Method of collection of control points for georeferencing of aerial images

Abstract

Мета. В фотограмметрії фундаментальною задачею є визначення елементів зовнішного просторового орієнтування знімальних систем на момент отримання ними зображень. Принципово ця задача вирішується двома шляхами. Перший шлях – пряме позиціонування та вимірюванням напрямків орієнтування оптичної осі камер в геодезичному просторі з допомогою GPS/INS апаратури. Другий шлях – аналітичне вирішення задачі з допомогою набору опорної інформації (найчастіше такою інформацією є набір опорних точок, геодезичне положення яких відоме з достатньою точністю і які надійно зчитуються на аерознімках фотограмметричного блоку). Автори розглядають завдання забезпечення опорною і контрольною інформацією саме другого підходу, який має ряд переваг щодо надійності та точності визначення шуканих параметрів орієнтування знімків. Отримувати зображення опорних точок пропонується за методом додаткового їх аерознімання з допомогою БПЛА в більшому масштабі порівняно із масштабом знімків фотограмметричного блоку. Метою представленої роботи є реалізація методу створення опорних точок та експериментальне підтвердження його ефективності для фотограмметричних опрацювань. Методика та результати роботи. Для повної реалізації потенціалу аналітичного шляху визначення елементів зовнішнього орієнтування знімків необхідна наявність певної кількості опорних точок та дотримання визначеної схеми їхнього розміщення в охопленні фотограмметричного блоку знімків чи космічного знімка. Як джерело опорної інформації автори виокремлюють аерознімки місцевості, які отримані автономно від основного знімання (наприклад, з квадрокоптера), мають краще геометричне розрізнення і на яких зображено опорні точки. З таких допоміжних знімків є можливість автоматизованого перенесення зображень опорних точок на знімки основного фотограмметричного блоку. У нашому трактуванні ці зображення опорних точок та їхнього оточення на місцевості називають “опорні образи”. Основою роботи є розроблення способу отримання опорних образів з допоміжних аерознімків і перенесення цих образів на основні аеро- або космічні знімки місцевості засобами комп‘ютерного стереоототожнення. Для досягнення поставленої мети ми розробили спосіб опрацювання для створення опорних образів аерознімка чи серії допоміжних різномасштабних аерознімків, отриманих дроном з різних висот над опорною точкою. Оператор опізнає точку один раз на допоміжному аерознімку найвищого розрізнення. Далі відбувається автоматичне стереоототожнення опорного образу на всій серії допоміжних знімків послідовно із зменшенням розрізнення і в кінцевому результаті – безпосередньо на аерознімках фотограмметричного блоку. Ніяких опізнавань/наведень курсора оператором-людиною і пов’язаних з ними розбіжностей, промахів і помилок не відбувається. Крім того, вказаний метод при застосуванні достатньо великого розміру образів-еталонів можна застосовувати на малоконтурній місцевості і тому можна обійтись в багатьох випадках без фізичного маркування точок. А це шлях до спрощення і здешевлення фотограмметричної технології. Дію розробленого способу перевірено експериментально для забезпечення опорною інформацією блоку архівних аерофотознімків малоконтурної місцевості. Результати дослідної апробації запропонованого способу дають підстави стверджувати, що запропонований спосіб дає змогу ефективніше виконувати геодезичне забезпечення фотограмметричних проектів за рахунок відмови від фізичного маркування місцевості перед аерозніманням. Запропонованим способом можна скористатись також для отримання контрольної інформації для перевірки якості фотограмметричного знімання. Автори стверджують, що застосування додаткового обладнання – БПЛА напівпрофесійного класу для отримання опорних образів є економічно обгрунтованим. Наукова новизна та практична значущість. Вперше викладено результати апробації методу «опорного образу» з отриманням стереопар аерознімків з вертикальним розміщенням базису знімання. Виконане дослідження властивостей таких стереопар аерознімків для отримання зображень опорних точок. Показано дієвість включення опорних образів в основний блок мережі цифрової фототріангуляції для знімків, отриманих з БПЛА.

Aim. Determination of the elements of external spatial orientation of the surveying systems at the moment of image acquisition is the fundamental task in photogrammetry. Principally, this problem is solved in two ways. The first way is direct positioning and measuring directions of the camera optical axis in the geodetic space with the help of GNSS/INS equipment. The second way is the analytical solution of the problem using a set of reference information (often such information is a set of ground control points whose geodetic positions are known with sufficient accuracy and which are reliably recognised on aerial images of the photogrammetric block). The authors consider the task of providing reference and control information using the second approach. This approach has a number of advantages in terms of reliability and accuracy of determining the unknown image exterior orientation parameters. It is proposed to obtain additional images of ground control points by the method of their auxiliary aerial photography using an unmanned aerial vehicle (UAV) on a larger scale compared to the scale of the images of the photogrammetric block. The aim of the presented work is the implementation of the method of creating reference points and experimental confirmation of its effectiveness for photogrammetric processing. Methods and results. For the entire realization of the potential of the analytical way to determine the elements of external orientation of images, it is necessary to have a certain number of ground control points (GCP) and to keep the defined scheme of their location on the photogrammetric block. Authors use UAV aerial images of the terrain as the main source of input data. They are obtained separately from the block of aerial survey, have a better geometric resolution and clearly depict the control reference points. Application of such auxiliary images gives the possibility of automated transferring the position of ground control point into images of the main photogrammetric block. In our interpretation, these images of ground control points and their surroundings on the ground are called "control reference images". The basis of the work is to develop a method for obtaining the auxiliary control reference images and transferring the position of GCP depicted on them into aerial or space images of terrain by means of computer stereo matching. To achieve this goal, we have developed a processing method to create control reference images of aerial images or a series of auxiliary multi-scale aerial images obtained by a drone from different heights above the reference point. The operator identifies and measures the GCP once on the auxiliary aerial image of the highest resolution. Then there is an automatic stereo matching of the control reference image in the whole series of auxiliary images in succession with a decrease in the resolution, and, ultimately, directly with the aerial images of the photogrammetric block. At this stage, there is no recognition/cursor targeting by the human operator, and therefore there are no discrepancies, errors or mistakes related to it. In addition, if you apply a fairly large size of control reference images, the proposed method can be used on the low-texture terrain. Therefore in many cases it is possible to do without the physical marking of points measured by the GNSS method. And this is a way to simplify and reduce the cost of photogrammetric technology. The action of the developed method has been verified experimentally to provide the control reference information of the block of archival aerial images of the low-texture terrain. The results of the experimental approbation of the proposed method give grounds to assert that the method allows performing geodetic reference of photogrammetric projects more efficiently due to the refusal to mark the area physically before the aerial survey. The proposed method can also be used to obtain the information for checking the quality of photogrammetric survey to provide check points. The authors argue that it is economically feasible to use such additional equipment,as UAV of semi-professional class, to obtain control reference images. Scientific novelty and practical relevance. For the first time, the study presented the results of approbation of the “control reference image” method with obtaining stereo pairs of aerial images with vertical placement of the base. It also examined the properties of such stereo pairs of aerial images to obtain images of reference points. The paper showed the effectiveness of including reference images in the main block of the digital aerial triangulation network created on UAV’s images.