Использование цифровых аэрокамер не только удобно, но в ряде случаев экономически оправдано, хотя и имеет свою специфику

А.Ю. Сечин (ЗАО «Ракурс»)

Цифровые технологии, ставшие одной из примет современности, все глубже проникают в различные сферы человеческой деятельности. Не могли они не затронуть и аэросъемку. Цифровые аэрокамеры заняли прочные позиции в перечне продукции многих производителей (см. таблицы 1 и 2). Использование таких камер не только удобно, но в ряде случаев экономически оправдано, хотя и имеет свою специфику1. Наибольший интерес для пользователей представляют так называемые крупноформатные (широкоформатные) камеры, например, UltraCam-X Prime (Microsoft-Vexcel Imaging GmbH, Австрия), DMC (Intergraph Corp., США), ADS80

(Leica Geosystems AG, Швейцария), которые позиционируются производителями в качестве замены аналоговых аэрофотокамер. Для съемки линейных и небольших площадных объектов экономически эффективными признаны среднеформатные камеры. Для решения ряда задач могут задействоваться комбинации камер — крупноформатная камера снимает в направлении надира, среднеформатные под углом к нему (перспективная съемка; например, см. публикацию http://gisa.ru/56662.html ). Результаты комбинированной съемки после дополнительной фотограмметрической обработки могут найти применение в деятельности военных, полицейских, пожарных: специализированное приложение, ориентированное на неспециалистов в области аэросъемки и имеющее простой пользовательский интерфейс, позволяет просматривать отснятую местность с «высоты птичьего полета» и проводить простейшие измерения (размеры оконных и дверных проемов, расстояния между домами и т. п.).

Аналоговые камеры ведут съемку на специальную лавсановую пленку. Размер одного кадра при этом составляет 230x230 мм. После сканирования пленки на специальном фотограмметрическом сканере с типичным разрешением 15 мкм получают цифровые изображения размером 15x15 тыс. пикселов, т. е. больше 200 мегапикселов. В настоящее время светочувствительные матрицы такого размера не производятся. Поэтому для получения цифровых изображений сравнимого размера в камерах UltraCam-X и DMC осуществляется «сшивка» фрагментов изображений, полученных несколькими матрицами. В камере UltraCam-X Prime таких матриц девять. Съемка ведется четырьмя объективами, ее синхронизация выполняется за счет движения летательного аппарата таким образом, чтобы совместить центры проекции объективов. Размер результирующего кадра составляет 14 430х9420 пикселов (136 мегапикселов). В камере DMC применяется другой подход — съемка четырьмя объективами ведется синхронно с точностью 0,01 миллисекунды. Размер результирующего кадра — 13 500х8000 пикселов (108 мегапикселов).

Другим подходом для получения цифровых изображений большого размера является использование светочувствительной линейки, которая, перемещаясь вместе с самолетом, формирует цифровой «ковер» произвольной длины. Этот метод, принятый при съемке с космических аппаратов, нашел применение и в аэросъемке (камера ADS80). Геометрия таких снимков непривычна для фотограмметристов, работающих с кадровыми камерами. В отличие от условий формирования спутниковых изображений, когда траектория движения носителя не подвержена колебаниям, аэроизображения требуют дополнительной коррекции, так называемого преобразования изображений Level 0 в Level 1. Уравнивание «ковров» снимков и их преобразование к виду Level 1 проводятся с помощью программ, поставляемых с камерой (например, см. публикацию на с. 35–38).

Крупноформатные камеры UltraCam и DMC используют черно-белые (grayscale) матрицы для получения изображения с высоким разрешением. Одновременно ведется съемка на матрицы с меньшим разрешением, чувствительные в красном, синем, зеленом и инфракрасном диапазонах спектра. Соотношение числа черно-белых и цветных пикселов составляет 22 для DMC и 9 для UltraCam. Для формирования цветных изображений с высоким разрешением для этих камер необходимо использовать алгоритм паншарпенинга (pan-sharpening). Для ADS80 подобные действия не нужны, так как параллельно со съемкой на черно-белую линейку ведется съемка на линейки, чувствительные в красном, синем, зеленом и инфракрасном диапазонах спектра. При этом за счет специальной оптики все линейки имеют единый центр проекции, и процедура получения цветного или спектрозонального изображения сводится к простому «смешиванию» каналов.

Среднеформатные камеры устроены существенно проще, выпускают их многие производители. Наиболее известными являются камеры: RMK-D (Intergraph Z/I Imaging, США), DSS (Applanix Corp., Канада), RCD100 (Leica Geosystems, Швейцария), Rollei AIC (Trimble Navigation, США), DiMAC Lite (DIMAC Systems, Люксембург). Как правило, эта аппаратура имеет разрешение 20–60 мегапикселов, оснащена светочувствительной матрицей Байра, одним объективом и сразу формирует цветное или инфракрасное изображение.

Важной характеристикой цифровых аэрокамер является физический размер пиксела матрицы. Чем он больше, тем больше фотонов регистрируется в единицу времени, что при прочих равных параметрах позволяет проводить съемку при худших условиях освещенности. Большинство цифровых аэрокамер создают изображения глубиной цвета более 8 бит на пиксел, что позволяет разглядеть детали в тенях, недоступные при аналоговой съемке. Угол обзора цифровых камер приблизительно соответствует углу обзора аналоговых камер с фокусным расстоянием 300 мм. Таким образом, цифровые камеры являются длиннофокусными. «Скорострельность» (число кадров в единицу времени) современных камер такова, что возможна съемка с малых высот, при которых размер пиксела на местности (GSD) составляет единицы (3–5) сантиметров при 60% перекрытии соседних снимков.

Фотограмметрическая обработка снимков, полученных цифровыми кадровыми аэрокамерами, аналогична обработке аналоговых снимков. Более того, процедура внутреннего ориентирования цифровых аэроснимков значительно упрощена и заключается в вводе данных из паспорта камеры. Следует учесть, что съемка цифровыми камерами часто ведется с большим (более 60%) перекрытием. Это позволяет формировать более качественные ортофотопланы, но накладывает дополнительные условия на работу модулей измерения связующих точек и уравнивания. Для сканирующей камеры ADS80 значительная часть фотограмметрической обработки проводится с использованием программного обеспечения, поставляемого в комплекте с ней. Некоторые цифровые фотограмметрические системы позволяют выполнять стереообработку (построение ЦМР, рисовку в стереорежиме) и ортотрансформирование материалов, полученных на основе снимков ADS80 после использования ПО фирмы-производителя.

Для монтажа цифровых камер на носителе могут использоваться стандартные гироплатформы или приобретаемые вместе с камерой. Для эксплуатации камеры на основе светочувствительной линейки (ADS80) кроме гироплатформы необходимо наличие GPS/IMU-системы. При этом установленный на борту самолета приемник GPS должен работать в дифференциальном режиме (совместно с наземными базовыми станциями) для того, чтобы получить максимально возможную точность обработки. Если же дифференциальным режим недоступен, возможно применение методов PPP (Precise Point Positioning) для обработки данных GPS с применением уточненных эфемерид спутников.

Во время подготовки статьи появилось сообщение о выпуске компанией DiMAC Systems новой крупноформатной аэрокамеры DiMAC WiDE+ с разрешением 13 000х8900 пикселов (116 мегапикселов). Изображение (цветное или инфракрасное) формируется из двух 60-мегапиксельных модулей и не требует паншарпенинга. Таким образом, на рынке цифровых крупноформатных аэрокамер появился новый продукт.