Анализ точности получения измерительных трехмерных видеосцен по материалам аэрокосмических съемок в различных 3 d ГИС

УДК 528.7 Т.А. Хлебникова СГГ А, Новосибирск

АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТРЕХМЕРНЫХ ВИДЕОСЦЕН ПО МАТЕРИАЛАМ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОК В РАЗЛИЧНЫХ 3 D ГИС

Статья посвящена вопросам, связанным с появлением новых видов цифровых геопространственных продуктов, получивших название 3D-моделей, трехмерных видеосцен. Приведено определение измерительной трехмерной видеосцены. Рассмотрены исходные данные для получения ее составляющих: цифровой модели рельефа (ЦМР) и объектов (ЦМО). Определены условия, при которых будут получены ЦМР, ЦМО, удовлетворяющие требованиям для дальнейшего создания измерительных трехмерных видеосцен.

Приводятся результаты экспериментальных работ по исследованию точности трехмерных видеосцен, созданных по материалам аэрофотосъемки в средах двух 3D ГИС: ГИС КАРТА 2005 (версия 9.15.3), ERDAS IMAGINE Leica Geosystems& GIS Mapping -Virtual GIS (версия 9.0).

T.A. Khlebnikova SSGA, Novosibirsk

ANALYSIS OF MEASURING 3D VIDEOSCENES ACCURACY ON THE BASIS OF AERIAL AND SATELLITE SURVEYS DATA IN DIFFERENT 3 D GIS

The problems of the new types of digital geospatial products are considered. They are called 3D-models, three-dimensional videoscenes. The definition of the measuring 3D-videoscene is given. The original data for its components acquisition are presented, i.e. digital terrain model (DTM) and that of the object. The conditions are specified for DTM and digital object model to be acquired, which meet the demand for further measuring 3D-videoscenes development.

The experimental works results are given concerning the research of accuracy of 3D-videoscenes developed on the basis of aerial photography in two 3D GIS environments: GIS KARTA 2005 (version 9.15.3), ERDAS IMAGINE Leica Geosystems & GIS Mapping - Virtual GIS (version 9.0).

В последние годы во многих областях народного хозяйства потребность в информации о местности уже не удовлетворяется использованием только топографических карт в аналоговом и цифровом видах. Недостаточная информативность карты, необходимость умения читать карту затрудняет ее использование, а в ряде специальных приложений существенно ограничивает ее применение.

Появились новые цифровые геопространственные продукты, получившие название ЗО-моделей [1, 2, 3]. Получению таких новых видов цифровой продукции способствовало использование достижений трехмерной машинной графики при пространственном моделировании местности [1] в геоинформационных технологиях.

В общем случае трехмерные цифровые модели представляют собой трехмерные пространственные аналоги реальных объектов местности.

Перечень актуальных 3D-продуктов постепенно расширяется. В настоящее время наиболее востребованы визуальные цифровые модели городов. В крупных европейских городах трехмерная географическая информация используется при решении таких задач, как городское планирование, управление подземным транспортом, защита от шума и др. [4,

5].

Исследования, изложенные в данной статье являются продолжением работ, опубликованных в [6, 7]. В последней на основе базовых понятий, приведенных в известных словарях по геоинформатике и картографии: данные, пространственные данные, геопространственные данные, местность, территория сформулировано определение цифрового геопространственного вида продукции, который рассматривается в статье.

Трехмерная измерительная видеосцена - трехмерная цифровая электронная модель территории (3D ЦМТ), включающая в себя (или содержащая) цифровую модель рельефа и модель (модели) других объектов, расположенных в границах рассматриваемой территории, предназначенная для визуализации в статическом или динамическом режимах и расчетноизмерительных операций с использованием специальных программных средств географических информационных систем (ГИС).

Следует сказать, что выбранный термин «измерительная» применительно к трехмерной видеосцене не совсем корректен. Для «измерения» выполняется наведение курсора ПЭВМ на выбранную точку трехмерной видеосцены. При этом происходит не измерение, а считывание значений координат X, Y, Ъ из базы. Здесь и далее под термином «измерение» будет подразумеваться считывание координат и высот.

Как следует из данного определения для создания трехмерных видеосцен, используются цифровые модели рельефа (ЦМР) и моделей объектов местности (ЦМО), источниками информации для получения которых могут служить различные данные.

По мере практического применения трехмерных цифровых моделей территории, пользователи выявили недостатки, приводящие к ограничению их использования. Поэтому совместное применение цифровых топографических карт, планов (ЦТК, ЦТП) и трехмерных измерительных видеосцен позволит по наиболее наглядно опознаваемым объектам на трехмерной видеосцене определять значения координат и высот точек интересующего объекта территории на цифровой карте с точностью, регламентированной для масштаба данной карты.

Для формирования ЦМР, ЦМО наиболее часто используются аэрокосмические материалы, обработка которых выполняется средствами фотограмметрических технологий.

В связи с изложенным в технологию получения измерительных трехмерных видеосцен включены следующие этапы:

1. Создание цифровых моделей рельефа и объектов, цифровых карт (планов), ортофотокарт по материалам аэрофотосъемки, космической съемки высокого разрешения средствами цифровы.х фотограмметрических систем по технологической схеме, приведенной в [7].

2. Создание модели поверхности территории и объектов на ней расположенных, согласование их средствами 3D ГИС.

3. Создание трехмерной видеосцены средствами 3D ГИС.

Схемы перечисленных этапов представляются на трех слайдах.

Определены необходимые условия, при которых будут получены ЦМР,

ЦМО, удовлетворяющие требованиям для создания измерительных трехмерных видеосцен.

Технология создания цифровых моделей местности по материалам аэрокосмосъемки известна, поэтому в [7] представлена только ее схема и рассмотрены некоторые особенности.

При создании ЦМР, ЦМО средствами фотограмметрических технологий для дальнейшего их использования в 3D ГИС возникает задача комплексного согласования на информационном уровне трехмерных моделей территории, создаваемых на ЦФС, и трехмерных моделей территории, построение которых осуществляется во внутренних структурах 3D ГИС на основе входных пространственных данных, получаемых экспортом из ЦФС.

Решение этой задачи требует:

- Разработки дополнительных требований к подготовке

информационного обеспечения: к подготовке классификатора и его

содержанию; к правилам сбора цифровой информации о рельефе и объектах территории на ЦФС;

- Проверки степени идентичности цифровой модели рельефа, полученной на ЦФС, и модели рельефа, полученной в среде 3D ГИС.

В этой связи экспериментальные исследования были связаны с проверкой степени идентичности цифровой модели рельефа и цифровых моделей объектов, полученных на ЦФС и трехмерной видеосцене, полученной в средах двух 3D ГИС.

Экспериментальные исследования технологии выполнялись на производственных материалах двух объектов аэрофотосъемки с характеристиками: масштабы залета - 1 : 8 000, 1 : 9 400, фокусное

расстояние АФА - 153 мм, формат кадра 23x23 см.

Сбор трехмерной пространственной информации осуществлялся средствами ЦФС ЦНИИГаК (ЦНИИГаК, Россия, ГНПП «Геосистема», Украина) в объеме 0.6 НЛ плана масштаба 1 : 2 000 (объект «Северный»), 1НЛ плана масштаба 1 : 2 000 (объект «Северо - западный»).

Создание трехмерной видеосцены выполнялось в средах двух 3D ГИС: ГИС Панорама - ГИС КАРТА 2005 (версия 9.15.3) и ERDAS IMAGINE Leica Geosystems& GIS Mapping - Virtual GIS (версия 9.0).

Анализ метрической точности 3D ЦМТ проводился по следующей методике:

1. Оценка точности выполнялась по высотной составляющей метрической информации контрольных точек, так как плановые координаты точек ЦМР, полученные на ЦФС, не изменяются при импорте их в 3D ГИС.

2. В качестве контрольных точек были приняты четко опознаваемые точки (на поверхности земли, углы строений на поверхности земли, на углах крыш), измеренные опытным оператором на стереофотограмметрических моделях.

3. Модель земной поверхности в обеих ГИС представлена матрицей высот, являющейся регулярной структурой, содержащей элементы, значения которых - абсолютные высоты рельефа местности, а также набором высотных отметок в узлах треугольников - триангуляция Делоне (для ГИС КАРТА 2005) .

Размер элемента матрицы при построении трехмерной видеосцены средствами ГИС КАРТА 2005 задавался значениями: 1 м, 3 м, 5 м, 10 м, 20 м, 30 м,

средствами ERDAS Imagine - 1 м, 5 м, 10 м, 20 м.

Результаты исследований показали, что программное обеспечение ГИС КАРТА 2005 (версия 9.15.3) не имеет функции измерения значений высот точек, расположенных на объектах, т.е. выше поверхности земли. В ГИС VirtualGIS такие функции имеются. При этом трехмерную видеосцену для более точного измерения выбранной точки объекта можно вращать, наклонять, увеличивать.

Результаты оценки точности для ГИС КАРТА 2005, Virtual GIS в виде значений средних погрешностей, средних квадратических погрешностей высот контрольных точек представлены на слайдах.

Результаты анализа точности цифровой модели рельефа и моделей объектов, полученных в средах двух 3D ГИС в объеме выбранных материалов аэрофотосъмки позволяют сделать следующие выводы.

1. Значения средних погрешностей высот контрольных точек, полученных средствами ГИС Карта 2005 и VirtualGIS практически сопоставимы для ЦМР с размером ячейки матрицы от 1 м до 20 м на равнинной территории (объект «Северный», перепад высот 30 м).

2. Значения средних погрешностей высот контрольных точек практически одного порядка при размерах элемента матрицы от 1 м до 10 м. При этом объем дисковой памяти матрицы с уменьшением элемента матрицы значительно возрастает.

3. При использовании в качестве исходных данных ЦМР равнинной местности в виде горизонталей с сечением рельефа 1 м для построения измерительной трехмерной видеосцены размер элемента матрицы достаточно задавать не плотнее чем 10 м, или в пределах 10-20 м.

4. При использовании в качестве исходных данных ЦМР всхолмленной местности в виде горизонталей с сечением рельефа 1 м для построения измерительной трехмерной видеосцены размер элемента матрицы достаточно задавать в пределах 5-10 м.

Результаты исследований, приведенные в пп. 2-4 хорошо согласуются с предложениями построения ЦМР, изложенным в [8].

5. Точность ЦМР для объекта «Северный» ниже, так как часть контрольных точек (угловые точки строений или точки, близко к ним расположенные) имеют расхождения высот в пределах 0.5-0.9 м. Такие точки находятся в селитебных зонах на углах строений или площадках, выровненных под строение, промплощадках .

6. Поскольку действующих нормативных документов на оценку трехмерных видеосцен по показателю точности нет, то полученные значения средних погрешностей высот на контрольных точках сопоставим с допусками, регламентированными Инструкцией по фотограмметрическим работам [9] при создании ЦТК, ЦМР для масштаба 1 : 2 000 с сечением рельефа 1 м.

Полученные значения средних погрешностей высот на контрольных точках трехмерной видеосцены превышают допуски, регламентированные в [9] при создании ЦМР для масштаба 1 : 2 000 с сечением рельефа 1 м в 1,5 раза.

7. Для повышения точности 3D ЦМТ, получаемой по ЦМР в виде горизонталей, необходимо использовать дополнительные данные в виде высот точек, расположенных по периметру площадок строений после планировки рельефа.

В результате исследований:

- Проверена степень идентичности модели рельефа, полученной на ЦФС, и модели рельефа, полученной в ГИС КАРТА 2005 (версия 9.15.3) и ERDAS IMAGINE Virtual GIS (версия 9.0);

- По результатам экспериментальных исследований предложенной

технологии сделаны выводы: создаваемые на ЦФС по материалам

аэросъемки ЦМР, ЦМО, с учетом дополнительных данных при сборе могут использоваться для последующего получения измерительных трехмерных видеосцен с заданными параметрами;

- Намечены пути решения следующего этапа работ, связанного с анализом факторов, влияющих на точность измерительных трехмерных видеосцен.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Дуда, Р.О. Распознавание образов и анализ сцен [Текст] / Р.О. Дуда, П.Е. Харт; пер. с англ. - М.: Мир, 1976. -511 с.

2. Важнейшие фундаментальные и прикладные проблемы геоинформатики [Текст] / И.А. Соколов, В.Н. Филатов, А.И. Мартыненко и др. // Геодезия и картография. - 2006. -№11. - С. 47-56.

3. Основные проблемы пространственного представления местности в цифровых картографических изделиях [Текст] / В.Н. Филатов, В.А. Авдеев, Р.С. Мухудинов, В.А. Радионов // Геодезия и картография. - 2007. - № 4. - С. 35-38.

4. Городскому управлению Вены дано еще одно измерение [Текст] / По материалам ESRI // ArcREView. - 2008. - № 4 [47]. - С. 22-23.

8. 5 Modelling of Urban Environments [Электронный ресурс]/ Sandra Haydeé González Garcia, Raúl Muñoz Salabarría, Alián Mayet Valdés, Dunia Suárez Ferreiro,

Bernardino Deni Díaz Rodríguez // XXI Congress 3-11 July 2008, Beijing China. PROCEEDINGS Volume XXXVII, Part B5, TC V. pp. 707-710. 1электр. опт.диск (DVD+R).

5. Хлебникова, Т.А. Технология построения измерительных трехмерных видеосцен по данным ЦММ: проблемы и пути решения [Текст] / Т.А. Хлебникова // Геодезия и картография. - 2008. -№ 2. - С. 44-46.

6. Журкин, И.Г. Технология получения измерительной трехмерной видеосцены по материалам аэрокосмических съемок [Текст] / И.Г. Журкин, Т.А. Хлебникова // Геодезия и картография. - 2009. - № 8. - С. 43-48.

7. Лобанов, А.Н. Автоматизация фотограмметрических процессов [Текст] / А.Н. Лобанов, И.Г. Журкин. - М.: Недра, 1980. - 240 с.

8. ГКИНП (ГНТА)-02-036-02. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов [Текст].- М.: ЦНИИГАиК, 2002. - 100 с.

© Т.А. Хлебникова, 2010