В настоящее время все более актуальными становятся вопросы оперативного получения пространственных данных цифровыми фотограмметрическими методами для решения задач отрасли геодезии и картографии. Agisoft Metashape Professional — программное обеспечение для фотограмметрической обработки цифровых аэрофотоснимков, позволяющее получать результаты в виде плотных облаков точек, цифровых моделей местности (ЦММ), ортофотопланов и полигональных трехмерных моделей. Agisoft Metashape Professional позволяет выполнять построение и уравнивание сети фототриангуляции методом блочного уравнивания независимых моделей с определением элементов внутреннего ориентирования аэрофотокамеры. На всех этапах фотограмметрической обработки обеспечивается возможность не только оперативного операторского контроля, но и предоставляются расширенные средства автоматизированного редактирования результатов. Agisoft Metashape Professional является постоянно развивающимся программным обеспечением с регулярным обновлением алгоритмов обработки данных и расширением инструментов анализа данных.
Последнее обновление Agisoft Metashape Professional 2.0 сделало возможным решение ряда задач в области анализа цифровых моделей поверхности (ЦМП) и получения истинных ортофотопланов. К ним относится:
- редактирование ЦМП с возможностью исключения участков модели, изменения высоты отдельных участков модели, сглаживания отдельных участков модели. Данные инструменты позволяют формировать более качественную цифровую модель рельефа (ЦМР), полученную в результате классификации облака точек;
- создание линий излома на модели поверхности. Линии излома позволяют устранить искажения граней возвышающихся частей зданий и сооружений на ЦМП, которые возникают из-за точек с значительными погрешностями положения на участках облака точек, где процент перекрытия снимками мал. К таким участкам можно отнести вертикальные поверхности зданий, трехмерное построение которых часто приводит к «волнистым» изображениям линий пересечения граней на ЦМП и ортофотоплане. Данный инструмент упрощает формирование истинного ортофотоплана.
Перечисленные функциональные возможности значительно улучшают качество итоговых материалов, таких как ЦМП, ортофотопланы, полигональные трехмерные модели территорий и объектов, что позволяет сократить объем ручного труда в дальнейшем использовании данных для решения задач обновления топографических карт и планов, а также расчета морфометрических характеристик рельефа.
Для тестирования возможностей программного обеспечения Agisoft Metashape Professional была проведена аэрофотосъемка территории испытательного полигона и выполнена обработка материалов с целью оценки применения инструментов программы для работы с моделью поверхности и улучшения качества ортофотоплана.
Съемка проводилась с БВС Геоскан 201 с двухчастотным ГНСС-приемником геодезического класса U-blox ZED-F9P и фотокамерой Sony DSCRX1RMII.
В результате обработки данных были получены: плотное облако точек, ЦМП, ЦМР, истинный ортофотоплан.
Создание цифровой модели рельефа выполнялось путем классификации плотного облака точек. Инструмент «Классификация точек рельефа» позволяет выполнить формирование класса точек земной поверхности согласно параметрам, описывающим характеристики рельефа, устанавливаемыми пользователем:
- максимальное значение угла наклона земной поверхности на местности, представленной на обрабатываемых данных;
- максимальное значение разницы высот соседних точек плотного облака, которые относятся к земной поверхности;
- радиус эрозии, который определяет радиус окружности с центром в точке, не удовлетворяющей указанным выше критериям, в пределах которой все точки будут классифицированы как не относящиеся к земной поверхности.
В результате классификации формируется класс точек земной поверхности, наиболее точно описывающий рельеф местности (Рис 1). В случаях, когда классификация плотного облака точек выполнена достоверно, результат может быть интерпретирован как цифровая модель рельефа (ЦМР).
Рис. 1. Результат классификации плотного облака точек. Коричневым цветом обозначены точки класса земной поверхности
Построение регулярной матрицы высот ЦМР выполняется с использованием инструмента «Построить ЦММ», где в качестве исходных данных устанавливается «Облако точек» и указывается только один класс точек облака: «Земля». В результате формируется регулярная ЦМР в виде матрицы, элементами которой являются значения высот (Рис 2).
Для участков местности, скрытых густой древесной растительностью, данные о рельефе на модели будут отсутствовать в результате интерполяции. В этом случае выполняется интерполяция цифровой модели на участках, где были исключены точки, не удовлетворяющие параметрам классификации. На модели к формам рельефа могут быть ошибочно отнесены участки с низкой растительностью, например, травой или низким кустарником. Откорректировать ошибочно отнесенные к формам рельефа участки можно с помощью инструментов редактирования модели.
Рис. 2. ЦМР, построенная по классу точек земной поверхности
Инструменты редактирования могут быть применены для регулярной ЦМП, включающей все объекты местности, с целью корректирования участков, описывающих отдельные объекты, исключения областей, не представляющих интереса или вносящих искажения.
Для ЦМР инструменты редактирования могут быть применены для ее уточнения на участках, где модель сформировалась недостаточно точно.
Редактирование ЦМР осуществляется с помощью следующих инструментов.
1. Заполнение выделенного участка регулярной ЦМР элементами матрицы с заданным значением высоты. Это может быть использовано, например, для исключения из ЦМР участка, принадлежащего автомобилю (Рис. 3).
Рис 3. Заполнение участка модели постоянным уровнем
2. Инструмент сглаживания участка модели может быть применен для решения проблемы недостаточно точного формирования наклонных участков модели поверхности. Пользователю доступны несколько методов сглаживания.
- Метод аппроксимирующей плоскости. В данном методе вычисляется аппроксимирующая плоскость на основе высот вершин полигональной фигуры, созданной пользователем. Этот метод может быть полезен при редактировании, например, участка модели, относящегося к наклонной крыше (Рис. 4). Этот подход позволяет отредактировать участки, которые должны быть представлены наклонной плоскостью, но имеют от нее недопустимые отклонения.
- Сглаживание методом взвешивания по значению, обратному расстоянию (IDW). Метод сглаживания, определяющий значение ячеек, как среднее взвешенное значение высот окрестных ячеек с весами обратно пропорциональными расстояниям до них. Метод позволяет пользователю установить параметр степени сглаживания модели.
- Сглаживание методом естественного соседа. В этом методе оценка значения ячейки модели определяется как средневзвешенное значений ближайших ячеек по аналогии с методом IDW, при этом оценка веса выполняется с использованием диаграмм Вороного (в отличие от метода IDW). Метод сглаживания с большей вероятностью исключает формирование экстремумов в виде «пиков», «ям» на результирующей поверхности.
Рис. 4. Редактирование участка крыши методом аппроксимирующей плоскости (слева – участок крыши до сглаживания, справа – результат сглаживания)
Построение трехмерных моделей высотных объектов при обработке данных аэрофотосъемки осложнена возникновением дефектов моделей на линиях излома, образованных плоскими гранями или плоской гранью и иной поверхностью. Такие дефекты свойственны участкам модели, которые недостаточно обеспечены перекрывающимися аэрофотоснимками, или изображены на снимках непредставительно, например, вертикальные поверхности стен зданий, и могут приводить к искажениям контуров высотных объектов (Рис. 5) при создании истинного ортофотоплана по регулярной ЦМП. Для исправления модели в таких случаях используется инструмент создания линий излома.
Рис. 5. Искажение контура высотного объекта на истинном ортофотоплане
Эта проблема может быть решена с использованием инструмента создания линий излома на регулярной матрице высот ЦМП, который применяется к построенной пользователем векторной фигуре: полилинии (незамкнутой ломаной линии) или полигону (замкнутой ломаной линии). Полигон использовать удобнее, когда линии излома, выбранные для редактирования, образуют замкнутый контур.
Фигура может быть создана инструментом векторизации на регулярной ЦМП или импортирована в проект в векторном формате. На модели происходит аппроксимация поверхностей по обе стороны линии, или с внешней и внутренней стороны полигона. Программное средство формирует уточненную регулярную ЦМП в виде матрицы высот. Значения высот ячеек матрицы высот ЦМП, принадлежащих плоскостям, вычисляются путем аппроксимации значений высот ячеек модели, которые находятся в области построения аппроксимирующих плоскостей. Область аппроксимации рассчитывается автоматически и зависит от величины максимальной разницы значений высот смежных ячеек модели, разграниченных линией, к которой применяется инструмент (Рис. 6, а,б.). Таким образом формируется ЦМП в виде матрицы высот, в которой линия излома представлена корректно, что позволяет минимизировать искажения при ортотрансформировании снимков в процессе построения истинного ортофотоплана (Рис. 6, в.).
Рис. 6. Редактирование контура крыши на ортофотоплане способом создания линии излома на ЦМП
(а – искаженный контур объекта на ортофотоплане, б – результат векторизации линии излома на ЦМП, в – корректный контур объекта на ортофотоплане)
Данная функция упрощает формирование истинного ортофтоплана, когда необходимо получить прямые кромки крыш зданий и исключить закругление углов крыш.
Представленные функциональные возможности Agisoft Metashape Profesional делают программный продукт универсальным инструментом фотограмметрической обработки снимков. Новые инструменты дают возможность пользователям создавать более точные и детализированные цифровые модели рельефа и поверхности, истинные ортофотопланы высокого качества. Также, новые инструменты улучшают возможности анализа цифровых моделей.
Автор статьи: В.А. Кохановский («Геоскан»).
Опубликовано в журнале «Геопрофи» №4, 2023, с.13-16.