.6 Ортотрансформирование снимков

Для выполнения ортотрансформирования снимков необходимо знать высоты точек местности (что явно следует из формулы (9)). Высоты точек местности определяются по цифровой модели рельефа (ЦМР).

Для выполнения обратного ортотрансформирования снимка необходимо выполнить следующие этапы:

- определить координаты точек местности , соответствующие элементу с координатами ;

- из цифровой модели рельефа выбрать высоту точки ;

- найти элемент на цифровом исходном изображении , соответствующий элементу .

По координатам элемента цифрового трансформированного изображения вычисляются координаты точек местности, при этом используется средняя высота поверхности.

Значение высот берут из цифровой модели рельефа.

, (6)

Затем по цифровой модели вычисляются точек местности в соответствии с выбранной моделью итерации:

(7)
Так как в общем случае , то вычисления (7) и (8) повторяются до тех пор, пока разность высот и , полученные из соседних итераций, не будут меньше заданного допуска:

(8)

Затем вычисляют значения координат элемента на исходном снимке в соответствии с соотношениями:

(9)
где a_i, , b_i, c_i — направляющие косинусы, вычисленные по элементам внешнего ориентирования i-го снимка α_i ω_i χ_i;

x_o, y_o, f — элементы внутреннего ориентирования снимка;

x, y — координаты точки на наклонном снимке;

x^o, y^o — координаты точки на горизонтальном снимке;

X, Y, Z — координаты точки местности;

X_s, Y_s, Z_s — линейные элементы внешнего ориентирования снимка.

На следующем этапе элементу трансформированного изображения присваивается значение яркости элемента , то есть .

На рисунке ? представлена схема обратного отротрансформирования цифрового снимка.

Рисунок ? – Схема обратного отротрансформирования цифрового снимка

Из представленного алгоритма ортотрансформирования видно, что точность полученного ортофотоплана будет зависеть от точности и метода создания ЦМР.
Стереофотограмметрические приборы и цифровые станции.
1 Основные системы цифрового стереоплоттера

Цифровой стереоплоттер - это универсальный фотограмметрический прибор, то есть прибор, позволяющий выполнять все процессы для создания карт по аэрокосмическим снимкам. Соответственно, он имеет все основные системы универсального фотограмметрического прибора:

- координатную систему;

- наблюдательную систему;

- измерительную систему;

- проектирующую систему;

- ориентирующую систему;

- отобразительную систему.

Координатная система цифрового стереоплоттера физически определяется направляющими сканера. В процессе сканирования формируется система координат цифрового изображения, которая физически совпадает с направлением осей системы координат сканера.

Эта система координат позволяет определить все системы координат, необходимые для работы цифрового стереоплоттера:

- систему координат цифрового изображения;

- пространственную фотограмметрическую систему координат модели;

- пространственную внешнюю систему координат.

Наблюдательная система позволяет рассматривать стереоскопическое изображение на экране дисплея. В настоящее время существует несколько способов получения стереоизображения на экране дисплея.

Рассмотрим сущность этих способов в порядке сложности и времени их появления.

Способ анаглифов. На экран дисплея выводятся левое и правое изображения соответствующих участков стереопары, окрашенные в синий красный цвета. Изображения рассматриваются с помощью специальных очков, имеющих синий и красный светофильтры соответственно.

Возможно два варианта вывода изображения на экран дисплея:

- экран делится на две части по вертикали и на каждую половину выводятся соответственно окрашенное левое и правое изображения;

- окрашенные изображения выводятся на весь экран одновременно и с определенным смещением.

Способ “стереоскопа”. Экран делится на две части и на каждую половину выводятся изображения соответствующих участков стереопары. Изображения рассматривают с помощью оптико-механического устройства - стереоскопической насадки, типа стереоскопа. Насадка располагается перед экраном дисплея и обеспечивает возможность раздельного наблюдения изображения левого и правого снимков стереопары. То есть левый глаз видит только левый снимок, правый глаз - правый снимок стереопары.

Способ “миганий”. Существует несколько вариантов реализации этого способа. Наиболее распространенные:

- “активные” очки;

- “активный” экран;

Сущность метода “активные” очки заключается в следующем. На экран последовательно выводятся изображения соответствующих участков левого и правого снимков стереопары с частотой 120 Гц. Наблюдения выполняются с помощью очков, имеющих жидкокристаллические светофильтры, которые синхронно с экраном последовательно “закрывают” и “открывают” левый и правый глаз наблюдателя. Синхронизация “миганий” очков и экрана осуществляется путем непосредственного соединения очков и компьютера, либо посредством ИК-устройства, последовательно включающего и выключающего “затвор” очков.

“Активный” экран. В этом случае используются очки с поляризационными стеклами. Перед экраном дисплея устанавливается специальный светофильтр (в виде стекла, пленки), который имеет возможность изменять поляризацию. На экран последовательно выводятся левый и правый снимки стереопары и синхронно изменяется поляризация светофильтра. Соответственно, наблюдатель в поляризационных очках видит левым глазом только левый снимок, правым - правый снимок, то есть выполняется основное условие получение стереоэффекта по стереопаре.

Измерительная система. В цифровых стереоплоттерах, как и в большинстве современных универсальных стереоприборах используется метод “мнимой марки”. Программой генерируется изображение двух совершенно идентичных марок, которые накладываются соответственно на изображения левого и правого снимков. Координаты марок определены в системе координат снимка и определяют “текущие” координаты точек на левом и правом снимках соответственно. Координаты точки измеряются в пикселах. После внутреннего и внешнего ориентирования снимков координаты точек на цифровом изображении в пикселях перевычисляются в мм в системе координат снимка или в метры во внешней системе координат.

Таким образом, в стереоплоттере измеряются координаты той точки на снимке, на которую наведена марка. При стереоскопическом рассматривании ориентированных снимков изображение двух марок сливается в одну и достигается эффект перемещения марки в пространстве. При этом изменение “высоты” марки соответствует изменению продольного параллакса действительных марок.

Ориентирующая система. Ориентирующая система в универсальном приборе позволяет выполнить внутренне и взаимное ориентирование снимков и внешнее ориентирование модели. В оптико-механических, оптических УП ориентирование снимков выполняется путем наклона проектирующих камер (мультиплекс, стереопланиграф, стереометрограф) или с помощью коррекционных механизмов СПР, СД. В цифровых УП, так же, как и в аналитических УП, ориентирование выполняется аналитическим способом путем вычисления элементов взаимного и внешнего ориентирования по соответствующим измерениям на снимках. В результате получают численные значения элементов ориентирования.

Проектирующая система. В цифровом стереоплоттере физически не выполняется проектирования снимков. Эта система реализируется аналитически. По координатам точек на снимке вычисляются координаты точек на местности и таким образом восстанавливается связка проектирующих лучей.

Фактически в цифровом стереоплоттере проектирующая система заменяется управляющей системой. После выполнения процесса ориентирования снимков управляющая система перемещает измерительные марки в такое положение, что левая и правая марки оказываются, наведены на соответствующие точки на левом снимке и вычислены пространственные координаты точки модели. Таким образом, “аналитически” восстановлены связки проектирующих лучей и в пересечении лучей определена точка модели.

Отображающая система. Для отображения результатов обработки снимков в цифровом стереоплоттере используется дисплей, на котором графическая информация может отображаться в моно или стереорежиме.

Дисплей также служит для оперативного контроля графической информации. Кроме этого, для отображения информации может использоваться принтер или плоттер.

Принцип работы цифрового стереоплоттера.

Универсальные фотограмметрические приборы физически моделируют геометрию фотографической съемки. Универсальный прибор восстанавливает связки проектирующих лучей, устанавливает связки (системы) в положение, существовавшее в момент съемки и в точках пересечения проектирующих лучей фиксируются точки модели и измеряются ее координаты. Связка проектирующих лучей (в зависимости от типа приборов) восстанавливается с помощью оптических лучей (оптические универсальные приборы), с помощью металлических стержней (механические УП), или путем комбинации механических стержней и оптических лучей (оптико-механические УП).

В цифровых и аналитических универсальных приборах физически связка проектирующих лучей не восстанавливается, а геометрия фотографической съемки моделируется аналитически путем установления связи между координатами точек модели (местности) XYZ и координатами точек снимков х₁у₁ х₂у₂ посредством аналитической зависимости.

(1)

где и – линейные элементы внешнего ориентирования левого и правого снимков;

и – направляющие косинусы, вычисленные по угловым элементам левого и правого снимков соответственно.

Таким образом, для восстановления связок и получения модели местности на аналитическом или цифровом стереоплоттере необходимо знать элементы внутреннего (х₀у₀f) и внешнего ориентирования снимков (Х_s1,Y_s1, Z_s1, ₁, ₁,₁, Х_s1,Y_s1, Z_s1, ₂, ₂,₂).

В цифровом стереоплоттере мы можем наблюдать стереопару снимков на экране дисплея, перемещать снимки вдоль оси х и у и друг относительно друга, наводить марки на разные точки снимков. Чтобы система работала как универсальный прибор, необходимо решить задачу управления и наблюдения, то есть необходимо, чтобы управление перемещением снимков осуществлялось таким образом, чтобы при наблюдении точки М модели с координатами XYZ, левая и правая марка были наведены на точки м₁ и м₂ на левом и правом снимке, имеющим координаты х₁у₁ х₂у₂, вычисленные в соответствии с соотношениями (.1.).

Задача наблюдения путем перемещении мнимых марок, чтобы навести пространственную марку на некоторую точку М модели. А задача управления заключается в том, чтобы переместить снимки так, чтобы в момент наблюдения точки М (XYZ) марки были бы наведены на точки м₁ (х₁у₁) и м₂ (х₂у₂) соответственно.

Рассмотрим как это происходит в процессе работы прибора.

Пусть известны элементы внутреннего и внешнего ориентирования снимков. Масштаб и формат снимков определяют размер реального участка местности, изображенного на стереопаре. Однако рельеф местности не известен до обработки снимков.

Управление прибором должно осуществляться таким образом, чтобы для любой точки из пространства Р были найдены соответствующие точки на снимках стереопары и снимки были перемещены таким образом, чтобы марки были наведены на эти точки.

Управление снимками в цифровом стереоплоттере может осуществляться по двум схемам.

Первый вариант - ведущий левый снимок.

Пусть оператор, перемещая снимки, навел левую марку на точку м₁ с координатами х₁у₁. Вычисляются координаты ХУ точки модели:

Высота точки Z на первом этапе выбирается произвольно, например, выбирается Z=Zср. - средняя высота точки стереопары.

Затем вычисляются координаты соответствующей точки на правом снимке:

и правый снимок смещается таким образом, чтобы марка была наведена на точку с координатами х₂у₂. Так как высота точки М была выбрана произвольно, марка не будет наведена на точку м₂, соответствующую точке М модели. Следовательно, пространственная марка будет либо “висеть” над моделью, либо находиться ниже уровня модели, то есть раздвоится. Для того, чтобы навести пространственную марку на точку М, необходимо изменить высоту Z, что осуществляет оператор, изменяя значение Z путем введения нового значения с помощью управляющих устройств стереоплоттера (клавиатуры или “мыши”). При изменении Z заново вычисляются координаты ХУ, а затем х₂у₂ и правый снимок соответственно перемещается. Процесс выполняется до тех пор, пока пространственная марка не будет наведена на точку.

Рисунок поясняет принцип работы прибора.

Второй вариант управления перемещением снимков, когда для каждой точки модели М из заданного пространства Р^I с координатами XYZ вычисляются координаты х₁у₁ и х₂у₂ соответствующих точек на левом и правом снимках в соответствии с формулами.

Вторая схема предусматривает вычисление координат точек на правом и левом снимке для некоторой точки модели с координатами XYZ:

х₁у₁

XYZ

х₂у₂

Если в качестве точки М выбрана реальная точка модели, то снимки переместятся так, чтобы марки были наведены на соответствующие точки м₁ и м₂ на снимке, а пространственная марка - будет наведена на точку М модели, координаты которой вычислены в соответствии с соотношением (...).

Фактически, пространство Р_М содержит в себе все возможные модели местности, которые могли бы изобразится на стереопаре с элементами внешнего ориентирования (Х_s1,Y_s1, Z_s1, ₁, ₁,₁, Х_s2,Y_s2, Z_s2, ₂, ₂,₂).

Чтобы найти точки реальной модели XYZ, необходимо выполнить процесс наблюдения модели, то есть найти соответствующие точки на стереопаре снимков х₁у₁ и х₂у₂. Эту задачу в цифровом стереоплоттере решает оператор или алгоритм автоматической идентификации точек.

Оператор с помощью пульта управления (функциональная клавиатура, многокнопочная мышь, обычная мышь и т.д.) задает значение координат XYZ и управляющая система перемещает снимки таким образом, чтобы марки были наведены на точку с координатами х₁у₁ и х₂у₂.

Оператор изменяет значения XYZ до тех пор, пока пространственная марка не будет наведена на выбранную точку. Полученные при этом значения XYZ и будут являться координатами точек модели.

Построение модели местности на цифровом стереоплоттере.
Построение модели на цифровом стереоплоттере можно выполнять двумя способами:

• 
  путем введения в программу элементов внешнего ориентирования снимков и выполнения внутреннего ориентирования снимков;
  
• 
  используя опорные точки и выполняя последовательно фотограмметрические процессы.
  

Второй метод на практике используется более часто, поэтому рассмотрим основные процессы этого метода.
Построение модели на цифровом сререоплоттере с использованием опорных точек
Построение модели выполняется следующими этапами:

• 
  внутреннее ориентирование снимков;
  
• 
  взаимное ориентирование снимков и построение свободной модели местности;
  
• 
  внешнее ориентирование модели.
  

Внутреннее ориентирование снимков - это процесс определения параметров, определяющих переход от системы координат цифрового изображения к системе координат снимка. Система координат цифрового изображения задается относительно элементов цифрового изображения следующим образом.

Начало системы координат помещается в элементе изображения, принятом за начальный (это обычно верхний левый или нижний левый угловой элемент цифрового изображения), ось х направляется вдоль строки цифрового изображения, а ось у соответственно вдоль столбца. На рисунке ... показано два из возможных вариантов выбора системы координат снимка.

Связь между системами координат снимка и цифрового снимка определяется соотношением

где x_ц0, y_ц0 - начало системы координат снимка в системе координат цифрового изображения;

- угол разворота системы координат о_цх_цу_ц относительно системы координат оху;

- масштабные коэффициенты вдоль осей х и у снимка.

Величины ( будем называть параметрами внутреннего ориентирования (не путать с элементами внутреннего ориентирования х₀у₀f).

Для определения параметров внутреннего ориентирования измеряют цифровые координаты координатных меток. ; i = от 1 до k, где k - количество координатных меток. Обычно на снимке 4 координатные метки, для зарубежных АФА - 8 координатных меток.

Затем для каждой измеренной точки составляются уравнения вида (...) и решаются относительно параметров внутреннего ориентирования. Если количество меток больше 3, то задача решается по способу наименьших квадратов.

Взаимное ориентирование снимков выполняется путем измерения координат соответствующих точек в стандартно расположенных зонах. Затем вычисляют элементы взаимного ориентирования. После определения элементов взаимного ориентирования цифровой стереоплоттер начинает работать в режиме универсального прибора. То есть оператор может стереоскопически рассматривать модель и измерять точки модели.

При этом в качестве элементов внешнего ориентирования используются элементы взаимного ориентирования в базисной системе координат

,,

,,

,,

,,

Модель будет свободно ориентирована и построена в масштабе

где – базис в момент съемки.

Внешнее ориентирование модели выполняется путем измерения фотограмметрических и геодезических координат опорных точек, вычисление элементов геодезического ориентирования снимков, выполняется по элементам геодезического ориентирования модели и элементам взаимного ориентирования левого и правого снимков.

После внешнего ориентирования стереоплоттер будет работать в геодезической системе координат и истинном масштабе, оператор сможет измерять геодезические координаты точек модели и выполнять рисовку контуров и рельефа.
<предыдущая страница