Разработка технологии сбора и фотограмметрической обработки комплексных данных дистанционного зондирования для информационного обеспечения инженерного мониторинга тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.24.02, кандидат технических наук Грисбах, Рене

• Грисбах, Рене
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Грисбах, Рене

Введение.,.

1 Анализ современного состояния дистанционных средств сбора информации и методов их фотограмметрической обработки.

1.1 Современные съемочные системы.

1.2 Технические средства обработки данных дистанционного зондирования.

1.3 Основные тенденции развития современной фотограмметрии.

2 Разработка интегрированной фотограмметрической технологии моделирования местности для решения экологических и инженерных задач.

2.1 Принципы разработки технологий сбора и обработки данных дистанционного зондирования для мониторинга объектов.

2.1.1 Общие требования.

2.1.2 Цифровая скаиерная съемка.

2.1.3 Лазерное сканирование.

2.2 Разработка методики создания карт местности, удовлетворяющих заданным условиям.

2.3 Разработка технологии интегрированного сбора и обработки данных дистанционного зондирования на примере реконструкции 84 аэропорта.

2.3.1 Объект исследования.;.

2.3.2 Выбор инструментальных средств.

2.3.3 Технология сбора и обработки данных для информационного обеспечения реконструкции аэропорта.

2.4 Разработка интегрированной цифровой технологии для решения экологических задач на примере наводнения.

2.4.1 Постановка задач.

2.4.2 Разработка технологии экологического мониторинга наводнений.

2.4.3 Организация сбора данных для мониторинга реки.

3 Экспериментальные работы.

3.1 Исследование возможности применения космических снимков КВР-1000.'.

3.2 Экспериментальная съемка многосенсорным оборудованием ПРИРОДА.

3.3 Экспериментальное исследование цифровой технологии оценки препятственной обстановки многосенсорной съемкой на примере аэропорта Алыптедт.

3.3.1 Описание района работ.

3.3.2 Исходные геодезические и картографические материалы.

3.3.3 Описание выполненных работ.

3.4 Экспериментальное исследование цифровой технологии оценки экологической ситуации при наводнении на р. Одер.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 аэропорта; технология 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.

Публикации; по 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.

Заключение диссертации по теме «Аэрокосмические съемки, фотограмметрия, фототопография», Грисбах, Рене

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Грисбах, Рене, 2000 год

1. Аржанов Е.П., Ильин В.Б. Аэрофотосъемочное оборудование. -М.: Недра, 1972.-178 с.

2. Bushmann С. Fernerkundung von Pflanzen; Naturwissenschaften 80, Springer Verlag Hamburg, 1993.-P.302

3. Shumacher V. Produktentwicklungen und Anwendungen von IRS -1С Daten // Proc. Der 2. Geosystems Fachtagung, Germering, 1997. - P. 1-6

4. Интернет сайг фирмы EURIMAGE, http://www. eurimage.com

5. Albertz J. Information aus Bildern 100 Jahre Entwicklung in Photogrammetrie und Fernerkundung // VGI4/97, 1997, - P. 251-259

6. BINGO-F информационный бюллетень фирмы GIP, 1996, 8 с.

7. Jacobsen К. Status and Tendency of Sensoirs for Mapping // International Archives of Photogrammetrie and Remote Sensing, Vol. XXXII, Part-L P. 183-190

8. Интернет сайт фирмы EARTH WATCH, http:// www.earthwatch.com

9. Интернет сайг фирмы SPACE IMAGING, http:// www.Spaseimaging.com

10. Berger M. Der Erderkundungssensor MOMS // Proc. der 2. Geosystems Fachtagung,- Germering, 1997. P. 1-7

11. Daedalus special Compendium of Airborne Multispectral Applications.Worldwide, Daedalus Enterprises, Inc. 1996.-P. 16

12. Интернет сайт фирмы ITRES Research Ltd., http://www.itres.com

13. Интернет сайт фирмы BORSTAD, http://www.borstad.com

14. Hahn М., Walter, V., Statter С. The DPA-Sensor System for Topographie and Thematic Mapping // International Archives of Photogrammetrie and Remote Sensing, Vol. XXXI, Part B4.-P. 141-146

15. Muller F. Photogrammetrische Punktbestimmung mit Bilddaten digitaler Dreizeilenkameras. DGK, Reihe C, Heft Nr. 372,1991.- P. 19-27

16. Charles Toth: Experiences with frame CCD arrays and direct geocoding, Report on Photogrammetric Week *99, Stuttgart, 1999.- P. 95-108

17. Lohr U., KatzenbeiBer R. TopoSys Informationsmaterial, Toposys GmbH, Ravensbrück, 1996.- P. 24

18. Грисбах P. Современные средства сбора информации для ГИС // Сборник 4-ой Международной конференции ИНТЕРКАРТО. Барнаул, 1998, с. 157-161

19. Kraus К. 3rd EARSeL Workshop, Estonia, 1997

20. Lohr U., Schaller J. High Resolution Digital Elevation Models for Various Applications, Fourth International Airborne Remote Sensing Conference and Exibition, 1999.- P. 247-253

21. Wever C., Lindenberger J. Experiences of 10 years laser scanning,, Report on Photogrammetric Week '99, Stuttgart, 1999.- P. 125-132

22. Lohr U. High Resolution Laserscanning, not only for 3D-city models, Report on Photogrammetric Week *99, Stuttgart, 1999.- P. 133-138

23. Marek K.-H., Griesbach R. et al. PRIRODA-Flugzeugexperimente, Handbuch zur Bearbeitung von PRIRODA-Multisensordaten aus Flugzeugmesskampagnen, // Eigenverlag uve FEZ Potsdam.- Potsdam, 1997.-P. 66

24. Konecny G. Paradigmasprunge in der Internationalen Gesellschaft fur Photogrammetrie und Fernerkundung vom ersten bis zum achtzehnten Kongreß in Wien // VGI4/96.- P. 313-320

25. Cramer M. Direct Geocoding-is Aeriäl Triangulation Obsolete; Report on Photogrammetric Week '99, Stuttgart, 1999.- P. 59-70

26. Sigle M. Vollautomatische digitale Aerotriangulation "Produktivitatsschub in der digitalen Photogrammetrie", 1. INTERGRAPH Photogrammetrie Forum 1998, Fulda, 1998.- P. 14

27. Heipke C. Digitale photogrammetrische Arbeitsstationen. Verlag der Bayrischen Akademie der Wissenschaften, München, 1995.- P 141

28. Murphy H. et al, Image intensifier modules for use with commercially available solid state cameras, solid state camera products 1989, Publication of EG&G Reticon, 1989.- P.72-81

29. Koelbl O. Preliminary results of the OEEPE Scanner Test, Proceedings of the OEEPE-Workshop on application of digital photogrammetric workstations, March, 1996.- P. 43-50

30. Dangermond J Synergy of Photogrammetrie Remote Sensing and GIS//Photogrammetrische Woche,-Stuttgart, 1997.- P. 11

31. Интернет сайт фирмы SPACE IMAGING, http ://www. space-imaging, com

32. Saijakowski T. Concept of a completely digital stereoplotter, The photogrammetric journal of Finland (8) 2,1981.« P.12-23

33. Case J. The digital stereo comparator/compiler (DSCC), International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing (24) 2,1982

34. Walker A.S., Petrie G. Digital Photogrammetric Workstations 1992-1996 // Proceedings of the 18. ISPRS Congress, Comm Ш, Int. Archives of Photogrammetrie and Remote Sensing, Vol. 31, ВЗ,- Wien, 1996.- P. 946-952

35. Miller S.B., Helava U.V., Devenecia K. Softcopy photogrammetric workstations, PE&RS (58) 1,1992. P. 8

36. Ziemann H. Comparing the photogrammetric performance of film-based aerial cameras digital cameras // Photogrammetrische Woche,- Stuttgart, 1997,-P. 49-62

37. Siegle M. Vollautomatische digitale Aerotriangulation „Produktivitaisschub in der digitalen Photogrammetrie", Inpho GmbH: , Intergraph, Fulda 1998. P. 2

38. ERDAS IMAGINE 8.3: Tour Guide, May 1997

39. Грисбах P. Современные средства сбора информации для ГИС // Сборник IV Международной конференции ИНТЕРКАРТО. Барнаул, 1998, с. 157-161

40. Bonjour J.-D. Internet: vom Web zur virtuellen Welt; Seminar" Digitale Orthophotos und virtuelle Realitat in der amtlichen Vermessung", Lausanne, 1997.-P. 52-61

41. Ackermann F. Photogrammetrie im Wandel, PFG 2/98.-P.69-79

42. Konecny G. Von der Photogrammetrie zu räumlichen Informationssystemen, PFG 1/1997.-P. 3-12

43. Foikert G., Kager Н., Ries С. Rectification of Airborne Scanner Images Using Spline Functions for Modelling Flight Path and Attitude Parameters // Proc. of the Third European Conference & Exhibition on Geographical Information,- Wien, 1997.- P. 106-115

44. Intel: "Moores Law: Changing the PC Platform for another 20 years" сайг в сети ИНТЕРНЕТ http :\\developer.intel. com\solutions\archive\issue2\focus.htm

45. Daedalus special Compendium of Airborne Multispectral Applications.Worldwide, Daedalus Enterprises, Inc. 1996.-P. 16

46. Griesbach R. Integration der digitalen Bildverarbeitung in die digitale Photogrammetrie // Proceedings ILA-Kolloquium "Umwelt und Fernerkundung". Berlin, 1998.-P. 4

47. Schreier G. SAR-Geocoding: data and systems // Wichmann Verlag.-Karsruhe, 1990.-P. 251

48. Berger M. Der Erderkundungssensor MOMS // Proc. der 2. Geosystems Fachtagung,- Germering, 1997. P. 1-7

49. Albertz J. Information aus Bildern- 100 Jahre Entwicklung in Photogrammetrie und Fernerkundung // VGI 4/97,1997.- P. 251-259

50. Ernst S. Simulation von Hochwasserständen in den Stadtgebieten Köln und Bonn auf der Grundlage digitaler Hohenmodelle // Diplomarbeit Universität Bonn,- Bonn, 1996.- P. 12

51. Weiers S. Einsatz von Satellitenfernerkundungsdaten in Landschaftsbewertungsverfahren // 2. Kolloquium „Umweltindikation und Fernerkundung", DLR.- Koln-Porz, 1996.-P. 9

52. Hoersch B. Typisierung von Teileinzugsgebieten des Rheins nach Ausstattungsmerkmalen zur Ermittlung des Retentionsvermögens ein GIS- und femerkundsgestützter Ansatz // Diplomarbeit Universität Bonn,- Bonn, 1996.-P. 98

53. Hahn M., Walter, V., Statter C. The DPA-Sensor System for Topographie and Thematic Mapping // International Archives of Photogrammetrie and Remote Sensing, Vol. XXXI, Part B4.-P. 141-146

54. Weichelt, Rene Griesbach: Beitrage der Fernerkundung zur Losung von Umweltproblemen in der Oderregion; Brandenburgische GeowissenschafUiche Beitrage 5, Kleinmachnow, 1998

55. Griesbach R., Marek K.-H. Zur Synergie von Fernerkundung, Photogrammetrie und GIS //Tagungsmaterialien CEGUG 98. Mannheim, 1998.-P. 5

56. Schreier G. SAR-Geocoding: data and systems // Wichmann Verlag.-Karsruhe, 1990.-P. 251

57. Griesbach R. Kombination von Methoden der Digitalen Photogrammetrie und Digitalen Bildverarbeitung in der Praxis // Materialien des ERDAS User-Group-Meeting.- Germering, 1997.-P. 1-8

58. Knorr F. Airborn Laser Scanning, интернет сайг фрфмы LMV GmbH, http://www.lmv. de

59. Ruger, W., Pietschner J., Regensburger K. Photogrammetrie, Verfahren und Gerate zur Kartenherstellung //VEB Verlag für Bauwesen,- Berlin, 1987.-P. 368

60. Griesbach R., Lyalko V. I. et al. Hie improvement of ecological monitoring by means of intercalibration of multidata // 3. International Airborne Remote Sensing Conference and Exhibition.- Kopenhagen, 1997.-P. 6

61. Hartfiel P: Higher Performance with automated aerial triangulation // Photogrammetrische Woche,-Stuttgart, 1997. -P. 109-114

62. Vision International, Softplotter, Users Manual, V 1.7 // Vision International, a division of Autometric, Earth City, 1997. - P. 283

63. Stacey Schräder, Russ Pouncey, ERDAS Field Guide, 4th edition // ERDAS Inc., Atlanta, Georgia, 1997. -P.640