Дигиталната фотограметрия в „ГИС-София“ ЕООД

Инж. Таня Маджарова,
Началник на отдел “Фотограметрия”

Фотограметрията в България

България е първата страна на Балканския полуостров, която започва да прилага фотограметрията. Това става само 30 години след края на Руско-Турската война (1877-1878 г.). През своя дълъг и плодотворен път, белязан с резултатните усилия на три поколения фотограметристи, българската фотограметрия преминава през всички основни етапи на развитие:

• Земна, въздушна и спътникова.
• Еднообразна, аналогова, аналитична и дигитална.
• Топографско и специално картографиране в различни мащаби за различни цели,

както и за нетопографски приложения (близкообхватна фотограметрия).

Първите фотограметрични снимки в България са направени през 1907-1908 г. край с. Студена, недалеч от София, които са картирани във Виенския картографски институт от Едуард фон Орел посредством създадения от него Стереоавтограф.

По време на Балканската война (1912 г.) са направени аерофотоснимки за разузнавателни цели, а по време на Първата световна война (1914-1918 г.) – земни снимки по Беласица и на Южния фронт за военни цели, както и между Скопие и Битоля за построяване на жп линия.

По-късно са направени аерофотоснимки от цепелин, панорамни фотоснимки от самолет над Габрово, както и земни фотоснимки около София и в Родопите.

По-значителен опит за внедряване на земната фотограметрия е извършен през 1928 г. около Банкя. Бeртхолд донася фототеодолит на швейцарската фирма Вилд и заедно с инж. Асен Райков (по-късно професор по фотограметрия в сегашния УАСГ) заснемат около 1,5 кв. км площ, картирането на която в мащаб 1:10 000 е изпълнено в заводите Вилд с новопостроения картировъчен апарат за земни фотоснимки Автограф А-2.

Следва подготовка за прилагане на фотограметрията при изработване на топографската карта в мащаб 1:25 000. За планинските райони се прилага земна стереофотограметрия, за хълмистите – мензулна снимка, а за равнинните райони – еднообразна аерофотограметрия (фототрансформиране).

През 1930 г. са доставени три фототеодолита и една аерофотокамера Вилд, както и фототрансформатор Хугерсхоф-Хайде, а през следващата година – Автограф А-2 на Вилд. Около с. Божурище край София е извършено аерофотоснимане на площ около 50 кв. км.

През 1930 г. инженерите Васил Пеевски, Гроздан Грозданов и Асен Райков написват първото българско ръководство “Курс по фотограметрия”.

По-късно са набавени аеропроекторът Мултиплекс и стереокартировъчният апарат Стереопланиграф на Цайс, както и стереокартировъчният апарат Автограф А-5 на Вилд. Това позволява след 1940 г. да започне прилагането на въздушната стереофотограметрия.

Фотограметрията за едромащабно картографиране и за нетопографски цели се разпространява широко след Втората световна война. Този период е свързан с изработването на фотопланове в мащаби 1:5000 и 1:10 000 на няколко града и на напоителното поле на язовир “Александър Стамболийски” чрез еднообразна фотограметрия.

За създаване на Едромащабната топографска карта (ЕТК) на страната (1:5000 и
1:10 000) през 1955 г. е въведена въздушната стереофотограметрия, след като в края на 1954 г. за Геопланпроект е доставен Стереопланиграф С-8 на Цайс-Оберкохен. През следващите години непрекъснато се доставя нова за времето си фотограметрична апаратура.

До преди време около 20 института, предприятия и служби в България развиваха и прилагаха фотограметрията в различни обрасти, включително и на задгранични обекти. Поради промени в структурата на геодезическото и картографското производство в страната през последните години тази дейност намалява, а прилаганите технологии и използваните технически средства остаряват. През последните 10 години се забелязва нов подем, при който се прилага съвременна фотограметрия, като от структурите с опит в тази дейност, така и в нови професионални звена.

Фотограметрията в България се прилага за производството на следните основни продукти в дигитален и графичен вид:
– Обновяване на топографски карти в мащаб 1:25 000 (около 1400 листа с размери
50х50 см).
– Обновяване на топографски карти в мащаб 1:5000 (около 19 000 листа с размери
50х50 см).
– Изработване и обновяване на кадастрални карти в мащаб 1:1000 на селищни
територии (листове с размер 80х50 см).

• Изработване на ортофотопланове в различни мащаби.
• Специални приложения.

ГИС София и отдел “Фотограметрия”

“Географска информационна система – София” ЕООД е основано през 1999 г. Дружеството е структурирано в 8 отдела.

Отдел “Фотограметрия”, който е създаден през 2001 г., се състои от 10 специалисти, от които 7 магистър-инженери геодезисти, както и 3 студенти по геодезия пред дипломиране. Съставът на отдела е подпомаган от консултант, който в годината на създаването проведе курс за допълнителна квалификация “Основи на фотограметрията” с теоретична и практическа насоченост.

Специалистите в отдел “Фотограметрия” са участвали в редица национални и международни научно-технически мероприятия (конгреси, конференции, симпозиуми, семинари) и имат 36 публикации в страната и чужбина.

Отделът способства за изграждане и поддържане на кадастъра и информационната система на територията на Столичната община. По-важни негови функции и задачи се следните:

1.      Извършва технически дейности по проучване и планиране на аерозаснемане над територията на Столичната община.
2.      Изработва ортофотопланове в дигитален и графичен вид от аеро- и спътникови снимки.
3.      Изработва и обновява едромащабни топографски и кадастрални карти в дигитален и графичен вид от аероснимки.
4.      Изработва специализирани карти от аеро- и спътникови снимки.
5.      Създава и обновява дигитални модели на терена от аероснимки.
6.      Използва дигиталната информация за количествени и качествени определяния на различни обекти.
7.      Извършва триизмерно онагледяване на сгради и улични пространства въз основа на дигитални снимки.

Първоначалните данни за повечето от изброените дейности се придобиват от земни, въздушни и спътникови снимки посредством аналогови или дигитални сензори. За извличане на метрична и семантична информация от снимките се прилага дигитална фотограметрия посредством специализирания софтуер PHOTOMOD на московската фирма RACURS.

Началото

Съставът на отдел “Фотограметрия” имаше възможност да се запознае със следните дигитални фотограметрични работни станции:
ImageStation 2001 (Z/I Imaging), ImageStation SSK (Z/I Imaging), DVP (Leica-Helava), VirtoZo (Supresoft), PHOTOMOD (Racurs Co.), Geomatica OrthoEngine (PCI Geonatics), ERDAS IMAGINE (Erdas Inc.).

Експериментални обекти

През 2001 г. на територията на гр. София бяха изработени експерименталните обекти “Яворов” и “Младост” с площ 4,5 кв. км всеки. Обектите бяха заснети два пъти от височина над терена 690 и 1380 м с две различни аерофотокамери с фокусно разстояние 15 и 30 см, при което се получиха аероснимки в мащаб 1:4500. Аероснимките бяха използвани за експериментиране на различни дигитални технологии с изработване на кадастрална карта в мащаб 1:1000. Резултатите от експерименталните обекти обосноваха ориентирането на състава на отдела към дигиталната система PHOTOMOD.

PHOTOMOD в ГИС София

В началото на 2003 г. ГИС-СОФИЯ получи от RACURS едномесечен лиценз на PHOTOMOD, версия 3.11, а през април 2003 г. закупи няколко модула от този софтеур. По късно бяха доставени още модули от следващите версии на PHOTOMOD. Сега отдел “Фотограметрия” работи с версия 4.4.702, като го прилага за:

• Обекти с аероснимки.
• Обекти със спътникови снимки.
• Близко-обхватна фотограметрия.

От май 2006 г. ГИС-СОФИЯ ЕООД е дистрибутор на PHOTOMOD за България

Обекти с аероснимки

Изработване на ортофотоплан в мащаб 1:1000

Последователност на работа при аерофотозаснемането

Обектът се състои от два подобекта – Витошка яка и Балкан. Началната информация е от следните източници:
– Цветни аероснимки в дигитален вид, заснети с аналогова аерокамера и
впоследствие сканирани при размер на пиксела – 12 микрометъра.

• Дигитален модел на кадастъра, поддържан в ГИС-СОФИЯ.
• Координати на предварително маркираните опорни и контролни точки,

определени посредством GPS с точност по положение 2 см и по височина 3 см.

Двата подобекта имат площ 8680 и 1141 хектара (217 и 28,5 кадастрални листа в мащаб 1:1000). Аерозаснемането е извършено с аерокамерата RMK TOP 30/23 (Z/I Imaging) от височина на летене над терена 1530 и 1420 метра, при което са получени аерофотоснимки в мащаб 1:5000 и 1:4650.

Обектите Витошка яка и Балкан се състоят съответно от 7 и 2 блока, 9 и 7 ивици, 315 и 92 аероснимки. Осигурени са с 75 и 27 опорни точки.

Дигиталният модел на терена, необходим за ортеректификацията, е генериран във вид на квадратна мрежа с размер 5 м от хоризонтали през 1 и 5 м от дигиталния модел на кадастъра.

Ортофотопланът в мащаб 1:1000 е изработен посредством дигиталната система PHOTOMOD 4.2. Въз основа на опорните точки е получена следната точност на ортофотоплана:
По ос Х ± 3,7 см, по ос Y ± 2,9 см, в равнината XY ± 4,1 см, по ос Z ± 6,9 см.

Ортофотоплан и топографска карта на територията на
Столичната община и част от поречията на Искър и Лесновска

Обектът с обща площ 1466 кв. км е заснет с дигиталната аерокамера DMC (Intergraph).
Състои се от две части с различни параметри:
– Селищните територии с площ 811 кв. км са заснети с надлъжно и напречно
препокриване на отделните аероснимки 80 % и 30 % и размер на пикселите върху
терена 10 см.
– Извънселищните територии с площ 655 кв. км са заснети с надлъжно и напречно
препокриване на аероснимките 60 % и 30 % и размер на пикселите върху терена
20 см.

Общият брой на блоковете е 36, а на аероснимките е 6912, които са разпределени за двете части на обекта по следния начин:

• За селищните територии – 28 блока и 6043 аероснимки.
• За извънселищните територии – 8 блока и 869 аероснимки.

Преди извършване на аерозаснемането върху терена са маркирани и определени с GPS 494 опорни точки, които служат за основа на аеротриангулацията. Обработването на аероснимките е изпълнено от състава на отдел “Фотограметрия” с дигиталната система PHOTOMOD, версия 4.4.702.

След успешното изравнение на отделните 36 блока те са обединени в 5 големи блока, при което са получени следните средни квадратни грешки на опорните точки:
По ос Х ± 4.9 см, по ос Y ± 5.7 см, в равнината XY ± 7.5 см, по ос Z ± 6.6 см.

Обекти със спътникови образи

Обновяване на топографска карта в мащаб 1:5000 на центъра на София

Едно от приложенията изработвани от ГИС-СОФИЯ бе обновяването на топографската карта на Столицата в мащаб 1:5000 с хоризонтали през 1 м. Обектът покрива 56,25 кв. км и попада в 9 листа.
За целта е използвана информация от следните източници:

• Съществуващата топографска карта в мащаб 1:5000.
• Спътникови образи, получени от спътника QickBird.
• Дигитален модел на кадастъра, поддържан от ГИС-СОФИЯ.

Ортофотоплан от спътникови снимки

За обработване на спътниковите образи е използван дигиталният софтуер PHOTOMOD. И използвана 3D полиномна трансформация, използвайки 23 опорни и 24 контролни точки от базата данни на София. Средната квадратна грешка по положение на контролните точки е ± 0,78 м.

От същите спътникови образи, използвани за обновяване на топографската карта в мащаб 1:5000, е изработен ортофотоплан на същата територия.

Установяване на промени в територията

За установяване промени на територията на Парка Витоша са използвани спътникови образи от спътника IKONOS. Образите са обработени с PHOTOMOD. Опорните точки за отчетени от базата данни на София. Крайните продукти с 2 мозайки (панхроматична и цветна) от орто-образи с площ 220 кв. км. Освен това всички новопостроени сгради в района на парк Витоша са дигитализирани.

Близкообхватна фотограметрия

Стереомодел и ортофото на фасади на сгради

Извършен е експеримент, целящ да определи точността, която се постига при близкообхватната фотограметрия с неметрична дигитална камера. За целта фотограметрично и геодезически с неметрична камера Canon S230 и тотална станция Leica TC 1610 е заснета фасада на жилищна сграда в София. Определени са 55 точки върху фасадата от една стереодвойка с разстояние между проекционните центрове 4 м и разстояние между фасадата и фотостанцията 20 м.

Снимките са обработени с дигиталната система PHOTOMOD Lite. Ориентирането на стереомодела е извършено въз основа на 8 опорни и 30 свързващи точки.

Точността на стереомодела е оценена посредством средните квадратни разлики между геодезическите и фотограметричните координати на 33 контролни точки:
По ос Х ± 1,2 см, по ос Z ± 1,4 см, в равнината XZ ± 1,9 см, по ос Y ± 6,1 см.

Фасадата на сградата е векторизирана в стерео режим. Генериран е дигитален модел на фасадата и е създаден орто-образ с точност ± 2,2 см.

Положителният резултат от този експеримент послужи за начало за заснемане с дигитална неметрична камера на редица фасади на сгради и улични пространства в Столицата.

Технологични въпроси

Обектите, изработени посредством фотограметрични методи, технологии и технически средства, имат своите плюсове и минуси. Предимствата на фотограметрията могат да се обобщят в следното:

• Намаляване на полската работа и свързаните с нея разходи.
• Снимките са най-често използваните изображения в съвременната визуална

комуникация.
– Представяне на информацията по атрактивен начин. Растерната информация винаги е
повече впечатляваща от векторната и по-лесно се възприема от човешкото око.
– Снимките най-ефективно представят идеята за документалност и автентичност.

Изборът на прилагането на фотограметрични технологии за даден обект се определя от големината и обхвата на обекта, наличния бюджет, изискванията за точност, техническите средства и екип.

Технологиите, техническите средства и екипа са от най-съществено значение, защото се използва специална техника и се работи със специализиран софтуер за дигитална фотограметрия (дигитална фотограметрична работна станция), който изисква предварителна подготовка и обучение.

Най-широко приложение в дейността на ГИС-СОФИЯ намира аерозаснемането. Накратко последователността на работата е следната:
Планиране, организация и изпълнение на аерофотозаснемане, фотограметрична обработка на снимките, изработване на ортофотоплан, карта или друг подобен продукт.

Обработване на спътникови изображения

За някои проекти спътниковите изображения са идеален източник за получаване на актуална информация за обширни територии. Предлаганите спътникови изображения днес на пазара са вече с достатъчно висока разделителна способност, която след последваща фотограметрична обработка позволява високоточна орторектификация.

Изработваните ортофотопланове отговарят на изискванията за точност за градска среда в мащаб 1:5000 и за планински територии в мащаб 1:10 000. Методът се използва за актуализиране на информацията в поддържаната от дружеството ни географска информационна система.

Друго приложение, което намират в работата на отдела тези изображения, е изработването на специализирани карти. Посредством метода на класификацията могат да се групират зони с еднакви характеристики, с подобен цвят, форма, размер и положение. Такива приложения например са картата на залесените територии в рамките на Столична община, залетите площи при наводненията през 2005 г. и други.

Обработване на архивни снимки

Архивните аерофотоснимки масово са се използвали при създаването на плановете за земеразделяне и помощни планове. Днес архивните снимки намират основно приложение като доказателствен материал при разрешаване на имотни спорове по съдебен ред.

Ортофотоплан от архивни снимки

Дигитален модел на терена

Аероснимките са перфектен начин за създаване на дигитален модел на терена. Софтуерът, с който ГИС СОФИЯ работи, позволява да се описва повърхнината на терена с помощта на неправилна мрежа от триъгълници (TIN). Тя се създава автоматично по един от следните алгоритми: правилен модел, неправилен, плавен, модел от векторизирани данни или комбинация от тях, като предварително се задава приблизително гъстотата на върховете на триъгълниците. От така създадения TIN автоматично могат да се изчертаят хоризонтали със зададено сечение на релефа и да се създаде дигитален височинен модел (DEM), който е основа за ортофототрансформиране на снимки. Съществува възможност за редактиране, както на мрежата от триъгълници, така и на хоризонталите.

Заснемане фасади на сгради с дигитални камери и създаване на 3D модели

Приложението дава реалистично триизмерно онагледяване и е най-атрактивният и функционален краен продукт с многообразни приложения:
– Триизмерно представяне на обекти с присъединена допълнителна информация за
някои обекти.

3D модел

• Вътрешно и външно представяне на сграда или историческа забележителност.
• За реставрация на исторически обекти.
• В областта на туризма или представяне на природни богатства.
• За реклама.

Количествени и качествени опредения

Количествени и качествени анализи

Дигиталната информация успешно се използва за количествени и качествени определяния на различни обекти. Едно от тях, например, е определянето на обеми, което има широко приложение в следните дейности:

• Различни видове строителни работи, където се балансират земни маси.
• Определяне на обема на насипни суровини.
• Минното дело и археологията.
• Редица други дейности.

Краен продукт – ортофотоплан

Литература

1.      Кацарски, И. Основи на фотограметрията (Записки).София, ГИС-СОФИЯ ЕООД, 2002.
2.      Коева, М. 3D визуализация и моделиране на сгради в град София. Международен симпозиум “Съвременните технологии, образованието и професионалната практика в геодезията и свързаните с нея области” (Доклади), София, 2005.
3.      Петрова В., М. Коева. Дигиталната фотограметрия в ГИС София ЕООД. София, Геодезия, картография, земеустройство, 3-4, 2003.
4.      Alexandrov, A., T. Hristova, K. Ivanova, M. Koeva, T. Madzharova, V. Petrova. Application of QuickBird satellite imagery for updating cadastral information. Istanbul, XX Congress of ISPRS, 2004. International archive of photogrammetry, Vol. XXXV, Part B 2, Commission II.
5.      Alexandrov, A., T. Hristova, K. Ivanova, M. Koeva, T. Madzharova, V. Petrova. Application of satellite imagery for revision of topographic maps. Международен симпозиум ”Съвременните технологии, образованието и професионалната практика в геодезията и свързаните с нея области” (Доклади), София, 2004.
6.      Katzarsky, I. RACURS Co. in Bulgaria. VII International Scientific and Technical Conference “From imagery to map; digital photogrammetric technologies” (Proceedings), Nessebar, 2007.
7.      Katzarsky, I. Bulgarian photogrammetry and its relation with ISPRS. XXI Congress of ISPRS, Beijing, 2008. International Archive of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Vol. XXXVII, Part B 6 a, Commission VI.
8.      Madzharova, T., V. Petrova, K. Ivanova, M. Koeva. Mapping from high resolution data in GIS Sofia Ltd. XXI Congress of ISPRS, Beijing, 2008. International Archive of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences Vol. XXXVII, Part B 4-3, Commission IV.
9.      Petrova, V., E. Palanova, K. Ivanova, T. Madzharoava, Y. Nikolaeva. The biggest large-scale project in Bulgaria. VIII International scientific and technical conference “From imagery to map: Digital photogrammetric technologies. (Proceedings), Porec, Croatia, 2008.