Проф. д-р Готфрид Конечни, Хановерски университет, Германия *
Резюме
Дигиталните аерокамери, ортофото-продуктите вместо линейно картографиране, новите средства за създаване на дигитални височинни модели, като въздушнопреносимия и спътниковия радар, а също лазерното сканиране и директното линейно картографиране, ориентирано ГИС шейп-файлове, са способствали за значителни подобрения на традиционната технология.
1. Въведение
Картографирането чрез традиционни геодезически измервания е било заменено през 20-то столетие от въздушната фотограметрия, която сега е ефективно действаща и високо автоматизирана. Но съвсем наскоро, през последното десетилетие, бяха представени нови гледни точки за усъвършенстване на технологията на картографиране. В този доклад се разискват някои от тези тенденции.
2. Дигиталните камери и сканираните изображения от филмови камери
Още от развитието на военната и космическата програма на Съединените щати през 60-те и 70-те години дигиталните камери са били използвани за предаване на изображения от космоса. Напоследък на потребителския пазар се появиха 5 и повече мегапикселови любителски дигитални камери.
За да се конкурира с високите изисквания на филмовите аерокамери с оптимизиран широко-ъгълен обектив, на дигиталната аерокамера са необходими 900 мегапиксела (30 000 х 30 000), което все още е твърде скъпо за осъществяване, освен ако не се приложат по-евтини технологии. Има начин, при който се използват няколко обектива за изобразяване върху матрица с по-малък размер. Тази възможност е била осъществена в камерата DMC на Z/I Intergraph със 7 обектива и в камерата UltraCam на Vexcel.
Друга възможност е създаване на камера с линеен CCD скенер. Този начин, който е използван в спътниковите системи, е избран за камерата ADS 40 на Leica. Техническите данни на тези комерсиални и операционни системи са дадени в таблица 1.
Необходимо е снимките, получени от камери с няколко обектива, да бъдат съвместени една с друга чрез последователна обработка на всяко изображение, използвайки информацията от калибрирането при последователната обработка на образа. Съответното изображение отговаря на анализираната площ, подредена в използваемо фотограметричнo изображение от вида 7600 (по дължина) х 13 824 (по широчина) пиксела за камерата DMC и 7500 х 11 500 пиксела за камерата UltraСam. В резултатното изображение е включена дори компенсацията за движението на сензора напред.
Радиометричната разделителна способност на дигиталните сензорни елементи е много висока (11 бита в сивата скала) в сравнение с тази на сканирания филм, за който поради условията на експонацията, обикновено само 6 бита от сивата скала могат да възвърнат специфичните условия на експониране.
Същото важи за камерите с линейна матрица. Въпреки това сканираните образи се нуждаят от корекция заради придвижването на самолета напред и височината на летене, което се регистрира от доста скъпа IMU система, която трябва да регистрира шестте ориентировъчни компонента в реално време по време на полета. Следователно, камерите с линейна матрица зависят по време на тяхното действие от скоростта на самолета и промените в неговото положение, въвеждайки лимит на достижимия размер на пиксела върху терена, зависещ от честотата, от която могат да бъдат събрани записите на IMU. Поради тази причина камерата ADS 40 може да има затруднения при достигането на един и същ размер на пиксела върху терена при по-ниско летене, кoето може да се получи от камери използващи площни матрици при експониране през определен интервал от време.
Стандартните процеси при планиране на летене с аналогова камера трябва да бъдат модифицирани, когато се използват дигитални камери, понеже покритието на терена зависи от размерана матрицата и техните различни фокусни разстояния.
Другият проблем е достижимата точност по положение и височина върху терена. Точността е функция на размера на пиксела и на базисното отношения (h / b), зависещо не само от ъгловия обхват на обектива, но също и от метода за получаване на данни (автоматичен или ръчен). За да се уточни проблемът с точността, без съмнение през идните години ще бъдат направени екстензивни тестове от независими лица.
Друг аспект е продуктът, получен от дигитални камери: Докато камерите с площна матрица, след калибриране и предварително обработване на данните могат да бъдат третиране почти по същият начин като аналоговите изображения за аеротриангулация, извличане на дигитален височинен модел, създаване на ортофото и линейно картографиране, линейните скенерни камери повече зависят от алгоритмите на производителите, които разбира се са готови да лицензират подходящият софтуерен пакет.
Дигиталната технология, използвана в камерите на Canon, Kodak или Rolleimetric не достига разделителната способност и геометричната точност, изисквана от камерите DMC, UltraCam и ADS 40, тъй като не са проектирани за картиране чрез фотограметрични начини. Въпреки това, камерите на Canon, Kodak и Rolleimetric успешно се използват за картографиране в развиващите се страни при понижени геометрични изисквания. Тъй като тези камери могат да бъдат монтирани на малък самолет (Cessna, Piper), тяхното прилагане е подходящо за отдалечени райони, за които използването на специален самолет е доста скъпо.
От друга страна, такива камери могат да бъдат комбинирани в камера, използваща вертикални и наклонени изображения в 4 направления. Такава комбинирана камера е била използвана от Рочестер (Rochester), Ню Йорк, компания Пиктометрия (Pictomerty). Използването на системата Пиктометрия дава възможност за видимост на всички фасади на сградите от един град от наклонени изображения и използване на 4-те наклонени изображения за линейни измервания върху изобразените обекти (например, разстоянието между две сгради). Камерните системи на Пиктометрия се използват от 2 височини на летене, произвеждащи образи с по-голяма разделителна способност от по-ниски полети за централната част награда под формата на “Съседни изображения” (Neighbourhood Images) и с по-малка разделителна способност от високи полети за предградията на града под формата на “Общи изображения” (Community Images). Екстензивното използване на тази технология е било извършено в САЩ по “Програмата за сигурност на родината” (Homeland Security Program). Израелската компания Ofek-Air е направила подобна софтуерна система Multivision, в която стандартните ортофото-продукти могат да бъдат разглеждани и използвани за измерване заедно с гео-реферирани наклонени дигитални изображения. Pictometry и Multivision предлагат възможността да бъдат разглеждани и измерени детайли на обекти без необходимост от стандартното картографиране. Поради това те са сериозна конкуренция в охранителните и спешните приложения.
3. Ортофото-картографирането и традиционното картографиране
Традиционното създаване на карта беше целта на фотограметричния картографски процес в миналото. С въвеждането на методите за ортофото-ректифициране ортофото-картите започнаха да заместват картата, понеже се произвеждат по-бързо и са по-евтини. Изработването на един традиционен картографски обект може да отнеме от 2 до 3 години, докато за ортофотокартата на същата територия може да бъде завършена само за 6 месеца. Особено в развиващите се страни с бързо увеличаващо се градско население и липса на система за обновяване на картите, ортофото-картите са единствената възможност за бързо извличане на информация при спешни случаи. Всъщност въпросът за стойността е дори още по-важен, тъй като градските центрове в развиващите се страни рядко могат да си позволят да вложат усилия в изработването на линейни карти.
Цените за изработване на карти от аерозаснемане се основават на броя на снимките (или стерео-моделите), необходими за покритието на определена територия. В таблица 2 са обобщени цените на компонентите на един аерофотограметричен обект. Организацията на един проект за аерозаснемане се основава на фиксирани цени, зависещи от достъпността на територията, които цени могат да бъдат високи за отдалечени райони, където липсва инфраструктура за работата на самолет за аерозаснемане.
При използване на дигитални камери сканиране на снимките не е необходимо, докато цените за една снимка, аеротриангулация, създаване на дигитален височинен модел, орто-ректифициране на снимките и съставяне на мозайка от тях са подобни на цените за аналоговите и дигиталните снимки. Наличието на дигитални камери обаче все още е ограничено, поради тяхната висока цена, надхвърляща 1 милион долара.
Цените за изработване на линейни карти при работа в 2D (за извън-селищни територии) и 3D (за селищни територии) са доста високи, зависещи от цената на човешкия труд. Затова много картографски организации в Европа и
Северна Америка имат подизпълнители за изработване на карти в страни, където човешкия труд е все още нисък (напр. Източна Европа, Индия и Китай).
В таблици 3 и 4 е направено сравнение на общата стойност на обект за изработване на карта от аерозаснемане, покриващ територия от 250 km2, според средните международни цени. Общата офертна цена на един картографски обект зависи още и от следните фактори:
· Себестойност на продукцията (таблици 3 и 4), към която се прибавят за:
· Полска проверка 30 %
· Управленски разходи 20 %
· Печалба 10 %
· Рискове 40 %
Всичко: 100 %
Ето защо офертата за участие в търг може да се основава на стойността на продукта плюс 100 %. Тя обаче може да варира в зависимост от конкретната икономическа среда.
От формирането цената на карта на населено място в мащаб 1:2000 с размер на пиксела върху терена 20 cm следва, че картата може да бъде договорена за $ 293 520. Покритието с ортофото би струвало $ 44 420.
Карта на населено място в мащаб 1:1000 с размер на пиксела върху терена 10 cm би могла да се договори за $ 1 150 080, а ортофото-покритието за $ 154 080.
За сравнение, алтернативната геодезическа дейност с използване на GPS/DGPS и тотални станции при $ 6 400 за km2 струва $ 1 600 000.
Фотограметричното картографиране все още е по-евтино от геодезическото заснемане, а изработването на ортофотопродукт е най-евтино.
В градска среда обаче създаването на ортофото се затруднява понеже геометрията на ортофотото се основава релефа на терена. Поради това високите части на сградите и мостовете са изместени в ортофото-продукта. Решение на проблема е изработването на т.нар. “Вярно ортофото” (True Orthophotos), при което високите сгради или обекти, изработени чрез дигитален модел на повърхността, могат да бъдат изместени за да се получи истинско ортофото. Обектите, които трябва да бъдат пpеместени, трябва най-напред да бъдат триизмерно дигитализирани. Това изисква ръчна обработка, което е скъпоструващо. Например, компанията Inpho има ефективен софтуер за минимизиране усилията за изработването на истинско ортофото. Но все още цената за изработване на едно истинско ортофото може да е от 2 до 3 пъти по-висока от цената за изработване на стандартен ортофото-продукт.
Клиентите, опрделяйки стратегията си относно някой продукт, трябва сериозно да се съобразят със следното:
· Какъв размер на пиксела върху терена e ултимативно необходим, с оглед на финансовите ограничения. Например, уличните шахти може да не се виждат при размер на пиксела върху терена 20 cm, а ситуационните обекти може да бъдат по-лесно определени на място с GPS/DGPS измервания.
· Необходимо ли е да се ректифицират покривите на сградите, за да може да се наложи ортофото-продукта върху кадастралнаинформация за границите (най-често не актуална).
4. Дигиталните височинни модели и лазерното сканиране
От сравнението на цените на фотограметричните процеси става ясно, че един от най-скъпо струващите е създаването на дигитален височинен модел по фотограметричен начин (чрез съчетаване на образи, полуавтоматично измерване на мрежа от точки за дигитален височинен модел или чрез изчертаване на хоризонтали). Ако вече се разполага с дигитален височинен модел (предполага се, че не се изменя много често), цената на ортофото-продукта може значително да бъде намалена. Такъв е случаят например, ако се дигитализира по-стара карта с хоризонтали и се интерполират точки спрямо правоъгълната мрежа за създаване на дигиталния височинен модел, който след това може да бъде използван за изработване на ортофото-продукт. Има също алтернативни методи за създаване на дигитални височинни модели и дигитални модели на повърхността.
Неотдавна Intermap Co. от Калгари, Канада показа дигитален височинен модел с точност ± 0.5 m, който е бил създаден за една трета от площта на Британия (50 000 km2) и с точност ± 1 m за допълнителна площ от две трети Британия (100 000 km2) със стъпка 5 m за цена от 6 $/km2 на клиент.
Спътниковите радарни системи, каквито се използват за “Топографската мисия на радар, носен от космическа совалка” (Space Shuttle Radar Topographic Mission – SRTM), са осигурили почти за цялата Земя дигитален височинен модел със стъпка 90 m и точност ± 5 m в площите, незасегнати от радарните сенки. За Съединените щати стъпката е била намалена на 30 m. Въпреки, че стъпката и точността все още са доста ниски, информацията може да бъде използвана за приблизително вертикални спътникови изображения с висока разделителна способност (Quickbird, IKONOS) за изработване на дигитално ортофото от спътникови изображения с точност от 2 до 3 m. Google Earth също използва тази информация за онагледяване.
Друга технология е заснемане с въздушно-носимия LIDAR (Light Detection And Ranging, бел. прев.). Сега по целия свят действат около 140 системи LIDAR (повечето произведени от компаниите Optech, Leica и TopEye). По-новите системи, работещи на честота 100 KHz, могат да създават дигитални модели на повърхността, дигитални височинни модели и изображения на интензитетa.
Проблемите, свързани с LIDAR произхождат от факта, че данните от GPS / DGPS CORS и IMU не отчитат достатъчно точно времето по отношение на по-бързите лазерни пулсации. Освен това идентифицирането на теренните точки върху лазерното изображение не е толкова точно, колкото при оптичните изображения. Затова трябва да се използват кръстосани полети за да се направи мозайка от лазерните изображения. За тяхното гео-кодиране най-практичното решение е използването на високо разположени обекти. В бъдеще се очаква тяхното комбиниране с оптически дигитални камери.
5. Картографиране в CAD и в GIS шейп-файлове
Повечето усилия в дигиталното картографиране в миналото са обслужвали автоматичното картно производство във вид на AutoCAD или Microstation файлове. Голям брой кодове на ситуационни елементи са били използвани със система от символи, добавени в графиката.
Понеже картографирането сега трябва да се разглежда като основа за анализ на възможностите на една географска информационна система, необходимо е получените по фотограметричен начин данни да се приспособят към обектно ориентирана структура от данни. Тъй като ГИС шейп-файлове съдържат топология на данните и дават достъп до записите с атрибутни данни в релационната бази данни, получените по фотограметричен начин данни трябва да използват това предимство.
За получаване на нови данни няколко производители на хардуер и софтуер осигуряват или се опитват да осигурят практични решения за непосредствено създаване на шейп-файлове едновременно с триизмерното дигитализиране, извършвано с дигиталните фотограметрични работни станции:
· Inpho-DATM,
· KLT,
· Leica LPS,
· Socet Set 3D, · Z/I Intergraph. Понеже много картографски компании вече притежават ефикасен софтуер за работни станции, например Microstation се основава на софтуера Z/I Image Station или на използването на Geographics на Bentley, алтернативата на директното решение е превръщането на данните от Microstation или AutoCAD в шейп-файлове, въпреки че това не е напълно автоматизиран процес.
Докато изискваната топология може да бъде генерирана автоматично в шейп-файлове, за повечето от ситуационните елементи, атрибутната информация трябва да бъде въведена ръчно. Този полуавтоматичен процес на преобразуване е необходим за вече събраната база-данни от файлове в Microstation или AutoCAD. ГИС концепцията, заложена в ArcGIS на ESRI, цели генерирането на обектно-ориентирана гео-база данни, която да може да бъде обновявана. Фотограметричната работа сега трябва да се насочи към тази цел.
Предимството на проектирането на подходяща гео-база-данни е възможността да се раздели координатната информация за специфични точки (например гранични точки) от топологично свързани линии и площи. Това позволява генериране на топология за землищни парцели, сгради и други обекти, независимо от точността, с която са били определени възлите (граничните точки). Поради това е възможно използването на орто-изображения с доста ниска разделителна способност и размер на пиксела върху терена от 20 cm до 2 m, за да се създаде топологията на обектите и да се подобрят координатите на точките посредством DGPS определения върху терена, например в случай на сделка. Основата на ГИС анализа е атрибутната информация за обектите, която е записана в обектно-релационната база-данни и привързана към точки, линейни сегменти и площи.
6. Заключение
Сегашното състояние на технологичното развитие на фотограметрията е белязано с преход от установена, но изолирана и самостоятелна картографска технология към концепцията за интегриране в ГИС. Продуктът не е вече карта, а база данни в географска информационна система. Технологията на аналоговите аерокамери постепенно се заменя от технологията на дигиталните камери.
Рентабилни ГИС продукти като ортофото-планове, съдържащи се в гео-базата данни в растерен формат са комбинирани с векторни данни чрез наслагване в отделни слоеве. Комбинацията от геодезически методи, включващи използването на DGPS за определене на ситуационни елементи, придобиването на триизмерни фотограметрични данни и лазерното сканиране, предлага подход за оптимизиране на разходите при създаване или обновяване на картите.
И накрая, концепцията за ГИС база-данни трябва да бъде насоката, в която да се развива фотограметричното производство. Това развитие поставя пред фотограметрията ново предизвикателство.
За английското съдържание: Issues of Digital Mapping Gottfried Konecny
