Координатное совмещение космических снимков и цифровых карт.
Используемые в настоящий момент в Республике Коми цифровые карты представлены в системе координат Гаусса-Крюгера (всего пять зон). Эта проекция является а) конформной б) поперечно-циллиндрической. В конформных проекциях углы между линиями на поверхности и карте не меняются, а масштаб в данной точке не зависит от направления. [2] Проекция составлена с таким условием, что на границе зоны относительные искажения длин объектов не превышают 1/2000. Характер искажений изображения на снимке более сложен. Основой возникающих искажений является нелинейная зависимость между скоростью сканирования в надире (самой нижней точке) и на краях зоны обзора [3]. Существенное влияние на геометрию снимка оказывает так же дисторсия объектива и кривизна поверхности Земли. Положительным качеством космических изображений является то, что из-за большой высоты фотографирования на них отсутствует значимое для нас искажение, вносимое рельефом.
Для того, чтобы осуществить обновление необходимо совместить на экране компьютера космическое изображение и, собственно, обновляемую карту. Очевидно, что из-за сложности разнообразных искажений имеющих место на карте и, особенно, на снимке, не удастся при помощи простых программных средств определить какое либо аналитическое преобразование от "снимка к карте". В данном случае можно пользоваться некоторыми локальными приближениями (которые, очевидно всегда существуют) таких преобразований. Как показывает опыт работы предприятия "Уралгеоинформ" для подавляющего большинства снимков достаточно использовать локальные (т.е. применяемые отдельно для некоторой совокупности смежных обновляемых участков) перспективные преобразования. Аффинных преобразований, как показывает практика, во многих случаях бывает недостаточно или зона, в которое обеспечивается наилучшее поконтурное совпадение оказывается слишком маленькой.
Основой для определения преобразований, являются координаты соответственных точек (реперов) измеренных одновременно на снимке и на карте. Для определения перспективных преобразований достаточно 4-х точек, но лучше определять их как можно больше, в этом случае будут усредняться ошибки положений объектов на цифровой карте. Кроме того, для отождествления необходимо выбирать:
q наиболее четко видимые характерные точки контуров, желательно по характеру локализации близких к линейным (резкие повороты дорог, места пересечения дорог, места слияния примерно одинаковой ширины, пересечения узких просек под инженерные коммуникации)
q т.н. твердые контура, положение которых на топографических картах определяется с меньшей погрешностью и которые не имеют тенденции изменяться с течением времени. Лучшими контурами являются: дороги и узкие просеки. Наиболее неточные контура: береговая линия широких равнинных рек, границы лесов (особенно возле населенных пунктов).
Реперы должны равномерно располагаться по периметру участка (большая часть) и в его центральной области (меньшая часть). При этом каких либо критериев по выбору размера обновляемого участка не существует, как правило это следует из личного опыта, который приобретается довольно быстро при постоянной работе, но общ геометрия участков должна по возможности быть построена в виде ячеек регулярной сетки. В зависимости от степени перекрытия снимка и цифровой карты эта сетка может состоять и 9 (3x3) или 16 (4x4) ячеек-участков равномерно покрывающих площадь обновления.
Применительно к GeoDraw, для преобразования можно воспользоваться возможностями по трансформированию векторных слоев. В данной версии этой программы (1.14) мы не рекомендуем пользоваться преобразованиями растровых слоев, т.к. это ведет к сбою в работе программы. Кроме того операция преобразования растра достаточно длительна и ее результат невозможно отменить, поэтому в случае ошибок в выборе реперов или неточного измерения их координат придется повторять все сначала, что отнимет много времени. Таким образом, мы преобразуем вектор к растру, а не растр к вектору.
После выполнения преобразований необходимо проконтролировать точность по совмещению контуров объектов во внутренней части выбранного обновляемого участка. Систематических ошибок в положении быть не должно. Если они возникают, то возможно, были ошибки в положении реперов или выбранный обновляемый участок слишком велик. Если систематические ошибки небольшие и имеют характер сдвига, постоянного для всех объектов обновляемого участка, то для его исправления можно пользоваться преобразованиями типа сдвиг-поворот.
Желательно исключить из процесса проверки объекты, которые с большой степенью вероятности могли подвергнуться существенным изменениям с момента последнего обновления цифровой карты, или те объекты, положение которых на карте указывается со значительной погрешностью. Это леса и их внутренние контура, границы урбанизированных территорий, болота, водоемы в заболоченной местности, старицы, острова, песчаные косы.
Привязка вектора считается удовлетворительной, если:
q Отклонения в среднем, группируются относительно осевых линий объектов на карте.
q Некоторое количество объектов (не более 5-10%) от их общего числа (иногда все они могут принадлежать к одному типу), могут иметь небольшое систематическое смещение вследствие ошибок при картосоставлении, и его величина не превышает 50-60 м.
Следующий обновляемый участок необходимо выбирать так, чтобы он на 10-20% по площади перекрывался с предыдущим обновляемым участком. Лучше всего, если при выборе следующего участка часть реперов, располагающихся по его периметру попадут во внутреннюю область предыдущего участка. Это позволит:
q обеспечить минимальное искажение при переходе от участка к участку.
q воспользоваться данными, полученными на этапе проверки точности совмещения для предыдущего участка для исключения из числа кандидатов на реперные точки те, которые изменились с течением времени или в положении которых имеется ошибка внесенная на этапе картосоставления или цифрования.
Рис. 7. Общая схема процесса.
После завершения обновления всех участков, необходимо преобразовать карту к исходной системе координат Гаусса-Крюгера. Для определения этого преобразования можно воспользоваться слоем, содержащим координаты углов рамки карты или всю рамку (из которой легко можно получить координаты ее углов). В качестве реперов исходной системы координат будут выступать координаты углов рамки карты, измеренные в системе координат последнего обновляемого участка, а в качестве реперов новой системы - координаты этих углов в системе Гаусса-Крюгера.
Так как мы можем определить таким образом только 4 репера, следовательно, мы можем использовать для обновления листа карты только перспективные преобразования или преобразования меньшего порядка - аффинные (3 репера) и сдвиг-поворот (2 репера). При использовании преобразований более высокого порядка придется использовать более трудоемкий алгоритм совмещения.
По опыту работы предприятия "Уралгеоинформ", затраты на выбор реперных точек и преобразование цифровой карты составляют от 20 до 60 минут на одну операцию, в зависимости от сложности выбора подходящих точек.
Рекомендации по выбору реперных точек.
При привязке цифровых карт на хорошо освоенных территориях, где имеется множество различных объектов, в качестве реперов лучше всего выбирать (по порядку уменьшения предпочтительности):
q перекрестки дорог и просек
q характерные повороты дорог и просек.
При привязке цифровых карт в малонаселенной территории, наиболее предпочтительны в качестве реперов:
q места слияния рек
q характерные, резкие, хорошо выраженные в масштабе карты, изгибы мелких рек
q небольшие озера и острова на них (с осторожностью, критерием пригодности может служить сходство формы этих объектов на карте и снимке).
Как показывает практика всегда можно найти достаточное количество реперных точек для привязки.