Сравнительный анализ эффективности применения цифровой аэрофотосъемки и космической съемки для целей создания и обновления топографических и специальных карт

Решения

Высокоточная цифровая картографическая продукция востребована во всех сферах хозяйственной деятельности. Она необходима при геологоразведке, добыче и транспортировке углеводородов, проектировании промышленных предприятий, рекреационных зон, городских кварталов, при экологическом мониторинге. С ее помощью решается широкий круг прикладных задач.

Картографирование территорий. Лазерное сканирование – эффективный инструмент создания карт обширных территорий. Огромное преимущество технологии - в колоссальном сокращении полевых работ и периода камеральной обработки полученных данных, за счет чего многократно увеличивается продуктивность и сокращается себестоимость работ. Современные аэросъемочные методы позволяют создавать карты любого масштаба по итогам одного залета, поскольку результаты съемки территории при помощи ВЛС – изначально цифровые. Кроме того, технология позволяет единовременно зафиксировать весь объем информации о местности с последующей возможностью проводить выборочную детализацию на любом масштабном уровне в зависимости от назначения карты.

Проектирование новых и реконструкция существующих объектов. Цифровые модели местности и рельефа могут легко импортироваться в программные продукты для проектирования различных объектов – промышленных предприятий, дорог, трубопроводов, линий электропередач и т.п. В то же время, высокоточные трехмерные модели сложных инженерных сооружений значительно упрощают процесс проектирования их реконструкции.

Инспекция технического состояния инженерных объектов. По результатам воздушного и наземного лазерного сканирования можно быстро и эффективно оценить техническое состояние производственных цехов, архитектурных памятников, дорог, магистральных трубопроводов, опор линий электропередач и т.п.

Паспортизация сложных инженерных сооружений. Часто встает вопрос обновления или восстановления технической документации по инженерному сооружению. В этом случае возможности технологии наземного лазерного сканирования уникальны и не имеют аналогов.

Прогноз и мониторинг чрезвычайных ситуаций. По цифровым моделям рельефа и местности можно эффективно прогнозировать последствия различных природных явлений – наводнений, оползней и т.п. Кроме того, наземное лазерное сканирование эффективно применяется для мониторинга деформаций различных объектов. Цифровая аэрофотосъемка предоставляет уникальные возможности по оперативному мониторингу последствий различных чрезвычайных происшествий.

Создание корпоративных геоинформационных систем. Цифровые топографические карты и планы, а также модели рельефа и местности являются геоподосновой любой геоинформационной системы. Инновационные технологии воздушного лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки значительно ускоряют процесс создания цифровых карт.

Визуализация и управление пространственными данными. Необходимость обмена данными, совместного анализа и возможность быстрого реагирования в режиме реального времени требует от современных технологий решений, многократно превосходящих по эффективности представление данных в бумажном виде или просто в отображении на экране монитора. Программно-аппаратный комплекс, разработанный компанией «TouchTable» (США), в настоящее время успешно используется правительственными и военными организациями многих стран, а также нефтяными и транспортными компаниями для анализа обстановки и принятия решений в целях обеспечения их деятельности.

Сравнительный анализ эффективности применения цифровой аэрофотосъемки и космической съемки для целей создания и обновления топографических и специальных карт

Автор статьи:
Кадничанский Сергей Алексеевич
Вице президент РОФДЗ

 

Обоснование пространственного разрешения снимка (размера пикселя на местности) в зависимости от масштаба создаваемой или обновляемой карты. О возможных масштабах карт в зависимости от пространственного разрешения снимков

Космическая съемка в видимом спектральном диапазоне и ближнем инфракрасном в последнее время претерпели весьма ощутимое развитие в сторону увеличения разрешающей способности космических изображений. Это принципиально делает возможным использование этой информации, в том числе для целей картографирования и обновления карт. При этом возникает вопрос: о каких масштабах карт может идти речь?

Применительно к цифровой аэрофотосъемке или космической цифровой съемке, ни в каких российских нормативно-технических документах не содержится требований к пространственному разрешению в зависимости от масштаба карты, плана или ортофотоплана. В Инструкции по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов [1] в Приложении 5 (стр. 90 - 91) изложена методика расчета размера пикселя при сканировании аналогового снимка в зависимости от масштаба фотографирования и масштаба создаваемой карты, содержащая 4 формулы вычисления, из которых к нашему случаю имеют отношение только первая (Ps) и последняя (Pp):

 

 

где M _k - знаменатель масштаба карты (плана), M _c - знаменатель масштаба аэрофотоснимка, V _s - требуемая точность определения плановых координат равная 0.2 мм. Первая из этих формул дает размер пикселя в мм, вторая в микронах. Прямого отношения к требованиям размера пикселя на местности цифровой аэрофотосъемки или космической съемки эти формулы не имеют, но в некоторых случаях за неимением иных требований их используют, преобразовав к виду, позволяющему оценить размер пикселя на местности в метрах:

 

Для масштаба плана 1:5000 при масштабе снимка 1:20000 P_s = 0.5 м; P _p=0.35 м.

Согласно Инструкции по фотограмметрическим работам использовать нужно меньшее. Однако расчет P _p основан на требованиях к графическому качеству напечатанного на бумаге ортофотоплана, заключающемуся в том, чтобы размер полутонового пикселя не превышал 70 мкм. По этой причине основываться на этом критерии выбора размера пикселя в том случае, когда ортофотоплан используется в цифровом виде или когда его твердая копия печатается с помощью плоттера (принтера), не обеспечивающего разрешение с размером полутонового пикселя равным 70 мкм, нет никаких причин. Таким образом, при использовании ортофотоплана в цифровом виде представляется более логичным пользоваться критерием P _s, основанном на требуемой точности измерений. Это означает, что согласно требованиям Инструкции по фотограмметрическим работам для масштаба 1:5000 размер пикселя на местности может достигать 0.5 м. Но даже и это значение представляется необоснованным, т.к. критерий P _s основан просто на том, что размер пикселя должен быть в 2 раза меньше допустимой ошибки измерения по ортофотоплану, а ошибка измерения составляет 0.2 мм в масштабе плана. Этот подход просто не имеет никакого обоснования. С одной стороны, точность измерений по цифровому изображению составляет доли пикселя, но не 2 пикселя и в любом случае не хуже 1 пикселя! Следует обратить внимание, что в этом подходе совершенно не учитывается возможность дешифрирования снимков, т.е. распознавания объектов и определения их характеристик.

Т.е. представленные в Инструкции по фотограмметрическим работам формулы расчета размера пикселя на местности отражают линейную зависимость размера пикселя от масштаба карты, что в принципе не должно быть с учетом задачи дешифрирования (распознавания объектов и их характеристик). Если проанализировать требования к допустимым масштабам фотографирования в зависимости от масштаба карты (плана), сформулированные в Инструкциях по топографической съемке [2, 3], акцентируя внимание на задаче дешифрирования, и принять, что разрешение аналоговых снимков на момент издания инструкций составляло не более 20-30 линий на мм (рассчитывать на более высокое разрешение нет оснований), то получится ряд значений размера пикселя, представленный в таблице 1.

Таблица 1. Размер пикселя на местности в зависимости от масштаба карты (плана)

Масштаб плана	P p (м)	P s (м)	Масштаб фотогр. из инструкций по топо съемке	Размер пикселя на местности исходя из Инструкций по топ. съемке	Номинальный рекомендуемый (предлагаемый) размер пикселя (м)	Максимальный допустимый размер пикселя (м)
1:500	0.04	0.05	1:3000	0.08	0,07	0,09
1:1000	0.07	0.1	1:5000	0.13	0,11	0,14
1:2000	0.14	0.2	1:10000	0.25	0,17	0,22
1:5000	0.35	0.5	1:15000	0.38	0,33	0,42
1:10000	0.70		1:20000	0.50	0,50	0,64
1:25000	1.75	2.5	1:35000	0.88	0,80	1,00

Нелинейный характер зависимости разрешения снимка в зависимости от масштаба карты отчетливо виден из этого ряда, особенно при графическом отображении (см. график 1). Выбор соотношения масштаба карты (плана) и масштаба фотографирования, представ-ленный в Инструкциях по топографической съемке носит несколько приближенный характер в том смысле, что масштаб фотографирования выражается весьма круглыми числами, и по этой причине кривая зависимости размера пикселя от масштаба карты выглядит не очень гладкой. В результате некоторого сглаживания кривой можно построить ряд номинальных рекомендуемых значений размера пикселя для масштабного ряда (на графике показано красным цветом) и ряд максимальных допустимых значений, принимая, что максимальные допустимые значения должны быть пропорциональны рекомендуемым (см. график 1).

 

График 1. Зависимость требуемого размера пикселя на местности от масштаба карты

Таким образом, зависимость размера пикселя от масштаба создаваемого плана (карты) с учетом потребности задачи дешифрирования не может носить линейных характер.

Для выбора размера пикселя следует основываться не столько на точностных критериях, сколько на потребностях дешифрирования цифрового изображения, накопленного опыта, отраженного в Инструкциях по Топографической съемке, и разработанных исходя из этого таблиц номинальных рекомендуемых размеров пикселей.

Исходя из того, что пространственное разрешение лучших в этом отношении коммерческих космических снимков составляет 0.5 м и 1.0 м, можно с уверенностью говорить о возможности их использования для карт масштабов 1:10000 и 1:25000 с точки зрения дешифровочных свойств изображений. Возможность и эффективность использования снимков с разрешением 0.5 м для создания плана масштаба 1:5000 зависит от ситуации и конкретных требований к содержанию карты.