей среды, а также загружать их во время рабочей сессии.
- Компоненты интерфейса могут быть изменены в размере, открыты и закрыты пользователем в любое время, при этом используется автоматическая организация компонентов на экране, что обеспечивает оптимальное управление рабочей средой Stereo Analyst.
- Поддержка дополнительных специальных приборов (трехмерная мышь) для удобства оцифровки.
Рис. 3. Трехмерная визуализация здания с наложением текстуры.
Рис. 4. Трехмерная сцена г. Луисвиль, штат Кентукки, создана с помощью Stereo Analyst и показана в IMAGINE VirtualGIS вместе с ортотрансформированным снимком поверх цифровой модели рельефа.
Таким образом, Stereo Analyst обеспечивает все основные функции для выполнения работ на всех этапах от получения цифровых стереомоделей до создания и редактирования БД ГИС на основе этих моделей:
- Создание стереопар несколькими способами.
- Обеспечение высокой точности измерений.
- Контроль качества цифровых стереомоделей, а также существующих векторных слоев.
- Измерение и сбор географической информации в трехмерном виде, в том числе построение и редактирование картографических объектов и их атрибутов в формате трехмерных шейп-файлов.
- Преобразование существующих двухмерных шейп-файлов в трехмерные.
- Точная оцифровка трехмерных точек и линий для создания цифровых моделей рельефа.
- Полуавтоматическое выделение дорог, зданий и земельных участков.
- Автоматическое кодирование объектов и присвоение значений атрибутам.
В заключение следует отметить, что приобретая продукт, вы можете использовать его в трех качествах:
- как модуль расширения ERDAS IMAGINE;
- как дополнительный модуль ArcView;
- как полностью самостоятельное приложение, не зависящее от наличия лицензий на ERDAS IMAGINE или ArcView.
