RU24003U1 - Система для формирования цифровой модели рельефа и/или ортофотоплана - Google Patents

Abstract

1. Система для формирования цифровой модели рельефа местности и/или ортофотоплана, содержащая цифровой фотоаппарат и лазерный сканер, установленные на авиационном носителе, отличающаяся тем, что содержит блок формирования цифровой модели рельефа (ЦМР) по данным лазерного сканирования и блок обработки данных цифровой фотосъемки и формирования ортофотоплана по данным цифровой фотосъемки и данным лазерного сканирования, первые входы вычислителя параметров преобразования координат точек цифровых фотоснимков блока обработки данных цифровой фотосъемки и формирования ортофотоплана по данным цифровой фотосъемки и данным лазерного сканирования, и вычислителя параметров преобразования координат точек лазерного сканирования блока формирования цифровой и топологической моделей рельефа по данным лазерного сканирования предназначены для ввода пилотажно-навигационных данных, в состав которого входят блок вычисления координат точек лазерного сканирования, первый вход которого является вторым входом блока формирования цифровой и топологической моделей рельефа по данным лазерного сканирования и подключен к цифровому выходу лазерного сканера, второй вход связан с выходом указанного вычислителя, а выход через блок формирования цифровой модели по данным лазерного сканирования и блока формирования карты распределения пространственных частот связан со входами блока формирования топологической модели рельефа, выход которого связан с первыми входами соответственно блока комбинирования цифровых фотоснимков и данных топологической модели и блока коррекции параметров внешнего ориентирования блока обработ

Description

° ° °МПК 7 G 03 в 37/00, 42/00

Система для формирования цифровой модели рельефа и/или

ортофотоплана.

Полезная модель относится к области нолучения пространственных данных о земной поверхности с использованием данных аэрофотосъемки цифрового фотоаппарата и данных лазерного зондирования местности с борта авиационного носителя, в частности, к средствам и способам формирования цифровых моделей рельефа и ортофотопланов.

Известен классический подход к созданию цифровых моделей рельефа (ЦМР) и ортофотопланов, в основе которого лежит стереотопографический метод, предполагающий проведение наземных геодезических работ по планово-высотному обоснованию результатов аэрофотосъемки. При этом выполняется крайне ограниченное по объему геодезическое обследование рельефа территории съемки, что обусловлено высокой стоимостью и низкой производительностью наземных геодезических работ. Получаемые на этом этапе результаты в виде пространственных координат опорных точек используются лишь для фототриангуляционного сгущения, в результате чего опорная сеть распространяется на все аэрофотоснимки проекта, обеспечивая каждый из них 5-6 вторичными опорными точками. Это, в свою очередь, дает возможность выполнить абсолютное пространственное ориентирование в стереопарах, после чего, возможно, непосредственно перейти к восстановлению рельефа и формированию цифровой моделей рельефа и различных ортофотопланов (см., например, Ильинский Н.Д. и др., Фотограммометрия и дешифрирование снимков, Москва, Недра, 1986, с.135-140 1).

Однако созданная таким образом ЦМР лишь в незначительной степени обеспечивается независимыми контрольными измерениями. При этом в смысле результирующей точности формирования ЦМР использование для взаимного ориентирования цифровых снимков.

получаемых в процессе аэрофотосъемки, автоматических корреляционных методов, а так же построение ЦМР с помощью средств цифровой фотограмметрии ничего принципиально не меняет.

Использование GPS приемников в аэросъемочной практике для регистрации пространственных координат точки фотографирования улучшает ситуацию при пространственном ориентировании стереомодели, но не является достаточным для полной автоматизации стереотопографического процесса (Lithopoulos Е., et al. 1999. Automatic sensor orientation using integrated inertial/GPS direct georeferencing with minimal ground control. GIM International, Vol. 13, Number 6, pp. 58-61.

Помимо этого стереофотограмметрический метод имеет ряд

ограничений, связанных с проблемой установления соответственных точек на стереопаре. В определенных условиях это приводит к полной неприменимости метода, как, например, для заснеженных или песчаных ландшафтов, характеризуюш;ихся полным отсутствием визуальной фактуры. В других случаях эта проблема ставит качество результатов в зависимость or целого ряда факторов, таких, например, как средняя высота и густота леса или характер городской застройки.

Известна также система для измерения ЦМР с использованием лазерных сканируюш;их дальномеров. ЦМР, получаемая методом лазерной локации, обладает рядом преимуш;еств по отношению к классической стереофотограмметрической ЦМР, решаюш:им из которых считается точность абсолютной геодезической привязки по отношению к земному эллипсоиду (см., например, Murtagh J. and М. Foote, 1999. А practical application of laser scanner data in the insurance industry. Proceedings of the 4th International airborne remote sensing conference and exhibition/ 21st Canadian symposium on remote sensing, Ottawa, Ontario, Canada, Vol. 1, pp. 582-588. 13).

точность лазерно-локационных измерений, кроме, естественно технических характеристик самого локатора, является качество GPS сигнала, используемого для определения траектории движения авиационного носителя. Существуют обширные географические области в целом неблагоприятные в отношении качества GPS измерений.

Помимо этого, с точки зрения фотограммометрии высокая информационная насыщенность лазерно-локационных данных имеет и отрицательную сторону, а именно искомая ЦМР содержится в лазернолокационных данных в неявном виде. Для ее выделения необходимо применение ряда нетривиальных алгоритмов, все существующие к настоящему времени версии которых не могут быть признаны идеальными и универсальными.

В основу настоящей полезной модели положена задача создания системы, позволяющих не только повысить точность пространственных данных о земной поверхности, но и обеспечить полную автоматизацию процесса получения ЦМР и ортофотопланов.

Поставленная задача решается разработкой системы для автоматического создания ЦМР и ортофотопланов, заключающегося в совместной обработке аэрофотографических данных высокого пространственного разрешения, GPS и лазерно-локационных массивов такой, что для взаимного ориентирования аэрофотографических данных в стереопаре используется ЦМР, полученная из лазерно-локационного массива данных.

Согласно полезной модели для минимизации областей, экранированных элементами рельефа, в массиве аэрофотографических данных высокого пространственного разрешения путем совместного анализа лазерно-локационных, GPS и данных инерциально-навигационной системы (ИНС) рассчитываются оптимальные по указанному параметру траектории полета самолета и точки фотографирования.

локационных данных выбираются области, свободные как от экранирования элементами рельефа, так и от шумов, при этом создается стереомодель путем переноса выделенных областей из массива лазернолокационных данных в картинную плоскость каждого цифрового фотоснимка, окончательное ориентирование стереомодели относительно лазерной ЦМР и построение ЦМР высокого разрешения цифровым стереофотограмметрическим методом.

Согласно полезной модели для создания ортофотопланов используется ЦМР, составленная из двух моделей, полученных в рамках предлагаемого способа двумя альтернативными методами: классическим стереофотограмметрическим и лазерно-локационным. Результирующая ЦМР получается путем дополнения данных первой ЦМР, полученной лазерно-локационным методом, данными полученными классическим стереофотограмметрическим методом о координатах точек, не включенных при формировании первой ЦМР.

Техническим результатом заявленной системы является обеспечение возможности достоверного формирования цифровых моделей рельефа с помошью цифровой обработки полученных результатов аэрофотосъемки и лазерного сканирования местности. Техническим результатом так же является повышение точности определения параметров внешнего и взаимного ориентирования цифровых фотоснимков по данным лазерного сканирования, что повышает точность данных для формирования как ЦМР, так и ортофотоплана.

Технический результат достигается тем, что система для формирования цифровой модели рельефа и/или ортофотоплана содержит цифровой фотоаппарат и лазерный сканер, установленные на авиационном носителе с пилотажно-навигационным комплексом, блок формирования ЦМР по данным лазерного сканирования и блок обработки данных цифровой фотосъемки и формирования ортофотоплана по данным цифровой фотосъемки и данным лазерного сканирования, выход

указанного пилотажно-навигационного комплекса связан с первыми входами вычислителя параметров преобразования координат точек цифровых фотоснимков (внешнего ориентирования) блока обработки данных цифровой фотосъемки и формирования ортофотоплана по данным цифровой фотосъемки и данным лазерного сканирования и вычислителя параметров преобразования координат внешнего ориентирования блока формирования ЦМР и топологической моделей рельефа (ТМР) по данным лазерного сканирования, в состав которого входят блок вычисления координат точек лазерного сканирования, первый вход которого является вторым входом блока формирования ЦМР и ТМР по данным лазерного сканирования и подключен к цифровому выходу лазерного сканера, второй вход связан с выходом указанного вычислителя, а выход через блок формирования цифровой модели по данным лазерного сканирования и блока формирования карты распределения пространственных частот связан со входом блока формирования ТМР, выход которого связан с первыми входами соответственно блока комбинирования цифровых фотоснимков и данных ТМР и блока коррекции параметров внешнего ориентирования блока обработки данных цифровой фотосъемки и формирования ортофотоплана по данным цифровой фотосъемки и данным лазерного сканирования, в состав которого также входят накопитель цифровых снимков, блок взаимного ориентирования в стереопаре, и блок формирования ортофотоплана, первые входы последних связаны с выходом указанного накопителя, выход вычислителя параметров преобразования точек цифровых фотоснимков связан со вторым входом блока комбинирования цифровых фотоснимков и данных топологической модели, выход которого соединен со вторым входом блока взаимного ориентирования в стереопаре, выход последнего связан со вторым входом блока коррекции параметров внешнего ориентирования, выход которого связан со вторым входом блока формирования ортофотоплана, третий вход которого соединен с соответствующим выходом блока формирования

ЦМР по данным лазерного сканирования, а цифровой выход фотоаппарата соединен со входом указанного накопителя.

Блок формирования ортофотоплана выполнен в виде блока дополнения данных ЦМР по данным лазерного сканирования данными стереомодели (на чертеже не показаны) и блока ортофототрансформирования (на чертеже не показаны), выход которого является выходом блока формирования ортофотоплана, второй вход соединен с выходом указанного блока дополнения, первый вход является первым входом блока формирования ортофотоплана, вход указанного блока дополнения является вторым входом блока формирования ортофотоплана.

Блок обработки данных цифровой фотосъемки и формирования ортофотоплана по данным цифровой фотосъемки и данным лазерного сканирования содержит блок регистрации, первый вход которого связан с выходом блока формирования ортофотоплана, а второй вход соединен с выходом блока формирования ЦМР по данным лазерного сканирования. Пилотажно-навигационный комплекс содержит наземную GPS станцию, связанную с одним из входов приемника GPS, другой вход которого соединен с соответствующим выходом цифрового фотоаппарата, выход указанного приемника через инерциально-навигационную систему (ИНС) и непосредственно соединен с соответствующими входами цифрового фильтра, выход которого соединен с буфером уточненных пилотажнонавигацирнных данных, выход которого является выходом указанного комплекса.

Полезная модель иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 приведена функциональная схема системы.

На фиг.2 экваториальная геодезическая система координат (ЭГСК).

На фиг.З приведена схема взаимного расположения в пространстве экваториальной геодезической системы координат и системы координат связанной с ИНС пилотажно-навигационного комплекса. 6

На фиг.4 приведена система координат, связанная со сканирующим зеркалом.

На фиг. 5 нриведена схема взаимного расположения системы координат Гаусса-Крюгера и систем координат, связанных с ИНС и с центром сканирующего зеркала.

На фиг.6 приведена схема взаимного расположения системы координат, связанной с центром сканирующего зеркала и системы координат, связанной с ИНС.

На фиг.7 приведена схема разделения местности на участки и группы при формировании ЦМР по данным лазерного сканирования.

На фиг. 8 приведена схема разделения местности на участки при формировании карты распределения пространственных частот сканируемой местности.

На фиг.9 приведена схема определения благоприятных областей топологической модели.

На фиг. 10 представлена схема определения изображений одних и тех же точек (соответственных точек) в благоприятных областях каждого цифрового снимка.

На фиг. 11 приведена схема представления стереомодели.

На фиг. 12 приведена схема осуществления коррекции параметров внешнего ориентирования стереомодели.

Система содержит лазерный сканирующий дальномер (лазерный сканер) 1, цифровой выход которого связан с первым входом блока 20 вычисления координат точек лазерного сканирования, второй вход которого соединен с выходом первого вычислителя 19 параметров преобразования координат точек лазерного сканирования, а выход подключен ко входам блока 21 формирования цифровой модели рельефа (ЦМР) и блока 22 формирования карты распределения пространственных частот сканируемой местности, выходы блоков 21 и 22 связаны со входом блока 23 формирования и хранения данных топологической модели. Блоки

19-23 входят в состав блока 2 формирования цифровой и топологической моделей рельефа по данным лазерного сканирования.

Система содержит пилотажно-навигационный комплекс 10, состоящий из бортового приемника GPS 7, инерциально-навигационной системы 6, выходы которых связаны с соответствующими входами цифрового фильтра 8, выход которого связан со входом буфера 9 уточненных пилотажно-навигационных данных, выход которого является выходом пилотажно-навигационного комплекса 10 и связан со входами указанного вычислителя 19 блока 2 формирования цифровой и топологической моделей рельефа по данным лазерного сканирования и второго вычислителя 17 параметров преобразования координат точек цифровых фотоснимков блока 3 обработки данных цифровой фотосъемки и формирования ортофотоплана по данным цифровой фотосъемки и данным лазерного сканирования.

В состав пилотажно-навигационного комплекса 10 входит также наземная GPS станция 5, связанная с соответствующим входом приемника GPS 7, один из входов которого связан с выходом цифрового фотоаппарата 11 и предназначен для приема сигнала момента срабатывания затвора аппарата 11, т.е. регистрации времени цифрового снимка. Система также включает, как было указано выще, блок 3 обработки данных цифровой фотосъемки и формирования ортофотоплана по данным цифровой фотосъемки и данным лазерного сканирования, в состав которого входят накопитель (блок памяти) цифровых снимков 12, вход которого связан с цифровым выходом цифрового фотоаппарата 11, выход накопителя 12 связан с первыми входами блока 13 взаимного ориентирования в стереопаре и блока 14 формирования ортофотоплана, выход которого соединен с первым входом блока 16 регистрации. Выход указанного вычислителя 17 связан с первым входом блока 18 комбинирования данных цифровых фотоснимков и топологической модели, второй вход которого связан с выходом блока 23 формирования и хранения данных

топологической модели указанного блока 2.

Выход блока 18 комбинирования данных цифровых фотоснимков и топологической модели соединен со вторым входом блока 13 взаимного ориентирования в стереопаре, выход которого и выход блока 23 формирования и хранения данных топологической модели блока 2 соединены соответственно с первым и вторым входами блока 15 коррекции параметров внешнего ориентирования цифровых снимков по данным топологической модели, выход которого связан со вторым входом блока 14 формирования ортофотоплана.

Задачей заявленной системы является совмещение трехмерных изображений одних и тех же точек местности в геодезической системе координат по данным цифровых снимков и данным лазерного сканирования, формирование ЦМР и/или ортофотоплана.

Система работает следующим образом.

Для формирования ортофотоплана заданной местности осуществляют одновременную цифровую фотосъемку местности с помощью цифрового фотоаппарата 11, установленного на борту авиационного носителя, например, самолета, и сканирование заданной местности лучом лазерного сканера 1 сканирующим зеркалом, также установленным на борту авиационного носителя.

Предварительно следует отметить, что изображения цифровых снимков и изображения, полученные при лазерном сканировании местности, характеризуются как элементами внутреннего, так и внешнего ориентирования.

При этом элементами внутреннего ориентирования каждого цифрового снимка, получаемого в результате фотосъемки, являются параметры положения точек изображения в системе координат картинной плоскости цифрового снимка. Этими параметрами являются F - фокусное расстояние цифрового фотоаппарата и координаты точки (X,Y) в его картинной плоскости. Элементами внутреннего ориентирования

изображения по данным лазерного сканирования (плоскости, на которой формируется изображение рельефа) в системе координат, связанной с центром сканирующего зеркала (фиг.4), являются а- мгновенный угол отклонения сканирующего зеркала в указанной системе координат и D дальность до точки отражения луча лазера от местности. Более подробно элементы внутреннего ориентирования описаны в (см., Ильинский Н.Д. и др., Фотограммометрия и дешифрирование снимков, Москва, Недра, 1986, с.65-77 1).

Элементами внешнего ориентирования точек изображения (фиг.2, фиг.5) являются положение точки или объекта в геодезической системе координат, т.е., в пространстве, определяемые на основе данных навигационного комплекса 10.

Параметры, выдаваемые пилотажно-навигационным комплексом 10, используются для определения элементов внешнего ориентирования и определяют положение системы координат цифровых фотоснимков и системы координат, связанной с центром сканирующего зеркала в геодезической системе координат (см., 1, с.77).

Итак с цифрового выхода лазерного сканера 1 поступают цифровые данные точек (см. фиг.1) сканируемой местности на вход блока 20 вычисления координат точек лазерного сканирования, а с цифрового выхода цифрового фотоаппарата 11 цифровые данные цифровых снимков поступают в накопитель 12 цифровых снимков блока 3. Данные лазерного сканера 1 поступают в блок 2 для построения цифровой и топологической моделей местности. В указанном блоке 2 осуществляют формирование как цифровой, так и топологической моделей рельефа по данным лазерного сканирования. В блоке 3 осуществляют совмещение данных цифровых снимков цифрового аппарата 11 и данных цифровой и топологической моделей рельефа, полученных в блоке 2. С учетом полученных данных и формируют ортофотоплан.

входит также и наземная GPS станция 5, связанная с соответствующим входом приемника GPS 7, инерциально-навигационная система (ИНС) 6, выходы которых связаны с соответствующими входами цифрового фильтра 8, при этом выход буфера 9 уточненных пилотажнонавигационных данных является выходом пилотажно-навигационного комплекса 10 и связан со входами указанного вычислителя 19 блока 2 формирования цифровой и топологической моделей рельефа по данным лазерного сканирования и второго вычислителя 17 блока 3 обработки данных цифровой фотосъемки и формирования ортофотоплана по данным цифровой фотосъемки и данным лазерного сканирования, один из входов приемника GPS 7 связан с выходом цифрового фотоаппарата 11 и предназначен для приема сигнала момента срабатывания затвора аппарата 11, т.е. регистрации времени цифрового снимка.

Следует отметить, что для уточнения параметров внещнего ориентирования с наземной станции GPS 5 поступают данные поправки параметров положения авиационного носителя в экваториальной геодезической системе координат, которые и принимаются приемником GPS7.

ИНС 6 состоит из взаимодействующих гироскопов и акселерометров. Направления осей координат PfflC (X, Y, Z) изначально выставляются по направлениям осей прямоугольной топоцентрической системы координат (Хт, YT, ZT) и с больщой степенью точности поддерживаются в ходе выполнения полета (фиг.З Начало топоцентрической системы координат располагается на поверхности Земли с геодезическими координатами LQ ,Во ,Но (ЭГСК (фиг.2)). Относительно собственной системы координат ИНС 6 с частотой 50-100 Гц вырабатывает параметры угловой ориентации авиационного носителя Юь фь (углов Эйлера, три последовательных вращения вокруг оси ОХ , OY, OZ соответственно) и выдает их в цифровой фильтр 8.

данных бортового GPS приемника 7 инерциальной навигационной системы 6 уточняет как линейные, так и угловые координаты носителя. Использует фильтры нестационарного типа с ограниченной выборкой (фильтры Калмана) (см., например. Математическая энциклопедия, под ред. Винофадова И.М., Москва, Советская энциклопедия, 1984, т.5, с.35 2). В качестве параметров фильтр 8 использует ряд заданных пользователем значений, определяющих режим фильтрации, а также данные по взаимному положению антенны GPS приемника 7 и начала координат инерциальной системы 6, выдает в буфер уточненных навигационных данных 9 уточненные координаты пространственного положения начала координат системы координат ИНС: L,B,H (геодезическая широта, геодезическая долгота и высота над эллипсоидом) в ЭГСК (см. фиг.2) и уточненные параметры угловой ориентации авиационного носителя со, ф, к в системе координат ИНС 6 или с точностью, обеспечиваемой ИНС 6 в топоцентрической системе координат (см. фиг.З). Нолученные данные из буфера 9 поступают в вычислитель 19 параметров преобразования координат внешнего ориентирования блока 2 формирования цифровой и топологической моделей рельефа по данным лазерного сканирования и в вычислитель 17 параметров преобразования внешнего ориентирования блока 3.

Кроме того, на соответствующий вход приемника GPS 7 поступает сигнал о моменте срабатывания затвора цифрового фотоаппарата 11 (время цифрового снимка) с соответствующего выхода цифрового фотоаппарата 11. Приемник GPS 7 также вырабатывает импульс синхронизации, по которому тактируется работа всех блоков комплекса 10 по соответствующей шине (на чертеже не показана). С выхода приемника GPS 7 и инерциально-навигационной системы 6 на соответствующие входы цифрового фильтра 8 поступают их выходные данные. В результате цифровой обработки данных с использованием, например, алгоритма фильтра Калмана (см., например. Математическая энциклопедия, под ред.

Виноградова И.М., Москва, Советская энциклопедия, 1984, т.5, с.35 2) обеспечивается получение единого навигационного решения для траектории движения авиационного носителя, при этом отслеживаются как линейные, так и угловые координаты положения носителя в геоцентрической системе координат. Фильтры нестационарного типа используют ряд заданных пользователем значений, определяющих режим фильтрации данных, а также по взаимному положению антенны приемника GPS 7 и датчика (на чертеже не показан) инерциальнонавигационной системы 6 выдает уточненные параметры пространственного положения и ориентации авиационного носителя L, В, Н и со, ф, к соответственно.

Уточненные навигационно-пилотажные данные хранятся в буфере 9 и используются для определения параметров внешнего ориентирования при формировании цифровой модели рельефа (ЦМР). Связь пилотажнонавигационного комплекса 10 с блоками 2 и 3 системы осуществляется через буфер 9.

Более подробное описание определения положения и ориентации авиационного носителя, которое осуществляет пилотажно-навигационный комплекс 10 представлено ниже.

В реальном времени данные, определяющие положение и ориентацию аэросъемочного комплекса в фотограмметрическом пространстве, вычисляются в указанном комплексе, который выдает их в вычислители 17 и 19 координат блоков 3 и 2 соответственно. В комплексе 10 приемник GPS принимает импульс срабатывания затвора фотоаппарата 11, определяет время срабатывания затвора и передает его в вычислитель 17 координат блока 3.

При этом в качестве бортового GPS приемника 7 используется двухчастотный GPS приемник 7 с регистрацией фазы несущей частоты. Режим работы приемника: дифференциальная поправка в реальном времени. Для выполнения поправки используется наземная GPS станция 5

с радиомодемом по классической схеме. Приемник 7 вырабатывает пространственные координаты LGPS, BGPS, ffcps положения фазового центра антенны в геодезической системе координат (см. фиг.2). Кроме этого, им вырабатывается секундный PPS импульс, по которому тактируется работа инерциальной навигационной системы (ИНС)-б и всех других блоков комплекса 10.

Приемник через специальный вход регистрирует момент срабатывания затвора фотоаппарата 11 и через стандартный выходной интерфейс выдает точное значение времени снимка в вычислитель 17 блока 3.

Инерциальная навигационная система (ИКС) 6 состоит из

взаимодействующих гироскопов и акселерометров. Паправления осей системы координат ИКС (X, Y, Z) изначально выставляются по направлениям осей прямоугольной топоцентрической системы координат (XT, YT, ZT) и с большой степенью точности поддерживаются в ходе выполнения полета (см. фиг.З). Начало топоцентрической системы координат располагается на поверхности Земли с геодезическими координатами Lo,Bo,Ho. Относительно собственной системы координат ИПС с частотой 50-100 Гц вырабатывает параметры угловой ориентации летающего судна сО, фь KI (три последовательных вращения вокруг осей ОХ , OY, OZ и соответственно), а также составляющие его линейного ускорения а, ау, а и выдает их в блок 8.

Цифровой фильтр 8 посредством совместной обработки выходных данных бортового GPS приемника и инерциальной навигационной системы уточняет как линейные, так и угловые координаты носителя. Использует фильтры нестационарного типа с ограниченной выборкой (фильтры Калмана). В качестве параметров использует ряд заданных пользователем значений, определяющих режим фильтрации, а также данные по взаимному положению антенны GPS приемника и сенсора инерциальной системы и выдает в буфер 9 уточненных навигационных

данных уточненные координаты пространственного положения центра системы координат ИНС: L,B,H (геодезическая широта, геодезическая долгота и высота над эллипсоидом) геодезической системе координат (см. фиг.2) и уточненные параметры угловой ориентации летающего судна С02, ф2, К2 в системе координат ИНС или с точностью, обеспечиваемой ИНС в топоцентрической системе координат (см. фиг.З), которые далее используются для преобразований в систему плоских прямоугольных координат Гаусса-Крюгера, включающую Земной эллипсоид WGS-84. Нространственные данные в этой геодезической системе координат, в дальнейшем ГСК, представляются тройкой чисел (Хек, YGK, Z), где XGK, и YGK - координаты точки на поверхности эллипсоида WGS-84 в проекции Гаусса-Крюгера, а Z - высота точки над эллипсоидом WGS-84. В системе плоских прямоугольных координат Гаусса-Крюгера серединный меридиан и экватор принимаются за оси координат и изображаются прямыми линиями (фиг.5). В районе съемки, близким по расположению (-30 км.) к топоцентрической прямоугольной системе координат (От, XT, YT, ZT), ГСК с большой степенью точности может рассматриваться как прямоугольная система координат ориентированная также как топоцентрическая прямоугольная системы координат (От, XT, YT, ZT) 1, или система координат, связанная с ИНС.

Вычислитель координат последовательно определяет положение начала системы координат ИНС в ГСХ, положение начала системы координат, связанной с центром сканирующего зеркала в ГСК, матрицу направляющих косинусов (поворота) системы координат, связанной с центром сканирующего зеркала относительно системы координат ИНС (ГСК).

На вход блок 2 из буфера 9 уточненных навигационных данных пилотажно-навигационного комплекса с частотой 50-100 Гц поступают информационные посылки с уточненными координатами центра системы координат, связанной с ИНС L,B,H (широта, долгота, высота над

эллипсоидом) и ее ориентацией со, ф, к.

Кроме того, исходными данными для блока являются:

выставочные параметры взаимного положения и ориентации сенсора ИНС и сканирующего зеркала ДХ, ДУ, ДZ, Дсо, Дф, Дк (см. фиг.6);

ДК (ДХ, ДУ, Д7) - координаты центра системы координат связанной с ИНС в систем координат OXYZ;

Дсо, Дф, Дк - углы Эйлера, определяющие ориентацию системы координат связанной с ИНС в систем координат OXYZ .

Если в начальный момент времени совместить систему координат сканера oXYZ и сенсора ИНС OXYZ, то преобразование из oXYZ oXYZ осуществляется за счет трех последовательных вращений системы координат oXYZ:

-на угол Дсо вокруг ОХ,

-на угол Дф вокруг OY,

-на угол Дк вокруг OZ.

Нримечание: Выставочные параметры определяются в лабораторных условиях с помощью специальной измерительной процедуры. Выставочные параметры считаются постоянными в течение всего времени выполнения аэросъемочных работ.

Нараметры используемой картографической проекции. В рассматриваемой реализации Устройства в качестве выходной используется геодезическая система координат, включающая Земной эллипсоид WGS-84 и проекцию Гаусса-Крюгера. С учетом этого, исходными данными для выполнения преобразования являются:

-LO - геодезическая долгота серединного меридиана (см. фиг.З);

-тип проекции: северная или южная.

Блок-схема алгоритма, реализующая вычислитель 17 преобразования параметров координат внешнего ориентирования блока 2 приведена в табл.1.

,

Определяют положение начала системы координат PfflC в ГСК, т.е. координаты (X2,Y2) в прямоугольной системе координат Гаусса-Крюгера и ее высоту (Z2) над эллипсоидом:

,5+ ° Ncos(B)sm(B) +

Y(L-L,)Ncos(B) NCOS(B)( + ri- -tg(B))

Zj-H Где,

(e-)cos(B); e- 0.006738525 ; N a/(-e-sin(B))-;

а-6378137; b 6356752; и

5 ()й, где М((р} а(-е)/(-е-sin-((p)yОписанная выше методика вычисления картографической проекции относится к типу использовании проекции южная необходимо выполнить преобразование:

Х2 ki - Х2, где k,10000000.

Определяют положение начала системы координат связанной с центром сканирующего зеркала в ГСК, т.е. координаты (Хз,Уз) в прямоугольной системе координат Гаусса-Крюгера и ее высоту (7з) над эллипсоидом (Схема, реализующая это преобразование, приведена в табл.2):

Ncos(B)sin(B)(5-tg-(B) + 97 +4ri)

e (l-( ))-; a

координат в северная. При

Матрица А направляющих косинусов летающего судна в системе координат сенсора ИНС вычисляется следующим образом: N, Е, Е, Е, А, А, А,

(ф)

(9)sin(co) ((p)cos(ca)

Схема, реализующая это преобразование, приведена в табл.3. Вычисляемая матрица направляющих косинусов (поворота) системы координат связанной с центром сканирующего зеркала (А) относительно системы координат ИНС (ГСК) путем перемножения А на А .

Л. .v А X

А

NY

Матрица А направляющих косинусов взаимной ориентации систем координат OXYZ и OXYZ вычисляется следующим образом:

NX Ех Ах

А

(Аф)со8(Дк)

(Аа))з1п(Дф)со5(Ак)-со5(Аю)51п(Ак)

(Аа))з1п(Аф)со8(Ак)+81п(Аф)81п(Ак)

Ех со8(Аф)51п(Ак)

(Асо)81п(Аф)8{п(Ак)+со8(Асо)со8(Ак)

(Асо)81п(Аф)81п(Ак)-8ш(Асо)со8(Ак)

(Аф)

(Аф)8Ш(А(1))

А-А

Е у А у EZ AZ

N N.

, где

Блок 20 вычисления координат лазерных точек обеспечивает совместную обработку навигационных и дальнометрических данных. Блок осуществляет внутреннюю буферизацию дальнометрических данных, посредством чего выполняется согласование потока навигационных данных, идущего с частотой 50-100 Гц и потока дальнометрических данных, идущего с частотой 5-10 КГц.

Выходными данными являются координаты лазерных точек в ГСК.

Блок 20 обеспечивает выдачу данных (координат лазерных точек) в темпе поступления дальнометрических данных D, а в блоки 24 и 25 формирования Цифровой модели рельефа по лазерно-локационным данным и Создания карты распределения пространственных частот

местности соответственно.

Блок-схема алгоритма реализации данного блока 20 приведена в табл. 5.

Исходные данные:

Параметры необходимые для пересчета координат лазерных точек из системы координат связанной с центром сканирующего зеркала в ГСК (блок 22):

Вектор Кз(Хз,Уз,7з), задающий начало системы координат связанной с центром сканирующего зеркала в ГСК;

Матрица А направляющих косинусов (поворота), определяющих ориентацию ГСК в системе координат связанной с центром сканирующего зеркала; Дальнометрические данные, поставляемые лазерным сканером (блок

D - наклонная дальность, м;

а - угол наклона линии визирования (фаза сканирования), град.

Вычисляются координаты лазерной точки:

/ лЛ

Основными задачами блока 21 формирования Цифровой модели рельефа по данным лазерного сканирования являются:

Выделение среди хаотического множества лазерных точек N, Е, А тех, которые относятся к поверхности истинного рельефа.

Аппроксимация истинного рельефа в виде регулярной сеточной поверхности.

Данный блок 21 обеспечивает выдачу обобщенной цифровой модели рельефа построенной по лазерно-локационным данным (ДМ), которая в дальнейшем используется при построении топологической модели рельефа в блоке 23 и блоке 24 (см. фиг. 1). Блок-схема его реализующая приведена в табл.6.

Блок 21 получает на входе массив координат лазерных точек N,E,A (из блока 20 вычисления координат лазерных точек) и выполняет их буферизацию. Целью буферизации является накопление данных полного покрытия местности для определенной поверхности истинного рельефа. Схема реализации процесса буферизации приведена в табл.9.

Поверхность Земли, делиться на прямоугольные участки, расположенные по направлению движения воздушного судна, размером (SexS), где SE и SN выбираются равными 100-200м. По такой порции данных можно инициировать процедуру выделения поверхности истинного рельефа. Каждый участок покрывается прямоугольной сеткой, делящей его на фуппы. Размер каждой группы равен (ЗнхЗ), где SE и SN выбираются равными .

сканирования, о чем будет указано ниже.

Итак, во время работы системы лазерный сканер 1 осуществляет сканирование местности и выдает с частотами 5-50 Гц значения дальности до точки отражения лазерного луча D и фазы сканирования а - значение мгновенного угла отклонения сканирующего зеркала лазера 1. На выходе указанного сканера 1 в цифровой форме формируются значения D указанных дальности и а фазы сканирования.

Уточненные навигационные данные, иснользуемые для онределения параметров внешнего ориентирования, поступают из буфера 9 комплекса 10 в вычислитель 19 параметров преобразования координат точек лазерного сканирования блока 2. В вычислителе 19 (таблицы 1-4) определяют параметры, необходимые для пересчета пространственного положения точек лазерного сканирования в геодезическую систему координат с учетом поправок на взаимное положение системы координат инерциально-навигационной системы 6 и системы координат лазерного сканера 1. Вычислитель 19 выдает координаты начала (центр) системы координат инерциально-навигационной системы 6 в геодезической системе координат (ГСК), координаты начала (центра) системы координат с центром сканирующего зеркала в ГСК и матрицу направляющих косинусов углов, системы координат, связанной с центром сканирующего зеркала и системы координат ИНС.

В блок 20 вычисления координат точек лазерного сканирования поступают указанные выше данные от лазерного сканера 1, а из вычислителя 19 параметры, необходимые для пересчета указанных координат. Алгоритм работы вычислителя 19 приведен в табл. 1-4. С учетом этих данных, необходимых для преобразования координат, блок 20 из полученных координат точек лазерного сканирования D, и а. вычисляет координаты этих точек в системе ГСК в виде координат N, Е, А (N широта, Е - долгота, А - высота над эллипсоидом).

В таблице 5.

Полученные в блоке 20 координаты N, Е, А лазерных точек в ГСК поступают в блок 21 формирования ЦМР. Блок-схема алгоритма формирования ЦМР блока 21 представлена в таблицах 6,7-11. В указанном блоке 21 хранятся данные о местности, ЦМР которой необходимо сформировать следующим образом:

Поверхность данной местности (фиг.7) делится на прямоугольные участки заданной величины, например, сначала 100x200 м, а затем каждый из этих участков еще раз на участки, например, 5x20 м (т.е. размером SE и SN). При этом формируют карту местности в системе координат Nn ЕП с сеткой указанных прямоугольных участков, стороны которых параллельны осям координат Nn и Ер и выбирают начало этой системы координат на местности Оп (No, EQ).

При этом ось, например, Nn совпадает или коллениарна направлению полета авиационного носителя над данной местностью во время проведения фотосъемки и лазерного сканирования, а угол Р - угол между осями Е (ось ГСК) и осью Np (система координат сформированной карты). Блок-схема алгоритма перехода в систему координат OnEnNn из ГСК приведена в табл.7.

Задачей данного блока является нахождение достаточного множества точек лазерного сканирования на соответствующих участках указанной сетки участков местности для построения ЦМР.

Т.е. для каждого из участков сетки местности находят точки Nj лазерного сканирования, которые расположены на этих участках местности. Очевидно, что количество точек лазерного сканирования на участках может быть разное, некоторые участки могут не содержать эти точки. В связи с этим в блоке 21 для каждого из участков определяют количество этих точек. Если это количество достаточно (т.е. величина этого количества равна заданному количеству, которое может быть определено различными методами цифровой обработки данных), то

(

считается, что эта группа точек достоверна.

Определяют участки, в которых количество точек, относящихся к этим участкам, превышает заданное, и множество точек этих участков определяют как достоверные группы. Очевидно, что есть некоторые участки на поверхности Земли, которые могут затеняться объектами рельефа и, следовательно, некоторые группы могут вообще не содержать лазерных точек, т.е. быть недостоверными. Заданное количество точек для признания группы достоверной можно назвать, например, программируемым параметром Nt, определяющим минимальное количество лазерных точек в группе для признания ее достоверной. Группа Gij будет признана достоверной, если NJJ Н (признаку prij присваивается единица и определяется общее количество точек в группе). Алгоритм реализации определения достоверных групп приведен в таблицах 10-11.

Для каждой недостоверной группы Gi, формируется множество достоверных групп окружения из диапазона (i-1, i+1, DU j+1)Для каждой недостоверной группы Оу формируется множество достоверных групп окружения из диапазона (i-2, i+2, |j-2, j+2). Если в этом диапазоне удается обнаружить, например, девять достоверных групп, то осуществляется переход на следующий этап, если нет, то группа Gi, признается окончательно недостоверной и ЦМР для участка, покрываемого этой группой, не формируется.

Для девяти отобранных достоверных групп формируется таблица 22 из координат минимальных по высоте лазерных точек, которая помещается в , . (табл.9 и 11) вместе с признаком ее достоверности и

количеством точек в группе. Блок-схема этого алгоритма приведена в табл.9.

Таблица 22

Формируют аппроксимирующий многочлен: (N,E)Po№E +P,N E+P2NEVP3NE+P4N +P5E +P6N+P7E+P8

НоРо + h,P, + ЬгРг + ЬзРз + h4P4 + hsPs + ЬбРб + h7P7 + hgPg , для которого определяют коэффициенты Р следующим образом.

Коэффициенты РО,.--, PS определяются в соответствии с методом наименьших квадратов, что при одинаковом количестве точек и переменных, приводит к решению нижеприведенной системы линейных алгебраических уравнений, которое находится методом Гаусса, алгоритм которого описан, например, в 4

±N:E:-(A,-F(N,-E, NfE,.(А-F(N,, -U-F(A,,)) О;

±N:E: (A,-F(N-,E,)} O- ±NfE, (A,-F(N-,E,) O; ±N,(A,-F(N,-E,})

±N, (A,-F(N,-E,}} Oi ±E, -U -F(M; )) 0;±(A,-F(N,E, ().

mF P - B, откуда P mF B,

где mF матрица, a В вектор правых частей, коэффициенты которых полностью определяются выщеприведенной системой уравнений (,,. элементы этой матрицы):

„а ife,;i 5„,х(л:,4)

Осуществляется перебор всех точек группы GIJ. Точка группы объявляется принадлежащей к данному участку местности, если

A,I(P,E,,N,}+A,

где Ар - заданное значение.

Т.о. определяют группы точек, по координатам которых можно сформировать ЦМР. Координаты множества точек внутри группы, определяют путем вычисления значения А их координат посредством вычисления значений аппроксимирующего многочлена (E,N) для

(0

множества значений E,N внутри группы. Полученные координаты точек используют для формирования ЦМР.

В блоке 22 формируют карту распределения пространственных частот сканируемой местности. В качестве исходных параметров формирования карты используют хаотическую последовательность координат точек N, Е, А.

Блок 22 по полученным из блока 20 данным осуществляет вычисление спектра пространственных частот в окрестности каждой точки лазерного сканирования. Это достигается путем выполнения быстрого двумерного преобразования Фурье для окрестности точки. Затем осуществляется анализ результатов процедуры вычисления спектра. Повторно сканируется сцена, и в режиме пространственного фильтра выделяются связанные области, свободные от высоких гармоник (Buf)

Алгоритмы, реализующие формирование карты распределения пространственных частот сканируемой местности, приведены в таблицах 12-15.

Блок 22 получает на входе массив лазерных точек N,E,A из буфера памяти bufm,n.i,i, сформированного в блоке 23 вычисления координат точек лазерного сканирования, и преобразует его в буфер bufm,n,ij Вычисления спектра пространственных частот осуществляется на участках земной поверхности заданной местности, размером, как и в блоке 21, но поделенных на участки более мелкой сеткой (см. фиг.8).

Алгоритм реализации:

Все исследуемое множество точек N, В, А , ..., NN приводится к единому прямоугольному базису OnNnEn с фиксированным шагом SS по обеим координатам, определяющим размер ячейки фильтрации (см. фиг.8). Индекс (п) в дальнейшем опускаем.

Значение SS, как правило, выбирается в диапазоне 1-2м.

Переводим все его точки (N,E) в систему координат, связанную с первым участком:

N,,E- cos(y5) + Л sin(/) - 7V°°

()-7V.cos(,5)

где /3 - угол между осями Е (ось ГСК) и осью Nn (система координат сформированной карты).

Определяем индексы группы, к которой принадлежит точка (N,E):

N..-N

SS

При попадании в соответствующий участок более одной точки лазерного сканирования выбирается точка с большим значением А.

Осуществляют полный перебор участков по индексам i,j. Для каждого участка i,j выделяется область местности Т, которая используется для определения спектра пространственных частот для данного участка. Область Т определяется программируемым параметром t, так что в Т входят участки с индексами

Значение t обычно составляет 10-20, что соответствует размеру сторон участка 10-20 м на поверхности Земли.

Каждая область Т рассматривается как двумерная функция (N,E). Эта функция подвергается быстрому преобразованию Фурье по стандартному алгоритму, описанному, например, в 5.

В результате выполнения такой операции для каждого участка i,j сопоставляется набор коэффициентов Cf, , Сзг, ... , определяющих амплитуды гармоник для пространственных частот f, 2f, 3f, ... соответственно.

Осуществляют повторный перебор участков по индексам i, j. На этом этапе выполняется выделение участков (i,j) и запоминание признака «благоприятности в соответствующем буфере памяти Bufuo

..

111-11

и 7

SS

i-t, i+t

U-tJ+t

следующему критерию:

Для заданного заранее значения пороговой частоты Nf вычисляется суммарная энергия более высоких гармоник:

Участок (ij) объявляется «благоприятным если вычисленное значение суммарной энергии гармоник меньше заданного: где е, - заданное пороговое значение суммарной энергии.

Алгоритм реализации определения «благоприятных участков, определяющих «благоприятные области местности, приведен в таблице 14.

«Благоприятные участки группируются в области путем объединения смежных участков, например, рекурсивным методом. Для этого два участка (iji) и (i2J2) будут объединены в группу G, если один из их индексов совпадает, а другой отличается на единицу, т.о. а) либо либо

Участок будет присоединен к группе G, содержащей 2 и более участков, если для координат (i,j) этого участка выполняется условие пункта а), применительно к любому участку, уже включенному в группу G.

Осуществляют оценку размера каждой из выделенных групп Gi, путем вычисления количества входящих в группу участков

ША1С

«,„,ет

e.j ,

|ji-J2| l,

i -121 1Получаемая таким образом растровая карта областей местности, свободных от высокочастотной составляющей, является выходными данными блока 22.

Блок-схема алгоритма выделения связанных областей, свободных от высоких гармоник, ириведена в таблице 15.

В результате в блоке 22 формируется множество точек, данные о которых можно использовать для корреляционной обработки, поскольку области указанных точек не содержат высокие пространственные частоты и формируют, так называемые благоприятные области на местности.

Данные ЦМР из блока 21 и указанные данные из блока 22 поступают в блок 23 формирования и хранения данных топологической модели.

В указанном блоке 23 осуществляют взаимное наложение данных о точках по ЦМР и точках благоприятных областей. При этом в данных ЦМР оставляют лишь данные точек благоприятных областей. Полученные данные представляют собой координаты точек трехмерного изображения, относящиеся к благоприятным областям сканируемой местности в виде топологической модели рельефа и хранятся в блоке 23.

Таким образом, путем исключения из данных ЦМР блока 21 данных неблагоприятных областей, полученных в блоке 22 формируют 3-х мерную топологическую модель рельефа, представляющую собой «благоприятные области ЦМР. Данные поступают в блок 23 из блоков 21 и 22 асинхронно. В блоке 23 осуществляется их буферизация для обеспечения возможности выполнения наложения ЦМР и данных карты «благоприятных областей.

Блок 23 обеспечивает сохранение всех данных топологической модели рельефа за время съемки. Блок-схема алгоритма работы блока 23 формирования топологической модели представлена в таблице 16. В блоке 23 последовательно перебирают все выделенные «благоприятные группы G карты распределения частот местности (табл.16) для каждого участка (ij) сопоставляют значение N,E,A ее координат в ГСК: ч и в такой форме сохраняют топологическую модель рельефа местности. Данные топологической модели передаются в блоки 18 и 15 комбинирования аэрофотоснимков и топологической модели и коррекции внешнего ориентирования. Цифровой аппарат 11 обеспечивает получение цифровых фотоснимков путем аэрофотосъемки местности. При этом, как было указано выше, с цифрового фотоаппарата 11 импульс срабатывания его затвора передавался в виде сигнала на соответствующий вход приемника GPS 7, а так же с соответствующего выхода цифрового аппарата 11 цифровые снимки в одном из стандартных графических форматов поступают в накопитель 12 цифровых снимков блока 3. В данном накопителе обеспечивается их хранение и передача для обработки данных цифровых фотоснимков в блоках системы. Как было указано выше, точки изображения местности полученных цифровых снимков характеризуются параметрами внутреннего ориентирования в системе координат картинной плоскости каждого цифрового снимка. Для определения точек местности в геодезической системе координат с целью формирования цифровой модели рельефа и ортофотоплана необходимо уточнить параметры внешнего ориентирования получаемых изображений с учетом пилотажнонавигацнонных данных комплекса 10 и данных лазерного сканирования. Для этого пилотажно-навигационные данные комплекса 10 из буфера 9 поступают в вычислитель 17 параметров преобразования координат точек цифровых фотоснимков. Вычислитель 17 как и вычислитель 19 определяет параметры, необходимые для пересчета координат точек аэрофотоснимков из системы координат, связанной с картинной плоскостью фотокамеры в ГСК. При этом вычислитель 17 уточняет координаты в ГСК с учетом заданных параметров, характеризующих взаимное положение систем координат (ij) - (N,E,A)

PIHC и фотоаппарата, указанными параметрами являются величины, характеризующие разницу в параметрах их ориентирования: ДХ, AY, AZ, Асо, , Ак.

Вычислитель 17 осуществляет интерполяцию пилотажнонавигационных данных, поставляемых пилотажно-навигационным комплексом 10 с целью определения точных пространственных координат положения фотоаппарата, соответствующих моменту фотографирования.

Для этой цели рассматривается дискретная последовательность пространственных координат, соответствующих секундным GPS отметкам

t - момент срабатывания затвора фотоаппарата,

Xj, Yi, Zj - координаты, поставляемые комплексом 10.

Каждая последовательность координат интерполируется кубическим сплайном, который при каждом интервале времени представляет собой кубическую функцию времени: (t). Коэффициенты сплайна могут быть найдены с помощью алгоритма, изложенного в 6. Координата Xf, соответствующая моменту съемки кадра, может быть получена как

где tf - точное время момента фотографирования, обеспечиваемое GPS приемником, который регистрирует импульс срабатывания затвора.

Аналогично определяются координаты Yf, Zf.

Определение угловой ориентации оптической оси фотоаппарата в момент фотографирования осуществляется путем кусочно-линейной интерполяции, исходя из ближайщих по времени информационных посылок ИНС 6. А именно, для момента фотографирования tf определяются t, t - ближайщие времена посылок, такие что

Таблица 23

Xf g(tf),

(),.+ ;.. / (t,-t)

где cOt , cOt - замеренные значения со, соответствующие информационным посылкам в момент времени t и t.

Аналогично определяются значения фг, Kf.

Блок-схема алгоритма работы вычислителя координат и интерполятора 17 представлена в таблице 17.

Полученные данные о координатах цифровых снимков поступают в блок 18 комбинирования данных цифровых фотоснимков с данными топологической модели. Блок 18 предназначен для выделения точек на цифровых снимках, принадлежащих точкам топологической модели из блока 23.

В указанном блоке 18 осуществляют выделение в системе координат каждого цифрового снимка соответствующего ему фрагмента топологической модели, которая хранит 3-х мерные данные по «благоприятным областям. Блок-схема алгоритма работы блока 18 приведена в таблицах 18-19.

Указанное выделение областей (фрагментов) возможно благодаря тому, что топологическая модель представлена в точных координатах ГСК и точки цифровых фотоснимков также могут быть определены на приемлемом уровне точности (3-5 мрад по углам ориентации оптической оси) в ГСК. Это позволяет осуществить выделение «благоприятных областей в системе координат цифрового снимка на приемлемом уровне точности. При этом темп выдачи данных комбинирования совпадает с темпом фотографирования. В блоке 18 не анализируют сам цифровой снимок (цифровую матрицу), а выделяют элементы внешнего ориентирования, определяющие положение снимка в пространстве.

,

CO .. -0) . I.

координат, связанной с картинной плоскостью камеры (снимком) Rf (Xf, Yf, Zf); ориентацией ГСК в системе координат, связанной с цифровым снимком cof, Фг, Kf, а также из заранее заданных элементов внутреннего ориентирования фотоаппарата, в частности, фокусного расстояния F, восстанавливается положение картинной плоскости фотоаппарата (снимка), которое он занимал в момент фотографирования относительно ГСК. «Благоприятные области (их 3-х мерные образы в топологической модели) переносятся в плоскость снимка по закону центральной проекции. А именно, для точки топологической модели с координатами в ГСК (N,E,A) изображение в картинной плоскости снимка будет иметь координаты w,h, определяемые следующим образом:

Вычисляется матрица направляющих косинусов (поворота) ГСК в системе координат, связанной с картинной плоскостью фотокамеры (o,q,w,h):

А (ф)соз(к) (co)sin(9)cos(K)-cos(cu)sin(K) ((jo)sin(9)cos(K)-sin(cu)sin(K) (ф) (ф)8т(со) ZQ С08(ф)с08(Сй)

Блок-схема этого алгоритма приведена в таблице 19. Определяются координаты точки ТМР (W,H,Q) в картинной плоскости фотоаппарата

msj(f

уY

ww

нУН

(9)sin(K) (со)8т(ф)8ш(к)+со8(сй)со8(к) (сй)81п(ф)81п(к)-81п(ю)со8(к)

Определяются координаты (w,h) точки в картинной плоскости фотоаппарата 11 (F- фокусное расстояние фотоаппарата):

w -F ., h- - F .

Соответствующие индексы пикселей в матрице аэрофотоснимка определяются, как

max+2-W

2 w..,,

max И /г,,,.,, размер кадра в метрических единицах (метрах); im.x и У„„ размер кадра в пикселях.

На основании приведенных соотношений осуществляется выделение «благоприятных областей в системе координат цифрового снимка.

Результаты выделения этих областей в цифровых фотоснимках представляются в виде матриц, совпадающих с матрицами собственно

аэрофотоснимка

А

Адресация осуществляется по индексам i,j. Для элемента MJJ матрицы «благоприятная область определена на этом элементе если

и неопределена если

Из блока 18 данные точек, относящихся к благоприятным областям, в системе координат картинной плоскости цифровых фотоснимков поступают в блок 13 взаимного ориентирования в стереопаре. В блоке 13 в качестве исходных данных используют данные цифровых снимков накопителя 12. Цифровые фотоснимки разбивают на стереопары (см., например, 1, с. 135-140), т.е. цифровые фотоснимки, имеющие заданную площадь взаимного перекрытия изображения. Поскольку в указанный блок

у7

N-X

ц/

Y7

E-Yf

A-Z,

Y7

,7. L J

QQ

.nax+2-/2

7/,

2-/г

Mii 1

My - 0.

13 ИЗ блока 18 поступают данные, содержащие сведения о благоприятных областях на цифровых фотоснимках, то в каждой стереопаре эти данные также выделены. В благоприятных областях для каждой стереопары определяют пары соответственных точек (изображения одной и той же точки местности) методами корреляционного анализа и по полученным данным формируют стереомодель. В стереомодели осуществляют измерение параллакса соответственных точек и используют полученные значения для определения величины высот точек на местности, т.е. формируют ЦМР (см.1, с. 132-186).

Блок 13 предназначен для решения стандартной фотограмметрической задачи взаимного ориентирования пары цифровых снимков. На основании данных, поставляемых блоком 18, все накопленные цифровые фотоснимки разбиваются на пары, подлежащие взаимному ориентированию. По результатам этой процедуры, необходимые снимки извлекаются из накопителя 12, и выполняется их взаимное ориентирование. Особенностью данного блока 13 является то, что соответственные точки ищутся только внутри «благоприятных областей, перенесенных на цифровые снимки в блоке 18.

Блок 13 осуществляет буферизацию выходных данных блока 18 комбинирования, обеспечивая полное покрытие данными цифровых фотоснимков некоторой области заранее заданного размера. После того как такая область полностью заполнена, блок переходит к выполнению процедуры разбиения всех аэрофотоснимков на пары, и после этого к взаимному ориентированию снимков внутри стереопары.

Выходными данными блока являются растровые стереомодели, соответствующие каждой из выделенных стереопар.

При реализации алгоритма работы блока 13 для каждого снимка, составляющего стереопару, выполняется просмотр «благоприятных областей G(Mi) и G(M2) с фиксированным шагом по х,у с целью

определения окрестностей соответственных (одноименных) точек (см. фиг. 10).

Определяют соответственные точки (одни и те же точки на местности) в найденных окрестностях методом классического корреляционного анализа.

Используя координаты в системе координат картинной плоскости найденных соответственных точек в «благоприятных областях выполняется стандартная процедура взаимного ориентирования снимков в стереопаре и формируют стереомодели 8.

Стереомодель представляется в виде растра дискретного множества точек в соответствии с множеством соответственных точек. Форма представления стереомодели показана на фиг. 11.

Все точки стереомодели будем характеризовать их пространственными координатами в ГСК: (xi,yi,Zi) i - I,... ,N, где N количество точек стереомодели. Блок-схема алгоритма работы блока 18 приведена в таблице 20.

При формировании стереомодели координаты точек фотографирования S и 82 определяются в ГСК по пилотажнонавигационным данным.

Положение центра проекции второго снимка 82 будет определяться вектором базиса фотографирования В, который может быть определен по геодезическим координатам точек фотографирования обоих снимков:

Bx 8ix-82x

BY 8iY-82Y

Bz 8iz-82z

Затем в блоке 15 осуществляют коррекцию параметров внешнего ориентирования цифровых фотоснимков полученной стереомодели с учетом данных топологической модели путем взаимного позиционирования фрагментов стереомодели, полученной в блоке 13 и данных соответствующих фрагментов топологической модели блока 23.

Блок 15 обеспечивает уточнение элементов внешнего ориентирования соь фь KI и coi, ф2, К2 для обоих снимков каждой обрабатываемой стереопары Уточнение выполняется путем совместного анализа стереомоделей, создаваемых в блоке 13, и топологической модели рельефа на соответствующий фрагмент территории, данные о которой хранятся в блоке 23.

Путем математического моделирования находится такое положение стереомодели в геодезическом пространстве, при котором минимально среднеквадратическое отклонение точек стереомодели от топологической модели. Т.е. значения coi, фь KI и С02, Ф2, К2, при которых достигается минимум, принимаются в качестве уточненных (окончательных).

Блок 15 принимает на входе стереомодели из блока 13 в темпе их создания. При поступлении очередной стереомодели блок 15 обращается в блок 23 формирования топологической модели за соответствующим фрагментом.

Темп выдачи результирующих данных соответствует темпу поступления стереомоделей на вход. Для каждой точки стереомодели Xj, yi, Zj вычисляются параметры траектории ее вращения вокруг базиса фотографирования. Такая траектория в общем случае представляет собой окружность, лежащую в плоскости, перпендикулярной базису фотографирования (см. фиг. 12).

Для дальнейшего понимания алгоритма работы блока 15 следует ввести вспомогательные определения:

b - единичные вектор, коллинеарный В.

voi - единичный вектор коллинеарный VQI.

Voi - начальное положение вектора в системе координат стереопары SiXiYiZ, направленного из центра проекции первого снимка Is в i-ую точку стереопары, имеющую координаты Xi, yi, Zj.

т

ИЗ центра проекции первого снимка Si в i-ую точку стереопары, имеющую

координаты Хь У;, Zj.

На основании введенных определений могут быть вычислены параметры траектории вращения точки стереомодели:

DI - координата базиса фотофафирования, определяемая как скалярное произведение Vjb.

Rj - радиус вращения вокруг базиса фотографирования, который может быть найден из соотношения:

Фаза точки стереомодели а, определяемая как угол между проекцией векторов Vi и voi на плоскость П, перпендикулярную В:

а arccos

Моделируется вращение стереомодели вокруг базиса фотографирования в геодезическом пространстве. Вращение осуществляется за счет изменения угла а от О до 2 л. Угол а определяет ориентацию всей стереомодели в геодезическом пространстве.

Для каждого значения а могут быть определены соответствующие геодезические координаты точки стереомодели:

+ bD. + R (/, sin((2 + а,) +1- cos(2 + a,))

где /|, /2 - единичные векторы в геодезическом пространстве,

дополняющие нормированный вектор b до базиса.

Окончательное ориентирование стереомодели относительно топологической модели осуществляется путем выбора значения а, минимизирующего функционал:

R,y-Df

(у, хб)-(у,х) где ф,(а - расстояние от точки стереомодели Х;, Yj, Zj, при данном значении а до соответствующей точки топологической модели. Решение указанной задачи эффективно находится методом «Золотого сечения, алгоритм которого изложен в 9. При этом значение оптимизирующего параметра на каждом итерационном шаге зависит от номера итерации, значения функционала и самого оптимизируемого параметра: По результатам окончательного ориентирования определяются уточненные значения угловых элементов внешнего ориентирования coi, фь KI и 0)2, Ф2, К2 для обоих СНИМКОВ стереопары. Используя элементы внешнего ориентирования стереомодели: координаты точек фотографирования левого и правого снимков в ГСК, и уточненные значения угловых элементов внешнего ориентирования сО, ф, KI и С02, ф2, К2, полученные на предыдущем шаге известным способом, определяем пространственные координаты всех точек стереомодели (AI,EI,NI) Ю, тем самым формируем цифровую модель рельефа (ЦМР2) цифровым стереофотограмметрическим методом. Блок-схема алгоритма реализации блока 15 приведена в таблице 21. Далее данные из блока 15 и данные ЦМР из блока 21 поступают в блок 14 для формирования ЦМР по данным фотосъемки и лазерного сканирования. ЦМР, сформированная по лазерно-локационным данным блока 21 и ЦМР2 сформированная цифровым стерео-фотограмметрическим методом используются в блоке 14 для построения уточненной ЦМР. Для всех недостоверных групп О;, (см. работу блока 21) формируется регулярное представление ЦМР путем вычисления значений высоты (А) точек местности с координатами (Е, N) следующим образом: (s, a,iter)

(AI,EI,NI) - пространственные координаты точек стереомодели, принадлежащие группе GJJ;

М - количество точек стереомодели.

В результате формируется ЦМР заданной местности.

Далее осуществляют формирование ортофотоплана стандартным образом. Данные цифровых снимков из накопителя 12 поступают на один вход блока формирования ортофотоплана 14, по указанным данным и данным уточненной ЦМР, полученной в блоке 14, формируют ортофотоплан (см. Лобанов А.Н., Аэрофототопография, Москва, Недра, 1978, с.575 9). Затем полученные данные поступают в блок регистрации 16 для записи и хранения ЦМР и ортофотопланов местности.

Блок 14 обеспечивает выполнение заключительной операции создания ортофотоплана, а именно выполнение проецирование цифровых аэрофотоснимков на ЦМР в соответствии со значениями элементов внутреннего ориентирования фотоаппарата и уточненными значениями элементов внещнего ориентирования для каждого цифрового снимка, определенных в других блоках системы.

Блок функционирует в темпе поступления уточненных параметров внещнего ориентирования из блока 15. При получении очередного набора значений из блока 15 блок 19 осуществляет выборку необходимого аэрофотоснимка из накопителя 12, а также соответствующего фрагмента ЦМР, уточненной в блоке 14, как было показано выще. После этого выполняется непосредственно отротрансформирование. Результаты ортотрансформирования представляются в виде изображений стандартного графического формата TIFF с указанием в заголовке параметров геодезической привязки. Ортотрансформирование, т.е. формирование ортофотоплана осуществляется по стандартному алгоритму, изложенному в 9.

вариантов реализации функциональных блоков системы. Однако вышеприведенные варианты ни в коей мере не ограничивают область осуществления полезной модели иными специфичными вариантами осуществления или конкретными алгоритмами. ч

()

41 1.Ильинский Н.Д. и др., Фотограмметрия и дешифрирование снимков. Москва, Недра, 1986 (прототип). 2.Математическая энциклопедия: Гл. ред. И.М. Виноградов, т.5, М., «Советская энциклопедия, 1984, с.35. 3.Куштин И.Ф., Бруевич П.Н., Лысков Г.А. Справочник техникафотограмметриста. - М.: «Недра, 1988, с.65-68. 4.Лобанов А.Н. Аэрофототопография. Изд. 2 доп. - М.: «Недра, 1978, С.575. 5.Крылов В.И., Бобков В.В., Монастырский П.И. Вычислительные методы: том 1, - М.: «Наука, 1976, с.304. 6.Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. Для вузов по спец. «Радиотехника - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 1988, С.448. 7.Г.И. Марчук. Методы вычислительной математики. -М.: «Наука, 1977, с.138-146. 8.И.С. Грузман и др. «Цифровая обработка изображений в информационных системах УДК 621.372.542. Издание Новосибирского государственного технического университета. 9.Лобанов А.Н. Аэрофототопография. Изд. 2 доп. - М.: «Недра, 1978, с.225-245. Ю.Лобанов А.Н., Буров М.И., Краснопевцев Б.В. Фотограмметрия. - М.: «Недра, 1987, с. 143-159. ll.Lithopoulos Е., and В. Reid, J. Hutton, 1999. Automatic sensor orientation using integrated inertial/GPS direct georeferencing with minimal ground control. GIM International, Vol. 13, Number 6, pp. 58-61. 12.Medvedev E., 1999. Complete aerial monitoring during designing of power transmission lines and other civil works. Proceedings of the 4th International airborne remote sensing conference and exhibition/ 21st Canadian symposium on remote sensing, Ottawa, Ontario, Canada, Vol. 2, p. 615.

n.Murtagh J. and M. Foote, 1999. A practical application of laser scanner data in the insurance industry. Proceedings of the 4th International airborne remote sensing conference and exhibition/ 21st Canadian symposium on remote sensing, Ottawa, Ontario, Canada, Vol. 1, pp. 582-588.

H.Piwowar J. and P. Howarth, E. Undo, 1999. An accuracy assessment of a digital elevation model derived from an airborne profiling laser. Proceedings of the 4th International airborne remote sensing conference and exhibition/ 21st Canadian symposium on remote sensing, Ottawa, Ontario, Canada, Vol. 2, pp. 726-731.

Фигура 1. Функциональная схема системы для осуществления способа формирования цифровой модели рельефа и/или ортофотонлана1

Фигура 2. Экваториальная геодезическая система координат2

Фигура 3. Схема взаимного расположения в пространстве экваториальной геодезической системы координат (ЭГСК) и системы координат связанной с ИНС пилотажнонавигационного комплекса,3

Фигура 4. Система координат, связанная со сканирующим зеркалом4

Фигура 5. Схема взаимного расположения системы координат Гаусса-Крюгера и систем координат, связанных с ИНС и с центром сканирующего зеркала5

Фигура 6. Схема взаимного расположения системы координат, связанной с центром сканирующего зеркала и системы координат, связанной с ИНС6

Фигура 7. Схема разделения местности на участки и группа при формировании ЦМР по данным лазерного сканирования7

Фигура 8. Схема разделения местности на участки при формировании карты распределения частот сканируемой местности8

Фигура 9. Схема определения благоприятных областей топологической модели9

Фигура 10. Схема определения одних и тех же точек (соответственных точек) в

благоприятных областях каждого цифрового снимка 10

Фигура 11. Схема представления стереомодели 11

Фигура 12. Схема осуществления коррекции параметров внешнего ориентирования стереомодели 12

Таблица 1 Вычислитель координат блока формирования ЦМР и ТМР по лазерно-локационным данным

(ЛЛД) (Блок 19)1

Таблица 2. Вычисление вектора огфеделяющего положение начала системы координат связанной с

центром сканирующего зеркала в ГСК (Блок 19.1)2

Таблица 3. Вычисление матрицы направляющих косинусов взаимной ориентации двух прямоугольных систем координат (блок 19.3) (на примере вычислеиие матрицы ориентации авиационного носителя в

системе координат ИНС)3

Таблица 4. Блок вычисление матрицы преобразования угловых координат лазерно-локационных данных

из системы координат связанной с центром сканирующего зеркала в ГСК (блок 19.2)4

Таблица 5. Блок-схема алгоритма реализации вычисления координат лазерных точек (Блок 20)5

Таблица 6. Блок-схема алгоритма формирование Цифровой модели рельефа Земли по лазернолокационным данным (Блок 21)6

Таблица 7. Блок-схема алгоритма перехода в систему координат ОпЕпМп из ГСК (блок 21.3)7

Таблица 8. Буферизация данных лазерного зондирования (блок 21.1)8

Таблица 9. Блок-схема алгоритма определения лазерной точки, имеющей минимальное значение по

геодезической высоте (блок 21.5)9

Таблица 10. Блок-схема алгоритма проверки достоверности группы в ближнем окружении (блок 21.6).... 10

Таблица 11. Блок-схема алгоритма проверки достоверности группы в дальнем окружении (блок 21.7)11

Таблица 12. Блок-схема алгоритма формирования карты распределения пространственных частот

снимаемой местности (блок 22)12

Таблица 13. Блок схема алгоритма формирование буфера данных для вычисления спектра

пространственных частот (блок 22.1)13

Таблица 14. Блок схема алгоритма определения «благоприятных ячеек (блок 22.2)14

Таблица 15. Блок схема алгоритма вьщеления связанных областей, свободных от высоких гармоник (блок

22.3)15

Таблица 16. Блок-схема алгоритма формирования топологической модели рельефа (б.чок 23)16

Таблица 17. Блок-схема вычислите.1м координат и интерполятора фотоснимков (блок 17)17

Таблица 18. Блок-схема алгоритма вьщеления «благоприятных областей в картинной плоскости снимка

о данным топологической модели (блок 18)18

Таблица 19. Блок-схема алгоритма вычисление матрицы поворота из геодезической системы координат в

систему координат картинной плоскости фотокамеры (блок 18.1)19

Таблица 20. Блок-схема алгоритма взаимного ориентирования снимков в стереопаре (б.чок 13)20

Таблица 21. Блок-схема алгоритма коррекции элементов внешнего ориентирования (блок 15)21

Claims (4)

1. Система для формирования цифровой модели рельефа местности и/или ортофотоплана, содержащая цифровой фотоаппарат и лазерный сканер, установленные на авиационном носителе, отличающаяся тем, что содержит блок формирования цифровой модели рельефа (ЦМР) по данным лазерного сканирования и блок обработки данных цифровой фотосъемки и формирования ортофотоплана по данным цифровой фотосъемки и данным лазерного сканирования, первые входы вычислителя параметров преобразования координат точек цифровых фотоснимков блока обработки данных цифровой фотосъемки и формирования ортофотоплана по данным цифровой фотосъемки и данным лазерного сканирования, и вычислителя параметров преобразования координат точек лазерного сканирования блока формирования цифровой и топологической моделей рельефа по данным лазерного сканирования предназначены для ввода пилотажно-навигационных данных, в состав которого входят блок вычисления координат точек лазерного сканирования, первый вход которого является вторым входом блока формирования цифровой и топологической моделей рельефа по данным лазерного сканирования и подключен к цифровому выходу лазерного сканера, второй вход связан с выходом указанного вычислителя, а выход через блок формирования цифровой модели по данным лазерного сканирования и блока формирования карты распределения пространственных частот связан со входами блока формирования топологической модели рельефа, выход которого связан с первыми входами соответственно блока комбинирования цифровых фотоснимков и данных топологической модели и блока коррекции параметров внешнего ориентирования блока обработки данных цифровой фотосъемки и формирования ортофотоплана по данным цифровой фотосъемки и данным лазерного сканирования, в состав которого также входят накопитель цифровых снимков, блок взаимного ориентирования в стереопаре и блок формирования ортофотоплана, первые входы последних связаны с выходом указанного накопителя, выход вычислителя параметров преобразования координат точек цифровых фотоснимков связан со вторым входом блока комбинирования цифровых фотоснимков и данных топологической модели, выход которого соединен со вторым входом блока взаимного ориентирования в стереопаре, выход последнего связан со вторым входом блока коррекции параметров внешнего ориентирования, выход которого связан со вторым входом блока формирования ортофотоплана, третий вход которого соединен с соответствующим выходом блока формирования ЦМР по данным лазерного сканирования, а цифровой выход фотоаппарата соединен со входом указанного накопителя.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что блок формирования ортофотоплана выполнен в виде блока дополнения данных ЦМР по данным лазерного сканирования данными стереомодели и блока ортофототрансформирования, выход которого является выходом блока формирования ортофотоплана, второй вход которого соединен с выходом указанного блока дополнения, а первый вход является первым входом блока формирования ортофотоплана, вход указанного блока дополнения является вторым входом блока формирования ортофотоплана.

3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что блок обработки данных цифровой фотосъемки и формирования ортофотоплана по данным цифровой фотосъемки и данным лазерного сканирования содержит блок регистрации, первый вход которого связан с выходом блока формирования ортофотоплана, а второй вход соединен с выходом блока уточнения ЦМР, входящего в блок формирования ортофотоплана.

4. Система по п.2 или 3, отличающаяся тем, что пилотажно-навигационный комплекс содержит наземную GPS станцию, связанную с одним из входов приемника GPS, другой вход которого соединен с соответствующим выходом цифрового фотоаппарата, выход указанного приемника через инерциально-навигационную систему и непосредственно соединен с соответствующими входами цифрового фильтра, выход которого соединен с буфером уточненных пилотажно-навигационных данных, выход которого является выходом указанного комплекса.