Сравнительный анализ эффективности применения цифровой аэрофотосъемки и космической съемки для целей создания и обновления топографических и специальных карт

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования республики Беларусь

Белорусский национальный технический университет

Факультет транспортных коммуникаций

Кафедра геодезии и картографии

Специальность Геодезия и картография

Сравнительный анализ эффективности применения цифровой аэрофотосъемки и космической съемки для целей создания и обновления топографических и специальных карт

Студента 3-го курса

Дуйсенбай Н.Ж.

Научный руководитель

Гарячий Г.Ф.

Минск 2014

Сущность космической съемки.

Космической съемкой называют съемку поверхности Земли с космических летальных аппаратов (КЛА). Нижняя граница околоземного космического пространства, где КЛА может совершать обороты вокруг Земли, 140-150 км. Максимальная высота съемки ограничивается целесообразным минимальным масштабом изображения Земли. Основу космических съемок составляет аэросъемка, включающая дополнительно элементы небесной механики, физики атмосферы и др. К особенностям космического зондирования относятся также перемещение КЛА по орбитам по законом небесной механики и аэродинамики, быстро изменение на трассе полета условий освещенности, влияние всей толщи атмосферы на качество изображения, большое разнообразие ландшафтов, которые могут иметь различное сезонное состояние. Запуск КЛА, управлением его полетом, обеспечение съемки, доставка информации на Землю обеспечиваются с помощью средств управления полетом, наземных измерительных и информационных систем, объединяемых вместе с КЛА в единое, как правило, многоцелевые, народнохозяйственные космические комплексы. Для изучения природных ресурсов Земли (ИПРЗ), в том числе и лесов, используют наблюдательные космические комплексы, подразделяемые на две группы: а) предназначенные для наблюдения за поверхностью Земли, называемые космическими комплексами исследования природных ресурсов: б) предназначенные для наблюдения за атмосферой, получившие название метеорологических космических комплексов. Развитие технических средств дистанционного зондирования Земли из космоса идет по двум взаимодополняющим друг друга направлениям. Первое из них основана на фотосъемки земной поверхности видимой и ближней ИК-областях спектра и доставке на Землю при посадке спускаемого аппарата космического корабля либо в сбрасываемых контейнерах с отснятыми фотопленками, где предусматривается их фотохимическая обработка и изготовление контактной и увеличенной фотопечати. Данные съемочные материалы предназначены для решения задач, не требующих оперативного принятия решений. Второе направление предусматривает проведение съемок в видимой, ИК и СВЧ областях электромагнитного спектра и передачу полученной информации со спутников по радиоканалам на пункты приема, оперативную обработку и доставку ее потребителям как для исследования быстропротекающих процессов на поверхности Земли, так и решение задач, связанных с разносторонним изучением природных ресурсов.

Сущность аэрофотосъемки.

Аэрофотосъемка - это комплекс работ, включающий различные процессы от фотографирования земной поверхности с летящего самолета до получения аэрофотоснимков, фотосхем или фотопланов снятой местности.

В него входят:

1. подготовительные мероприятия, заключающиеся в изучении местности, которая подлежит фотографированию, подготовке карт, проектированию маршрутов полетов самолета и в производстве расчета элементов аэрофотосъемки;

2. собственно летно-съемочные работы или фотографирование земной поверхности при помощи аэрофотоаппаратов;

3. фотолабораторные работы по проявлению снятой пленки и изготовлению позитивов;

4. геодезические работы по созданию на местности геодезической основы, которая необходима для исправления искажений аэроснимков, возникших в процессе аэрофотосъемки, привязки аэроснимков и для составления фотосхем и фотопланов;

5. фотограмметрические работы, которые проводятся как в полевом, так и в камеральном периодах и связаны с обработкой аэрофотоснимков для составления планов и карт снятой местности.

Все эти процессы тесно связаны один с другим и отчасти взаимно перекрываются. Аэрофотосъемка каждого объекта должна выполняться одной и той же организацией от начала до сдачи окончательной продукции. В результате проведения этих работ изготовляются контактные отпечатки, репродукции с накидного монтажа аэрофотоснимков, фотосхемы или фотопланы, составленные по данным геодезическойосновы. Все эти так называемые аэрофотосъемочные материалы используются в дальнейшем для решения целого ряда вопросов в области лесного хозяйства и лесной промышленности.

Обоснование пространственного разрешения снимка (размера пикселя на местности) в зависимости от масштаба создаваемой или обновляемой карты. О возможных масштабах карт в зависимости от пространственного разрешения снимков.

Космическая съемка в видимом спектральном диапазоне и ближнем инфракрасном в последнее время претерпели весьма ощутимое развитие в сторону увеличения разрешающей способности космических изображений. Это принципиально делает возможным использование этой информации, в том числе для целей картографирования и обновления карт. При этом возникает вопрос: о каких масштабах карт может идти речь?

Применительно к цифровой аэрофотосъемке или космической цифровой съемке, ни в каких нормативно-технических документах не содержится требований к пространственному разрешению в зависимости от масштаба карты, плана или ортофотоплана. В инструкции по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов изложена методика расчета размера пикселя при сканировании аналогового снимка в зависимости от масштаба фотографирования и масштаба создаваемой карты, содержащая 4 формулы вычисления, из которых к нашему случаю имеют отношение только первая (Ps) и последняя (Pp):

P_s = M_k/2M_c V_s

P_p = M_k / M_c 70

где M_k - знаменатель масштаба карты (плана), M_c - знаменатель масштаба аэрофотоснимка, V_s - требуемая точность определения плановых координат равная 0.2 мм. Первая из этих формул дает размер пикселя в мм., вторая в микронах. Прямого отношения к требованиям размера пикселя на местности цифровой аэрофотосъемки или космической съемки эти формулы не имеют, но в некоторых случаях за неимением иных требований их используют, преобразовав к виду, позволяющему оценить размер пикселя на местности в метрах:

P_s = 0.0001M_k

P_p = 0.00007M_k

Для масштаба плана 1:5000 при масштабе снимка 1:20000 P_s = 0.5 м; P_p = 0.35 м.

Согласно инструкции по фотограмметрическим работам использовать нужно меньше. Однако расчет Рр основан на требованиях к графическому качеству напечатанного на бумаге ортофотоплана, заключающемуся в том, чтобы размер полутонового пикселя не превышал 70 мкм. По этой причине основываться на этом критерии выбора размера пикселя в том случае, когда ортофотоплан используется в цифровом виде или когда его твердая копия печатается с помощью плоттера (принтера), не обеспечивающего разрешение с размером полутонового пикселя равным 70 мкм, нет никаких причин. Таким образом, при использовании ортофотоплана в цифровом виде представляется более логичным пользоваться критерием Рs, основанном на требуемой точности измерений. Это означает, что согласно требованиям Инструкции по фотограмметрическим работам для масштаба 1:5000 размер пикселя на местности может достигать 0.5 м. Но даже и это значение представляется необоснованным, т.к. критерий Рs основан просто на том, что размер пикселя должен быть в 2 раза меньше допустимой ошибки измерения по ортофотоплану, а ошибка измерения составляет 0.2 мм в масштабе плана. Этот подход просто не имеет никакого обоснования. С одной стороны, точность измерений по цифровому изображению составляет доли пикселя, но не 2 пикселя и в любом случае не хуже 1 пикселя! Следует обратить внимание, что в этом подходе совершенно не учитывается возможность дешифрирования снимков, т.е. распознавания объектов и определения их характеристик. Т.е. представленные в Инструкции по фотограмметрическим работам формулы расчета размера пикселя на местности отражают линейную зависимость размера пикселя от масштаба карты, что в принципе не должно быть с учетом задачи дешифрирования (распознавания объектов и их характеристик). Если проанализировать требования к допустимым масштабам фотографирования в зависимости от масштаба карты (плана), сформулированные в Инструкциях по топографической съемке, акцентируя внимание на задаче дешифрирования, и принять, что разрешение аналоговых снимков на момент издания инструкций составляло не более 20-30 линий на мм (рассчитывать на более высокое разрешение нет оснований), то получится ряд значений размера пикселя, представленный в таблице 1.

Таблица 1. Размер пикселя на местности в зависимости от масштаба карты (плана)

Нелинейный характер зависимости разрешения снимка в зависимости от масштаба карты отчетливо виден из этого ряда, особенно при графическом отображении (см. график 1). Выбор соотношения масштаба карты (плана) и масштаба фотографирования, представленный в инструкциях по топографической съемке носит несколько приближенный характер в том смысле, что масштаб фотографирования выражается весьма круглыми числами, и по этой причине кривая зависимости размера пикселя от масштаба карты выглядит не очень гладкой. В результате некоторого сглаживания кривой можно построить ряд номинальных рекомендуемых значений размера пикселя для масштабного ряда (на графике показано красным цветом) и ряд максимальных допустимых значений, принимая, что максимальные допустимые значения должны быть пропорциональны рекомендуемым (см. график 1).

График. 1. Зависимость требуемого размера пикселя на местности от масштаба карты

Таким образом, зависимость размера пикселя от масштаба создаваемого плана (карты) с учетом потребности задачи дешифрирования не может носить линейных характер.

Для выбора размера пикселя следует основываться не столько на точностных критериях, сколько на потребностях дешифрирования цифрового изображения, накопленного опыта, отраженного в Инструкциях по Топографической съемке, и разработанных исходя из этого таблиц номинальных рекомендуемых размеров пикселей.

Исходя из того, что пространственное разрешение лучших в этом отношении коммерческих космических снимков составляет 0.5 м и 1.0 м, можно с уверенностью говорить о возможности их использования для карт масштабов 1:10000 и 1:25000 с точки зрения дешифровочных свойств изображений. Возможность и эффективность использования снимков с разрешением 0.5 м для создания плана масштаба 1:5000 зависит от ситуации и конкретных требований к содержанию карты.

Сопоставимость материалов АФС и космической съемки по возможности получения различных видов продукции (только план при наличии готовой ЦМР или включая ЦМР).

Аэрофотоснимки, полученные со стандартными продольным и поперечным перекрытиями являются источником всей необходимой информации для того чтобы выполнить съемку рельефа, создать цифровую модель рельефа, выполнить ортотрансформирование и создать ортофотоплан, выполнить съемку ситуации.

Причем при съемке с размером пикселя до 0.5 м можно рассчитывать на съемку рельефа с высотой сечения 5.0 м, что требует экспериментальной проверки.

Космические снимки типа Geo могут быть использованы только для создания ортофотоплана при условии наличия готовой ЦМР с точностью характеризуемой СКО < 14 м для масштаба ортофотоплана 1:10000 и СКО < 30м для масштаба 1:25000. При отсутствии готовой ЦМР следует использовать продукт GeoStereo, позволяющий построить ЦМР по стереопаре.

В таблице 3 наглядно представлены возможности использования космических снимков и аэрофотоснимков для решения различных задач по созданию и обновлению карт и планов, откуда видно, что космический снимок и аэрофотоснимок имеют разные возможности получения по ним различных видов продукции, и решения тех или иных задач.

Таблица 3. Возможности использования космических снимков и аэрофотоснимков для решения различных задач по созданию и обновлению карт и планов

Сравнение затрат времени на съемку и оперативности исполнения съемки. О преимуществах космической съемки можно уверенно говорить при наличии и использовании архивных материалов съемок, а также при необходимости выполнения работ на особо удаленных труднодоступных территориях. К сожалению не всегда можно подобрать архивную съемку требуемого качества на интересующую территорию. По этой причине правильней будет сравнивать затраты времени и оперативность исполнения в равных условиях, когда съемка делается на заказ.

Точно оценить затраты времени исполнения заказа на новую космическую съемку существенной по площади территории трудно, т.к. это зависит от нескольких факторов: погодные условия, приоритетность, под каким углом отклонения от надира выполняется съемка, какой продукт требуется получить (Geo или GeoStereo). Если это продукт GEO, то в среднем съемка укладываются в срок менее 60 дней. В случае стереосъемки срок выполнения заказа 100 дней.

В случае аэрофотосъемки основным фактором, определяющим оперативность ее выполнения является получение разрешения на выполнение аэрофотосъемки. Для европейской части России на это может потребоваться от одной недели до 1 месяца. Если речь идет о Сибири и Дальнем Востоке - до 2-х месяцев. Далее главный вопрос - это вопрос погоды. Затраты времени на саму аэрофотосъемку, например, для нужд создания карты масштаба 1:10000 на площадь 10000 кв. км составляют единицы дней. Таким образом, если сравнивать продолжительность исполнения заказа по получению материала с равными возможностями (стерео), то аэрофотосъемка позволяет решить задачу более оперативно для европейской части России, а для Сибири и Дальнего Востока это время сопоставимо. Если речь идет о получении материала космической съемки типа Geo, то у космической съемки могут быть более ощутимые преимущества для территорий Сибири и Дальнего Востока, но для европейской части России и в этом случае существенно более оперативной будет аэрофотосъемка. Хотя надо учитывать, что на европейскую часть России накоплен серьезный банк архивных материалов космической съемки, и он постоянно обновляется.

Сравнение стоимости материалов АФС и космической съемки.

Стоимость 1 кв. км заказной съемки типа Geo с разрешением 0.5 м составляет около $27, для продукта типа GeoStereo - приблизительно $44, что в рублях (по курсу 34.0 соответственно составляет 918 руб. и 1496 руб.)

Роснедвижимость для расчета цены по госторгам в 2008 г. использовала стоимость АФС по создание карты масштаба 1:10000 равную 541 руб. с НДС за 1 кв. км. Возможно, эта цена представляется несколько жесткой для коммерческих организаций выполняющих аэрофотосъемочные работы. К тому же цена АФС в большой степени зависит от соотношения площади объекта к времени подлета к объекту. Если объект очень удален (надо отправлять самолет в Сибирь или на Дальний восток из европейской части), а площадь мала (1 день работы или меньше), то цена может быть весьма велика. Однако для удачного соотношения указанных факторов цена не должна превышать 700 руб. за 1 кв. км. При больших расстояниях подлета к объекту и сравнительно больших площадях цена может составлять около 1500 руб. за 1 кв. км и более.

Таким образом, в части стоимости космическая съемка уверенно конкурирует по стоимости в тех случаях, когда выполнение АФС сопряжено с переброской самолета к удаленным территориям, а площадь территории сравнительно мала (1-2 дня аэрофотосъемки или еще меньше). Кроме того, материалы космической съемки могут быть экономически выгодны, если это не съемка на заказ, а архивные снимки.

Материалы космической съемки могут уверенно использоваться для создания или обновления контурной части карт 1:10000 и 1:25000 и в некоторых случаях - 1:5000.

Материалы космической съемки ограниченно могут быть использованы для топографической съемки рельефа с сечением менее 5 м.

Более дешевый тип продукта космической съемки (Geo), используемый для создания ортофотоплана, требует наличия цифровой модели рельефа полученной из других источников.

Аэрофотосъемка обеспечивает более высокую оперативность исполнения заказа на съемку территории для европейской части России, для территорий Сибири и Дальнего Востока исполнение заказа по съемке может быть более оперативным при использовании космической съемки.

По стоимости космическая съемка может быть более эффективна при использовании архивных материалов, а также в случае съемки сравнительно небольших по площади удаленных от европейской части территорий.

Заключение о целесообразности использования того или иного вида съемки следует делать применительно к конкретному объекту с учетом конкретной задачи и условий ее выполнения.

съемка цифровой фотографирование

Размещено на Allbest.ru