Обзор продукции компании LH Systems. Часть 1

Валентин Зайцев, ведущий эксперт DATA+

Мы уже писали в нашей газете (см. N 1 (20) за 2002 г.) о произошедших в мире ГИС изменениях, связанных с приобретением прав на компании ERDAS и LH Systems фирмой Leica Geosystems. Вновь образованное подразделение ГИС и картографирования (GIS and Mapping Division) со штаб-квартирой в г. Атланта, США, куда вошли бывшие ERDAS и LH Systems, оказывается очень сильным «игроком» на существующем рынке ГИС, особенно в части такого стремительно развивающегося направления, как получение и обработка данных.

В современной структуре подразделения GIS and Mapping в Leica Geosytems бывшая компания LH Systems называется направлением Airborne Data Acquisition (поставка материалов аэросъемки), а компания ERDAS направлением Geographic Imaging (работа с географическими изображениями).

Если информации о программных продуктах ERDAS и их применениях достаточно много, в том числе в разных выпусках ArcReview, то продукция LH Systems впервые освещается в нашей газете. В ноябре 2001 г. DATA+ подписала дистрибьюторский договор с LH Systems, и теперь мы собираемся регулярно публиковать материалы по LH Systems.

Сама компания LH Systems, безусловно, далеко не новичок на Российском рынке. Эта фирма всегда позиционировала себя, как поставщик профессионального оборудования и программного обеспечения для высокоточных фотограмметрических и картографических работ и является своего рода «законодателем мод» в области фотограмметрии. Спектр предлагаемой продукции очень широк: профессиональное аэросъемочное оборудование (аэрофотокамеры, цифровые сенсоры, авиационные лидарные комплексы), аналитические стереоплоттеры, фотограмметрические сканеры, программное обеспечение, цифровые фотограмметрические станции, комплексы архивирования и каталогизации цифровой информации и т.д.

Подробный рассказ обо всем оборудовании и программном обеспечении займет, наверное, не одну газету целиком. Данная статья, открывая цикл статей по продукции LH Systems, ставит цель познакомить читателя, прежде всего, с современными технологиями проведения традиционных аэросъемочных работ.

Аэросъемка считается одним из основных методов создания и обновления крупномасштабных карт. Хотя в настоящее время наблюдается повышенный интерес к космическим данным высокого разрешения (IKONOS, QuickBird, EROS-1A), ни у кого не вызывает сомнения то, что в ближайшие годы аэросъемка останется основным методом решения задачи крупномасштабного картографирования. По оценкам американских специалистов, доля космических данных на картографическом рынке составляет лишь 6% (аэросъемка — 94%) и достигнет 12% к 2004 г.

Самая первая серийная аэрофотосъемочная камера C2 производилась швейцарской фирмой Wild (впоследствии ставшей Leica и, затем, LH Systems) с 1925 по 1944 год и имела размер кадра 10х15 см или 13х13 см и ручное управление. Позднее появились автоматические камеры с форматом кадра 18х18 см, а с 1958 г. производятся камеры размером кадра 9х9 дюймов (23х23 см). С 1980 года в аэрофотокамерах начала применяться цифровая электроника. К настоящему времени ситуация на рынке аэросъемочного оборудования кардинально изменилась, и связано это было с появлением портативных компьютеров и глобальных навигационных систем. Фирмы-производители предлагают не просто аэрофотоаппаратуру, а уже целые аэросъемочные аппаратно-программные комплексы, позволяющие значительно сократить затраты на проведение аэрофотосъемки, особенно в части наземных и камеральных работ, и со всей полнотой воспользоваться преимуществами глобальных навигационных систем.

Рассмотрим более подробно современный аэрофотосъемочный комплекс, предлагаемый LH Systems. Он состоит из нескольких составных частей:

• аэрофотокамера — RC-30,
• объективы — 15/4 UAG-S или 30/4 NAT-S,
• гиростабилизированная платформа — PAV30,
• система управления и контроля съемки — ASCOT с самолетной GPS антенной,
• наземная опорная GPS станция,
• программное обеспечение пост-обработки данных — Flykin Suite+.

Аэрофотокамера RC-30

Камера RC-30 (Рис. 1) имеет прямой интерфейс с бортовой навигационной системой, позволяет автоматически аннотировать кадры в процессе съемки и проводить коррекцию. Сама камера является модульной. Необходимые компоненты — устройство транспортировки фильма и устройство компенсации сдвига изображения — входят в центральный управляющий блок. Сменные модули: объективы и кассеты для фильма. В процессе съемки камерой управляют микропроцессор и программное обеспечение. Диапазон продольного перекрытия кадров регулируется от 1% до 99 % с шагом 1%. Автоматический измеритель экспозиции PEM-F специально разработан и оптимизирован для аэрофотосъемки и обеспечивает корректную экспозицию при полетах над любым типом местности, на разных высотах носителя и с любым типом пленки. В процессе съемки в негатив можно впечатывать любые 200 символов по выбору пользователя, например: масштаб, координаты центра проекции кадра, дата, время, текущий номер экспозиции, тип пленки и т.д.

Рис. 1. Внешний вид аэрофото- камеры RC-30.

Сменные объективы для камеры RC-30 изготавливаются с высочайшим швейцарским качеством, которое присуще всей оптике от Leica. Достаточно сказать, что если в 1961 году дисторсия объектива с 15 см. фокусным расстоянием при максимальной апертуре составляла 12 мкм, то сегодняшний уровень — 2 мкм (!) по всему полю зрения объектива. У поставляемых объективов достигнута разрешающая способность 110-115 лин/мм. Основные характеристики объективов:

Кроме того, объективы могут комплектоваться различными светофильтрами для повышения контраста изображения в условиях дымки и проведения специальных видов съемки.

Гиростабилизированная платформа PAV30

Важнейшим элементом аэрофотосъемочного комплекса является гиростабилизированная платформа PAV30, предназначенная для компенсации угловых колебаний носителя камеры, улучшения качества и повышения эффективности аэрофотосъемки (Рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид гироплатформы PAV30.

В комбинации с блоком компенсации сдвига изображения FMC, входящим в состав управляющего устройства самой камеры, применение платформы PAV30 позволяет удлинять времена выдержки для съемки в условиях низкой освещенности или использовать аэрофотопленку с высокой разрешающей способностью. Сама платформа — сложное, прецизионное устройство, в состав которого входят гироскопы, серво-моторы, датчики уровня, компенсаторы движения и электроника. Использование платформы позволяет вести аэрофотосъемку в условиях турбулентной атмосферы, добиваясь при этом ровных, прямых линий съемки и фотографирования, близкого к надиру (Рис. 3).

Рис. 3. Внешний вид маршрута съемки без и с использованием гироплатформы.

Основные технические данные гироплатформы:

ASCOT (Aerial Survey Control Tool) — система управления процессом съемки

Успех и качество аэрофотосъемки всегда зависят от совместной работы пилота, штурмана самолета и оператора съемки. Еще в недавнем времени планы аэрофотосъемки готовились вручную и рисовались на картах. Как правило, за неудачи (пропуски между линиями блока, малое продольное межкадровое перекрытие) приходилось расплачиваться дополнительными работами по маркировке и измерению координат наземных опорных точек или, как крайний вариант, — повторной аэрофотосъемкой. Кроме того, правильно проведенная съемка требует значительно меньшего объема полевых работ по маркировке и координатным измерениям. Планирование всегда связано с выходным отчетом о результатах аэрофотографирования. Например, знание координат центров проекции кадров в моменты съемок существенно облегчают процесс триангуляции.

Система ASCOT, разработанная LH Systems, представляет собой аппаратно-программный навигационный комплекс для решения следующих основных задач.

1) Планирование съемки — выполняется в интерактивном режиме с использованием дигитайзера или мыши. Планирование может осуществляться в географической или локальной системе координат с возможностью редактирования блока. Программа оперирует понятиями блока, точек, линий и использует достаточно сложный алгоритм оптимального расчета покрытия линиями блока. Результат работы программы — подготовленный к исполнению в автоматическом режиме план полета.

2) Выполнение полета. Производится по подготовленному плану с контролем выполнения по внешним данным от GPS приемника и гироплатформы PAV30. Система ASCOT полностью синхронизирована с камерой, навигационным приемником и гироплатформой для сбора навигационных параметров во время съемки и аннотирования кадров (рис. 4). В систему, кроме бортового компьютера промышленного исполнения, входят также специальный дисплей для пилота и терминал оператора (рис. 5). Информация, отображаемая пилоту, существенно облегчает «заход» на съемку и контроль полета в рамках определенного коридора движения. Оператор на терминале «видит» и контролирует в реальном масштабе времени весь процесс аэросъемки, текущую траекторию полета, отклонения от программы работы, азимут, скорость, количество отснятых кадров и т.д.

Рис. 4. Схема подключения основных элементов ASCOT.

Рис. 5. Внешний вид составных аппаратных элементов ASCOT.

3) Анализ результатов — может производиться сразу по нескольким полетам, с возможностями экспорта в графические форматы и дальнейшего использования в будущих съемках. Пользователь может проанализировать статистический параметры полета (вариации высоты, количество кадров, вариации масштаба съемки, вариации перекрытий и другие параметры).

Система ASCOT комплектуется внутренним, интегрированным GPS приемником LHS-2000. Приемник 40 канальный, одно или двухчастотный, может поставляться в комбинированном варианте GPS/ГЛОНАСС и измеряет координаты с частотой 1 или 2 Гц.

Наземная опорная GPS станция

В качестве наземной опорной станции могут использоваться одночастотные (SR510) или двухчастотные (SR520) геодезические приемники фирмы Leica-Geosystems. Например, приемник SR520 — 2-х частотный, 24 канальный с точностью в кинематическом режиме 10-20 мм. Приемник комплектуется стандартной памятью 10 Мб (с возможностью расширения), которой хватает за запись 10 часов измерений со скоростью 2 Гц.

Flykin Suite+ — программное обеспечение пост-обработки данных

Предположим, что съемка проведена успешно, и намеченная программа полностью отработана. На выходе мы имеем рулон или несколько рулонов с отснятой фотопленкой, которая идет в проявку, и набор собранных навигационных данных (GPS данные с самолетного приемника, GPS данные от одной или нескольких наземных опорных станций, временные отметки моментов срабатывания затвора камеры, угловые данные с гироплатформы). Специальное программное обеспечение Flykin Suite+ предназначено для камеральной пост-обработки этих данных. Само ПО написано ведущей канадской компанией GEOsurv в области кинематической обработки GPS данных и полностью интегрировано в технологию LH Systems, где служит связующей частью между сбором данных (ASCOT) и блоковой триангуляцией (ORIMA). FlykinSuite+ позволяет проводить следующую обработку:

• конвертация «сырых» GPS данных из форматов RINEX, Trimble, Leica Geosystems, Ashtech, Motorola, Novatel во внутренний формат;
• вычисление статических или кинематических векторов в прямом или обратном направлении на одной или двух частотах GPS, выбор различных сценариев обработки;
• восстановление траектории полета, используя различные методы интерполяции данных, графическое отображение разницы траекторий (например, при прямом и обратном решении) и выбор оптимальных параметров обработки;
• конвертация координат из одной системы в другую, на различных эллипсоидах и датумах;
• уравнивание данных по двум методам: OTF и CBA;
• подготовка выходного файла для триангуляции в ORIMA, содержащего 12 параметров на каждый кадр (координаты центра фотографирования, время, точность, вектор «антенна-аэрофотокамера» и т.д.).

Навигационные GPS измерения в фотограмметрии могут обрабатываться двумя общепринятыми методами — OTF (On-The Fly, «на-лету») и CBA (Combined Block Adjustment, комбинированное уравнивание блока). Разница этих двух методов поясняется в таблице.

SD 2000/3000 — аналитические стереоплоттеры

Несмотря на бурное развитие цифровой фотограмметрии и активное внедрение цифровых фотограмметрических станций, продолжает оставаться актуальной и традиционная аналитическая фотограмметрия. Приборы для аналитической фотограмметрии, в развитие приборов аналоговой фотограмметрии, производятся достаточно давно. Первый аналоговый стереоплоттер для трехмерных измерений по стереопарам снимков был создан еще в 1901 г. Кроме того, имеется ряд задач, для которых применение аналитической фотограмметрии является единственно возможной альтернативой. Где требуется очень высокое разрешение снимков — не обойтись без человеческого зрительного аппарата и возможностей аналоговой обработки.

LH Systems имеет очень богатый опыт производства оборудования для аналитической фотограмметрии, который основывается на опыте предшествующих компаний Kern и Wild. Оптика и высокоточная механика производства этих компаний стала фактически стандартом де-факто во всем мире. Серия станций для аналитической фотограмметрии SD2000/3000 производится с 1991 г. К существенным достоинствам этих аналитических станций можно отнести следующие:

• преемственность и использование опыта создания предыдущих аналитических фотограмметрических приборов;
• соблюдение эргономических стандартов, автоматизация процессов триангуляционных измерений, применение специальных ручных колес или ножного диска;
• стандартный интерфейс LMT (Leica Mapping Terminal) между аналитической частью станции и прикладным программным обеспечением;
• концепция 2-х компьютерной станции, один из компьютеров — с прикладным ПО, второй для LMT;
• общее с цифровыми фотограмметрическими станциями программное обеспечение — ORIMA и PRO600 для фототриангуляции и сбора данных.

Последнее обстоятельство очень важно, с точки зрения обучения специалистов и параллельного использования цифровых и аналитических станций. В этих аналитических стереоплоттерах может также использоваться ПО третьих фирм: PATM-GPS, PATB-GPS, BLUH для аэротриангуляции, ATLAS (KLT), KORK (Autometric), ACAD-XPRESS (ABC Software Developers), Capture NT for AutoCAD (DAT/EM) для картографирования.

Приведем технические данные аналитической фотограмметрической станции SD 3000 (рис. 6):

Рис. 6. Аналитический стереоплоттер SD3000.

DSW500 (Digital Scanning Workstation 500)

DSW500 — цифровой фотограмметрический сканер, предназначен для высокоточного сканирования пленочных негативов или позитивов, полученных в процессе аэрофотосъемки. Сканер прежде всего нужен тем потребителям, которые используют цифровые фотограмметрические станции для обработки аэрофото (рис. 7). Поскольку, как было отмечено, сама аэрофотокамера RC-30 обладает очень высокими точностными характеристиками, очень маленькой дисторсией и разрешающей способностью более 100 лин/мм, очень важно при сканировании сохранить эти характеристики, не привнеся дополнительных искажений при переводе в цифровую форму. История создания фотограмметрических сканеров в LH Systems ведет отсчет с 1987 г. С 1989 по 1994 серийно производился сканер HAI-100/DSW 100. В то время для сканирования одного цветного негатива с разрешением 12,5 мкм требовалось 3 часа! Для сравнения, современный сканер DSW 500 тратит на аналогичную операцию 5,5 минут. Если первые сканеры в качестве приемника излучения использовали ПЗС линейки, то в современных применяются ПЗС матрицы.

Рис. 7. Внешний вид фотограмметричес- кого сканера DSW 500.

Современный фотограмметрический сканер — очень сложное прецизионное устройство, сочетающее в себе не только цифровую электронику, но и точную механику и оптику. В своей основе сканер DSW500 имеет очень твердую опорную плиту, изготовленную из единой алюминиевой отливки. На опорной плите закреплены стальные рельсы, по которым движется каретка с фильмом. Специальные моторы позволяют с разной скоростью транспортировать пленку длиной до 152 м, точно измеряя пройденное расстояние. Сканер позволяет сканировать отдельные кадры или весь фильм целиком, не разрезая его. Размер сканируемого кадра до 26х26 см. Точность серво-приводов и точность позиционирования в любую точку составляет 0.5 мкм. Система освещения обеспечивает однородное освещение по всему полю изображения. Источником света в сканере является ксеноновая лампа, работающая в стробоскопическом режиме.

В качестве приемника излучения сканер может комплектоваться одной из трех моделей цифровых камер Kodak MegaPlus: 1.6i (1536х1024 элемента), 4.2i (2096х2048 элемента), 6.3i (3072х2056 элемента). Эти камеры высокого разрешения — лучшие из всех цифровых камер, предлагаемых на коммерческом рынке. Абсолютно все 100% площади каждого пиксела чувствительны к свету (в более ранних технологиях был достигнут уровень — 50%). Другим преимуществом этих камер является то, что каждый пиксел в ПЗС матрице квадратный (размер элемента 9х9 мкм) и очень точно позиционирован. Между матрицей и изображением находится оптическая система, позволяющая изменять физический размер пиксела на изображении от 4 до 20 мкм. Выходной сигнал с ПЗС матрицы оцифровывается с 10 битным радиометрическим разрешением. Комбинация разрешения оптической системы и ПЗС матрицы и дает итоговое разрешение цифровой системы. Оптическое разрешение выходного цифрового изображения составляет до 125 пар линий на мм при 4 мкм «пятне» сканирования.

Важным компонентов сканирующей системы DSW500 является программное обеспечение, которое может устанавливаться на компьютерах типа IBM PC или SUN. Желательно использовать быстродействующие жесткие диски и внешний ленточный стример типа DAT или DLT, монитор с диагональю не менее 19”. Размер итогового растрового изображения зависит, естественно, от выбранного разрешения при сканировании. Например, объем одного полного цветного кадра 23х23 см при сканировании с разрешение 12,5 мкм составляет 1100 Мб без сжатия, с разрешением 5 мкм — около 7 Гб!

Программное обеспечение сканера выполняет следующие основные функции:

• создание и настройка проекта сканирования (в том числе всего фильма длиной до 152 м, более 660 кадров);
• автоматическое определение элементов внутреннего ориентирования для каждого кадра и запись их в соответствующие файлы для прямого использования в SOCET SET;
• автоматическая и ручная настройка яркости изображения, автоматическая балансировка цвета, автоматическая нормализация гистограммы;
• создание пирамидальных слоев для изображений при сканировании;
• возможность использовать функции улучшения качества изображения путем цифровой обработки;
• периодическая проверка радиометрической и геометрической калибровки сканера.

Форматы файлов выходных изображений: VITec, TIFF, Tiled TIFF, Tiled TIFF JPEG, Sun raster, NITF JPEG. Технические характеристики сканера DSW500 обобщены в следующей таблице:

На существующем рынке фотограмметрического оборудования, сканер DSW500 самый быстродействующий, полностью автоматический с великолепными характеристиками по цветопередаче.

ORIMA (Orientation Management) — программное обеспечение для триангуляции.

Триангуляция — процесс определения элементов внешнего ориентирования для каждого из снимков блока. Параметры точности, достигнутые в ходе проведения триангуляции, определяют масштаб выходных картографических материалов и эффективность дальнейшей фотограмметрической обработки. ORIMA — современная программа для триангуляции, ведет свою историю с 1995 г. и используется в более чем 60-ти странах. Программу отличает несколько ключевых особенностей:

• учет данных GPS и инерциального измерителя углов при триангуляции;
• мощные возможности по автоматическому устранению и анализу ошибок триангуляции;
• различные варианты графического представления ошибок и результатов;
• отображение эллипсов ошибок, геометрии и точек пересечения лучей;
• наличие версий как для аналитических стереоплоттеров, так и для цифровых станций.

Программа поставляется в 12-ти разных вариантах по выбору пользователя, которые отличаются функциональными возможностями.

Для аналитических фотограмметрических станций предлагается 5 версий.

ORIMA-B — базовая версия. Измерение, внутреннее и внешнее ориентирование одиночной стереомодели. Начальный уровень программы с простым интерфейсом и минимальной стоимостью.

ORIMA-S — стандартная версия, развитие версии B. Дополнена функциями статистического анализа ошибок и «мастером», облегчающим работу оператора.

ORIMA-T — версия с триангуляционными измерениями и полной функциональностью. Статистическое обнаружение ошибок и мощное графическое представление результатов. Исключена блоковая обработка.

ORIMA-TB — функциональность версии T с ограниченными возможностями обработки небольших блоков (до 100 кадров).

ORIMA-TE/GPS — наиболее полная и мощная версия блоковой триангуляции с неограниченным количеством кадров и использованием данных GPS и инерциального измерителя углов.

Для цифровой фотограмметрической станции и программного обеспечения SOCET SET предлагается 4 версии. Эти версии программы ORIMA полностью интегрированы в SOCET SET. В программах поддерживаются одинаковые географические проекции и датумы, функции автоматического измерения точек (APM). Функция APM позволяет автоматически измерять и переносить связующие точки и опорные точки. Для связующих точек — полный автомат по заранее определяемому шаблону расположения точек по полю снимка, для опорной точки — достаточно указать ее на одном их снимков, на всех остальных, совпадающих по областям перекрытия, поиск происходит автоматически!

ORIMA/SOCET-S — стандартная версия. Интерактивные измерения и согласование изображений происходят в SOCET SET. Блоковая обработка и автоматическое измерение точек (APM) не поддерживаются.

ORIMA/SOCET-T — в данной версии измерения координат точек в SOCET SET используются только для оффлайновой триангуляции, в случае ошибок производятся новые измерения.

ORIMA/SOCET-TB — онлайновая версия триангуляции с ограниченными возможностями блоковой обработки (не более 100 кадров). Онлайновая триангуляция означает то, что при редактировании точек в одной из программ (ORIMA или SOCET SET) происходит автоматический учет в другой программе, что делает эффективным процесс повторного измерения опорных или связующих точек.

ORIMA/SOCET-TE/GPS — наиболее полная и мощная версия блоковой триангуляции для цифровой фотограмметрической станции и SOCET SET с неограниченным количеством кадров и использованием данных GPS и инерциального измерителя углов.

Автономные варианты — две программы с графическим интерфейсом для Windows и обработки аэрофотосъемки с любых источников. Сочетают в себе элементы интерфейса цифровой и аналоговых версий (рис. 8).

Рис. 8. Вид блока триангуляции в ORIMA.

ORIMA-TB/Off — оффлайновая версия триангуляции с ограниченными возможностями блоковой обработки (не более 100 кадров).

ORIMA-TE/GPS/Off — наиболее полная и мощная версия оффлайновой блоковой триангуляции с неограниченным количеством кадров и использованием данных GPS и инерциального измерителя углов.

ORIMA-M — версия для триангуляции данных с цифрового сенсора ADS 40.

Таким образом, завершая первую часть статьи по обзору продукции LH Systems, можно с уверенностью констатировать, что предлагаемое оборудование позволяет с высокой эффективностью решать задачи крупномасштабного картографирования, а предлагаемый аэрофотосъемочный комплекс является одним из самых современных на сегодняшнем рынке.