Цифровые стереофотограмметрические системы

 

На рис.2 представлена обобщенная принципиальная схема цифровой фотограмметрической системы. Любая цифровая стереофотограмметрическая система состоит из трех основных частей: устройства ввода, фотограмметрической рабочей станции и устройств вывода.

Устройства ввода предназначены для получения и ввода цифровых изображений в фотограмметрическую рабочую станцию. В качестве таких устройств могут быть цифровые камеры, основанные на линейках или матрицах ПЗС (приборы зарядной связи), съемочные системы дистанционного зондирования (ДЗ) или сканеры, предназначенные для преобразования аналоговых фотоизображений в цифровую форму.

Фотограмметрическая рабочая станция предназначена для обработки стереопар снимков и состоит из компьютера с соответствующим программным обеспечением, системы стереоскопического наблюдения снимков и датчиков координат.

Устройства вывода предназначены для хранения и вывода результатов фотограмметрической обработки стереопар снимков. В качестве таких устройств могут служить: 1) геоинформационные системы (ГИС), в которых выполняется окончательное редактирование, хранение и использование цифровых карт и планов; 2) принтер служит для вывода на печать алфавитно-цифровой информации (результатов уравнивания фототриангуляции, каталогов координат и т.д.) и графической в виде рабочих фрагментов карт и планов; 3) плоттер предназначен для получения твердой копии карт и планов.

Устройства ввода будут рассмотрены отдельно в следующих параграфах. Здесь рассмотрим более подробно фотограмметрическую рабочую станцию, как основной элемент цифровой системы.

В качестве компьютера используют персональные (РС) или компьютеры типа SUN. Программное обеспечение позволяет решать все фотограмметрические задачи по цифровым изображениям (внутреннее ориентирование снимков, взаимное ориентирование пары снимков, построение модели, внешнее ориентирование модели, прямая и обратная засечки, фототриангуляция, трансформирование снимков, создание ортофотопланов, создание цифровых моделей местности и рельефа). Отличительной особенностью программного обеспечения цифровой системы является возможность автоматизировать процесс измерений координат точек снимков на всех этапах обработки стереопары.

Система наблюдения состоит из одного или двух мониторов. Один предназначен для стереоскопического наблюдения стереопары снимков, а второй для управления процессами фотограмметрической обработки снимков. В случае одного монитора все задачи решаются на нем.

Существует 4 метода стереоскопического наблюдения снимков, применяемых в цифровых фотограмметрических системах: бинокулярный метод, анаглифический метод, поляроидный метод, метод затворных (активных) очков. Суть этих методов рассмотрена в 3 главе.

 

 

 

 

Рис.2 Принципиальная схема цифровой фотограмметрической системы

 

 

В таблицах 1 и 2 приведены в качестве примера некоторые характеристики различных цифровых фотограмметрических систем.

 

	OrthoPhoto	Apertura	SVP	Photomod   о.	CDW	OrthoEngine	SEAGLE DIGIT	PI-1000	Atlas/DSP	ImageStation	DVP	PC
	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	Метрические камеры			Тип изображение
				+		+				+		Сканерные изображение
				+	+		+	+				Не метрические снимки
		+							+		+	Стереоскоп			Метод Наблюдения Стереомозаики
			+	+				+	+			Затворнные очки
				+								Анаглифические очки
								+		+		Полироидные
		+	+	+	+		+	+		+	+	Клавиатура			Измерения
	+		+	+	+	+	+	+	+	+	+	Mouse, trackball
												Штурвалы
1-интерактивный 2-автоматизированный 3-автоматический	1	1	1	1	1,2	1	1	1	1	1,2	1	Внутреннее Ориентирование			Функции
		1	1	1,2	1	1	1	1	1	1,2	1,2	Взаимное Ориентирование
		1	1	1,2	1	1	1	1	1	1,2	1	Внешнее Ориентирование
	1					1		1	1	1,2	1	Обратная засечка
				1,2	1	1		1	1	1,2,3	1,2	Фото-триангуляция
		1,2	1	1,2	1		1	2	1	1,2,3	1	Съемка контуров
			1,2	1,2,3		1	1	2	1	1,2,3	1,2	ЦМР
	1		1	1		1		1	1	1	1	Ортофото
	1			3		1			1	1	1	Мозаика
	SoftPlotter	VirtuoZo   о.	TRASTER	DPW	OrtoMAX	DIGITUS	PHODIS ST	ImageStation	Auto-3D	SUN
	+	+	+	+	+	+	+	+	+	Метрические камеры			Тип и зображение
		+	+	+	+		+	+	+	Сканерные изображение
				+					+	Не метрические Снимки
				+		+				Стереоскоп			Метод наблюдения Стереомдели
	+	+	+	+	+	+	+		+	Затворнные Очки
				+						Анаглифические очки
		+	+	+	+		+	+	+	Полироидные
	+	+	+	+	+	+		+	+	Клавиатура			Измерения
	+	+	+	+	+	+	+	+	+	Mouse, trackball
				+						Штурвалы
1-интерактивный 2-автоматизированный 3-автоматический	1,3	1,2,3	1,2,3	1,2	1,2	1	3	1,2	1	Внутреннее Ориентирование			Функции
	1	1,2,3	1,2	1,2	1,2	1	3	1,2	1,2	Взаимное Ориентирование
	1	1,2	1	1,2	1,2	1	2	1,2	1,2	Внешнее Ориентирование
	1		1	1,2	1,2	1	1	1,2	1,2	Обратная засечка
	1		1	1,2	1	1	3	1,2,3	1	Фото-триангуляция
	1	3	1,3	1,2,3		1	3	1,2,3	1,2	Съемка контуров
	1,2,3	1,2,3	3	1,2,3	1	1	3	1,2,3	1,2,3	ЦМР
	1	1	1	1,3	1	1	1	1	1	Ортофото
	1	1		1,3	1		1	1	1	Мозаика

 

 

Калибровка измерительных систем стереокомпаратора АСФС

       Калибровка измерительных систем стереокомпаратора производится с помощью специальной измерительной сетки, представляющей собой плоскопараллельную стеклянную пластину, на одной из поверхностей которой нанесена сетка крестов, координаты которых известны с высокой точностью (до 0.5 мкм) (рис 1).

       Измерительную сетку закладывают в каретку стереокомпаратора и измеряют координаты крестов в системе координат измерительной системы .

       Для исключения систематических ошибок измерительных систем обычно используют формулы аффинных преобразований

(1)

или

(2)

В формуле (1) и (2):

- координаты точки в системе координат измерительной системы;

- координаты точки в системе координат измерительной сетки (истинные значения координат, которые мы в дальнейшем будем называть координатами в системе координат калибровочной измерительной системы);

-параметры аффинного преобразования;

П -матрица аффинного преобразования.

       Параметры  являются координатами начала СК измерительной сетки в СК измерительной системы, а посредством параметров  учитывают неперпендикулярность осей СК измерительной системы и отличие масштабов датчиков координат от номинальных значений.

       Каждый измеренный крест измерительной сетки позволяет составить два уравнения поправок:

 (3)

       Очевидно, что для определение 6 параметров аффинного преобразования необходимо измерить не менее 3 крестов не лежащих на одной прямой. Обычно при калибровке измеряют 25 крестов, равномерно расположенных на измерительной сетке.

       Определение параметров аффинного преобразования производят в результате решения системы уравнений поправок (3) по методу наименьших квадратов.

       По значениям поправок определяют средние квадратические ошибки измерения координат х и у (точность измерительных систем стереокомпаратора

, (4)

где n - количество измеренных крестов.

При последующей фотограмметрической обработке снимков вычисление координат точек снимка в СК калиброванной измерительной системы производят по формулам:

 , (5)

или

,(6)

       При обработки снимков на аналитической стереофотограмметрической системе возникает задача определения координат точек в СК измерительной системы по значениям их координат в СК калиброванной измерительной системы.

       Эти определения производят по формулам:

 , (7)

или

 , (8)

в которых - элементы обратной матрицы

 

 

Внутреннее ориентирование снимков

 

       Для фотограмметрической обработки снимка необходимо измерить координаты точек снимка х,у в СК снимка оху. При наведении измерительной марки на точку снимка датчики координат измерительной системы стереокомпаратора фиксируют координаты этой точки  в СК измерительной системы .

       Зная параметры калибровки , вычисляют координаты точки в СК калиброванной системы:

       Для определения координат точек х,у в СК снимка по координатам этих точек, определённым в СК калиброванной измерительной системы , обычно используют формулы аффинного преобразования:

       Параметры аффинного преобразования позволяют учесть не только положение и ориентацию СК снимка в СК калиброванной измерительной системы, но и учесть систематические искажения снимка, вызываемые изменением масштабов снимка по осям х.у и неперпендикулярностью осей х и у. Эти искажения возникают из-за деформации фотоплёнки, на которой был получен снимок.

       Параметры  можно определить по координатам  координатных меток полученным в результате их измерения на аналитической стереофотограмметрической системе и значениям координатам этих меток х,у, полученным при калибровке съёмочной камеры.

       Для определения параметров  для каждой координатной метки составляют уравнения

и решают полученную систему уравнений по методу наименьших квадратов.

       Очевидно, что для определения параметров необходимо измерить координаты не менее 3 меток, не лежащих на одной прямой.

       При обработке снимков на АСФС возникает задача определения координат точек снимка в СК калиброванной измерительной системы по их значениям в СК снимка.

       Также определения производят по формулам:

или

       В уравнениях (12) и (13) - элементы обратной матрицы .

       В случае, если при калибровке съёмочной камеры определялись калиброванные расстояния между координатными метками , для определения координат точек в СК снимка по измеренным координатам точек в системе калиброванной измерительной системы используют формулы:

в которых: координаты начала СК снимка в СК калиброванной измерительной системы;

- угол разворота СК снимка относительно СК калиброванной системы;

- коэффициенты деформации снимка по осям х и у.

       Если калиброванные расстояния между координатными метками   неизвестны, то для определения координат точек в системе координат снимка используют формулу:

       Значение параметров определяют по измеренным значениям координат координатных меток в СК калиброванной измерительной системы по формулам:

в которых - координаты 1и 2 координатных меток в СК калиброванной измерительной системы;

(17)

в которых  - калиброванные значения расстояний между координатными метками;  - координаты координатных меток в СК калиброванной измерительной системы.

Параметры  определяют, как координаты  точки пересечения прямых линий, проведённых через координатные метки 1-2 и 3-4, по формулам:

                 (18)

в которых:

Для определения координат точек снимка в СК калиброванной измерительной системы по координатам этих точек в СК снимка используют формулы:

               (19)

в случае, если калиброванные расстояния между координатными метками известны, и формулы

(20)

в случае, если калиброванные расстояния  не известны.

 

 

Взаимное ориентирование.

Процесс взаимного ориентирования, выполняемый на аналитической стереофотограмметрической системе, включает измерение координат точек, расположенных в стандартных зонах, на стереопаре снимков, и определение значений элементов взаимного ориентирования по измеренным координатам точек.

При измерении координат точек стереоскопическое наведение измерительной марки на точки снимков осуществляется с помощью штурвалов Х и У. При вращении штурвалов Х и У могут перемещаться одновременно два снимка стереопары или только один из снимков. Переключение режимов работы штурвалов осуществляется с помощью ножной педали. Нажатием на другую ножную педаль осуществляется фиксация координат измеренной точки в компьютере. При вращении штурвалов Х и У компьютером вырабатываются команды на перемещение кареток измерительных систем. При фиксации координат точек на стереопаре снимков в компьютер с датчиков координат положение кареток измерительной системы вводятся координаты точек левого и правого снимков стереопары в СК измерительной системы.

В компьютере по значениям координат точек снимков , параметров калибровки и параметров внутреннего ориентирования снимков вычисляется координаты точек снимков в СК снимков. Эти вычисления производят по формулам (6) и по одной из формул (10), (14) или (15), в зависимости от данных калибровки съёмочной камеры.

Для облегчения работы оператора в большинстве аналитических стереофотограмметрических систем предусмотрен режим автоматического наведения измерительных марок в стандартные зоны снимков стереопары. С этой целью в компьютер вводятся координаты х,у центров стандартных зон в СК снимков стереопары.

Для наведения измерительных марок на центры стандартных зон в компьютере вычисляются их координаты в СК измерительных систем . Эти вычисления производят по одной из формул (13),(19)или (20) и формулам (8). Затем компьютер выдаёт команду на перемещение кареток измерительной системы в положение, при котором измерительные марки наводятся на центры стандартной зоны на снимках стереопары.

После измерения координат точек на стереопаре снимков производят определение элементов взаимного ориентирования