4. Цифровое ортофототрансформирование по снимкам с изображением искусственных сооружений

И звестно, что одной из проблем ортофотоизображений является неправильное отображение искуственных сооружений (дома и другие постройки), имеющих превышения над цифровой моделью рельефа (ЦМР). Они изображаются со смещением относительно их положения в ортогональной проекции. С тем, чтобы получить правильное отображение в ортогональной проекции таких объектов необходимо иметь трехмерную цифровую модель сооружений (ЦМС), которая может быть получена в результате векторизации объектов по стереопарам.

Рис.1.4.1 Рис.1.4.2

На рис.1.4.1 показано формирование ортофотоснимка без учета цифровой модели искусственных сооружений (ЦФС) и с учетом ЦФС (рис.1.4.2). Если ортофотоизображение создается только по цифровой модели рельефа (ЦМР), то точка С, находящаяся на крыше здания изобразится на ортофотоизображении в точке С’₀ вместо своего правильного положения в ортогональной проекции С₀. При этом точка местности М на ортофотоснимке не изобразится, так как лежит в мертвой зоне, обозначенной 1-2. Таким образом, крыша здания будет смещена на ортофотоснимке, относительно своей ортогональной проекции. Если имеется цифровая модель сооружений (рис.1.4.2), то точка С изобразится на ортофотоснимке дважды: в точках С₀ и С’₀. В этом случае крыша здания займет правильное положение в ортогональной проекции, а в мертвой зоне (1-2) будет ее же изображение.

Существуют различные алгоритмы определения и заполнения мертвых зон изображением с других снимков, на которых они изобразились.

В работе [10] предлагается метод определения мертвых зон на основе вычисления видимостей какого-либо объекта с заданной точки съемки S (рис.1.4.3)

Рис.1.4.3

Выявление видимости объекта на снимке начинается с центрального элемента цифровой модели местности и затем осуществляется проверка на условие видимости всех восьми соседних элементов, то есть определяется, закрывает ли исходный элемент соседний. Для этого сравнивают угол  , составленный лучом, направленным из точки S на элемент А и отвесной линией, с углом  - углом между направлением на элемент В и отвесной линией. Если , то элемент А не закрывает соседний элемент В. Для сохранения результатов анализа создается матрица «ограничений» таких же размеров, как и ортофотоснимок. Элементы матрицы соответственно принимают значения «0», если элемент закрыт другим лучом или «1» в противном случае. Следующий шаг обработки заключается в умножении каждого элемента матрицы пикселей ортофотоизображения на соответствующий элемент матрицы «ограничений». Затем осуществляется поиск пикселей, имеющих плотность «0» и присвоение этим элементам значение плотностей из соседних ортофотоснимков.

Очевидно, что данный метод может быть реализован только при наличии ЦМР с шагом равным размеру пикселя на ортофото. Получение такой плотной ЦМР является очень сложной задачей, в основном из-за большого объема работ по редактированию такой модели, особенно при наличии искусственных сооружений, где любой автомат не работает. Кроме того, проблематичным становится выявление мертвых зон в случае, если группа элементов закрывает другую группу элементов. Поэтому такой подход практически не применим для решения проблемы искусственных сооружений. Он может быть применен только для мелкомасштабных снимков.

Другой метод [69] больше подходит для создания ортофотоизображения местности с искусственными сооружениями. Метод предусматривает наличие цифровой модели рельефа и цифровой модели сооружений, представленной в векторном виде. Основная идея заключается в получении, так называемой, «индексной матрицы», которая имеет размеры исходного снимка. Каждому элементу этой матрицы присваивается определенный код (число): 0 – для пикселей отображающих поверхность земли; 1 – для пикселей лежащих на верхней части сооружения («крыше»); 2- для пикселей, принадлежащих вертикальным стенам (рис. 1.4.4).

Процесс создания индексной матрицы и ортофотоснимка состоит из следующих этапов:

• Вся индексная матрица (размером с исходный снимок) заполняется кодом 0, т.е. как бы все пиксели принадлежат поверхности земли.

• Перевычисляются все полигоны, принадлежащие крышам сооружений и вертикальным стенам в систему координат исходного снимка.

• Заполняется индексная матрица кодами 1 и 2 для крыш и стен соответственно. При этом учитывается видимость стен.

Рис.1.4.4

• Формируется ортофотоизображение с учетом только цифровой модели крыш, используя прямое или обратное трансформирование. В результате получают «ортофотоизображение крыш».

• На исходном снимке стираются все пиксели, имеющие коды 1 или 2. В результате получают «изображение-маску» (без изображений сооружений).

• Формируется ортофотоизображение с учетом только цифровой модели рельефа методом обратного трансформирования. Получают «ортофотоизображение земли».

• Комбинируют «ортофотоизображение земли» с «ортофотоизображением крыш», используя растровую алгебру. При этом мертвые зоны заполнятся белым цветом.

Мертвые зоны можно заполнить изображением с других исходных снимков, создав по ним независимые ортофотоснимки, а затем сформировав из них общее ортофотоизображение на заданный участок, используя растровую алгебру.

Этот способ является эффективным для отдельно стоящих зданий при не плотной застройки. Кроме того, он не решает проблемы мертвых зон, образуемых естественными формами рельефа.

Ортофотоизображение можно строить на заданный участок сразу по всем исходным снимкам (без построения отдельных ортофотоснимков по каждому исходному снимку) с учетом ЦМР и ЦМС, что позволит значительно сократить вычислительный процесс и более адекватно выбрать снимок, с которого следует брать изображение. Идея метода показана на рис.1.4.5. Для пикселя ортофотоснимка М₀ с координатами X,Y по ЦМР определяют координату Z точки местности М. Затем по ЦМС анализируют есть ли над этой точкой сооружение. Если нет (как в данном случае), то переходят к анализу пересечения лучей МS₁, МS₂, МS₃ с ЦМС для снимков, на которых должна изобразиться данная точка. Для луча МS₃ такое пересечение существует, поэтому снимок S₃ из дальнейшей обработки исключается, так как точка М на нем не изобразилась. Теперь встает вопрос, с какого снимка S₁ или S₂ взять плотность? Естественно, лучше взять плотность со снимка S₂, так как луч МS₂ ближе к надирному лучу, а следовательно изображение точки М будет иметь меньшие искажения, за счет центральной проекции исходных снимков.

Для пикселя ортофотоснимка С₀ с координатами XY, после нахождения координаты Z по ЦМР, к последней прибавляют высоту сооружения h, взятую из ЦМС. Плотность берут со снимка, для которого соответствующий проектирующий луч ближе к надирному, т.е. со снимка S₂.

Таким образом, формируется ортофотоизображение, на котором все искусственные сооружения будут представлены в ортогональной проекции.

В случае, если ЦМС отсутствует, то можно минимизировать смещения искусственных сооружений на ортофотоизображении путем формирования его сразу по всем снимкам, выбирая для каждого пикселя ортофотоизображения луч наиболее близкий к надирному.

Рис.1.4.5