Стереоскопическое геомоделирование: концептуальные основы

УДК 528.721.28

Ю.Ф. Книжников1

СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОЕ ГЕОМОДЕЛИРОВАНИЕ: КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ

Стереоскопическое геомоделирование, которое рассматривается как органическая часть аэрокосмического (дистанционного) зондирования Земли, базируется на взаимодействии зрения человека и технических средств. Выделено три исторических этапа, в которых активно разрабатывались разные аспекты дисциплины, коррелирующие с главным направлением практического использования аэрокосмических снимков на разных этапах. В наши дни основным назначением стереоскопического геомоделирования следует считать мониторинг территориальных изменений, при котором аэрокосмический снимок выполняет функции модели исследуемых явлений и процессов.

Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, стереоскопическое геомоделирование, стереоскопическая фотография, топографическая стереофотограмметрия, геомониторинг, географические исследования.

Введение. Существует мнение, что при отображении окружающего мира бинокулярное зрение не имеет существенных преимуществ по сравнению с монокулярным. Однако насекомые, рыбы, птицы, млекопитающие наделены бинокулярной зрительной системой, способной формировать пространственный образ (модель) окружающего трехмерного мира. Каждая зрительная система обеспечивает живое существо необходимой для него пространственной геоинформацией. Естественно, что человек, привлекая достижения научно-технического прогресса для расширения возможностей своего зрения, использует его как для познания окружающего мира, так и для решения общественно значимых практических задач и проблем.

Напомним принцип стереоскопического моделирования (рис. 1). Если сосредоточить взгляд на какой-либо точке I (точке фиксации) изучаемого объекта (рис. 1, а), то изображение соседней точки II объекта на сетчатках левого и правого глаза будет неодинаково смещено относительно изображения точки фиксации на величину физиологического параллакса о, который, как считается в психологии, служит стимулом воспринимаемой трехмерности стереоскопического образа. Если поместить на место глаз миниатюрную стерео-камеру и сфотографировать тот же изучаемый объект с точками I и II (рис. 1, б), то при бинокулярном рассматривании левого (Л) и правого (П) снимков полученной стереопары в сознании наблюдателя также возникнет пространственный образ — стереоскопическая модель (рис. 1, в), которую можно качественно анализировать (дешифрировать) и геометрически измерять вместо самого изучаемого объекта. Если объектом моделирования служит местность, различного рода территориальные системы, то для пространственной модели (образа) лучше использовать термин стереоскопическая геомодель. Таким образом, стереоскопи-

Рис. 1. Принцип стереоскопического моделирования

ческое геомоделирование можно рассматривать как часть дистанционного (аэрокосмического) зондирования и как часть стереоскопического моделирования.

Здесь следует обратить внимание на один недостаток стереоскопической модели как информационного продукта, который обычно ускользает от авторов учебников и учебных пособий. Оказывается, что стереоскопическая модель рельефной местности, формируемая по паре снимков, полученных с двух разных точек пространства (съемочного базиса), не является непрерывной, сплошной. Она имеет локальные пространственные разрывы, так называемые мертвые зоны, общая площадь которых обычно оказывается значительной. С этим недостатком стереоскопической модели мы сталкиваемся при фототеодолитной съемке горной местности, при плановой стереосъемке городов (особенно широкоугольными аэрофотоаппаратами); он ощутимо проявляется при сканерной космической стереосъемке сверхвысокого разрешения по схеме вперед—назад.

Постановка проблемы. Если рассмотреть становление стереоскопического моделирования как отрасли знаний, то можно заметить, что в отдельные периоды его прогресс определялся не только внутренней логикой развития и использованием достижений смежных

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра картографии и геоинформатики, лаборатория аэрокосмических методов, гл. науч. с., докт. геогр. н., e-mail: lakmmgu@yandex.ru

областей науки, но и причастностью к решению крупных, общезначимых проблем. В настоящее время к таковым относятся проблемы экологии и устойчивого развития территорий, разрешению которых помогает использование аэрокосмических снимков, рассматриваемых как геомодели не только объектов, но и изучаемых явлений и процессов, происходящих на местности.

Зарождение стереогеомоделирования. Стереоскопическая фотография. Принято считать, что первым, кто правильно понял, почему человек видит окружающие объекты объемными, был английский физик Ч. Уитстон (1802—1875), который в 1832 г. установил, что наличие едва заметных различий в геометрии изображений на сетчатке левого и правого глаза (дис-паратность) приводит к отчетливому восприятию трехмерности. Он также открыл, что если вместо объекта оба глаза будут видеть два его сопряженных (корреспондирующих, соответственных) изображения, то возникнет такое же впечатление его объема, как и при рассматривании действительного объекта. Ч. Уитстон изобрел и прибор для стереоскопических наблюдений — зеркальный стереоскоп. На рис. 2 показана его схема, которую составил сам автор. Исторически одновременно с открытием стереоскопии была изобретена и фотография (светопись). Эти два величайших достижения человечества сразу стали взаимодействовать — очень быстро появилась стереоскопическая фотография, в том числе и в России. Стереоскопические фотографические снимки прежде всего страноведческого содержания начали применять и при географических описаниях, когда наглядности и реалистичности обычных фотоснимков оказывалось недостаточно. Тогда же для рассматривания стереоскопических фотографий было предложено несколько различных устройств. Так, Д. Брюстер создал призменно-лин-зовый стереоскоп (1849), Ш. Д'Альмейда — анагли-фические и светозатворные очки (1858), Ж. Андертон — поляроидные очки (1891), затем А. Бертье, а за ним Ф. Лизеганг предложили принцип стереонаблюдений с использованием линейного растра (1896). Примечательно, что в ХХ в. принципиально новых способов стереонаблюдений не появилось. И в наши дни господ-

ства новейших компьютерных технологий с успехом применяются испытанные временем способы стерео-наблюдений, предложенные еще в XIX в., — оптико-бинокулярный, анаглифический, светозатворный, поляризационный и растровый (автостереоскопический).

Во второй половине XIX в. одновременно со стереоскопической, но независимо от нее, начала развиваться измерительная фотография (фотограмметрия). Неудачная попытка в 1858 г. француза Г. Турнашона (Надара) определить площадь сельскохозяйственных угодий по первому фотоснимку, полученному с привязного аэростата, заставила улучшать метрические свойства фотографических снимков. Съемочные фотокамеры стали снабжать координатными метками, которые фиксировали на снимке прямоугольную систему координат, было введено понятие об элементах ориентирования снимков и др. С помощью измерительной фотокамеры начали выполнять картографические съемки в различных районах Альп, в частности, для изучения динамики ледников. Однако фотографические снимки использовались лишь для прямых засечек четких объектов без стереоскопических наблюдений.

Топографическая стереофотограмметрия (стерео-фототопография). Пионерные разработки, выполненные на рубеже XIX и ХХ столетий, положили начало измерительной стереофотографии. Была предложена подвижная стереоскопическая измерительная марка (Ф. Штольце, 1892), а затем и первый прибор — стереокомпаратор для измерения стереоскопических снимков (рис. 3), в котором соединены возможности измерительной и стереоскопической фотографии. Зародился новый метод — стереофотограмметрия, который стали применять в астрономии, архитектуре, медицине и особенно эффективно в картографии для создания точных карт. В 1909 г. фирма "Карл Цейсс" в Йене впервые выпустила сложный, но точный оптико-механический прибор для изготовления карт по фототеодолитным стереоснимкам — стереоавтограф. Вскоре аналогичный прибор (такие приборы впоследствии стали называть универсальными) был создан для картографической обработки появившихся тогда аэро-

Рис. 2. Чертеж первого зеркального стереоскопа, выполненный его изобретателем Ч. Уитстоном

Рис. 3. Одна из первых моделей стереокомпаратора К. Пульфриха, изготовленного фирмой "Карл Цейсс"

фотоснимков. Возможность трассирования по стерео-модели каждой горизонтали, а не проведение их путем интерполяции между высотными пикетами, стала важным новшеством, которое существенно улучшило техническую базу изготовления изолинейных топографических карт.

Достаточно быстро были решены базовые задачи стереоизмерения снимков, необходимого пространственного фототриангулирования по маршруту сте-реоснимков для сгущения геодезической опорной сети, построения по снимкам пространственной модели местности и преобразования ее в точную карту. Эти достижения положили начало производственному использованию стереоскопической модели местности для создания топографических карт. Решение общенациональной задачи топографического картографирования нашей страны, на значимость которой неоднократно указывали В.И. Вернадский, Ф.Н. Красовский, А.А. Борзов, стимулировало поступательное развитие стереофотограмметрии. Видные ученые, основатели отечественной стереофототопографии — прежде всего Ф.В. Дробышев (1894—1986), Н.Д. Лобанов (1911— 1996), М.М. Русинов (1909—2004) — разработали научные основы производственных технологий изготовления разномасштабных топографических карт по стереоскопическим аэрофотоснимкам, получение и обработка которых базируется на использовании оригинальных съемочных и стереоизмерительных приборов. Производственные предприятия гражданской картографо-геодезической и военно-топографической служб СССР к 60-м гг. ХХ в. создали на всю территорию страны государственную топографическую карту масштаба 1:100 000, а к 90-м гг. и масштаба 1:25 000, издав 17 и 300 тыс. листов карт соответственно. Поэтому ХХ в. вполне можно назвать золотым веком развития отечественной стереофототопографии (топографической стереофотограмметрии).

В конце второго, да и в начале третьего указанных выше периодов дистанционное зондирование, его космическая составляющая активно развивались в природно-ресурсном направлении, нацеленном на мелкомасштабное тематическое картографирование, но стереоскопические технологии занимали в нем более чем скромное место.

Стереоскопический геомониторинг. Теоретические проблемы и технологические задачи современного сте-реогеомоделирования. Основную информационную базу стереогеомоделирования в наше время обеспечивают космические стереосъемки, позволяющие получать с определенной повторяемостью цифровые снимки сверхвысокого разрешения. Сейчас очевидно, что магистральное направление дальнейшего развития стереоскопического геомоделирования связано с его цифровизацией. Внедрение цифровых технологий существенно сблизило значение двух обязательных составляющих стереомоделирования — биологической и технической; теперь их роли можно считать соизмеримыми. Существенно также, что новый аспект дисциплины не препятствует наследованию теорети-

ческих и практических достижений прошлого, например возможности человека формировать по сопряженной паре снимков психологическую реальность (стереоскопическую модель), а также использовать стереоскопическую измерительную марку и др.

Нетрудно видеть, что для современного периода характерно углубление теории, усовершенствование технологий, расширение практического применения аэрокосмического стереомоделирования и прежде всего при решении задач мониторинга. Обработка одномоментной стереомодели постепенно сменяется использованием разновременных моделей. Принципиально важно, что теперь появилась возможность целенаправленно преобразовывать пикселы, образующие изображения исходных парных снимков, что позволяет формировать стереоскопические модели со свойствами, которыми они не обладали ранее. Кроме того, с помощью настроек программ стереоиз-мерений стало возможно быстро менять способы сте-реонаблюдений, конструировать новые типы измерительных марок, наблюдать прямую или обратную, позитивную или негативную стереомодель и др. Таким образом, теперь наблюдатель может выбрать условия, обеспечивающие наивысшую комфортность измерений конкретной стереомодели, что в итоге влияет на точность стереоизмерений. Выполнение на компьютере как визуальных, так и автоматических (корреляционных) стереоизмерений служит реальной основой разработки перспективной человеко-машинной стереоизмерительной технологии (или системы), рационально сочетающей оба вида измерений. Наконец, можно надеяться, что технологии будущего позволят создавать сплошную стереомодель местности, воспроизводящую ее без присущих сейчас разрывов ("мертвых зон").

Результаты и их обсуждение. Методологической основой дисциплины продолжает служить геометрическая (фотограмметрическая) концепция, которая рассматривает стереоскопическую модель как совокупность сколь угодно большого числа точек пересечения соответственных связок проектирующих лучей, а стереоскопические измерения модели — как совмещение двух физически реальных измерительных марок с соответственными точками снимков. Современное стремление наиболее полно реализовать имманентные свойства стереомодели заставляет уточнить и расширить существующие представления о стереоскопической модели местности и ее измерениях. Обращение к достижениям психологии зрительного восприятия позволяет, на взгляд автора, обогатить геометрическую концепцию новыми идеями.

Основу разрабатываемой в лаборатории аэрокосмических методов МГУ имени М.В. Ломоносова психологической концепции стереомодели составляют следующие положения.

— стереоскопический образ, формирующийся в сознании человека на основе информации, поступающей в мозг от глаз, других органов чувств и из памяти, рассматривается как психологически реальная

Рис. 4. Принципиальная схема современного аэрокосмического зондирования, показывающая основные технологические этапы и конечную цель

церебральная2 модель, которая отображает наблюдаемый нами трехмерный окружающий мир (местность) в соответствии с определенными, хотя и сложными законами. Генерализованный стереоскопический образ отличается по геометрическим и яркостным свойствам от моделируемой местности (или отдельных объектов);

— введенное понятие о стереогештальте3 характеризует способность зрительной системы человека по разрозненным сопряженным деталям изображений на сетчатке левого и правого глаза подсознательно формировать целостный образ (модель) реального объекта (местности). Считается, что структурную основу стереоскопической модели составляет пространственный каркас, создаваемый стереообразующими деталями, инвариантными к различного рода преобразованиям изображения. Каркас драпируется (тек-стурируется) одиночными изображениями левого и правого снимка стереопары. Для драпировки зрительная система спонтанно выбирает одно доминантное изображение — самое контрастное и четкое, которое в соответствии с законом стереогештальта локализуется в пространстве;

— в психологической концепции стереомодели измерительная операция — стереоскопическое визирование — трактуется как пространственное совмещение двух стереоскопических моделей: местности и измерительной марки.

Конечно, разрабатываемая психологическая концепция не заменяет, а дополняет геометрическую (фотограмметрическую) концепцию, что позволит создать современную теоретико-методологическую основу стереоскопического геомоделирования.

Заключение. Стереоскопическая модель местности, последовательно совершенствуясь, используется для решения географических задач уже полтора века. Это время делится на три периода, условно названных стереоскопической фотографией (вторая половина XIX в.), топографической стереофотограмметрией (ХХ в.) и стереоскопическим геомониторингом (с начала XXI в.). Приводимые в статье положения направлены прежде всего на обоснование постепенного формирования самостоятельной научно-образовательной дисциплины — стереоскопического геомоделирования, представляющего органическую часть дистанционного (аэрокосмического) зондирования, которое в целом, как можно с большой вероятностью прогнозировать, также будет нацелено на моделирование (рис. 4). Еще раз подчеркну, что стереоскопическое геомоделирование предусматривает синергетическое взаимодействие стереоскопического зрения человека и различных достижений научно-технического прогресса.

Стереоскопическое геомоделирование повышает наглядность и выразительность аэрокосмических снимков — моделей, увеличивает их информативность. Для географа стереоскопическая модель, в частности, упрощает установление связей между наблюдаемым рельефом местности и тематической информацией, извлекаемой из снимков. Стереоскопическое геомоделирование не только обеспечивает комплексность географических исследований, но имеет еще и существенное значение в преподавании, помогая сформировать у учащихся правильное представление о трехмерности географической оболочки и ее компонентов.

Поступила в редакцию

10.10.2011

Yu.F. Knizhnikov

STEREOSCOPIC GEOMODELING: THE CONCEPTUAL BASICS

Stereoscopic geomodeling which is regarded as an integral part of the aerospace (remote) sensing of the Earth is based on the interaction of human vision and technical means. Three historical stages are identified when different aspects of the discipline were actively developed which corresponded to the main practical applications of aerospace imagery during the particular stage. At present the principal target of the stereoscopic geomodeling is to monitor spatial changes and an aerospace image becomes a model of phenomena and processes under study.

Key words: remote sensing of the Earth, stereoscopic geomodeling, stereoscopic photography, topographic stereophotogrammetry, geomonitoring, geographical studies.

2 Лат. cerebrum — мозг.

3 Психологическая теория гештальта (нем. die Gestalt — форма, структура, образ) — крупное направление в психологии ХХ в., утверждающее приоритет целостно организованной структуры, упорядочивающей множество составляющих ее отдельных компонентов.