Analysis of methods for generation of digital relief model and accuracy evaluation using digital photogrammetry technology/Skaitmeninio reljefo modelio kurimo metodai ir tikslumo tyrimas, taikant skaitmenines fotogrametrijos technologija.

Ruzgiene, Birute

1. Ivadas

Nudienos kartografavimo technologijose placiai taikomi skaitmenines fotogrametrijos metodai. Siais metodais apdorojami visu rusiu fotografiniai vaizdai, gauti pasyviuoju fotografiniu ar aktyviuoju budais, fotografuojant Zemes pavirsiu is Zemes atmosferos ar is kosmoso is bet kurios fotografuoti naudojamos priemones (orlaiviu ar kosminiu aparatu) bei fotografuojant objektus is artimu nuotoliu.

Naujieji skaitmeniniai metodai vis aktualesni kuriant kartografine produkcija ir lemia kartografavimo proceso efektyvuma. Tai pazangus kartografavimo budai, kai matavimai skaitmeniniuose fotografiniuose vaizduose atliekami automatiskai ar pusiau automatiniu budu.

Taikant skaitmenines fotogrametrijos technologija sukuriami skaitmeniniai Zemes pavirsiaus auksciu modeliai, atliekami pavieniu objektu stereoskopiniai matavimai bei generuojamos skaitmenines ortofotografines nuotraukos.

Skaitmeninemis fotogrametrinemis programinemis sistemomis--fotogrametrinemis darbo stotimis (pvz., Delta, Geosystems, Ukraina; Image Station, Z/I Imaging, Vokietija/JAV; PHOTOMOD, Racurs, Maskva, Rusija) atliekamos fotogrametrines proceduros, ir taip sukuriami trimaciai skaitmeniniai vietoves pavirsiaus modeliai. Siekiant didziausio geoduomenu generavimo is aerofo-tonuotrauku produktyvumo ir efektyvumo, istiriamas fotogrametriniu programiniu sistemu funkcionalumas, galimybes, privalumai ir trukumai bei parenkama optimali technologija (Ruzgiene, Alekniene 2007; Ruzgiene 2007).

Skaitmeniniai ortofotografiniai zemelapiai placiai naudojami geoinformacinese sistemose (Konecny 2003). Siose sistemose informacija apie vietoves objektus pateikiama sluoksniais. Ortofotografiniai zemelapiai yra vektorizuojami taikant standartizuota objektu kodavimo sistema GIS programinemis sistemomis, pvz., Micro-Station, Autocad, Geomedia, Geomap, ArcView, ArcInfo, ArcGis ir kt.

Siekiant sukurti kokybiska kartografine produkcija bei gauti patikimus trimaciu modeliu generavimo rezultatus, analizuojami skaitmenines fotogrametrijos procesai. Eksperimentinis tyrimas vyko Aerogeodezijos institute (Kaunas) aerofotonuotraukas apdorojant fotogrametrine darbo stotimi PHOTOMOD.

Zemes pavirsiaus modelio empirinis tikslumas tirtas atliekant stereoskopinius matavimais fotografiniu vaizdu apdorojimo sistema LISA (Berlynas, Vokietija) (Linder 2006) bei skaiciuojant fotografiniuose vaizduose parinktu pavieniu ryskiu tasku (objektu) auksciu paklaidas.

2. Skaitmeninis fotogrametrinis aerofotonuotrauku apdorojimas

Eksperimentinio aerofotonuotrauku apdorojimo programine iranga--skaitmenine fotogrametrine darbo stotis PHOTOMOD (Racurs, Maskva, Rusija). Si programine sistema placiai taikoma gaminant fotogrametrine kartografine produkcija, yra funkcionali ir efektyvi (Photomod 2010). Fotogrametrinems proceduroms atlikti naudojami skaitmeniniai fotografiniai vaizdai--skenuotos aerofoto-nuotraukos arba fotonuotraukos, gautos fotografuojant skaitmenine fotokamera.

I skaitmenines fotogrametrines stoties komplekta ieina specializuota 3D kompiuterine pele bei stereoskopinio vaizdo stebejimo iranga.

Fotogrametrines sistemos PHOTOMOD pagrindines funkcijos:

--stereoskopiniu modeliu sudarymas,

--planimetrinis objektu modeliavimas,

--aerotrianguliacijos uzdaviniu sprendimas--pusiau automatinis arba automatinis tasku koordinaciu matavimas ir blokinis fotogrametrinio tinklo islyginimas,

--skaitmeniniu vietoves modeliu kurimas,

--ortofotografiniu vaizdu generavimas,

--pavieniu ortofotografiniu nuotrauku jungimas,

--projektu jungimas.

Fotografine medziaga eksperimentiniams matavimams atlikti--Vilniaus miesto siaures rytu dalies analoginiai 1:6000 mastelio fotografiniai vaizdai. Vietove fotografuota aerofotokamera RMK TOP. Aerofotokameros objektyvo zidinio nuotolis c = 153,6 mm. Aerofotografavimo skrydzio aukstis H = 100 m. Isilgine aerofotonuotrauku sanklota--62 %, skersine--33 %. Aerofotonuotrauku pozityvai nuskenuoti 14 [micro]m skiriamosios gebos fotogrametriniu skeneriu Vexell Ultra Scan ir pateikti TIF formatu.

Atramos, naudotos isoriniam aerofotonuotrauku orientavimui, tasku koordinates nustatytos GPS 6 cm tikslumu.

Fotografiniams vaizdams skaitmeniniu fotogrametriniu budu apdoroti sukurtas dvieju modeliu vieno skrydzio marsruto fotogrametrinis blokas (C24_229, C25_228, C26_227) (1 pav.). Aerofotonuotraukos C26_227 skenavimo skiriamoji geba--24 [micro]m.

Skaitmenine fotogrametrine darbo stotimi PHOTOMOD atlikus aerofotografiniu vaizdu vidini, reliatyvuji bei absoliutuji orientavima, sukurtas skaitmeninis reljefo modelis (DEM) bei generuota ortofotografine nuotrauka.

[FIGURE 1 OMITTED]

Fotogrametrinis skaitmeninis reljefo modeliavimas atliekamas automatiskai kuriant tanku planimetriniu koordinaciu ir vietoves auksciu tasku tinkla. Siam tikslui taikomi ivairus interpoliavimo metodai. Pradiniai duomenys --aerotrianguliacijos rezultatai. Tasku altitudes gali buti skaiciuojamos pagal formule (Didactic 2005):

[MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRODUCIBLE IN ASCII], (1)

cia [Z.sub.i]--atramos tasku altitudes taikomoje auksciu sistemoje; svorinis koeficientas [W.sub.i] = 1/[d.sup.n.sub.i], d--atstumas tarp interpoliuojamojo tasko ir kiekvieno zinomo atramos tasko, n--laipsnis, kuriuo keliamas atstumas.

Generuojamo DEM tinklo tankumas priklauso nuo vietoves reljefo. Jei vietoves reljefas nera labai raizytas, tai uztenka nustatyti tasku aukscius kas 5-10 m, taciau kuo auksciu tinklas yra tankesnis, tuo interpoliavimo rezultatai patikimesni.

Eksperimentines vietoves skaitmeninis reljefo modelis sukurtas formuojant netaisyklingus trikampius tinklus TIN (Triangulated Irregular Network), sudarytus is sanklotos nesudaranciu trikampiu, apskaiciuotu pagal zinomu pavirsiaus tasku padetis ir aukscius. TIN modelis formuojamas taikant Delauny trianguliacijos metoda. Trikampiu linijos yra minimaliu atstumu viena kitos atzvilgiu, ir ne viena linija nesusikerta. Kiekviena trikampio krastine yra tolygaus nuolydzio. Tuo atveju, kai pavirsiaus interpoliavimo algoritmai taikomi taisyklingam tinklui, TIN transformuojamas i taisyklingo DEM. Siam tikslui atliekamas auksciu interpoliavimas tarp TIN virsuniu ir kiekvieno tinklo elemento centro. Taikomi ivairus interpoliavimo metodai: artimiausio kaimyno (Nearest Neighbor), maziausiuju kvadratu (Moving Least Square), svorinio atstumo (Inverse Distance Weighted (IDW)), apskritimines funkcijos (Radial Basis Functions (RBF)), Krigingo (Kriging) (Wolf 2000; Manual ... 2004).

Skaitmeniniam reljefo modeliui generuoti PHOTOMOD programine sistema sukurti tinkliniai modeliai (TIN): adaptyvusis ([TEXT NOT REPRODUCIBLE IN ASCII]), glodusis ([TEXT NOT REPRODUCIBLE IN ASCII]), taisyklingasis ([TEXT NOT REPRODUCIBLE IN ASCII]) (2 pav.).

TIN formuojamas pagal vektorinius, plotinius duomenis bei pagal auksciu tasku rinkinius. Modeliu patikimumas gerinamas breziant reljefo luzio linijas ir ivedant 3D vektorinius duomenis.

Reguliarusis tinklinis modelis kuriamas taikant fotografiniu vaizdu koreliacijos algoritma--stereoporoje ieskoma geriausio atitikmens. Identifikuojami nusistatytojo staciakampio tinklo mazginiai taskai ir apskaiciuojami ju auksciai. Jei kurio nors mazginio tasko aukcio automatiskai apskaiciuoti negalima (neatitinka vaizdu koreliacijos salygos), tai siu tasku auksciu reiksmes skaiciuojamos in-terpoliuojant tarp gretimu automatiskai surastuju mazginiu tasku. Sukurtasis tinklas koreguojamas rankiniu budu. Tinklinis modelis (trikampiu tinklas) formuojamas pagal reguliariojo tinklo mazginius taskus, taikant Delauny algoritma. Reguliaruji TIN rekomenduojama taikyti, jei fotografiniai vaizdai yra heterogeniniai, t. y. ryskios, grudetosios teksturos, ir matoma pakankamai daug objektu detaliu.

[FIGURE 2 OMITTED]

Adaptyvusis tinklinis modelis kuriamas fotografiniu vaizdu sugretinimo (palyginimo) budu. Identifikuojami geriausios koreliacijos taskai kiekvienoje skaitmeninio vaizdo lasteleje, ir apskaiciuojami ju auksciai. Jei surastojo tasko koreliacijos koeficiento reiksme mazesne uz ribine (nusistatytaja), tai toks taskas automatiskai eliminuojamas. Gautieji taskai formuojami i netaisyklingu trikampiu tinkla Delauny trianguliacijos principu. Adaptyvusis tinklinis modelis dazniausiai taikomas ir rekomenduojamas, kai vaizdai apima dideles homogenines bei lygaus pavirsiaus teritorijas, bei kuriant vietoves pavirsiaus 3D modelius artimu nuotoliu fotogrametrijoje.

Glodusis tinklinis modelis sudaromas pagal 3D tasku rinkini ir skiriamas polinominiam pavirsiui generuoti. Apskaiciuojami trikampiu tinklo zinomos padeties mazginiu tasku auksciai. Glodziajame pavirsiaus modelyje polinomine interpoliavimo funkcija sprendziama pagal zinomus 3D taskus, reljefo luzio liniju vektorinius duomenis bei trianguliacijos taskus. Glodusis tinklas taikomas, kai reljefas yra visiskai lygus, ir beveik nera ryskiu reljefo pokycio tasku.

Automatiskai sukurus reljefo modeli, DEM tikrinamas bei koreguojamas rankiniu budu. Pvz., miskuose reljefas fiksuojamas medziu virsunemis. Siuo atveju DEM tinklo virsuniu altitudes taisomos nuleidziant taskus ant zemes pavirsiaus. Daznai redaguojamos upiu ar ezeru krantu linijos. Kiekviename stereomodelyje tikrinami ir taisomi keliu, aukstu statiniu ir kt. auksciai. DEM kokybe ivertinama pagal zinomu atramos tasku koordinates.

Ortofotografineje nuotraukoje (3 pav.) matomi ryskus vietoves objektu iskraipymai, gauti del netinkamai sukurto (neredaguoto) reljefo modelio bei nevienodu pavieniu modeliu radiometriniu savybiu.

[FIGURE 3 OMITTED]

Skaitmeninis Zemes pavirsiaus reljefo modelis kuriamas tokiu tikslumu, kad butu uztikrinta gera geometrine skaitmeniniu fotografiniu vaizdu transformavimo kokybe.

3. Reljefo modelio kokybes kontrole

Skaitmenine fotogrametrine programine sistema LISA sukurto eksperimentines vietoves reljefo modelio kokybei patikrinti atlikti stereoskopiniai matavimai bei empiriskai nustatytos reljefo modelio tasku auksciu paklaidos (Kraus 1997):

dh = [p.sub.x] h/b, (2)

cia h = [Z.sub.01] - [Z.sub.DEM], h--tasko reljefo modelyje aukstis, b--fotografavimo baze, [Z.sub.01]--kairiojo fotografinio vaizdo projekcijos centro altitude, [Z.sub.DEM]--tasko reljefo modelyje altitude; [p.sub.x]--isilginis fotografiniu vaizdu paralaksas.

Vietoves reljefo modelio, sukurto transformuojant fotografinius vaizdus, kokybei uztikrinti svarbu tinkamai parinkti DEM generavimo zingsni. Isanalizuojami vietoves reljefo ypatumai. Kadangi eksperimentines teritorijos reljefas nera labai ryskus (vidutinis auksciu skirtumu svyravimas apie 5-8 m), tai parinktas reljefo modelio generavimo zingsnis 2 m.

Vietoves skaitmeninio reljefo modelio generuojamo fotogrametriniu budu tikslumas apskaiciuojamas pagal formule (Ruzgiene 1999):

[m.sub.h] = H [d.sub.x]/[r.sub.n] 1:[m.sub.aero]/1:[m.sub.orto], (3)

cia [d.sub.x]--leistinasis tasku poslinkis ortofotografineje nuotraukoje del reljefo itakos; [r.sub.n]--fotogrametriniu tasku atstumas nuo aerofotonuotraukos nadyro tasko; 1:[m.sub.aero], 1:[m.sub.orto]--aerofotonuotraukos ir ortofotografinio zemelapio masteliai, H--aerofotografavimo aukstis.

Sukurtojo vietoves reljefo modelio tikslumas apskaiciuotas pagal (3) formule:

[m.sub.h] = 30 cm, kai [r.sub.n] = 10 cm, [d.sub.x] = 0,1 mm, H = 1000 m, 1:[m.sub.aero] = 1: 6000, 1:[m.sub.orto] = 1: 2000.

DEM kokybes kontrole atliekama analizuojant vidini bei isorini tiksluma. Isorinis tikslumas--fotografiniu vaizdu orientavimo paklaidos, nustatytos pagal 18 atramos (aerotrianguliacijos) tasku altitudes. Atlikus isorini fotografiniu vaizdu orientavima gautas tikslumo ivertis--0,007 m, o didziausia isorinio orientavimo paklaida--0,017 m (4 pav.).

[FIGURE 4 OMITTED]

Vietoves reljefo modelio vidinis tikslumas analizuotas stereoskopiniame modelyje (5 pav.). Stereoskopiskai matuoti pasirinktieji DEM tinklo taskai. Stebeta matavimo zymes padetis kairiajame ir desiniajame vaizduose ir stereoskopiskai matuoti tasku auksciai. Taikytas anaglifinis stereoskopinio matymo budas.

Fotografiniuose vaizduose stereoskopiskai ismatuoti visame stereoskopinio modelio plote parinkti reljefo modelio vietoves taskai--apie 15 % visu koreliuotuju tinklo tasku. Nematuoti taskai misku plotuose, ant ivairiu statiniu stogu, ant aukstuminiu pastatu. Atlikus vizualine pavieniu tasku identifikavimo kontrole, apie 1% klaidingu automatiskai identifikuotu tasku eliminuota.

[FIGURE 5 OMITTED]

Nustatyta, kad daugelio reljefo modelio tasku homologines padetys tikslios. Tik apie 5 % stereoskopiskai ismatuotu tasku auksciu nuokrypis--0,5 pikselio dydzio, t. y. 4,2 cm.

Kai kurie statistiniai fotografiniu vaizdu koreliacijos skaiciavimu duomenys pateikti 1 lenteleje. Minimali koreliacijos koeficiento reiksme--0,66, vidutine--0,80, o tikslumo ivertis--8,942 mm. Reljefo modelyje daugiausiai padeciu rasta, kai koreliacijos koeficiento reiksme yra 0,75. Apie 14 % padeciu koreliacija 0,90. Labai geri fotografiniu vaizdu sutapatinimo rezultatai gaunami, kai koreliacijos koeficiento reiksmes 0,90-0,95.

Be to, vietoves reljefo modelio tikslumui tirti taikytas empirinis budas. Visame fotografiniu vaizdu stereoskopiniame modelyje parinkti 35 budingieji, ryskiu konturu, reljefo taskai ir pagal (2) formule apskaiciuotos siu tasku auksciu paklaidos. Gautosios dh reiksmes nevirsijo 0,25 m, o tikslumo ivertis--0,16 m.

4. Isvados

Siekiant gauti kuo tikslesni Zemes pavirsiaus modeli ortofotografinei nuotraukai generuoti, reikia taikyti tinkama reljefo interpoliavimo algoritma. Siam tikslui analizuojami konkrecios vietoves reljefo ypatumai. Jei reljefas nera labai raizytas, geriausias rezultatas gaunamas, kai reljefas modeliuojamas kuo tankesnio adaptyviojo interpoliavimo budu sukurtame TIN.

Atlikus pagal 1:6000 mastelio aerofotonuotraukos medziaga sukurtojo vietoves reljefo modelio kokybes analize nustatyta, kad stereoskopiskai ismatavus gautas auksciu tikslumas nevirsija reikalaujamo tiriamosios medziagos tikslumo--0,30 cm. Grubios fotografiniu vaizdu koreliacijos klaidos eliminuotos.

Tikslumo parametrai patikrinti taikant empirini buda ir nustatyta, kad pavieniu pavirsiaus tasku auksciu tikslumo ivertis atitinka kuriant toki modeli keliamus tikslumo reikalavimus.

Gautieji duomenys tinkami Zemes pavirsiaus reljefo 3D modeliams sukurti ir tenkina stambiojo mastelio topografijos bei GIS poreikius.

doi: 10.3846/gc.2010.09

Iteikta 2010 02 01; priimta 2010 04 01

Literatura

Donnay J. P.; Kaczynski, R. 2005. Didactic and Digital Photogrammetric Software (DDPS). User's Guide. Department of Geomatics, University of Liege, Belgium, Institute of Geodesy and Cartography (IGiK), Department of Photogrammetry, Warszawa, Poland. 71 p.

Konecny, G. 2003. Geoinformation: Remote Sensing, Photogrammetry and Geographical Information Systems. London and New York: Taylor and Francis. 248 p. doi:10.4324/9780203469644

Kraus, K. 1997. Photogrammetry 2. Advanced Methods and Applications. Bonn: Dummler. 466 p.

Linder, W. 2006. Digital Photogrammetry. A Practical Course. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg. 214 p.

Manual of Photogrammetry (Edited by Chris McGlone). 2004. Fifth Edition. American Society for Photogrammetry and Remote Sensing, Maryland, USA. 1151 p.

Photomod DTM [online], [cited 26 January 2010]. Available from Internet: < http://www.racurs.ru/?page=197>.

Ruzgiene, B.; Alekniene, E. 2007. Analytical and digital photogrammetric geodata production systems (a comparison test), Geodezija ir kartografija [Geodesy and Cartography] 33(2): 50-54.

Ruzgiene, B. 2007. Comparison between digital photogrammetric systems, Geodezija ir kartografija [Geodesy and Cartography] 33(3): 75-79.

Ruzgiene, B. 1999. Skaitmeniniu ortofotografiniu zemelapiu sudarymo tikslumas, Geodezija ir kartografija [Geodesy and Cartography] 25(3): 118-122.

Wolf, P. R; Dewitt, B. A. 2000. Elements of Photogrammetry: With Application in GIS. 3rd edition. McGraw-Hill. 608 p.

Birute RUZGIENE. Associate Professor, Doctor. Vilnius Gediminas Technical University, Dept of Geodesy and Cadastre, Sauletekio al. 11, LT-10223 Vilnius, Lithuania (Ph +370 5 2744 703, Fax +370 5 2744 705), e-mail: birute.ruzgiene@ap.vtu.lt.

A graduate of Vilnius Civil Engineering Institute (engineer of geodesy, 1968). Doctor (Vilnius Gediminas Technical University, 1999). Research training at Moscow Institute of Geodesy, Aerosurveying and Cartography (1986), at Norway AO Fjellanger Wider0e (1995), at Warsaw Institute of Geodesy and Cartography (1998), at Photogrammetry Institute of Bonn University (2000, 2005). Author of more than 30 scientific papers.

Research interests: digital photogrammetric mapping, image interpretation, features extraction from remote sensing data.

Birute Ruzgiene

Geodezijos ir kadastro katedra, Vilniaus Gedimino technikos universitetas, Sauletekio al. 11, LT-10223 Vilnius, Lietuva

Geodezijos katedra, Klaipedos valstybine kolegija, Bijunu g. 10, LT-91223 Klaipeda, Lietuva

El. pastas Birute.Ruzgiene@vgtu.lt

Table 1. Some statistics data derived via images matching

Minimali koreliacijos koeficiento verte (%) >0 66

Vidutine >0 79,962
Standartinis nuokrypis >0 8,942
Pikseliu skaicius 1 276 479
Vaizdo formatas [bit] 8

 Plotas [m] [%] S [%] * = 2 %

 <70 38 902,000 17,193 17,193 ********
 <75 47 738,000 21,098 38,291 **********
 <80 37 152,000 16,419 54,710 ********
 <85 33 152,000 14,652 69,361 *******
 <90 32 454,000 14,343 83,704 *******
 <95 28 671,000 12,671 96,376 ******