Введение в ортокартографирование

Доступно с лицензией Advanced.

Обзор

Фотограмметрия – это наука получения достоверных измерений из фотографических и цифровых снимков. Результатом процесса выполнения фотограмметрии часто являются ортоизображения, тематические карты, ГИС-слои или трехмерные (3D) модели реальных объектов или сцены. Существует два общих типа фотограмметрии: аэрофотограмметрия и наземная фотограмметрия.

В аэрофотограмметрии сенсор находится на борту спутника, беспилотного летательного аппарата или дрона, и чаще всего направлен вертикально вниз в сторону земной поверхности. Когда сенсор направлен прямо вниз, это называется вертикальным снимком или снимком из надира. Несколько перекрывающихся изображений, также называется стереоизображениями, собираются по мере пролета сенсора вдоль траектории полета. Изображения обрабатываются и создаются цифровые высотные данные и ортомозаики. Спутниковое изображение имеет геометрию с перспективой, что приводит к искажениям, уникальным для каждого изображения. Ортоизображения были геометрически скорректированы таким образом, чтобы полученное изображение было картографически целостно, а ортомозаики - это ортоизображения, которые были слиты в одно изображение. Можно также создавать другие продукты, например, векторные ГИС-слои с объектами типа дорог, зданий, гидрологии и других наземных объектов. Эти слои создаются с использованием ортоизображений в виде подложки или из стерео компиляции изображений в ArcGIS Pro.

В наземной фотограмметрии сенсор часто находится близко к объекту интереса и обычно не в надире, а скорее наблюдает горизонтально, под углом, или даже снизу вверх в случае картографирования инженерной структуры моста. Эти изображения моделируются математически немного различающимися между собой методами, поэтому и возникла необходимость отделить их от аэрофотограмметрии. Продукты похожи на аэрофотограмметрию, такую как 3D модели, инженерные чертежи и ортоизображения, но вместо картографической поверхности и объектов ландшафта объекты отображают другие составляющие поверхности, такие как здания, инженерные структуры, или вышки сотовой связи и опоры линии электропередач.

Инструменты и возможности, предоставляемые набором функциональности Esri Ortho Mapping, предназначены для работы с продуктами аэрофотограмметрии, для обеспечения создания и проверки карт, обнаружения изменений, а также для извлечения объектов. Эти инструменты позволяют использовать аэрофотоснимки, изображения с беспилотных устройств или спутниковые снимки, обрабатывать их и получать различные продукты с применением ортотрансформирования.

Ортоизображения

Ортотрансформирование - это процесс, который корректирует невязки, связанные с удаленным получением изображения, и создания в итоге картографически точного ортоизображения. Затем ортоизображения могут быть подогнаны по краям и сбалансированы по цветам - для получения бесшовной ортомозаики. Точность этой ортомозаики соответствует точности масштаба карты и может использоваться для выполнения измерений, а также для создания и обновления ГИС-слоев классов объектов. Для этого вам нужны снимки с известными позициями сенсора, его положения и калиброванная геометрическая модель для сенсора, а также цифровая модель поверхности (ЦМП).

Иногда известные местоположения и ориентация поступают пользователю вместе с самим изображением. Если это не так, требуется трансформировать изображение по наземным опорным точкам. Процесс уравнивания использует калибровку сенсора, информацию об ориентации сенсора, наземные опорные точки, связующие точки и ЦМП, чтобы предоставить точные положения и позиции. Это, в свою очередь, позволяет создавать ортоизображения с точностью карты.

Данные высот

Если есть подходящая ЦМР, она будет использоваться в процессе ортотрансформирования. В противном случае наборы данных высот, такие как цифровые модели местности (ЦММ) и цифровые модели поверхности (ЦМП), должны быть получены из стерео-изображений. Стереоизображение создается из двух или более изображений одного и того же наземного объекта, снятых с разных геолокационных позиций. Перекрывающиеся изображения собираются из разных точек наблюдения. Эта область перекрытия называется стерео-изображением, и подходит для создания цифровых наборов данных высот. Модель для создания этих 3D наборов данных требует наличия коллекции множества перекрывающихся изображений, без пробелов в перекрытии, информации о калибровке сенсора и ориентации, а также наземных опорных и связующих точек. Затем 3D-наборы данных создаются автоматически с помощью процесса, называемого сопоставлением изображений, где перекрывающиеся изображения перекрестно коррелируются для создания 3D-облаков точек, определяемых географическим местоположением (широта, долгота) и высотой.

Необходимость ортокартографирования

Ортотрансформирование по сути исправляет геометрические неточности, полученные при использовании платформы, сенсора и особых условий рельефа. Картографирование предполагает сопоставление границ, создание линии сшивки и выполнение цветового баланса множества изображений для создания набора данных ортомозаики. Такие совокупные процессы известны как орто картографирование.

Цифровые аэрофотоснимки, изображения с беспилотных устройств, отсканированные аэрофотоснимки и спутниковые снимки являются важным источником данных для картографии и сбора ГИС-данных, а также для визуализации данных. В сущности, информация, содержащаяся в большинстве карт и ГИС-слоев, была получена из снимков. Во-первых, изображения служат фоном, который предоставляет важный контекст ГИС-слоям, из которого создаются геопространственные связи. Во-вторых, изображения используются для создания или редактирования карт и ГИС-слоев путем оцифровки и присвоения атрибутов объектам интереса, таким как дороги, здания, гидрология и растительность.

Прежде чем эта геопространственная информация может быть оцифрована с изображения, оно должно быть скорректировано от различных типов ошибок и искажений, полученных в процессе сбора этого изображения. Существует два основных типа искажений, характерных для изображений, полученных с помощью дистанционного зондирования:

• Радиометрические искажения – неточное преобразование значений отражения от земли в значения серого цвета или цифровых номеров (DNs) на изображении. Радиометрическая ошибка вызвана азимутом и высотой солнца, атмосферными условиями и ограничениями датчиков.
• Геометрические искажения – неточный перевод масштаба и местоположения в изображении. Геометрическая погрешность обусловлена смещением рельефа, кривизной Земли, перспективными проекциями и погрешностью приборов.

Каждый из этих типов искажений устраняется в процессе ортотрансформирования и картирования. Список распространенных типов искажений изображения см. в таблице ниже. После того как искажения, влияющие на изображения, будут удалены, а отдельные изображения или сцены будут объединены в мозаику для получения ортофотоплана, его можно будет использовать как тематическую карту для точных измерений расстояния и углов. Преимущество ортоизображения состоит в том, что оно содержит всю информацию, видимую на изображениях, а не только объекты и слои ГИС, извлеченные из изображения и показанные на карте. Например, дорога, обозначенная на карте, имеет одинаковую ширину, в то время как дорога на ортоизображении имеет переменную ширину и обочины, что позволяет машинам экстренных служб проезжать, не теряя время в пробках, или на обочинах хранят строительные материалы и оборудование.

Процесс ортотрансформирования

Одним из наиболее важных продуктов, которые создаются в ходе фотограмметрической обработки, является ортопривязанная коллекция изображений, которая называется мозаика ортоизображений или просто ортомозаика. Построение ортоизображения включает деформирование исходного изображения таким образом, чтобы расстояния и площади совпадали с данными реальных измерений. Это достигается путем установления связи координат x, y изображения с реальными наземными опорными точками для определения алгоритма пересчета изображения. Аналогичным образом вычисляется математическая связь между координатами земли, отображаемыми цифровой моделью рельефа, и изображением, которая используется для определения правильного положения каждого пиксела в исходном изображении.

Поэтому объекты, измеренные в ортоизображениях, соответствуют измерениям, масштабу и углу тех же объектов на поверхности Земли, независимо от того, находятся ли они на плоской поверхности или на пересеченной местности. Итоговая точность ортоизображения основана на точности триангуляции, обратному углу надира при получении снимка, разрешении исходного изображения и точности модели рельефа.

Есть ряд требований для создания ортоизображения или ортомозаики из исходного изображения:

• Цифровые изображения – могут быть в виде цифрового аэрофотоснимка, сканированного изображения или спутниковых изображений.
• Файл калибровки камеры – включает измерения характеристик датчиков, таких как фокусное расстояние, размер и форма плоскости изображения, размер пиксела и параметры искажения объектива. В фотограмметрии измерение этих параметров называется внутренней ориентацией (IO), и они хранятся в файле модели камеры. Для получения информации о калибровке камеры в отчете, используемом для вычисления модели камеры анализируются данные с высокоточных камер аэрофотосъемки. Другие камеры потребительского уровня калибруются теми, кто работает с этими камерами, или они могут быть откалиброваны в процессе уравнивания во время ортотрансформирования.
• Коэффициенты рационального многочлена (RPC) – предоставляются поставщиками спутниковых изображений. Коэффициенты рационального многочлена вычисляются для каждого спутникового изображения и описывают преобразование координат 3D-изображения в координаты 2D-земной поверхности в математической модели датчика, которая выражается как отношение двух выражений многочлена третьей степени. Коэффициенты этих двух рациональных многочленов вычисляются спутниковой компанией с учетом орбитального положения спутника и ориентации и строгой физической сенсорной модели. RPC заменяют необходимость использования строгой модели камеры и часто считаются заменой сенсорных моделей, если матрицы ошибки ковариации включены.
• Точки уравнивания – состоят из наземных опорных точек, связующих точек и контрольных точек.
  • Наземные опорные точки получаются, как правило,от местоположения наземной съемки и измерений. Вторичные опорные точки также могут быть получены из карты или существующего ортоизображения с известной точностью, если известная точность превышает ожидаемую точность нового ортоизображения на линейный коэффициент от трех до пяти раз. Эти точки на поверхности должны быть видимы на изображении.
  • Связующие точки изображения создаются в областях перекрытия между соседними изображениями, составляющими мозаику. Эти точки служат для связывания всех изображений, составляющих мозаику ортоизображений. Они обычно вычисляются автоматически с использованием методов сопоставления изображений в области перекрытия.
  • Контрольные точки используются для оценки точности процесса ортотрансформирования. Они являются наземными опорными точками съемки, которые не используемые при расчете фотограмметрического уравнивания.

Приведенная выше информация используется для вычисления ориентации изображения, необходимой для создания ЦМР и ортотрансформированной мозаики изображений из снимков. Вычисленные параметры ориентации изображения включают положение датчика в момент захвата изображения в таких координатах, как широта, долгота и высота (x, y, z). Положение сенсора выражается через omega, phi и kappa (крен, тангаж, рысканье).

Построение ортомозаики

В этом разделе описан основной процесс по созданию ортомозаики. ArcGIS Pro Содержит инструменты, возможности и руководства по выполнению процесса создания ЦМР и продуктов ортоизображений. Особенности создания набора данных ортомозаики с помощью инструментов Орто картография и мастеров подробно описаны в разделе Орто картография в ArcGIS Pro.

Ориентация изображения

Ориентация изображения – это предварительный процесс для создания ЦМР и ортоизображений. Это процесс получения пространственного местоположения и ориентации сенсора в каждый момент получения снимков. Знание высоты сенсора над землей позволяет вычислять области перекрытия смежных изображений, которое затем используется для включения генерации связующих точек. Процесс создания связующих точек помогает собрать изображения корректным образом в непрерывный блок. Он использует внутреннюю ориентацию, основанную на физических характеристиках датчика, и внешнюю ориентацию, основанную на наземном управлении и точках связи между изображениями.

Сбор связующих точек между множеством перекрывающихся изображений может быть утомительным и времязатратным. Инструмент Вычислить связующие точки автоматического определяет совпадающие точки в перекрывающихся областях между изображениями, используя методы взаимной корреляции. Эти связующие точки используются совместно с наземными опорными точками, которые также видимы на множестве изображений, для вычисления внешней ориентации каждого изображения, составляющего мозаику. Это означает, что наземные опорные точки должны быть фото-определяемыми (или видимыми) на изображении. Обычно фото-определяемые наземные опорные точки являются постоянными и легко идентифицируемыми объектами. Они могут быть нарисованными метками на автомагистрали или находиться в центре двух пересекающихся улиц.

Блочное уравнивание

Используя информацию наземных опорных точек и связующих точек, вычисление пакетного уравнивания вычисляет внешнюю ориентацию для каждого изображения, например, что они согласовываются с соседними изображениями. Ориентация целого блока изображений далее уравнивается, чтобы совпадать с земной поверхностью. Этот процесс блочного уравнивания производит самое лучшее статистически размещение изображений для всего непрерывного блока, уменьшая ошибки с учетом данных связующих и наземных точек. Скорректированное преобразование для каждого элемента изображения, содержащего блок, записывается в таблицу решений и сохраняется в рабочей области для ортомозаики.

Проверка качества и контроль качества

Когда блок изображений уравнивается для размещения его на поверхности Земли, очевидная ошибка уравненных точек представлена в таблице невязок. Ошибки легко выявляются, а точки с высоким значением невязки либо удаляются, либо чаще перемещаются вручную. Уравнивание выполняется до тех пор, пока общая погрешность и невязка в каждой точке будет приемлема.

Создание ЦМР

После завершения блочного уравнивания можно создать набор данных высот с помощью мастера ЦМР. Для создания ЦМР создается фотограмметрическое облако точек с использованием методов перекрестной корреляции изображений. ЦМР затем можно применить в процессе ортотрансформирования изображения, чтобы убрать искажения за счет рельефа и получить мозаику ортоизображений.

Можно создать два типа ЦМР:

• ЦМП (цифровая модель поверхности) – цифровые высоты Земли, которые не включают высоту каких-либо объектов на ней. Она также называется высотами обнаженной земли. Набор данных высот земли ЦМП используется для создания ортоизображения и мозаики ортоизображений.
• ЦММ (цифровая модель местности) – цифровые высоты Земли, включая высоту объектов на ней, таких как деревья и здания. ЦММ является ценным аналитическим набором данных, используемым для классификации объектов на ортоизображениях, например, различий асфальтового покрытия дорог и асфальтового покрытия крыш. Она не должна использоваться для ортотрансформирования изображения, если только исходное изображение не является вертикальным - без наклона зданий и других пространственных объектов, - для создания корректного ортоизображения.

Примечание:

Если местность плотно покрыта лесом или имеет другой густой растительный покров, то будет невозможно получить поверхность земли ЦМП, поскольку земля не видна. Самый подходящий продукт поверхности высот для участка с очень плотным лесом является ЦММ, которая создает поверхность, показывающую верхнюю часть полога леса.

Мастер ЦМР позволяет указывать различные параметры для создания облака точек высот и ЦМР. ЦМП затем можно применить в процессе ортотрансформирования изображения, чтобы убрать искажения за счет рельефа и получить мозаику ортоизображений.

Ортотрансформирование изображения

Ортотрансформированное изображение имеет постоянный масштаб, так что объекты представлены в их истинном положении относительно их положения на земле. Это позволяет выполнять точные измерения расстояний, углов и площадей на ортоизображении.

Ортотрансформирование выполняется путем установления связи координат x, y изображения с реальной наземной опорной точкой для определения алгоритма пересчета изображения. Аналогичным образом математическая связь между координатами земли, представленными цифровой моделью рельефа и изображением вычисляется и используется для определения правильного положения каждого пиксела в исходном изображении.

Мозаика ортоизображений создается с помощью мастера Ортомозаика. Входные объекты включают элементы блочного уравнивания, составляющие коллекцию изображений или ЦМП. Можно также использовать ЦМР поверхности земли. Мастер Ортомозаики позволяет задать параметры мозаики ортоизображений, такие как масштаб и формат данных, генерация линий сшивки и цветовая балансировка ортотрансформированных изображенияй для создания бесшовной ортомозаики.

Примечание:

На спутниковые снимки высокого разрешения в надире не сильно влияют искажения, присущие аэрофотоснимкам, из-за большого расстояния между сенсором и землей, большого фокусного расстояния датчика (порядка 10 метров) и малого поля зрения. Эти факторы, совместно с информацией о точной ориентации в виде коэффициентов RPC, приводят к тому, что точность ЦМР и плотность расположения менее важны при создании точного ортоизображения, при условии, что правильно выполнено уравнивание внешнего ориентирования и выбраны корректные опорные точки. Поэтому шаг создания ЦМР часто пропускается, и существующие ЦМР USGS NED или SRTM в совокупности с точными наземными опорными точками выдают в результате ортоизображения Класса I или Класса II масштаба 1:5 000 и мельче.

Если сбор обратно надиру является большим, либо фокусное расстояние слишком маленьким, то для точной ортопривязки потребуется более точная ЦМР с высоким разрешением.

Артефакты изображений

Различные типы артефактов, которые влияют на изображения, полученные с помощью дистанционного зондирования, и корректирующиеся в процессе ортотрансформирования, кратко описаны в таблице ниже.

Искажение перспективы	Искажение перспективы возникает из-за наклона угла наблюдения и расстояния между сенсором и целью на поверхности, а также из-за характеристик сенсора. Короткое фокусное расстояние сенсоров при аэросъемке приводит к большему искажению перспективы, чем длинные фокусные расстояния сенсоров, находящихся на спутниках. Перспектива просмотра будет показывать стороны здания, обращенные к сенсору и скрывать обратные части здания. Дополнительно, для изображений с перспективой масштаб изображения становится мельче при движении от надира. Другими словами, размер пиксела по поверхности Земли (GSD) меньше в сторону надира изображения и больше в сторону дальней границы изображения, а пикселы имеют трапециевидную форму.
Поле зрения (FoV)	FoV – это угловой экстент, видимый для сенсора во время съемки. Определяется размером сенсора, фокусным расстоянием и высотой. Фокусное расстояние – это эффективное расстояние от объектива рядом с центральной точкой до фокальной плоскости. Это определяет геометрию перспективы для изображения. Чем меньше фокусное расстояние, тем больше вносится искажений перспективы и тем шире FoV.
Дисторсия объектива	Объектив только аппроксимирует геометрию перспективы. В результате они искажают размещение и форму объектов, снятых в фокальной плоскости. Радиометрически, он также изменяет количество света, попадающего на фокальную плоскость. Оба типа искажений увеличиваются, как функция расстояния от центра изображения. Эти эффекты минимальны в центре и увеличиваются при движении к границам изображения.
Кривизна Земли	Искажение, вызванное кривизной Земли, больше всего распространено в изображениях, покрывающих большие экстенты Земли, или сделанных с большой высоты под большими наклонными углами. Оно обычно влияет на аэрофотоснимки, собранные с коротким фокусным расстоянием, с большой высоты, с широким FoV, или на спутниковые изображения, собранные полосами или блоками.
Смещение рельефа	Смещение рельефа вызывается разницей высот над или под датумом, что приводит к сдвигу в прозрачном размещении объектов на снимке. Это топографическое изменение в сочетании с ориентацией вида и полем зрения сенсора влияет на расстояние и масштаб, с которыми элементы отображаются на снимках.
Радиальное смещение	Например, на вертикальных снимках высокие объекты, типа радиомачт будут казаться выровненными из центра (надирной точки) изображения. Поскольку вершина мачты не лежит над нижней частью мачты на снимке, этот эффект называется смещением рельефа.
Сканирование	При сканировании аэрофотоснимков, искажения сначала возникают во время обработки пленки и хранения. Затем дополнительные искажения могут возникать в процессе сканирования из-за различных измерительных приборов сканирования. Эти ошибки могут быть по большей части скомпенсированы в процессе ортотрансформирования.