Использование стереомодели в городских геоинформационных системах

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТЕРЕОМОДЕЛИ В ГОРОДСКИХ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

USAGE OF STEREOMODEL IN URBAN GEOINFORMATION

SYSTEMS

Г.С. Елесин, И.В. Рубцов, В.А. Грошев, В.П. Савушкина G.S. Elesin, I.V. Rubtsov, V.A. Groshev, V.P. Savushkina

ГОУ ВПО МГСУ

В статье рассматриваются вопросы использования ГИС для оценки состояния объектов строительства. Это позволяет использовать пространственную информацию в виде трехмерных графических моделей, таких как «Талка-ГИС», ГИС «Карта 2008» и др. Для решения практических задач с помощью геоинформационных технологий предлагаются новые подходы к обработке информации, которая позволяет определять плановые и высотные координаты объекта одновременно.

Issues of usage of GIS for structural assessment are considered. This makes it possible to use spatial information as three-dimensional graphie models, such as «Talka-GIS», GIS «Karta 2008» and etc. New approaches to information processing that allows to locate plane and altitude coordinates are suggested for reald-worldproblems solution using geoinformation systems.

Для изысканий, оценки состояния объектов строительства [9,10] и решения других задач, необходима пространственная информация о территории (план, основа, подоснова). Традиционно она создавалась в результате наземных геодезических съемок и формировалась как топографическая карта, в виде графического изображения картографируемой территории.

Применение аэрокосмических съемок для изготовления топографических и других карт позволило использовать более информативное растровое фотоизображение, которое с помощью аналоговых приборов стереофотограмметрически преобразовывалось в плоское, графическое (контурное) изображение местности.

Выполнение пространственных измерительных процедур в проектировании и других видах работ принято выделять в прикладную инженерную геодезию. Появление аэрофотосъемки дополнило прикладную геодезию инженерной фотограмметрией и стереофотограмметрией. В отличие от топографических съемок местности, конечной продукцией в этом случае является не топографический план, а результат решения различных отраслевых задач со своими специфическими требованиями [11]. Компьютеризация процессов решения отраслевых задач способствовала появлению геоинформационных систем (ГИС), где произошла интеграция пространственных (координатных) данных и семантических (в базе данных) характеристик объектов [3].

На первом этапе в ГИС использовалась топографическая карта с традиционными атрибутами (условными знаками, горизонталями и т.д.). На следующем этапе уже использовали ортофотоплан, а для учета высотных характеристик объектов, в этом случае, создавали цифровую модель рельефа местности [8]. В настоящее время для работы с пространственной информацией в ГИС используются трехмерные графические модели [1] или растровые (мозаичные) модели местности. Например, Талка-ГИС [2],

4/2010

ВЕСТНИК _МГСУ

ГИС «Карта 2008» или модуль Virtual GIS фирмы ERDAS Imagine [12] и другие. Сбыт высококачественных систем трехмерной графики на зарубежном рынке в конце прошлого века достиг 2,5 млрд. долларов [6]. Поэтому в составе ГИС целесообразно использовать стереофотограмметрический метод для учета объектов городского хозяйства, планировки строительных площадок, инженерных изыскания трасс, межевания земель и решения других задач.

Решение практических задач с помощью геоинформационных технологий требует новых подходов к обработке информации. Картографическая информация, используемая в современных геоинформационных технологиях, пока еще жестко привязана к

содержанию, оформлению и другим параметрам традиционных карт. Это не позволяет полностью использовать возможности цифровой формы представления и обработки данных о местности. Преимущество использования измерительной стереомодели для решения указанных задач заключается также в том, что в городе есть большое число пользователей, нуждающихся в единой картографической основе [7]. Единая основа в виде топографической плана для всего многообразия пользовательских задач не может быть использована. Поскольку каждый пользователь имеет свои требования к основным характеристикам такой основы:

о к точности координирования объектов;

о перечню (наполнению) фиксируемых объектов и их характеристикам; о периодичности обновления;

о надежности (достоверности) данных об картографируемых объектах; о читаемости изображения (условным знакам, индексам, классификаторам и др.); о степени автоматизации (компьютеризации) технологий.

Поэтому использование фотоизображения для проектных работ в трехмерном пространстве на требуемых участках местности целесообразно осуществлять со стереопарами снимков, то-есть с геодезически ориентированной с требуемой точностью трехмерной фотографической моделью местности. Стереомодель позволяет определять плановые и высотные координаты объекта одновременно, что избавляет от необходимости измерять высоты точек геодезическими средствами, с помощью цифровой модели рельефа или по горизонталям на графическом плане. Стереомодель позволяет быстро создавать на экране дисплея объемные изображения и все измерительные действия выполнять в автоматизированном режиме. Полученные результаты хранят в базе данных и отображают в графическом виде, как иллюстрации [5].

При переходе к решению отраслевых задач с помощью геоинформационных систем необходимо уточнить требования к пространственной информации, изготовляемой по современным стереофотограмметрическим технологиям.

Для больших территорий традиционно осуществляется полистная разграфка картографического изображения. При работе с цифровой моделью местности (ЦММ) в памяти компьютера создается сплошное покрытие картографируемой местности снимками (до 10000 снимков). В этом случае можно выбрать и вырезать любую часть изображения рассматриваемой территории

При работе на традиционных планах и картах используется масштабный ряд (1:5000, 1:10000 и др.), где каждые элемент ряда имеет свой ограниченный набор объектов и их характеристик. Имеющаяся в ГИС база данных позволяет располагать значительным составом атрибутов, характеризующих картографируемые объекты. Вместе с послойной организацией информации уменьшаются ограничения на количество объектов в ЦММ.

В процессе работы с ЦММ на экране дисплея возможно различное увеличение изображения, поэтому вместо точностных характеристики в виде средних или среднеквадратиче-ских ошибок, в цифровых моделях используется показатель «разрешающая способность» или размер элемента изображения (пиксель), который зависит от параметров съемки и определяет отображаемость и точность координирования фиксируемых объектов.

Применяемая на традиционных картах система координат Гаусса выполняет преобразование данных со сферической на плоскую поверхность. Для небольших территорий (до 20*20 км), как известно, возможна работа в прямоугольной декартовой системе координат, которая не требует сложных преобразований для устранения деформаций изображения.

При работе с ЦММ нет необходимости в отображении характеристик объектов условными знаками. Необходимую информацию можно идентифицировать и хранить в базе данных, запрашивая ее по потребности в любом количестве.

При использовании ЦММ пользователь в процессе работы, как уже отмечалось, имеет возможность определять высоты объектов путем измерения стереомодели. В этом случае нет необходимости отображать рельеф местности с помощью горизонталей, что повышает точность и упрощает определение высот точек.

Применение стереоскопического варианта технологии не требует дополнительных затрат, так как стереомодель технологически создается в процессе фотограмметрической обработки снимков во всех трех вариантах. Использование стереофотоизображения позволяет не только создавать топографическую основу, но и решать пользовательские задачи в автоматизированном режиме с существенной экономией затрат.

Таким образом, использование стереофотоизображения и спутниковой аппаратуры позволяет решать пользовательские задачи с минимальным объемом полевых работ и существенной экономией затрат.

В таблицах 1-3 приведены сравнительные затраты на выполнении проектных, изыскательских и других инженерных работ, выполняемых с помощью ГИС-технологий с применением:

о стереоскопической трехмерной ЦММ (таблица 1); о на ортофотоплане (таблица 2); о на традиционном графическом плане (таблицаЗ).

Затраты на аэрофотосъемку территории во всех трех случаях одинаковы, поэтому не указываются. Ориентировочные затраты на формирование одного планшета масштаба 1:2000 (1 км2) со стереоизображением, на векторизацию изображения и решение отраслевой задачи даны в таблице 1.

Таблица 1

№№ Процессы Тыс. руб. %

1 Привязка опорных точек (с помощью спутниковой аппаратуры) 3,0 57,7

2 Построение фотограмметрической сети 1,0 19,2

3 Стереовекторизация фотоизображения объектов и решение отраслевой задачи с графикой для иллюстраций в отчете 1.2 23,1

Итого: 5,2 100

Ориентировочные затраты на создание ортофотоплана в масштабе 1:2000 (1км2) и решение отраслевой задачи даны в таблице 2. _Таблица 2

№№ Процессы Тыс. руб. %

1 Привязка опорных точек (с помощью спутниковой аппаратуры) 3,0 36,6

2 Построение фотограмметрической сети 1,0 12,2

3 Изготовление ортофотоплана 3,0 36,6

4 Векторизация изображений объектов, решение отраслевой задачи и создание графики для иллюстраций в отчете 1,2 14,6

Итого: 8,2 100,0

Ориентировочные затраты решения отраслевой задачи на графическом плане в масштабе 1:2000 (1км2) по материалам аэрофотосъемки даны в таблице 3.

Таблица 3

№№ n/n Процессы Тыс. руб. %

1 Привязка опорных точек (с помощью спутниковой аппаратуры) 3,0 8,5

2 Построение фотограмметрической сети 1,0 2,8

3 Стереовекторизация фотоизображения всего планшета и создание графической основы 12,0 34,1

4 Формирование графического изображения, с условными обозначениями ситуации, с созданием цифровой модели рельефа, зарамочным оформлением и т.п. 18,0 51,2

5 Решение отраслевой задачи и оформление отчетных материалов с традиционными требованиями 1,2 3,4

Итого: 35,2 100,0

Литература

1. Алексеев А.П. Информатика 2002. М.,СОЛОН-Р, 2002.

2. Алчинов А.И., Беклемишев И.Д., Кекелидзе В.Б. Методы цифровой фотограмметрии. Технология «Талка». М., МГУП, 2007.

3. Елесин Г. С. Интеграция стереограмметрических и геоинформационных технологий.

Сборник реферативных изложений докладов. М., МГСУ, 2006.

4. Елесин Г.С., Алчинов А.И., Самратов У.Д. Автоматизированная земельно-информационная система для создания и ведения земельного кадастра районного и городского уровня. М., ГУЗ, 1999.

5. Елесин Г. С. Особенности использования ЦММ в ГИС-технологиях. Геопро-фи.2008. №4.

6.Зуев К.А. Компьютер и общество. М., ИПЛ, 1990.

7.Рогачев А.В. От цифровой карты - к цифровой модели местности. Информационный бюллетень ГИС - Ассоциации №5 (37),2002.

8.ЛурьеИ.К.,КосиковА.Г.Теория и практика цифровой обработки изображений. М.,Н.,2003.

9. Рубцов И.В. «О требованиях к проектируемым системам мониторинга технического состояния зданий и сооружений». Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. Москва 2007г.6

10. Кухта А.В. «Некоторые задачи мониторинга и перспективы их решения на примере фасадных систем». Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. Москва 2007г.№3

The literature

1. Alekseev A.P. Informatics 2002. Moscow.,SOLON-R, 2002.

2. Alchinov A.I., Beklemishev N.D., Kekelidze V.B. Digitalphotogrammetry methods. The «Talka» technology. Moscow, MGUP, 2007.

3. Elesin G.S. Integration of stereogrammetric and geoinformation technologies. Collected abstract summaries of reports. Moscow, MSUCE, 2006.

4. Elesin G.S., Alchinov A.I., Samratov U.D. Computer-aided land-information system for creation and conduct of land cadastre at the district and city level. Moscow, SULM, 1999.

5. Elesin G.S. Features of DTMusage in GIS-technologies. Geoprophy. 2008. №4.

6. Zuev K.A. Computer and society. Moscow, IPL, 1990.

7. Rogachev A.V. From digital card to digital terrain model. Newsletter GIS - Associations №5 (37), 2002.

8. Lur'ye I.K., Kosikov A.G Theory and practice of digital image processing. M.,H.,2003.

Ключевые слова: геоиформационные системы (ГИС), карта, масштаб, стереомоделъ, цифровая модель местности (ЦММ).

Keywords: geoinformation systems(GIS), map, scale, stereomodel, digital terrain model (DTM).

E-mail авторов: geodesy@mzsu.ru. pik-mgsu@mail.ru

Рецензент: Ю.С.Кунин проф.д.т.н.