Софтуер

Приложение на ГИС и дистанционни методи за изследване на земната повърхност при създаване на картографски продукти във ВГС

CIO Media



Изпълнявайки ангажиментите на Министъра на отбраната към Закона за геодезията и картографията и ангажиментите на България като член на НАТО и ЕС, Военно-географската служба (ВГС) на Министерството на отбраната е основен производител на геопространствени данни и картографски продукти в България. Модерната технология, високотехнологичното оборудване и добре обучените служители са в основата на изпълнението на тези ангажименти.

При създаването на цифрови географски продукти най-продължителен, трудоемък и скъп е процесът по набиране, редактиране и структуриране на цифровата информация за местността.

Пълната и точна географска информация за окръжаващия ни свят е от изключителна важност. Събрана и структурирана в цифров вид, тя би могла да бъде лесно поддържана, разширявана и актуализирана, както и използвана за извършване на географски анализи, моделиране на варианти и ситуации, свързани с релефа, пътната и ЖП мрежа, хидрографията, населените места, изграждане на информационни системи, създаване на симулационни модели и т.н.

Използването на технология, обединяваща съвременни хардуерни решения, високотехнологичен софтуер и високо квалифициран персонал са основните предпоставки за получаване на актуални, с високо качество и точност, в максимално кратки срокове и с минимална себестойност картографски продукти.

Източници на данни

Основни източници на информация, използвани в работния процес на ВГС, са: аеро и/или сателитни изображения и полеви измервания.

Допълнителни източници на информация са данни, предоставени от: ВВС, Хидрографска служба на ВМС, МРРБ, МИП, МЗХ, МОСВ, МТ, РВД, Национален геоложки фонд, Централен статистически институт, Център за аерокосмическо наблюдение и др.

Получаването на качествени, с висока точност, ниска себестойност и за максимално кратко време графични и атрибутни данни се постига чрез използване на следната технологична последователност:

>> Топографско дешифриране и „on screen” векторизиране на ортоизображения. Този метод на работа с 2D орторектифицирани изображения позволява извършване на топографско дешифриране и получаване на векторна информация в кратки срокове чрез използване на неспециализиран хардуер. В определени случаи (не повече от 10 - 15% от цялата информация) не позволява разпознаването на всички обекти от земната повърхност, което се компенсира с използване на други методи.

>> Стерео картиране – извличане на векторна и атрибутна информация в стерео режим. Уточняването на неразпознатите върху ортофото изображението обекти се извършва в стерео режим, чрез частично стерео картиране.

>> Полево обследване. При наличие на важни обекти или част от обекти, които не могат да бъдат дешифрирани или за които не могат да бъдат извлечени всички атрибутни характеристики чрез използване на предходните два метода, се извършва полево обследване на местността.

Дистанционни изследвания

Използването на дистанционните методи в дейността на ВГС датира още от края на 30-те години на миналия век с прилагането на аналоговата фотограметрия. През 1997 г. ВГС закупи първия си лиценз на софтуер за дистанционни изследвания на фирмата Erdas Imagine (версия 8.3), с което стартира усвояването и използването в своята работа на цифровата фотограметрия и дистанционно изследване на земната повърхност.

Сега ВГС използва високотехнологичния софтуер на фирмата LAICA – Erdas Imagine, инсталиран върху съвременен хардуер, позволяващ обработка на големи по обем масиви данни с висока скорост, както и работа в стерео режим и извличане на цифров модел на релефа.

Основен източник на данни за дистанционни изследвания са въздушни снимки (самолетни или сателитни) с големина на пиксела върху земната повърхност максимум 0,4 см. Те са резултат от реализирания в България европейския проект „Актуализация на цветна цифрова ортофотокарта на страната в периода 2012 – 2015 г. чрез ново самолетно заснемане за нуждите на Система за идентификация на земеделските парцели”, изпълняван от Министерството на земеделието и храните, на който ВГС е супервайзор.

Основна цел при обработката на получените цифрови изображения е премахването на всички деформации (геометрични и радиометрични) и преобразуването им в стерео модел и ортоизображения, които позволяват извличане на графична и атрибутна информация, необходима за попълване и поддържане в актуално състояние на основната географска база на ВГС.

Обработката на изображенията и решаването на блокова триангулация се извършва със софтуера ERDAS Imagine - LPS (Leica Photogrammetry Suite).

Постиганата във ВГС точност на блоковата триангулация е между 0,17 и 0,25 см. Полученият стерео модел гарантира извличане на графична информация с точност, отговаряща на изискванията на основната геобаза данни, както и автоматично извличане на цифров модел на релефа (DEM) и създаването на ортоизображения, отговарящи на същите, изисквани за геометрична точност.

Генериране на цифров модел на релефа (DEM)

Цифровият модел на релефа е 3D цифрово представяне на земната повърхност. Автоматичното извличане DEM включва извличане на информация за височината на всеки пиксел от изображението.

Генерирането на цифрови модели на релефа се извършва в софтуера ERDAS Imagine с приложението Automatic Terrain Extraction (ATE). ATE дава възможност за автоматично извличане на DTEM и DEM. За да се извлече автоматично модел на релефа, апроксимиран само върху земната повърхност, е необходимо настройване на специфични параметри в системата. Въпреки това, обикновено е необходимо допълнително редактиране на получената информация в стерео режим с цел коригиране котите на всички точки, нележащи върху земната повърхност.

Процесът на редактиране се извършва с приложението Terrain Editor (TE) (фиг. 1), като в стерео режим се проверява вертикалното положение на автоматично генерираните точките с 3D координати. Процесът е изключително бавен. Времето необходимо за генериране и редактиране на DTEM е 3 пъти повече от това, необходимо за генериране и редактиране на DEM.

Фигура 1. 3D точки, получени при автоматично генерираме на DEM

Създаването на DTEM е предизвикано от необходимостта за генериране на хоризонтали, необходими за визуализация на релефа във всички картографски материали, произвеждани от ВГС.

Орторектификация

Използваните снимки в проекта и цифровите модели на релефа, получени в процеса на решаване на блоковата триангулация, са входните данни за извършване на последната стъпка в процеса на обработване на изображенията в LPS-орторектификацията.

За получаване на геометрично верни и с добра читаемост (цвят, контраст, добра нормализация и т.н.) ортоизображения, позволяващи "on screen" извличане на векторна и атрибутна информация, са необходими висококачествени снимки и точни цифрови модели на релефа. Ортоизображенията се контролират по два основни показателя:

  • Геометрична точност – извършва се с използване на контролни точки (GCP), определени чрез полеви GPS измервания с точност 0,50 м и по-висока, и данни, получени от стереокартиране на линейни обекти (пътна и хидрографска мрежа) в предварително определени зони.

  • Радиометрични качества на изображенията – оценяват се яснотата и рязкостта на образа, големината на зони, покрити от облаци и сняг, както и разпознаваемостта на обекти, попадащи в сянката на други обекти.

Дигитализираната ("оn screen" векторизирана) информация от ортофото изображенията е основен източник на векторна и атрибутна информация за изграждане и поддържане в актуално състояние на основната географска база данни. Процесът се извършва в среда на софтуера ArcGIS на фирмата ЕСРИ със специално създадено от специалисти на ВГС приложение, позволяващо директно въвеждане на данните във временна база данни с модел, идентичен с модела на данните на основната база данни. След извършване на геометрична и атрибутна проверка данните се въвеждат в основната база данни.

Стереокартиране

Стереокартирането е друг начин за набиране на векторна и атрибутна информация. Процесът се извършва в приложението Stereo Analyst на софтуера Erdas Imagine. Софтуерът е адаптиран от специалисти на ВГС с цел получаваните данни да бъдат структурирани в модела на основната база данни (фиг. 2). Стерео картиране се извършва само на обекти, които не са разпознати върху ортофото изображенията. Пълното стерео картиране е необосновано бавен и скъп процес и във ВГС се прилага само при обоснована необходимост или за постигане на специфични изисквания на отделни проекти.


Приложение на ГИС и дистанционни методи за изследване на земната повърхност при създаване на картографски продукти във ВГС

© CIO Media, Cio.bg

Фигура 2. Процес на стереокартиране

Основна географска база данни (ГБД 25)

Основна част от дейността на ВГС е насочена към създаването и поддържането в актуално състояние на основната географска база данни. Тя е изградена чрез използване на софтуерните продукти на фирма ESRI – Arc GIS Server и Open Source база данни. Моделът на данните е разработен от специалисти на ВГС, като е използван стандартът DIGEST.

Характеристиките на геобазата данни са точност - покриваща изискванията за създаване на картографски материали в М 1:25К; координатна система - WGS 84, UTM 34N и UTM 35N; височинна система - mean sea level; модел на данните – създаден от ВГС.

Географската база данни ГБД25 съдържа следните типове данни:

  • векторни – създадени по стандарта ГБД 25;

  • растерни данни – сканирани разчленени позитиви на топографска карта в М 1:25 000, топографски карти от целия мащабен ред, сателитни и самолетни ортофото изображения;

  • база данни с високи препятствия – съдържа обекти, представляващи препятствия за въздухоплаването, с височина над 42 м;

  • база данни с наименования на населени места и орографски обекти;

  • база данни Vmap1 – използва се в процеса на създаване на карта в М 1:250К JOG по стандарта на НАТО DIGEST;

  • база данни Vmap2 - използва се в процеса на създаване на карта в М 1:50К TLM по стандарта на НАТО DIGEST;

  • база данни за изработване на държавна топографска карта DTK – в развитие;

  • модел на геоида за територията на Р България.

Структурата е ГБД с 8 бр. DataSets, като всеки от тях съдържа определен от стандарта (ГБД 25) брой обектни класове (например – за векторния DataSet те са 125 бр.)

Преди въвеждане на данните, получени от векторизиране на ортоизображенията и/или стереокартирането и/или полевото обследване, се извършват геометрични проверки - чрез използване на създадени във ВГС комбинации от топологични правила, и проверка на атрибутните данни - автоматична проверка на типа на данните чрез използване на атрибутни домейни, а верността на самите данни се проверява от оператори чрез използване на цялата налична информация за съответния обекта.

Цифрова картография

В областта на цифровата катография дейността на ВГС е свързана със създаването и поддържането на база данни DTK за създаване на държавната топографска карта и на специални карти по заявка на войските и силите, както и карти, изпълнявани по поръчка на държавни или частни организации, поддържането на геобази данни VMap 1 и VMap 2 за обновяване на карти в М 1:50К и 1:250К, които са отговорност на България като член на НАТО.

Технологията за създаване на тези два типа продукти е базирана на софтуера на фирма ESRI – ESRI Production mapping.


Приложение на ГИС и дистанционни методи за изследване на земната повърхност при създаване на картографски продукти във ВГС

© CIO Media, Cio.bg

Фигура 3. Предефиниран картен шаблон на Esri Defense Mapping

Esri Defense Mapping е специализирано софтуерно ГИС решение за създаване и поддържане на висококачествени топографски бази данни и карти за целите на отбраната при спазване на международните военни стандарти за картографски продукти. Esri Defense Mapping (фиг. 3) включва високотехнологични инструменти за управление и редакция на данни, качествен контрол, специфични за отбраната структури на геобази данни, както и голям набор от специализирана и стандартизирана симвология и картни шаблони. Всичко това допринася за решаването на редица предизвикателства, пред които се изправят военно-картографските организации, и води до подобряване на производителността чрез намаляване на времето, необходимо за събиране и управление на данни и карти. Постига се по-ефективно управление на геобази данни с използване на специализирани модели, отговарящи на специфичните стандарти в областта, опростяване на изготвянето и публикуването на карти посредством включената в продукта библиотека от картни шаблони и картографски символи, отговарящи на международните военни стандарти. Осигурява се ефективен и последователен процес на проверка на данни чрез автоматизиране на задачите за контрол на качеството на пространствените данни и др.

Като част от софтуерния пакет на Esri Defense Mapping е включен и софтуерът Esri Production Mapping. С него се предоставя обща работна среда за екипи от всякакъв размер, осигурявайки по този начин консистентност на данните във всички отдели и подобрявайки качеството на геопространствените данни и картографските продукти.

За да се адаптира софтуерът към изискванията на стандарта DIGEST 7074 и по-специално за създаване на картографски продукти в М 1:50К (TLM) и М 1:250 К (JOG), специалистите от ВГС създадоха кросреферентни таблици за извличане и импортиране на информация от GBD 25 в геобази VMAP 1 и VMAP 2; система за символизация за всички обектни класове за мащаби 1: 50K и 1: 250K заедно с техните атрибутни таблици; правила за визуализация на атрибути, цветове и др; шрифтове за многоезично представяне на географска информация; шаблони за автоматично генериране на извънрамково оформление; набор от правила за автоматично генерализиране на информацията, извличана от GDB25; кросреферентни таблици, преобразуващи екранните цветове (RGB) до стандартни цветове (Pantone) за отпечатване на аналогови карти.

ВГС е приела следната технологична последователност:

  • Получаване на гореописаните бази данни чрез кросреферентни таблици за извличане на данни от ГБД 25.

  • Зареждане в бази данни VMAP1 и VMAP2 чрез кросреферентна таблица на данните.

  • Автоматично генериране на извънрамковото съдържание чрез изполване на информацията от GDB 25.

  • Картографско редактиране на картното съдържание – редактиране на постройки, улици и др. Софтуерът Production mapping съдържа множество функции за автоматизиране на картографското редактиране, които дават възможност за повишаване на качеството и намаляване на времето за производство на картографски продукти. Въпреки всичко времето, необходимо за създаване на картен лист с пълно картографско редактиране и извършване на всички проверки за качество и точност, е около 15 дни. Особено важен процес при картографската редакция е така нареченото "кръстосване", което се извършва чрез използване на функции за „маскиране” на препокриващите се части на картографските обекти за постигане на високо качество на картографската визуализация, без да се нарушава целостта на пространствената информация.

  • Генериране на файлове за отпечатване на аналогови картографски продукти. Този процес се извършва в Esri Production mapping чрез функция за експорт на информацията от картния лист в "production PDF" файл.

Използването на софтуера Esri Production mapping допринесе за драстични положителни промени в производството на картографски продукти. ВГС е в състояние да създава картографски материали, покриващи стандартите на НАТО за качество и точност и съдържащи актуална информация за местността в изключително кратки срокове - в рамките на 48 часа, без извършване на картографско редактиране. Тези продукти са особено полезни за незабавна реакция при управлението на кризи и защита на населението от бедствия и аварии.

Заключение

Поддържането на добре структурирана и актуална база данни, работен процес, оборудван със съвременен високотехнологичен софтуер и хардуер, и последно, но не на последно място, високо квалифициран персонал е добър подход за създаване на възможност за производство на картографски материали и геоинформационни продукти, необходими за изпълнение на отговорностите на ВГС, както и възможност да отговори на новите предизвикателства в областта на предоставянето на географска информация.


X