Цифровое картографирование как повседневная практика

Опыт производственного использования цифрового аэросъемочного комплекса DMC для обеспечения пространственными данными Государственного кадастра недвижимости компанией ООО НП АГП «Меридиан+»

Сиспользованием цифрового аэросъемочного комплекса DMC в 2007 и 2008 годах была осуществлена съемка территории более 150 тысяч кв. км., приведенных к масштабу 1:25 000. Наиболее значимыми можно считать аэрофотосъемку крупных городов: Санкт-Петербурга, Ярославля и линейных объектов - газопровода Ухта-Торжок, автомобильной дороги М-8 «Холмогоры» Москва-Архангельск. Цифровой аэросъемочный комплекс DMC делится на два сегмента: бортовой и наземный (Рис. 1).

Бортовой аэросъемочный комплекс включает:

• цифровую съемочную камеру DMC, состоящую из:
  - оптического блока,
  - электронного блока оптической части,
  - гироплатформы с комплектом переходных колец;
• накопители информации (FDS - внешние накопители на съемных магнитных дисках или SSDC - съемная флэш-память в зависимости от комплектации);
• компьютер управления;
• дисплей оператора с клавиатурой;
• дисплей штурмана;
• дистрибьютор питания.

Широкоформатная цифровая камера DMC позволяет получать цветные 36-битные снимки с разрешением на местности порядка 3 сантиметров. В качестве регистрирующих устройств в камере используются восемь CCD-матриц. Объем внешних накопителей на магнитных дисках позволяет запомнить до 2000 снимков за один вылет. Возможности спектрозональных цифровых светочувствительных датчиков позволяют получать панхроматические и цветные мультиспектральные изображения (включая ближний ИК-диапазон) высокого геометрического качества.

Цифровая камера DMC сертифицирована по стандарт у DO-160D (соответствует ISO 7137) для работы на высоте полета до 8 км.

Сертификат DO-160D был выдан по результатам серии тестов работы камеры в различных условиях эксплуатации температурных эксплуатации (температурных и прочих), проверки на герметичность, виброустойчивость и противоударность, а так же на соответствие нормам электромагнитного излучения, защиты от молний и электрических зарядов, уровня радиопомех.

Для повышения информативности получаемых изображений, съемка ведется в нескольких спектральных зонах.

С целью достижения высоких геометрических свойств изображения цифровая съемочная система DMC включает в себя (Рис. 2):

• 4 цифровые камеры (объективы в центре: PAN1, PAN2, PAN3, PAN4) строят изображение высокого разрешения в панхроматическом режиме. Оптические оси объективов ориентированы под определенным углом конвергенции, поэтому исходное изображение получается разделенным на 4 части (каждый объектив отображает свой участок местности). Разрешением панхроматических каналов в конечном итоге определяется пространственное разрешение цифрового аэроснимка;
• 4 цифровых камеры (внешние объективы) с параллельно ориентированными оптическими осями ведут съемку в раздельных спектральных зонах - в ближнем ИК (MS1 NIR), синем (MS2 BLUE), красном (MS3 RED) и зеленом (MS4 GREEN) диапазонах. Изображение в данном случае строится по всему полю кадра. Разрешением этих каналов определяется радиометрическое (цветовое) разрешение аэроснимка.

На этапе постобработки отснятого материала изображения четырех панхроматических каналов объединяются в единый снимок, в результате чего получается черно-белое изображение высокого разрешения по всему полю кадра. При последующем синтезе панхроматического и спектрозональных (Red, Green, Blue и NIR) изображений получается цветной снимок высокого пространственного и радиометрического разрешения (Рис. 3). При выборе различных сценариев постобработки с разными вариантами сочетаний спектральных каналов возможно получение следующих видов данных:

• панхроматическое (PAN) изображение.tif;
• цветное (RGB) изображение.tif;
• синтезированное изображение с подключением;
• ближнего ИК диапазона (CIR).tif.

Обработанные данные могут иметь 8- и 12-битную разрядность.

Цифровой картографический комплекс DMC представляет современную аэросъемочную систему, содержащую мощную базу программно-аппаратных средств для:

• проектирования аэросъемки;
• выполнения аэросъемочных работ;
• обработки полученных результатов.

Проектирование аэросъемки осуществляется в программной среде Z/I Mission Planning (пример интерфейса - на рисунке 4). Входными данными для проектирования могут служить как .dgn, .dxf, .tab, .dwg, так и DTM- и GeoTIF-форматы.

В результате проектирования выходными данными являются файлы для бортовой навигационной системы формата .AFL и .APF (внутренний формат для управления аэросъемочным процессом в полете). Также создается текстовый ASCII-отчет, содержащий информацию о проектных параметрах аэросъемки (масштаб и высота фотографирования, количество запланированных маршрутов и экспозиций и др.). Программный комплекс системы DMC обладает широкими возможностями обработки полученной информации.

Первичная постобработка снимков осуществляется в следующих приложениях:

• Z/I Mission;
• DMC Postprocessing;
• DMC Image Analyst.

В среде Z/I Mission создается проект (PPS Project) для дальнейшей обработки в DMC Postprocessing (выбор необходимых снимков, системы координат и т. д.). Исходными данными являются формируемые в процессе полета файлы Z/IInflightData формата .mdb. В результате обработки .mdb-файла программа Z/I Mission формирует текстовый ASCII-отчет, в котором помимо фактических параметров аэросъемки (фактическая высота полета, масштаб и прочее) содержатся оценочные элементы внешнего ориентирования снимков (координаты центров проекций и углы φ, ω, κ). Проект для дальнейшей постобработки снимков создается во внутреннем .dgn-формате.

Обработка отснятого материала с FDS- и SSDC-накопителей осуществляется в программе DMC Postprocessing, где из сырых данных происходит формирование единого файла изображения, его геометрическая и радиометрическая коррекция. Исходными данными являются данные FDS- и SSDC-накопителей, созданный в Z/I Mission проект .dgn и калибровочные данные камеры. В итоге возможно получение панхроматического, цветного и синтезированного ИК-изображения 8- и 12-битной разрядности (Рис. 5).

Коррекция контраста, цвета, тона полученных в DMC Postprocessing панхроматических, цветных и синтезированных ИК-снимков производится средствами DMC Image Analyst. Цветокорреция изображений выполняется автоматически по серому тону. Здесь на исходное 8- и 12-битное .tif изображение программой генерируются параметры перекодировки плотностей Lookup Tables (LUT), определяющие соотношения цветов для правильного цветовоспроизведения снимаемых объектов. Созданный шаблон коррекций можно применять к любым обрабатываемым изображениям (Рис. 6). Контроль осуществлялся на основе визуальной оценки качества изображений. Летно-съемочные работы производятся с воздушных судов АН-2 и АН-30, как аналоговые, так и цифровые, в том числе при эксплуатации двух имеющихся цифровых картографических комплексов Z/I Imaging DMC. Очевидно, что аэросъемка с различных типов самолетов связана со своими особенностями монтажа и работы цифровой съемочной системы DMC. На рисунках 7 и 8 показан пример оборудования салона самолета АН-2 и АН-30 цифровым аэросъемочным комплексом Z/I Imaging DMC. Самолет АН-2 применяется для съемки компактных объектов с небольших высот, основным же самолетом для аэросъемки является АН-30.

Для сокращения объемов полевых работ по планововысотной привязке аэроснимков на борту устанавливается двухчастотный GPS-приемник NovAtel DL-V3. Конструктивно он может быть внешний или встроенный в корпус камеры DMC в зависимости от комплектации. В процессе производственных работ используются оба варианта. Предпочтительным можно считать вариант со встроенным приемником, так как в этом случае упрощается монтаж съемочной системы, а хранение навигационных и съемочных данных осуществляется на одном накопителе. Сопряженный с камерой бортовой GPS-приемник регистрирует моменты срабатывания затвора (разъем External Event) и ведет запись меток времени во внутреннюю память или на внешний носитель. Для надежного определения координат центров проекций снимков дискретность измерений GPS-приемника при регистрации навигационных GPS сигналов составляет 2 Гц и более. Точность (средняя квадратическая погрешность) определения координат центров фотографирования относительно пунктов спутниковой геодезической сети сгущения составляет 10 см. Для высотного обеспечения цифровой аэросъемки на борту самолета совместно с комплектом камеры DMC размещается воздушный лазерный сканер ALS-50-II (Leica Geosystem). Параметры лазерного сканирования (частота сканирующих импульсов, частота сканирования, угол захвата) устанавливаются техническим заданием на выполнение аэросъемочных работ с таким расчетом, чтобы плотность облака точек была достаточной для создания цифровой модели рельефа. Анализируя двухлетний опыт использования цифрового картографического съемочного комплекса DMC, можно заключить, что применение современных цифровых аэрофотосъемочных систем существенно повышает качество выходной информации и увеличивает производительность аэросъемочных работ.


Среди основных достоинств камеры DMC следует отметить следующие:

• исключение из технологического производственного цикла процессов фотохимической обработки и сканирования аэроснимков;
• возможность одновременного получения различных видов информации: по материалам одного вылета, а именно: панхроматическое, цветное и спектрозональное (с подключением ближнего ИК-диапазона) изображение;
• отсутствие шумов пленки, возникающих в процессе фотохимической обработки и дополнительных погрешностей при сканировании аналоговых аэроснимков;
• отсутствие погрешностей, связанных с деформацией фотоматериала;
• лучшие по сравнению со сканированными аналоговыми фотоматериалами частотно-контрастные характеристики (тон, цвет, четкость, контраст и др.) материалов цифровой аэросъемки;
• широкий динамический диапазон, обеспечивающий приемлемое качество аэроснимков при работе в относительно неблагоприятных погодных условиях (например, под облачностью), хорошая проработка в тенях;
• исключения из цикла фотограмметрической обработки процесса внутреннего ориентирования снимков (калибровочные данные камеры DMC известны с высокой точностью, и в процессе постобработки снимки приводятся к идеальному случаю съемки);
• экономичность: к примеру, для составления планов М1:2000 аналоговая аэросъемка, как правило, выполняется в масштабе 1:12 000, а благодаря улучшенным геометрическим и фотометрическим свойствам цифровых аэроснимков, составление планов указанного масштаба возможно по материалам съемки масштаба 1:17 000;
• технологичность производственных процессов обработки материалов (например, возможность автоматизированного создания накидных монтажей).

К сожалению, имеется ряд недостатков, которые на сегодняшний день пока устранить не удается:

• отсутствие высоконадежных способов хранения цифровых данных (в настоящее время данные хранятся на съемных магнитных дисках HDD, которые не всегда отличаются стабильностью работы и применение данных носителей связано с определенным риском потери записанной информации);
• увеличение числа снимков по сравнению с аналоговой съемкой за счет уменьшения формата кадра (приведенный формат кадра DMC составляет 9 × 16 см по сравнению с форматом 23 × 23 см пленочной камеры LMK или MRB);
• сложность в эксплуатации, так как работа с камерой DMC связана с повышенными требованиями к внешним условиям ее работы (стабильность электропитания, температурные условия на борту и т. д.) и высокой квалификацией операторов;
• недостаточная интегрированность с другим программным обеспечением (данные аэросъемки нельзя обработать с помощью программных комплексов других производителей), вследствие чего возникает зависимость от конкретного производителя программного обеспечения.

Уникальный для нашей страны, безусловно, положительный опыт еще раз доказывает перспективность развития цифровых методов аэросъемки в России для решения как различных производственных, так и научных задач.