Валентин Зайцев, ведущий эксперт DATA+
В первой части данного обзора, опубликованной в ArcReview № 22, были описаны профессиональные аэрофотосъемочные комплексы и современные технологии аналоговой фотограмметрии. Теперь хотелось бы привлечь внимание читателя к цифровым фотограмметрическим системам LH Systems.
Начнем с истории. Сейчас бытует определение фотограмметрии как «искусства, науки и технологии получения достоверной информации о физических объектах и окружающей среде путем процесса записи, измерения и интерпретации фотографических изображений, изображений моделей электромагнитного излучения и других явлений» (Американское общество фотограмметрии). За последние 150 лет она прошла через этапы планиметрической фотограмметрии, аналоговой фотограмметрии, аналитической фотограмметрии и в настоящее время активно развивается в фазе цифровой фотограмметрии.
В аналитической фотограмметрии (например, с использованием станций SD2000/SD3000, описанных в первой части обзора) компьютер используется для замены некоторых дорогих оптических и механических компонентов аналогового плоттера. В результате, аналитический прибор представляет собой аналогово-цифровой гибрид. Выходными данными аналитической фотограмметрии могут быть не только топографические карты, но и цифровые продукты, такие как цифровые карты и ЦММ (цифровые модели местности). Аналитическая триангуляция, аналитические графопостроители и ортофототрансформаторы — главные достижения на этом этапе развития.
Цифровая фотограмметрия — это фотограмметрия, использующая данные, которые хранятся и обрабатываются на компьютере. Цифровые изображения могут быть получены путем сканирования фотографий или с помощью цифровых камер и сенсоров, таких как ADS40. Множество фотограмметрических задач в цифровой фотограмметрии могут быть высоко автоматизированными (например, автоматическое получение ЦММ и цифровое ортотрансформирование). Цифровую фотограмметрию иногда называют softcopy фотограмметрией. Выходные результаты, такие как цифровая модель местности и ортофото, представлены в цифровой форме и хранятся на цифровых носителях. По мере развития цифровой фотограмметрии фотограмметрические методы все теснее интегрируются с дистанционным зондированием и ГИС. Цифровые фотограмметрические системы применяют развитое программное обеспечение для автоматизации задач, связанных с традиционной фотограмметрией, доводя до минимума ручное управление, необходимое для выполнения фотограмметрических операций. SOCET SET — одна из таких профессиональных фотограмметрических систем.
Предыстория
Создание цифровой фотограмметрической системы SOCET SET началось в начале 80-х годов в небольшой компании Helava Associates, располагавшейся в пригороде Детройта и основанной одним из «отцов» современной фотограмметрии доктором Uuno «Uki» Vilho Helava. Компания Helava Associates являлась субконтрактором корпорации General Dynamics в части разработки цифровой фотограмметрической станции для Военно-топографического управления (DMA) министерства обороны США. В 1986 г. Helava Associates была приобретена General Dynamics. SOCET SET, как коммерческий программный продукт, существует с 1990 г. и первоначально был разработан только для платформы Sun. Примерно в это же время штаб-квартира Helava Associates переезжает в Сан-Диего. В 1991 г. было подписано соглашения между General Dynamics, Helava Associates и швейцарской компанией Leica. Это соглашенине сыграло очень большую роль в развитии компании, т.к. на тот момент времени Leica (бывшие Kern и Wild) являлась мировым лидером в области аналоговой фотограмметрии, а Helava Associates — в области цифровой. Компания Leica Helava Systems (LH Systems) была создана как совместное предприятие Leica Geosystems и GDE Systems (General Dynamics Electronics Division) для разработки и продвижения на рынок профессиональных фотограмметрических систем. С развитием компьютеров программное обеспечение для цифровой фотограмметрии перестало зависеть от специализированной дорогой периферии и сейчас работает на обычных, коммерчески доступных компьютерах. Следует отметить также, что первая версия SOCET SET для операционной системы Windows появилась в 1998 г.
В 2000 г. ситуация на рынке опять изменилась, и как уже неоднократно сообщалось, сейчас все права на LH Systems принадлежат фирме Leica Geosystems, а бывшая LH Systems называется направлением ADA (Airborne Data Acquisition) в отделении GIS and Mapping Division (ГИС и картографирования) компании Leica Geosystems. В настоящее время SOCET SET разрабатывается и является торговой маркой BAE SYSTEMS Mission Solutions, Leica Geosystems является только реселлером.
Система SOCET SET
Рассмотрим структуру и основные характеристики составных частей цифровой фотограмметрической системы SOCET SET. Дополнительную информацию можно найти на сайтах www.lh-systems.com и www.gis.leica-geosystems.com.
SOCET SET — SOftCopy Exploitation Tools — модульная, открытая система, в которой пользователь может выбирать необходимую для своих задач комплектацию. Рассмотрим состав и основные функции модулей.
- CORE — базовый модуль, включающий в себя:
- большинство функций импорта-экспорта данных, импорт опорных точек, аэрофото, ортофото, снимков IKONOS, данных рельефа в форматах USGS DEM, DTED, данных форматов ESRI, NITF, LIDAR, ASCII и др.;
- модели сенсоров: кадровая камера, панорамная камера, прямое линейное преобразование DLT, полиномы и рациональные функции;
- поддержку огромного количества картографических проекций, эллипсоидов и систем координат с возможностями расширения;
- работу с пирамидными слоями для ускорения отображения;
- функции визуализация, масштабирования и улучшения изображений;
- набор инструментов отображения и измерения координат;
- автоматическое и интерактивное внутреннее ориентирование снимков;
- интерактивное измерение опорных точек;
- работу в анаглифическом режиме;
- режим командной строки.
- STEREO — модуль организации работы в стереорежиме для визуализации и сбора данных:
- функции стереоотображения для платформ Sun/Solaris, Intel PC/Windows и SGI/Irix;
- манипуляции с изображениями в стереорежиме;
- подвижный курсор/неподвижное изображение и наоборот;
- активный и пассивный режим стереовизуализации.
- MODEL SETUP — модуль триангуляции одного или двух изображений:
- несколько моделей сенсоров (кадровая камера, панорамная камера, двухмерные и трехмерные полиномы, рациональные полиномы, прямое линейное преобразование — DLT);
- решение модели в относительных или абсолютных системах координат.
- MULTI-SENSOR TRIANGULATION (MST) — модуль триангуляции блока изображений (рис. 1):
- триангуляция (уравнивание блока) изображений с максимальным количеством изображений в блоке до 2000;
- несколько моделей сенсоров (кадровая модель, SPOT, рациональные полиномы и т.д.);
- возможность импорта данных с авиационного бортового GPS;
- проведение полуавтоматических измерений и автоматическое выявление ошибок при триангуляции;
- решение модели в относительных или абсолютных системах координат.
Рис. 1. Графический анализ процесса триангуляции в модуле MST.
Здесь следует сделать небольшое отступление и сказать о том, что под SOCET SET существуют два разных модуля блоковой триангуляции — MST и ORIMA. ORIMA позволяет обрабатывать только традиционную аэрофотосъемку и данные авиационного сенсора ADS40, а MST обладает мощными возможностями триангуляции большого количества разнообразных данных — аэро- и космических. Модуль ORIMA работает только под Windows, MST — на UNIX и Windows.
- ORIMA имеет следующие функциональные возможности:
- блоковая триангуляция с возможностями самокалибровки блока;
- использование данных бортового GPS и инерциального измерителя углов при триангуляции;
- триангуляция цифровых изображений с сенсора ADS 40;
- автоматическое выявление ошибок при триангуляции;
- «подгонка» параметров датума;
- обработка данных инерциального измерителя углов IMU;
- удобный графический анализ процесса триангуляции;
- высокоскоростная обработка больших блоков.
- APM — Automatic Point Measurement — модуль автоматического измерения точек при триангуляции:
- автоматическое измерение связующих точек;
- автоматический перенос измеренных вручную связующих и опорных точек;
- неограниченное количество изображений;
- может использоваться как для спутниковых, так и для сканированных изображений.
Модуль APM это, по своей сути, интеллектуальный коррелятор, обладающий мощнейшими возможностями. Так, если пользователь вручную ставит опорную точку и измеряет ее координаты на одном из снимков, то затем возможно осуществить ее автоматический перенос и измерение координат на других перекрывающихся с этой областью снимках. Такие возможности могут существенно облегчить весь процесс триангуляции.
Рис. 2. Пример цифровой модели рельефа в виде TIN.
Рис. 3. Пример автоматического удаления зданий в TIN.
- ATE — Automatic Terrain Extraction — модуль автоматического получения рельефа:
- автоматическая адаптивная генерация цифровых моделей рельефа в виде DTM, GRID, TIN или изолиний (рис. 2);
- опции автоматического удаления деревьев и зданий, то есть получение рельефа на уровне земли (рис. 3);
- поддержка многих изображений и моделей сенсоров.
- ITE — Interactive Terrain Editing — модуль интерактивного редактирования рельефа:
- редактирование DTM, GRID, TIN, изолиний рельефа;
- генерация «затененного» рельефа, карты гипсографии;
- совмещение файлов с цифровыми моделями рельефа или изолиниями;
- анализ видимости по рельефу.
- ORTHO-MOSAIC — модуль генерации ортофото и мозаик, предназначен для:
- генерации ортофотомозаик;
- входными данными могут быть как одиночные снимки, так и несколько снимков или готовых ортофото;
- радиометрическая балансировка при составлении мозаики;
- автоматические или определяемые пользователем линии сшивки мозаики.
TRUE ORTHO — модуль генерации «истинных» ортофото. Поясним, что такое «истинное» ортофото. Предположим, мы провели крупномасштабную аэрофотосъемку. В этом случае высокие здания и мосты будут видны под углом, то есть будут видны не только крыша здания, но и частично его стены. При производстве ортофото традиционным способом здания при проецировании будут искажены вследствие незнания точной высоты и конфигурации здания. «Истинное» ортофото — это ортофото, точно соответствующее ортографической проекции, поэтому, если стены здания вертикальные, то они не должны быть видны на ортофото. Данный модуль позволяет создавать «истинные» ортофото, смещая крыши зданий, мосты и другие объекты на их истинное положение в ортографической проекции. Естественно, предварительно эти объекты должны быть векторизованы, например в модуле FEATURE.
Рис. 4. Пример радиометрической и цветовой балансировки изображений в модуле DODGER
DODGER — модуль улучшения изображений, предназначен для радиометрической балансировки, устранения виньетирования (яркостной неоднородности центра и краев снимков) и балансировки по цвету (рис. 4). Может работать автономно, без лицензии на модуль CORE.
Существуют также ряд специализированных модулей для работы с конкретными типами форматов данных и сенсорами.
LANDSAT — импорт изображений со спутника LANDSAT;
SPOT — импорт снимков SPOT уровня 1A или 1B;
IRS — импорт панхроматических и многозональных изображений с IRS;
JERS — импорт изображений со спутника JERS уровня 0;
RADARSAT — импорт изображений со спутника RADARSAT;
ERS — импорт изображений радиолокатора с синтезированной апертурой со спутника ERS уровня Precision;
DPPDB — импорт данных NITF;
DOQ — импорт и экспорт ортофото в формате DOQ Геологической Службы США (USGS).
IMAGE MAP — модуль генерации карт на основе созданных ортофото с возможностью наложения векторов и специальным инструментарием для редактирования и подготовки карт для печати.
Рис. 5. Интерфейс модуля FEATURE к ArcSDE.
FEATURE — модуль векторизации. Предназначен для векторизации в 3D режиме точек, линий, полигонов, ввода атрибутов, включая автоматический ввод таких атрибутов как площадь, периметр, длина. Модуль содержит инструменты для полуавтоматической векторизации зданий, озер, растительности. Очень важно, что этот модуль имеет прямой интерфейс к ArcSDE (рис. 5), что позволяет напрямую через ArcSDE передавать данные в реляционную базу данных.
PRO600 — мощнейший модуль векторизации, получения и редактирования рельефа в среде Bentley MicroStation GeoGraphics. Состоит из нескольких подмодулей:
PROCART — специальный набор картографических инструментов для векторизации и редактирования в SOCET SET.
Рис. 6. Векторизация в модуле PRO600.
PRODWP — обеспечивает двунаправленную связь MicroStation с SOCET SET. Позволяет отображать векторные данные MicroStation в стереоокне SOCET SET и наоборот — передавать в MicroStation из SOCET SET координаты XYZ, измеренные в стереорежиме. Работа происходит параллельно в двух программах: SOCET SET и MicroStation. Например, векторизуя какой-либо объект в стереорежиме, пользователь пользуется инструментами векторизации MicroStation, и результат сразу видит в окне MicroStation (рис. 6).
PROSD — аналогичный модуль для аналитических стереоплоттеров, поддерживающих стандарт LMT (Leica Mapping Terminal), например, Leica SD2000/3000.
PRODTM — предназначен для интерактивной векторизации и редактирования рельефа, обеспечивает двунаправленный интерфейс с MicroStation в части данных рельефа, работает с данными GRID и TIN.
PROSAFE — предназначен для полуавтоматической векторизации. Использует сложные алгоритмы: полуавтоматическая векторизация зданий, сегментация для векторизации однородных областей и т.д.
Аппаратное обеспечение
Несколько слов следует сказать об аппаратном обеспечении цифровой фотограмметрической станции. Хотя выше и говорилось о том, что в своем историческом развитии цифровая фотограмметрия «ушла» от специализированного, изготавливаемого в единичных экземплярах, оборудования, все же в своей основе станция должна иметь достаточно мощный компьютер и набор коммерчески доступной, специальной периферии для полноценной работы в стереорежиме.
Фотограмметрическая станция может работать как в активном, так и в пассивном стереорежимах. Работая в активном режиме, пользователь надевает специальные, управляемые с компьютера, поляризационные очки, например фирмы Crystal Eyes. На монитор устанавливается излучатель, подключаемый к видеоплате, импульсы с которого управляют очками. Физика создания стереоэффекта очень проста, — по сути, пользователю поочередно показываются на мониторе два изображения, левое и правое. В момент показа левого изображения очками закрывается правый глаз и наоборот. Частота переключения показа изображений достаточно велика, и пользователь при рассматривании стереокартинки не замечает мерцания. Активной система называется потому, что происходит постоянное управление очками, которые должны иметь приемник инфракрасного сигнала от излучателя и источник автономного электропитания.
В пассивном режиме стереоэффект достигается другим способом. Поверх монитора надевается специальный экран, например Z-Screen от LH-Systems, который поляризует изображение на мониторе. Левое и правое изображения показываются поочередно и поляризуются экраном в разных плоскостях. В этом случае пользователь надевает легкие пассивные очки, фиксированно настроенные на восприятие разных плоскостей поляризации левым и правым глазом (как в стереокинотеатре), и рассматривает стереоизображение через Z-Screen. Для удобства работы рекомендуется использовать два монитора, один из которых, с Z-Screen, используется для стереовизуализации.
Компьютер для цифровой фотограмметрической станции должен быть достаточно мощным, чтобы справляться с большими объемами цифровых снимков. Рекомендованную конфигурацию всегда можно посмотреть на веб-сайте (см. выше). На сегодняшний момент эта конфигурация такова: станция DELL 530; два процессора Xeon или Pentium 4 — 1.7 ГГц; 512 МБ RDRAM; графическая карта AGP Pro Wildcat II 5110 с 128 Мб SDRAM; два монитора; экран Z-Screen для работы в пассивном стереорежиме; Topomouse.
Рис. 7. Специализированная мышь TOPOMOUSE.
TOPOMOUSE — специализированная мышь для работы в SOCET SET и PRO600 (рис. 7). Имеет программируемые функции и набор кнопок для часто используемых функций, таких как масштабирование, ввод данных и т.д. Помимо кнопок, на мыши имеется удобное большое кольцо для движения по третьей координате.
Заключение
Подводя итоги, следует сказать, что на сегодняшний момент цифровая фотограмметрия занимает все более и более прочные позиции в картографировании. Особенно важно то, что цифровая фотограмметрия очень тесно интегрирована с цифровыми технологиями получения изображений, такими как ADS40, с одной стороны, и геоинформационными системами — с другой. Несомненно и то, что несмотря на бурное развитие простых, более понятных ГИС-пользователю, цифровых фотограмметрических систем, рынок еще очень долго будет нуждаться в высокопрофессиональных фотограмметрических системах, ориентированных на специалистов — картографов и фотограмметристов, особенно в задачах крупномасштабного картографирования. И, на данный момент, программное обеспечение SOCET SET является оптимальным для этих областей применения.
