Цифровая фотограмметрия: цифровая фотограмметрия | это… Что такое цифровая фотограмметрия?

ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОГРАММЕТРИИ В

ЦИФРОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЗИНЫ И КАРТИРОВАНИЕ ПОПОЙМЫ

Содержание:

1. Введение
2. Разработка данных
   • Получение изображения
   • Стереоскопический параллакс
   • Разработка цифровой модели местности
   • Цифровые ортофотографии
3. Исследовательские приложения
   • Двумерное картографирование поймы
   • Трехмерная визуализация поймы
4. Выводы
5. Ссылки

Введение

Для моего исследования магистра в области гражданского строительства я разрабатываю процедуры подключения выходных данных гидравлического моделирования к географическим информационным системам (ГИС). Когда подход будет завершен, инженер-гидротехник должен быть в состоянии принять набор профилей водной поверхности, рассчитанных с помощью гидравлического моделирования, и нанести на карту связанная пойма в ГИС. В ходе своего исследования я обнаружил что важным компонентом картографирования поймы ГИС является построение точного цифровое представление рельефа изучаемой территории Уоллер-Крик. Важный вклад в цифровое представление местности – это цифровые ортофотографии и цифровая местность модели. Методы, используемые для обработки этих данных, основаны на принципах фотограмметрии.

Фотограмметрия определяется как наука или искусство получения надежные измерения с помощью фотографии (Томпсон, 1966). Хотя термин может применяться для измерений по наземным фотографиям, современным фотограмметрическим методам чаще всего применяются к аэрофотоснимкам и космическим снимкам. Одно из самых распространенных применений фотограмметрии – это анализ аэрофотоснимков для извлечения рельефа местности. для изготовления топографических карт. Тем не менее, область также включает в себя производство цифровых ортофотографий и цифровых моделей местности. Эта статья посвящена процедуры, используемые для разработки этих цифровых данных и их применения в моих исследованиях.

Первая половина статьи посвящена фотограмметрическому методы, используемые для создания цифровых ортофотографий и цифровых моделей местности. Рассматриваемые темы включают получение изображений, стереоскопический параллакс, цифровой ландшафт. разработка моделей и цифровые ортофотографии.

Получение изображения

Первый шаг в производстве цифровой ортофотографии и Модели местности делают аэрофотоснимки поверхности земли. Чтобы приобрести изображений, самолет летит над изучаемой территорией по прямой линии полета, и фотографирует сделаны таким образом, чтобы каждая наземная точка появлялась не менее чем на двух последовательных фотографиях. Полученные фотографии называются стереопарой, а область общего охвата называется перекрывать. Если интересующая область исследования требует более одной линии полета для полного покрытие, дополнительные линии полета проходят параллельно исходной линии. Перекрывать между соседними линиями полета называется боковым перекрытием и используется для предотвращения пробелов в покрытии. Стандартное перекрытие составляет 60 % вперед и 15 % сбоку (рис. 1).

Рисунок 1. Покрытие изображения с использованием перекрывающихся фотографий

Рисунок 2. Пример растрового цифрового изображения

Каждой ячейке или пикселю присваивается значение шкалы серого, соответствующее к средней интенсивности площади земли, покрываемой пикселем (Lillesand, 1994). На рис. 2 показано, как может выглядеть растровое цифровое изображение, если оно отображается в виде значений шкалы серого. По мере увеличения разрешения отсканированного изображения требуется увеличение, чтобы различить отдельные пиксели невооруженным глазом.

Стереоскопический параллакс

Методы визуальной оценки глубины можно классифицировать как стереоскопический или моноскопический (Волк, 19 лет)74). Моноскопическое зрение относится к просмотру окружающего предметы одним глазом. Глубина воспринимается в первую очередь на основе относительных размеров объекты и скрытые объекты; удаленные объекты кажутся меньше и позади более близких объектов. Однако при моноскопическом зрении восприятие глубины плохое, и оценка расстояния может быть затруднена. трудный. При стереоскопическом зрении объекты рассматриваются обоими глазами, что создает комбинированное изображение. трехмерное изображение. Стереоскопическое зрение позволяет увидеть гораздо большую глубину восприятия, чем моноскопическое зрение. Концепция стереоскопического зрения также может применяться к просмотр стереопары аэрофотосъемки. Просмотр левой фотографии левым глазом а правильная фотография правым глазом, трехмерный вид местности может быть получено (Лиллесанд, 1994). В этом помогает прибор под названием стереоскоп. тип визуализации. Многие люди найдут стереоскопический просмотр аэрофотосъемки без стереоскопа быть довольно сложной задачей.

Параллакс – кажущееся смещение в положении стационарного объект по отношению к системе отсчета, вызванный сдвигом положения наблюдения (Wolf, 1974). Если объект наблюдается моноскопически левым глазом и затем вправо, есть очевидный сдвиг в положении. Так как расстояние между наблюдателя и объекта уменьшается, видимое смещение положения увеличивается. Инструмент под названием стереометр используется для измерения различий в параллаксе между объектами в стереопаре. Затем можно использовать уравнения параллакса для преобразования измеренного параллакса в высоту объекта.

На основании приведенных выше определений стереоскопического зрения и параллакса, термин стереоскопический параллакс относится к восприятию глубины, основанному на просмотре объектов с отдельные точки наблюдения. Стереоскопический параллакс является очень важным понятием в фотограмметрии, потому что она позволяет измерять высоту объектов, образующих стереопару.

Разработка цифровой модели местности

Модель поверхности местности может быть разработана с использованием аналогового прибора называется стереоплоттер. В основном стереоплоттеры используются для создания топографических изображений. карты. Типичный стереоплоттер состоит из компонентов для световой проекции, стереопары просмотр и отслеживание особенностей рельефа:

• Проекционная система
. Стеклянные диапозитивы стереопары размещены в проекторе и освещенном светом сверху.
• Система просмотра
. Пользователь просматривает стереопару через стереоскоп очки. Обычно одна линза синяя, а другая красная. Система просмотра позволяет стереомодель для просмотра в трех измерениях.
• Система измерения и отслеживания
. Свет проходит через проектор на трассировочная таблица. В центре таблицы для трассировки находится небольшое отверстие, через которое проходит небольшой луч света, который выглядит как плавающая точка (Эйвери, 19 лет).92).

Чтобы построить положение заданной точки, таблица трассировки поднимается или опускаться до тех пор, пока точка не окажется на земле. Наземные контрольные точки (x,y,z) установленные на основе наземной съемки или аэротриангуляции, просматриваются на стереоплоттере совместно со стереопарой. В этой настройке координаты изображения (x, y, z) точки в стереопаре определяются, случайным образом выбираются и записываются.

Описанный выше стереоплоттер является аналоговым инструментом. Большинство сегодня фотограмметристы вместо этого используют программное обеспечение для цифровой обработки изображений для извлечения рельефа. высот с аэрофотосъемки. Тем не менее, процесс извлечения точек очень похож, за тем заметным исключением, что стереопара просматривается в компьютере как отсканированный растр изображение. Используя программное обеспечение для обработки, фотограмметрист выбирает и оцифровывает высокое плотность точек. Координаты выбранного изображения в сочетании с наземным управлением точки, содержат точки данных, используемые для построения цифровой модели местности.

Модель треугольной неправильной сети (TIN) обычно используется для цифровое представление поверхности местности. TIN представляет собой треугольную сетку, построенную на (x, y) местах набора точек данных. Для формирования ИНН периметр вокруг сначала устанавливаются точки данных, называемые выпуклой оболочкой. Для подключения интерьера точки, треугольники создаются со всеми внутренними углами как можно ближе к равноугольным. Эта процедура называется триангуляцией Делоне. Включая измерение высоты (z) для каждой вершины треугольника треугольники можно поднимать и наклонять, образуя плоскость. Совокупность всех таких треугольных плоскостей образует представление о поверхности земли. местности с высокой степенью детализации.

В рамках исследования цифровые ортофотографии использовались в качестве базовая карта для двумерного картографирования поймы и цифровая модель местности TIN. разработан, чтобы помочь в трехмерной визуализации поймы.

Двумерное картографирование поймы

Перед созданием карты поймы в ГИС выходные данные для поток интереса должен быть сначала извлечен из гидравлической модели и импортирован в АркВью. По завершении этого начального шага необходимо связать смоделированное поток с таким же потоком в цифровой форме. Существует два основных способа получения цифрового представление потока:

1. Доступ к файлам. Reach файлы представляют собой серию национальных гидрологические базы данных, которые однозначно идентифицируют и связывают между собой сегменты потока или «участки», составляющие дренажную систему поверхностных вод страны. Базы данных включать такую ​​информацию, как уникальные коды охвата для каждого сегмента потока, восходящий/ нисходящие отношения и имена потоков (где это возможно). Последний выпуск, Файл 3 (RF3) состоит из атрибутированного цифрового линейного графика в масштабе 1:100 000. гидрография. Данные можно загрузить с сайта Управления по охране окружающей среды США. Веб-сайт Агентства (EPA) по адресу http://www.epa.gov/OST/BASINS/gisdata.html.
2. Оцифровка потока
. Используя цифровую ортофотографию в качестве базовой карты, поток можно оцифровать с помощью инструментов в ArcView. Цифровые ортофотографии для штата Техас доступны бесплатно (30-метровые, 10-метровые и 2,5-метровые резолюция) с веб-сайта TNRIS по адресу http://www. tnris.state.tx.us/gispage.html.

Оба цифровых источника данных были оценены для исследования. Однако, Было обнаружено, что цифровые ортофотоснимки обеспечивают более точное пространственное представление Уоллер-Крик, чем RF3. Эта решимость не стала большой неожиданностью; Гидрография RF3 была разработана путем оцифровки водоемов с топографических карт. этому могут быть десятилетия, тогда как полеты для разработки цифрового TNRIS ортофотографии были выполнены в 1995. Таким образом, ортофотоснимок с разрешением 1 метр для USGS Остин-Ист 7,5-минутный четырехугольник был получен из TNRIS. В ArcView, изображение юго-запада DOQQ использовалось в качестве базовой карты для оцифровки Уоллера. Крик (рис. 5).

В рамках процесса картографирования некоторые ключевые точки вдоль Уоллер-Крик также были оцифрованы. Эти точки определяют используемые границы восходящего и нисходящего потоков. для гидравлического моделирования и определения промежуточных водотоков, соответствующих точкам важных поперечных сечений, таких как мосты или водопропускные трубы. Часто этих точек было больше. легко определить по сравнению с местоположением существующей структуры (например, дороги, мост и др.). Таким образом, тема дорог на базовой карте использовалась в дополнение к цифровому изображению. ортофото, чтобы помочь в процессе выбора точек.

Рисунок 5. Картирование ручья с использованием цифровой базовой карты ортофотографии

После картирования поймы инструменты масштабирования в ArcView позволяют инженер-гидротехник, чтобы легко сравнить расположение поймы с местами объектов, представляющих интерес, таких как здания и дороги (рис. 6). цифровой Базовая карта ортофотоплана позволяет рассмотреть ландшафт, окружающий пойму как это выглядит на самом деле, создавая гораздо лучший фон, чем можно было бы ожидать от отсканированная бумажная карта.

Рис. 6. Картирование поймы с помощью базовой карты цифрового ортофотографии.

Трехмерная визуализация поймы

Карта поймы, показанная на рис. 6, достаточно подробна, чтобы ее можно было использовать для измерения протяженности поймы. Но данные, описывающие глубину поймы, также быть полезным. Этот тип анализа требует трехмерной визуализации поймы. Для трехмерной визуализации поймы решающее значение имеет точная модель местности TIN. Лучший TIN будет включать в себя как можно больше входных данных о высоте. Обеспечить региональное высот местности, 30-метровая ЦМР была загружена с сайта ТНРИС. Данные о высоте из гидравлической модели был использован для описания русла и поймы Уоллер-Крик. Построение интегрированного TIN местности из этих данных требует сочетания данные высоты гидравлической модели высокого разрешения с данными ЦМР сравнительно низкого разрешения. Эта задача усложняется тем, что два типа данных имеют разную структуру: данные DEM относятся к растровой области, а потоковые данные состоят из векторных объектов.

Векторные объекты в ГИС включают три типа элементов: точки, линии, и полигоны. Точка определяется одним набором декартовых координат (x, y). Линия определяется строкой точек, в которой начальная и конечная точки называются узлами, а промежуточные точки называются вершинами (Smith, 1995). Прямая состоит из двух узлы и не вершины, тогда как кривая линия состоит из двух узлов и различного количества вершины. Три или более линий, которые пересекаются, образуя замкнутую область, определяют многоугольник. Представление векторных объектов обычно используется для моделирования линейных объектов (дороги, озера, др.), картографические базовые карты и моделирование нестационарных процессов.

Векторные объекты, использованные для описания Уоллер-Крик, состояли из множества линии поперечного сечения и три линии, представляющие осевую линию потока, а также левую и правые берега. ЦМР использовалась для высот за пределами поймы. Объединив векторные и растровые данные для формирования TIN, предполагаемый результат – непрерывный трехмерный Поверхность ландшафта, содержащая дополнительные детали в руслах ручьев. Подход показано на рис. 7.

Процедура включает следующие шаги:

1. Используйте 30-метровую ЦМР для представления местности.
2. Векторизация ЦМР для создания точечного покрытия высот местности.
3. Построить ограничивающий многоугольник из конечных точек поперечного сечения.
4. Удалите все точки ЦМР, попадающие в ограничивающий полигон.
5. Создайте TIN, используя ЦМР и точки поперечного сечения в качестве узлов, а также поток центральную линию и береговые линии как жесткие линии перегиба.
6. Сформулируйте алгоритм для сглаживания интерфейса между ЦМР и вектором данные о пойме.

С помощью этих шагов можно построить трехмерный TIN местности. таким образом, чтобы данные о высоте поймы преобладали над данными ЦМР в пределах области, для которой она выражена и в других местах преобладают возвышения ЦМР, с плавной зоной перехода. Как только модель местности будет завершена, довольно просто добавить паводковую воду в поверхность местности, позволяющая визуализировать пойму.

В настоящее время мое исследование стоит на шаге 6: сглаживание интерфейс между источниками растровых и векторных данных. ИНН создан, но переходная зона довольно неровная (рис. 8). На основании известных различия между ЦМР и данными о высоте поймы, этот результат был ожидал. Данные о высоте поймы представляют собой совокупность полевых исследований. и оценки топографической карты за период 10-15 лет в 1970-х гг. и 1980-е годы. ЦМР была сформирована из цифровой модели местности, которая использовалась для разработки цифровые ортофотографии ТНРИС в 1995. Учитывая, что данные имеют разные время сбора, методы и разрешение, неудивительно, что они быть несовместимым. Однако разница высот до 25 футов между данными источники наблюдались в некоторых точках, что указывает на ошибку в одном или обоих наборы данных.

Рисунок 8. Предварительная трехмерная модель местности

В качестве попытки выявления ошибочных данных был использован источник данных. В ноябре Совет по планированию столичных территорий CAPCO) опубликовала данные о высотных отметках для города Остин и нескольких окружающие уезды. Полученные данные о высоте были результатом большого проект по фотограмметрии выполнялся с 19с 96 по 1998 год. Я получил данные CAPCO для Waller Creek и создал TIN на основе этих отметок в ArcView в попытка использовать его в качестве независимого источника данных для проверки точности интегрированный ИНН. TIN CAPCO имел очень высокое разрешение с точками данных. каждый фут в некоторых местах. Таким образом, он считался более точным, чем мой ИНН. При сравнении этих двух показателей было обнаружено, что данные DEM завышены. возвышения вне канала, тогда как векторные данные занижают их, каждый примерно на 5-10 футов. К счастью, векторные данные высот согласованы с результатами CAPCO в русле потока. Моя работа над следующим пару месяцев потребуется ремонт рваной переходной зоны.

После того, как поверхность TIN будет завершена, можно будет добавить дополнительные функции. быть добавлены, чтобы позволить поверхности более близко приблизиться к реальности. Эти объекты могут включать дороги и контуры зданий. ArcView GIS позволяет это данные для наложения на поверхность TIN для трехмерной визуализации.

Высота здания может быть измерена с помощью цифрового ортофотоснимок по длине тени. Для расчета требуется один известный высота здания (Эйвери, 1992):

Где: h _n = высота здания n

L _n = длина тени здания n

На рис. 9 показан уровень детализации, который можно получить, построение подробной модели поверхности TIN. Вид показывает реку Колорадо на юг. центра Остина. Рисунок был подготовлен с использованием данных дистанционного зондирования, собранных для проекта фотограмметрии CAPCO.