Разработка технологии сбора и фотограмметрической обработки комплексных данных дистанционного зондирования для информационного обеспечения инженерного мониторинга

Актуальность. Последние десятилетия характеризуются кардинальными изменениями в технологии фотограмметрической обработки снимков. Это связано с появлением цифровых фотограмметрических методов, GPS и INS систем, позволяющих определять элементы внешнего ориентирования снимков в полете с высокой точностью, появлением цифровых съемочных камер и цифровых сканеров.

Цифровая фотограмметрия — это новый этап в развитии фотограмметрии, открывающий принципиально новые возможности определения характеристик объектов по снимкам. Возможность быстрого получения огромного потока данных и использования этих данных для создания и обновления ГИС, значительная автоматизация выполняемых работ — все это свидетельствует о наличии нового мощного инструмента обработки пространственных данных.

Новые технические средства существенно расширили возможности фотограмметрии. Фотограмметрия стала широко использоваться для решения нетрадиционных задач, таких как:

— мониторинг поверхности Земли, состояния окружающей среды;

— исследование инженерных сооружений и мониторинг состояния этих объектов;

— сбор и обновление данных для ГИС различного назначения.

Программные средства обработки аэрокосмических снимков развиваются очень быстрыми темпами. В настоящее время имеются коммерческие программные комплексы, решающие практически все задачи фотограмметрии. С другой стороны, для эффективного применения этих средств необходимо иметь технологию выполнения всех работ, начиная от съемки объекта, до получения готовой продукции.

Существующие стандартные технологии обработки аэрокосмических снимков для создания топографических и специальных карт не могут непосредственно использоваться для решения задач другого класса. Кроме того, для решения этих задач требуется получать по снимкам информацию другого типа и представлять эту информацию в новой форме. Соответственно требуется выработать новый интегрированный подход к сбору и фотограмметрической обработке данных аэрокосмических съемок и других материалов дистанционного зондирования для получения геопространственной информации при решении широкого круга задач. Именно решению этой проблемы и посвящена настоящая диссертация.

Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы состоит в разработке и исследовании технологии получения и фотограмметрической обработки данных с использованием современных технических средств дистанционного зондирования для инженерного мониторинга.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

1) выполнить анализ современных средств получения информации аэрокосмическими средствами дистанционного зондирования и методов фотограмметрической обработки этой информации, определить тенденции развития фотограмметрии на современном этапе;

2) сформулировать общие принципы разработки технологических схем сбора и фотограмметрической обработки комплексных данных дистанционного зондирования для инженерного мониторинга;

3) разработать методику сбора и обработки, данных дистанционного зондирования для информационного обеспечения реконструкции аэропорта;

4) разработать технологию интегрированной обработки материалов аэрокосмических съемок для экологического мониторинга наводнений;

5) разработать алгоритмы и программное обеспечение для ортотрансформирования снимков с устранением «мертвых зон»;

6) разработать методику создания карт видимостей и препятственной обстановки.

Методы исследований. Методы и технологии, разработанные в диссертации, основаны на применении комплексного количественного подхода в дистанционном зондировании, методов цифровой обработки изображений и цифровой фотограмметрии. Отработка технологии выполнялась на реальных объектах. В качестве программного обеспечения использовались: пакет программ цифровой обработки изображений ERDAS IMAGINE, макроязык EML фирмы ERDAS, программные пакеты для выполнения фототриангуляции MATCH AT и BINGO-F, цифровые стереоплоттеры IMAGE STATION, SOFTPLOTTER.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

— с формулированы основные принципы разработки технологий сбора и фотограмметрической обработки данных дистанционного зондирования для мониторинга различного типа;

— разработан алгоритм и программа устранения «мертвых зон» при цифровом ортотрансформировании снимков;

— разработана методика построения карт препятственной обстановки и зон видимостей для аэропорта по материалам аэрофото и лазерной съемок;

— разработана технология сбора и обработки данных по материалам космических, аэрофото, радиолокационной и лазерной съемок для информационного обеспечения реконструкции аэропорта;

— разработана технология мониторинга наводнений по материалам комплексных съемок.

Предметом защиты являются:

— технология фотограмметрической обработки данных для мониторинга инженерных сооружений и экологических объектов по материалам аэрокосмических съемок;

— конкретные технологические решения принципиально различных задач на базе обобщенной технологии: технология сбора и обработки геопространственных данных по материалам аэросъемок для инженерного обеспечения реконструкции аэропортатехнология экологического мониторинга наводнений по комплексным материалам, полученным в результате аэрокосмических съемок и измерений с наземных станций наблюдения;

— методика и алгоритмы устранения «мертвых зон» при цифровом ортотрансформировании снимков;

— методика создания карт видимостей и карт препятственных зон.

Апробация. Результаты работы были представлены широкому кругу специалистов в области фотограмметрии, ГИС и дистанционного зондирования: на Ш Международной конференции и выставке по самолетному дистанционному зондированию в г. Копенгагене (Дания), 1997; на Съезде пользователей программного обеспечения ERDAS Imagine в г. Гермеринге (Германия) — на Коллоквиуме «Экология и. дистанционное зондирование» в рамках авиационной выставки ILA 1998 в г. Берлине (Германия), на I Фотограмметрическом съезде пользователей оборудования фирмы INTERGRAPH в г. Фульда (Германия) — на Международной конференции ИНТЕРКАРТО в г. Барнауле, 1998; на Съезде пользователей оборудования фирмы INTERGRAPH в г. Мангейм (Германия), 1998 и на Международной научно-технической конференции, посвященной 65-летию НИИГАиК (СГГА) в г. Новосибирске, 1998.

Реализация результатов работ. Работы были выполнены по заказу частного инженерного бюро Енса Сатглера в г. Берлине (аэропорт Алыптедт) и Министерства Науки и Образования Германии (наводнение на р. Одере). Все результаты получили высокую оценку со стороны заказчиков, которые планируют и в будущем использовать продукцию, полученную по предложенным технологиям. Конкретные методы и технологии, разработанные в рамках данной кандидатской диссертации, внедрены в деятельность фирмы-работодателя автора и считаются его интеллектуальной собственностью.

Публикациипо теме диссертации опубликовано десять работ.

Структура н объем работы" Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения, библиографии из 64 наименований и приложений. Общий объем составляет 178 страниц печатного текста, 34 рисунка, 20 таблиц и 7 графических приложений.

Основные результаты исследований, проведенных автором данной работы следующие:

— выполнен анализ современного состояния технических средств получения данных дистанционного зондирования и их фотограмметрической обработки, определены возможности использования этих средств для инженерного мониторинга пространства, выявлены тенденции развития фотограмметрии на данном этапе;

— разработан единый подход построения матриц ограничений, позволяющий выделять поверхности, удовлетворяющие заданным требованиям. Метод основан на использовании ортофотоснимков и матрицы заданных условий, которая может быть получена различными способами. Поэлементное перемножение матрицы условий ортофотоснимка выделяет местность, соответствующую заданным условиям. На основе этого подхода разработаны алгоритм и программа устранения «мертвых зон» на ортофотоснимке использующие матрицы условий и информацию об изображении на соседних снимках.

Этот же метод положен в основу разработанной в диссертации технологии получения карт препятствий для информационного обеспечения аэропорта.

— сформулированы принципы построения технологии мониторинга на основе которых разработаны технологии создания информационного обеспечения реконструкции аэропорта и экологического мониторинга наводнения.

По данным технологиям были выполнены реальные проекты, создана информационная система, содержащая топографические карты, ортофотопланы, карты видимостей, карты препятственной обстановки, ЦМР и другую информацию, необходимую для обеспечения реконструкции аэропорта, а также создана база данных для ГИС наводнения.

Результаты исследований, выполненных в диссертации, могут послужить основой для разработки других аналогичных проектов информационного обеспечения мониторинга различного вида. Предложенные технологии обеспечивают решение широкого круга динамических задач слежения за сложными инженерными сооружениями.

Заключение

.