Поняття, призначення та основні види цмр

Під цифровою моделлю рельєфу — розуміють цифрове подання топографічної поверхні у вигляді регулярної мережі комірок заданого розміру (grid DEM) або нерегулярної трикутної мережі (TIN DEM). Ці дві форми подання ЦМР є в наш час взаємно конвертованими і мають практично однакові можливості щодо подання і аналізу рельєфу, або цифрова модель рельєфу(ЦМР) – це впорядкований набір висот точок земної поверхні у цифровому вигляді разом з інтерполяційним алгоритмом, який дає можливість вичислити висоту будь-якої точки об’єкта з достатньою точністю.

Найбільш поширеними способами цифрового представлення рельєфу являється растрове представлення і особлива модель просторових даних, основана на сітці TIN та апроксимуюча рельєф-многогранна поверхня з висотними відмітками у вузлах трикутної сітки. Процес цифрового моделювання включає створення ЦМР, їх обробку та використання.

Побудова ЦМР у цьому випадку полягає в поширенні наявного обмеженого набору точкових даних про відмітки топографічної поверхні в прилеглі комірки растра, що суцільно покриває дану територію, з використанням методів просторової інтерполяції.
Просторова інтерполяція точкових даних ґрунтується на виборі аналітичної моделі топографічної поверхні. У загальному випадку топографічна поверхня являє собою функцію двох змінних Z = f(X, У), задану в деяких точках досліджуваної області простору, кількість і взаємне розміщення яких можуть бути, як відзначено вище, різними. Завдання інтерполяції тут, як і завжди (див. п. 8.2), полягає в тому, щоб побудувати за цими даними цю функцію для всієї області, тобто задати алгоритм обчислення функції f (X, Y) у будь-якій точці з координатами X, Y. У зв'язку з неможливістю опису топографічної поверхні в межах усієї території однією функцією для просторової інтерполяції поверхонь з регулярним розміщенням опорних точок звичайно використовують методи локальної (або кускової) інтерполяції. Для визначення значення змінної в розглянутій точці (вузлі) використовується не вся сукупність наявних даних, а дані вимірювань у точках, що знаходяться в деякому околі цієї точки. При цьому використовують поліноміальну і сплайнову інтерполяцію із застосуванням в останньому випадку бікубічних сплай-нів. При нерегулярній схемі розміщення опорних точок використовується кускова поліноміальна інтерполяція з застосуванням як ортогональних, так і неортогональних поліномів, рядів Фур'є, аналітична сплайн-інтерполяція (з використанням D-сплайнів), ковзного зваженого осереднення і деякі інші методи.

Джерелом вихідних даних для створення ЦМР поверхні являються топографічні карти, аерофотознімки, космічні знімки та інші ДЗЗ, дані альти- метричної зйомки, систем супутникового позиціонування, нівелювання і інших методів геодезії; підводного рельєфу акваторії – морські навігаційні карти, дані вимірювальних робіт; рельєфу поверхні та дна льодовиків – аерозйомка, матеріали фототеодолітної та радіолокаційної зйомки.

Призначення ЦМР

Сфери застосування ЦМР дуже різноманітні. Серед них можна виділити наступні:

- обчислення ухилів і експозиції схилів, що важливо в будівництві доріг і сільському господарстві при виборі полів під культури з різними вимогами щодо освітлення і ін.;

- аналіз поверхневого стоку на території;

- моделювання затоплення територій;

- аналіз видимості, який використовують при плануванні комунікаційних сіток, в військовій справі та інших галузях;

- вимірювання площ та об’ємів, отримання профілів поверхні;

- перегляд даних в трьох вимірах, створення віртуальних польотів над місцевістю і світлотіньових моделей.

Для цих і багатьох інших цілей потрібні цифрові моделі рельєфу з різною плановою і висотною точністю.

Обробка ЦМР служить для отримання виробничих морфометричних або інших даних, включно з обрахуванням кутів нахилу і експозиції схилів; аналіз видимості/невидимості; побудова тривимірних зображень, в тому числі блок-діаграм; профілів поперечного січення; оцінку форми схилів через кривизну їхнього поперечного і поздовжнього січення, виміряну радіусом кривизни основного нормального січення або її знаком, тобто випуклістю/вгнутістю; визначення позитивних і негативних об’ємів; генерацію ліній сітки водорозділів, які утворюють каркасну сітку рельєфу: локальних мінімумів, або впадин і локальних максимумів, або вершин, сідловин, бровок, ліній обривів та інших порушень "гладкості" поверхні, плоских поверхонь з нульовою крутизною; інтерполювання висот; побудова ізоліній по великій кількості значень висот; цифрове ортотрансформування при цифровій обробці зображення і інші обчислювальні операції та графічно-аналітичні побудови.

Способи отримання вихідних даних для побудови ЦМР досить різноманітні. До них належать:

- Геодезичне (польове);

- Картометричний;

- Фотограмметричний;

- Лазерне сканування.

Геодезичний спосіб полягає у визначенні висот точок будь-яким доступним прийомом, наприклад, з нівелювання по квадратах, тахеометричного знімання тощо.

Картометричний спосіб базується на використанні існуючих карт із відображенням рельєфу і полягає в цифруванні горизонталей вручну, напівавтоматично або в автоматичному режимі.

Фотограмметричний спосіб є одним з найкращих для створення ЦМР. Технологія залежить від того, який тип приладу використовується: аналоговий, аналітичний чи цифрова станція.

Лазерне сканування базується на використанні комплексу апаратури, який включає:

- Сканер лазерний (інфрачервоний);

- Бортова станція GPS;

- Наземна станція GPS;

- Інерціальна навігаційна система;

- Відеосистема;

- Блок реєстрації даних.

Ідея полягає в тому, що на борту літака встановлюється лазер, який висилає імпульс до точки об’єкта та приймає відбитий сигнал. Лазерний промінь завдяки дзеркалу відхиляється від свого початкового положення, так що ми дістаємо ряд про сканованих точок місцевості. Синхронно з лазерем функціонує бортова система GPS, яка фіксує місце положення літака, та інерціальну систему, яка фіксує кутову орієнтацію лазера.

Основні види ЦМР

Дані про рельєф місцевості зберігаються в програмі в 2-х видах – у вигляді вільної моделі (TIN) чи регулярної сітки (ЦМР). Вільна модель представляє собою нерегулярну сітку трикутників (TIN), отриману при тріангуляції вказаних контурів із карти («Контури класу рельєф»). Регулярна ЦМР може бути розрахована на будь-яку область і може мати будь-який розмір, обмежений тільки розміром диска.

Перевагами регулярної ЦМР являються компактність зберігання даних, розвиток способу обробки (згладжування та інші), площовий редактор. Є можливість візуалізації регулярної ЦМР у вигляді горизонталей, «гіпсової відмивки» чи в 3D – режимі літаючи над рельєфом місцевості.

Перевагою вільної моделі являється більш висока точність побудови ортофотопланів. Це особливо проявляється у випадку доріг на вузьких високих насипах, при наземній фототеодолітній зйомці.

За розташуванням вихідних точок та порядком формування можна виділити 3 основні групи ЦМР:

1. Ті, які не враховують структуру рельєфу;

2. Ті, які частково враховують структуру рельєфу;

3. Ті, які повністю враховують структурну будову рельєфу.

До першої групи можна віднести регулярні моделі та моделі,задані точками з довільним розташуванням.

До другої групи належать регулярні моделі, доповнені точками, розташованими на структурних лініях і характерними точками. Також можуть відноситись моделі, в яких вихідні точки розташовані за профілями.

Моделі, які враховують структуру рельєфу поділяються на:

а) структурні, в яких вихідні точки моделюють структуру рельєфу;

б) моделі, в яких вихідні точки розташовані на ізолініях залежно від їхньої кривизни.

Розділ 2. Технологічна схема камеральних робіт при створенні цифрових ортофотопланів та ортофотокарт

Підготовчі роботи.

Перед виконанням фотограмметричної обробки знімків виконують підготовчі роботи, які включають:

· збір, вивчення та оцінку вихідних знімальних та картографічних матеріалів, а також матеріалів польових топографо-геодезичних робіт;

· робоче технічне проектування процесів обробки знімків;

· підготовку необхідних матеріалів і вихідних даних;

· підготовку технічних засобів;

· підготовку редакційних вказівок;

· підготовку інженерно-технічного персоналу та виконавців.

Окремі види підготовчих робіт можуть здійснюватись паралельно або в іншій послідовності, ніж перераховано в цьому пункті.

Вихідними матеріалами для створення ортофотокарт можуть служити матеріали наземної аеро- або космічної зйомки та матеріали планово висотної підготовки знімків.

Разом з вихідними матеріалами вивчають і аналізують також інструкції, методичні вказівки, умовні знаки і інші документи які потрібні для проведення робіт.

Вивчення та оцінка матеріалів проводиться з метою виявлення:

а) повноти і якості всіх матеріалів знімальних робіт;

б) відповідності фотографічної та фотограмметричної якості матеріалів вимогам нормативно-технічної документації;

в) повноти паспортних даних використовуваних знімальних систем;

г) забезпечення знімками минулих років території картографування.

При вивченні матеріалів наземного знімання перевіряють точність визначення координат і висот знімальних станцій і контрольних точок, а також довжини базисів зйомки, контрольних напрямків та напрямків оптичних осей камери. Вивчення та оцінка матеріалів польових топографо-геодезичних робіт проводиться з метою виявлення:

ü комплектності цих матеріалів;

ü відповідності фактичного розміщення точок знімального обґрунтування технічному проекту;

ü якості зображення замаркованих точок та якості розпізнавання на знімках контурних точок знімального обґрунтування;

ü точності визначення координат та висот точок знімального обґрунтування.

Планово-висотною основою можуть бути пункти ДГМ, пункти геодезичних мереж згущення та пункти координати та висоти яких визначення при проведення планово-висотної підготовки знімків. Точність знімальної геодезичної мережі, які використовуються для фотограмметричного згущення повинні мати середню похибку планового положення не більше 0,1 мм в масштабі створеного плану або карти і 0,1 прийнятої висоти перерізу у висотному відношення.

Робоче технічне проектування процесів обробки знімків. В робочому технічному проекті повинні бути вказані та технічно обґрунтовані способи фотограмметричної обробки. При цьому необхідно враховувати характер місцевості, щільність забудови, якість виконаної повітряної та наземної зйомки, густота і розміщення пунктів геодезичного обґрунтування, оснащеність фотограмметричними приладами та програмним забезпеченням.

На етапі робочого проектування складають схему фотограмметричного згущення. В залежності від обсягу та якості планово-висотної підготовки знімків може передбачатись:

- фотограмметричне згущення знімального обґрунтування та подальший збір цифрової інформації про місцевість за одиночними знімками або стереопарами:

- обробка одиничних знімків або стереопар орієнтованих безпосередньо на точках планово-висотної підготовки або по контурних точках розпізнаних на наявних знімках минулих років або на планах і картах крупнішого масштабу.

Опорними даними для фотограмметричного згущення є розпізнані на знімках пункти ДГМ, геодезичної мережі згущення та точки знімальної геодезичної мережі. На схемі фотограмметричного згущення показують:

- межі аерознімання ділянок;

- осі маршрутів;

- вказують номери початкових та кінцевих знімків маршруту, дату виконання знімання та номер камери.

Також на схему можуть бути вписані:

- характеристики знімальних камер та приладів, що використовуються для визначення елементів орієнтування знімків;

- гідрографічна мережа із зазначенням місць польових відміток урізу води і проектних місць для фотограмметричних визначень. Дані місця позначаються з густотою в 2 – 2,5 рази більшою, ніж потрібно для зображення на плані;

- пункти ДГМ і точки знімального обґрунтування з обов’язковим виділенням замаркованих точок;

- межі маршрутів мереж та блоків;

- черговість обробки мереж по ділянці.

Стереопари для спостережень у межах маршруту необхідно скласти так, щоб вони були однаково орієнтовані щодо місцевості. Це означає, що одні маршрути потрібно спостерігати у порядку зростання номерів знімків, а інші в порядку спадання.

Камеральне дешифрування знімків в залежності від характеру та вивченості району може виконуватись до або в комплексі зі стереоскопічною рисовкою рельєфу та збором контурів або як окремий процес.

Стереоскопічна рисовка рельєфу виконується на аналітичних або цифрових приладах. Процес збору цифрової інформації по контурах виконується в одному із варіантів:

- монокулярно на цифровому фотограмметричному приладі пл. ортофотозображенню або по одиничному знімку з використанням наявної інформації про рельєф;

- стереоскопічно з використанням цифрових та аналітичних приладів.

Перший варіант виконується, як правило, при створенні топографічних карт масштабів 1:25000, 1:10000 або планів 1:5000 для горбистих і рівнинних районів. При зйомках населених пунктів з дрібною забудовою та при створенні планів масштабу 1:2000 на переважно рівнинній та горбистій незабудованій території, а також на території з малоповерховою забудовою.

Другий варіант передбачається при створенні топографічних карт і планів на горбисті, гірські та високогірні райони або на території з щільною багатоповерховою забудовою. Використання матеріали наземної фототеодолітної зйомки проектується при зйомці в масштабах 1:25000 і 1:10000 гірських районів при зйомці в масштабі 1:5000 і крупніше для складання топографічних та спеціалізованих планів.

Підготовка необхідних матеріалів і вихідних даних. Вихідними для фотограмметричної обробки є такі матеріали:

ü Вихідні негативи та діапозитиви на склі та плівці, якщо це передбачено технологією робіт;

ü Контрольні відбитки на фотопапері або збільшені відбитки у масштабі близькому до масштабу вихідного матеріалу;

ü Каталог координат та висот пунктів ДГМ, геодезичних мереж згущення, точок знімальної основи, отриманих геодезичними методами. На кожну опорну точку у вихідних матеріалах повинні бути присутніми абриси і детальний опис. Координати опорних точок повинні бути в тій системі координат, в якій передбачено створена ортофотокарта чи план. В іншому випадку необхідно виконати перерахунок координат.

ü Копія паспорта знімальної системи із зазначенням елементів внутрішнього орієнтування, еталонних координатних міток та інші відомості для традиційних та нетрадиційних камер.

ü Середнє значення висоти фотографування або середній масштаб аерознімання.

Підготовка матеріалів та вихідних даних включає виготовлення діапозитивів та відбитків збільшених до масштабу плану для дешифрування, нанесення на знімок опорних точок, обробку супутникових або інших бортових вимірювань, сканування знімків і перенесення цифрових вихідних даних на машинні носії. При виборі опорних точок необхідно дотримуватись наступних умов:

а) опорні точки повинні чітко розпізнаватись на знімку;

б) при суцільній підготовці знімків кількість опорних точок повинна бути не менше 5. Причому 4 опорні точки повинні бути розташовані по кутках знімка, що дозволяє найбільш точно визначити елементи зовнішнього орієнтування знімка або стереопари.

в) при фотограмметричній обробці можуть використовуватись координати центрів проектування, значення кутових елементів зовнішнього орієнтування, висот фотографування визначені в польоті.

Топографо-геодезичні роботи в Україні виконуються в СК-42, СК-63. Через відмінності параметрів еліпсоїдів виникає необхідність коректування даних GPS.

Для сканування знімків слід використати фотограмметричні сканери, що мають стабільний елемент роздільної здатності 5-15мкм і інструментальну похибку 3-5мкр. Допуск сканування як негативного фільму так і діапозитивного зображення, отриманого на фотоплівці або скляній пластинці.

Підготовка технічних заходів. Вона включає перевірку їх комплектності, калібровку та тестування, а також перевірку наявності та працездатності програмного забезпечення. Для виконання повір очних робіт використовують набір спеціальних тестів контрольних сіток, еталонних знімків, тощо. Особлива увага повинна приділятись контролю правильності на надійності роботи вузлів приладу, які відповідають за фіксацію плоских або просторових координат точок у системі фотограмметричного приладу або сканера. Також необхідно переконатись у відповідності систем координат пристрою вимогам програмного забезпечення. При необхідності передбачується перетворення даних з лівої системи координат в праву і навпаки.