73719

Аэрогеодезия, её задачи и назначение

Лекция

Астрономия и авиация

В России до середины тридцатых годов комплекс работ по созданию карт по фотоснимкам местности полученным с летательного аппарата называли аэрофотосъёмкой. Понятие аэрофототопография охватывает комплекс процессов по созданию топографических карт по фотоснимкам местности полученным с авиационного летательного аппарата. Аэрогеодезия изучает способы получения и преобразования аэрофотоснимков земной поверхности методы получения по ним широкого спектра информации об объектах съёмки с целью составления топографических и специальных планов и карт...

Русский

2014-12-19

6.79 MB

31 чел.

ВВЕДЕНИЕ

Аэрогеодезия, её задачи и назначение.

В России до середины тридцатых годов комплекс работ по созданию карт по фотоснимкам местности, полученным с летательного аппарата называли аэрофотосъёмкой. Впоследствии термин аэрофотосъёмка отнесли только к лётно-съёмочному процессу, включая проектирование, самолётовождение, фотографирование и вспомогательные операции. Аэрофотографией назвали процессы экспонирования и фото лабораторной обработки аэрофотоснимков.

Понятие аэрофототопография охватывает комплекс процессов по созданию топографических карт по фотоснимкам местности, полученным с авиационного летательного аппарата. Сюда входят лётно-съёмочные работы, привязка снимков, дешифрирование, построение сетей фототриангуляции, изготовление фотоосновы карты, стереоскопическая съёмка рельефа, составление топографической карты и др.

В конце двадцатых - начале тридцатых годов в России внедряется аэрофотограмметрический метод в геодезическое производство. Появляется название аэрогеодезическое производство и термин «аэрогеодезия», который в большей степени дублирует аналогичный термин «аэрофототопография», но охватывает более широкий спектр применения различного рода аэроснимков для получения отраслевых видов информации.

Аэрогеодезия изучает способы получения и преобразования аэрофотоснимков земной поверхности, методы получения по ним широкого спектра информации об объектах съёмки с целью составления топографических и специальных планов и карт, цифровых моделей местности, а также для решения ряда инженерных отраслевых задач при проектировании, строительстве и эксплуатации различных искусственных сооружений (дорог, мостов, аэродромов, плотин, каналов, трубопроводов, линий электропередач и т. п.). Аэрогеодезия рассматривает часть тех же вопросов, что и геодезия, но использует для этого вместо измерений и установления качественных и количественных характеристик объектов непосредственно на поверхности земли измерения  и интерпретацию этих объектов по аэрофтоизображениям.

Технология изысканий транспортных сооружений в связи с переходом на системное автоматизированное проектирование претерпела существенные изменения. Так, при изысканиях автомобильных дорог и сооружений на них отказались от традиционной технологии сбора исходной изыскательской информации на узкой полосе вдоль априори выбранного на стадии предварительных работ единственного, как правило, не самого рационального варианта трассы. В настоящее время на стадии предварительных работ основное внимание уделяют обоснованию полосы варьирования конкурентоспособных вариантов трассы, на которой и собирают необходимую для разработки проекта информацию о местности с соответствующим многократным увеличением объемов полевых работ. Однако эту информацию требуется собирать в те же конкретные фиксированные сроки и с необходимой точностью, что невозможно осуществлять с использованием традиционных технологий, методов и технических средств для выполнения изыскательских работ. Именно поэтому в последние десятилетия при изысканиях транспортных сооружений стали широко применяться такие современные высокопроизводительные методы сбора топографической, инженерно-геологической, экономической и других видов информации о местности, как космическая фотограмметрия, цифровая аэрофотограмметрия, наземная фотограмметрия, воздушное и наземное сканирование, наземно-космические съемки с использование систем спутниковой навигации GPS, ГЛОНАСС и других, электронная тахеометрия, геофизические методы подповерхностных съемок при инженерно-геологических изысканиях.

В отличие от традиционного представления исходных изыскательских материалов на бумажных носителях информации для разработки проектов в виде топографических карт и планов, продольных и поперечных профилей земли, инженерно-геологических разрезов вдоль априори выбранного, как правило, единственного варианта трассы для современного системного автоматизированного проектирования необходима информация (топографическая, инженерно-геологическая, гидрометеорологическая, экономическая и т.д.) в трехмерном виде на широкой полосе варьирования конкурентоспособных вариантов трассы — крупномасштабные топографические планы и цифровые модели местности (ЦММ) в единой системе координат.

Инженер-дорожник должен знать современные технологии аэроизысканий и современной стереофотограмметрической обработки материалов аэросъемок, методы спутниковой навигации, методы воздушного и наземного сканирования, электронную тахеометрию и современные технические средства сбора информации о местности.

В связи с произошедшим переходом на системное автоматизированное проектирование автомобильных дорог и сооружений на них (САПР—АД) изменились и способы выноса проектов транспортных сооружений на местность для строительства. Эти способы и технологии инженер-дорожник также должен знать.

Методы проектирования в САПР существенно отличаются от методов традиционного проектирования. Большинство из них построены на использовании принципов математической оптимизации проектных решений и математического моделирования. Качественный переход на новые технологии и методы проектирования транспортных сооружений потребовал и коренного изменения технологии производства их изысканий.

Создание систем спутниковой навигации GPS и, в частности, отечественной системы ГЛОНАСС, позволило качественно изменить технологии изысканий транспортных сооружений, в том числе и технологии производства аэросъемочных работ.

Развитие цифровой фотографии определило появление принципиально новых типов аэросъемочной аппаратуры с соответствующим изменением носителей аэросъемочной информации (цифровых носителей взамен традиционных аэрофотопленок и фотобумаг). Более того, развитие цифровой фотограмметрии привело к появлению и развитию принципиально новых технологий производства аэросъемок с использованием специальных сканеров воздушного базирования и последующей фотограмметрической обработки материалов аэросъемок.

Появление цифровых фотограмметрических систем (ЦФС) сделало не нужным использование огромного парка громоздких, дорогих, но морально устаревших оптико-механических стереофотограмметрических приборов для обработки аэрофотоснимков.

  1.  Аэрофотосъемка, аэрофотосъемочное

обоснование

  1.  Аэрофотосъемка и ее разновидности.

Таблица 1 Виды аэрофотосъемок

1) по высоте Летательного аппарата:

Космическая — до 200 км

АФС- до 2 км

КрупномасштабнаяАФС – до 200 м

2) по положению осп АФА

Плановая АФС

Перспективная АФС

3) по конструкции АФА

Кадровая съемка

Щелевая съемка

Панорамная съемка

4) по носителям информации:

Фотопленка

Электронные носители

5) по зонам спектра ЭМВ

Черно-белая

съемка

Цветная съемка

Спектрозональная

съемка

Многозональная

съемка

Инфракрасная(тепловая)

съемка

Радиолокационная

съемка

6) по способу организации работ

Маршрутная АФС

Площадная АФС

Комбинированная АФС

Если съёмку ведут фотоаппаратами, то её называют аэрофотосъёмкой, если с помощью специальных телевизионных или электронных сканирующих устройств, то – электронной аэросъёмкой, если с помощью тепловизоров в инфракрасной части спектра, то - тепловой или инфрарасной съёмкой, а если радиолакаторами, при которых получают изображение в отражённых от поверхностных слоёв электромагнитных радиоволн – радиолакационной съёмкой.

Регистрацию изображений метности можно вести в разных зонах спектра электромагнитных волн: видимой с длинами волн (0,38 – 0,78 мкм), ультрафиолетовой ближней (0,28 – 0,32 мкм), инфракрасной (0,18 – 10 мкм), или микрорадиоволновой (0,01 – 100 см). Съёмку выполняют либо водной зоне электромагнитного излучения, либо одновременно в нескольких.

Одним из современных методов сбора и обработки данных о местоположении объектов и рельефе местности, а также их качественных и количественных характеристиках, является комбинированный метод на основе лазерной локации и цифровой аэрофотосъёмки.

При инфракрасной аэросъёмке регистрируется электромагнитное излучение в диапазоне длин волн 0,7 – 12 мкм, которое излучают или отражают различные объекты местности. Инфракрасное излучение как носитель информации близко к свету и радиосигналам, зависит от температуры источника излучения, характеризует его вещество и состояние. Оно выявляет внутренние свойства объектов, позволяет изучать процессы в верхнем слое Земли. Инфракрасные системы имеют оптическую часть, приёмное устройство, устройство обработки и выдачи информации. Излучение природной среды в ифракрасной области спектра регистрируется тепловизорами в трёх зонах: ближней (0,7 – 2,5 мкм), средней (3,0 – 5,5) мкм) и дальней (8 – 12 мкм). На практике установлена важность совместного дешифрирования панхроматических и инфракрасных аэрофотоснимков.

При радиолокационной съёмке получают изображения местности в радиоволновом диапазоне электромагнитного излучения. Существуют специально приспособленные для глубинных геологических  гидрологических работ многочастотные радиолакационные установки, использующие сантиметровые дециметровые волны. Радиолакационные съёмки особенно эффективны при исследовании влажности, мерзлотных явлений, болот, геологических и гидрологических образований.

Радиолокационная съёмка (РЛС) делится на съёмку бокового обзора и съёмку кругового обзора. Наибольшее расстояние до объектов, при котором они обнаруживаются, называется дальностью действия. Разрешающая способность – это минимальное расстояние между двумя объектами, имеющими один и тот же азимут или угол, при котором отражённые сигналы не сливаются на экране индикатора, то есть когда на экране электроннолучевой трубки начало импульса от от второго объекта отстаёт от конца импульса от первого объекта на время, превышающее длительность одного импульса. При радиолокационной съёмке посылаются сигналы, излучающие энергию в определённых направлениях и принимают сигналы так же с определённых направлений. Чем уже диаграмма направленности, тем выше разрешающая способность РЛС.

Наиболее интенсивно развиваются и широко распространены для картографических целей методы аэрофотосъёмки, космической съёмки и комбинированный метод лазерной локации и цифровой аэрофотосъёмки, который применяется преимущественно для крупномасштабного картографирования и особенно эффективно для линейных объектов.

Аэрофотосъемка (аэрофотографирование) заключается в фотографировании земной поверхности с воздуха. Носителем аэрофотоаппарата, с помощью которого производят это фотографирование, обычно является самолет. После аэрофотографирования выполняют полевые фотолабораторные и фотограмметрические работы. В первые входят проявление аэрофильмов, изготовление контактной печати с аэронегативов и репродукций с накидного монтажа; во вторые- нумерация аэронегативов, составление накидного монтажа из аэрофотоснимков и оценка качества выполненной аэрофотосъемки. В настоящее время взамен пленки в АФА пришли цифровые фотографии, появление которых определило появление принципиально новых типов аэросъемочной аппаратуры с соответствующим изменением носителей аэросъемочной информации (цифровых носителей взамен традиционных аэрофотопленок и фотобумаг).

Аэрофотосъемку делят на плановую, когда оптическая ось аэрофотоаппарата отклоняется от заданного отвесного .положения не более чем на 3°, и перспективную - при большем, тоже заданном ее отклонении.

Рис. 1. Схемы аэросъемки: а — плановая, б  — перспективная

В случае использования при .плановой аэрофотосъемке гироскопической стабилизации аэрофотоаппарата, осуществляемой с помощью гироскопов, указанный угол отклонения обычно не превышает 30-40'. Такой вид плановой съемки называют гиростабилизированной аэрофотосъемкой.

Для картографических целей в основном применяют плановую аэрофотосъемку, которую в дальнейшем и будем рассматривать.

Аэрофотосъемка может быть:

а) многомаршрутной (аэрофотосъемка площади), когда фотографируют местность путем проложения ряда прямолинейных и взаимно параллельных аэрофотосъемочных маршрутов обычно с востока на запад и с запада на восток. При этом смежные аэрофотоснимки одного маршрута перекрываются между собой на величины продольных ,перекрытий, а аэрофотоснимки смежных маршрутов- на величины поперечных перекрытий;

б) маршрутной- при которой проводят съемку узкой полосы местности с одного маршрута. В этом случае смежные аэрофотоснимки связаны между собой продольным перекрытием;

в) одинарной- когда получают одиночный аэрофотоснимок фотографируемого объекта. ·

Обычно производят многомаршрутную аэрофотосъемку, выполняемую подразделениями гражданской авиации.

  1.  Аэрофотоснимок.

Фотограмметрическое качество аэрофотоснимков определяет пригодность их для измерительных целей при создании топографических планов и ЦММ. Под фотограмметрическим качеством понимают: величину линейного сдвига изображения за поступательную скорость АФА в момент экспозиции; выдерживание заданной высоты полета летательного аппарата над средней плоскостью снимаемого участка; выдерживание заданных величин продольного и поперечного перекрытия аэрофотоснимков, величин взаимных углов наклона аэрофотоснимков; непараллельность базиса фотографирования стороне аэрофотоснимка; прямолинейность маршрутов.

Для получения аэрофотоснимков надлежащего качества аэросъемку проводят при отсутствии облачности, атмосферной дымки и производственных дымов при высоте Солнца над горизонтом не менее 20° при фотографировании на черно-белый носитель и не менее 25° — на спектрозональный и цветной

  1.  Продольное и поперечное перекрытия

 Перекрытия аэроснимков, выражаемые в процентах от размера аэронегатива, обеспечивают возможность фотограмметрической обработки аэроснимков, и требование их соответствия расчетным является одним из основных.

а                                  б

Рис. 2. Продольное (а) и поперечное (б) перекрытия аэроснимков

Py

1

3

2

1-2

2-3

Px

Px

Продольное перекрытие Px (рис. 1.10, а) должно быть в среднем 60% при минимальном 56%, что обеспечивает наличие 12-процентной зоны тройного продольного перекрытия. В некоторых случаях (например, при съемке населенных пунктов с многоэтажной застройкой) продольное перекрытие может устанавливаться равным 8090% (±5%). Это позволяет обрабатывать маршруты, в которых снимки взяты через один (Px =80 %) или через два (Px =90 %).

Зона продольного перекрытия определяет границы стереопары, в пределах которой выполняется фотограмметрическая обработка изображений. Зону тройного продольного перекрытия используют для связи смежных стереопар по общим точкам и передачи от одной из них к другой системе координат и масштаба фотограмметрических построений.

Поперечное перекрытие Py (рис. 1, б) должно быть не менее 20%  при среднем 3035% и используется для размещения в нем опорных точек и точек связи смежных маршрутов. Иногда оно устанавливается равным 60%, что позволяет формировать и обрабатывать маршруты через один с целью повышения точности измерений и сокращения объема полевых работ.

Наличие продольного и поперечного перекрытий обусловливает целесообразность практического использования не всей площади аэроснимка, а только его центральной части. К тому же величины искажения положения точек под влиянием факторов физического и геометрического характера в центральной части снимка заметно меньше, чем по краям. Эта часть аэроснимка, ограниченная средними линиями продольного и поперечного перекрытий, называется рабочей площадью. В ее границах выполняется дешифрирование снимка и любые измерительные действия; из этих площадей создаются фотопланы, ортофотопланы и т. п.

1.4 Материалы аэрофотосъемки

К материалам аэрофотосъемки относят:

а) Размеры снимков. Стандартные размеры снимков в СССР — 18x18 см, 24x24 см и 30x30 см.

б) Координатные оси снимка. По краям каждого аэроснимка можно различить фотографические изображения особых меток (индексов), находящихся на прикладной рамке камеры (индексы a, b, с и d на рис. 4 Б). Точка пересечения прямых, соединяющих диаметрально противоположные индексы снимка, называется глав ной точкой снимка о и принимается за начало координат.

в) Контактная печать. Аэрофотоаппарат заряжается пленкой на 150 — 300 снимков. Экспонированная пленка проявляется и сушится; на каждом негативе указывается его порядковый номер. Нумерация ведется в порядке съемки последовательно по маршрутам.

Рис. 3. Производство площадной аэросъемки с продольными

и поперечными перекрытиями

              А)                                   Б)

Рис. 4 А-Схема перекрытия между аэроснимками в маршруте; Б- Координатные оси снимка

С высушенной негативной пленки изготовляют контактные отпечатки.

При срочных заданиях применяют и мокрую печать, т.е. печать с невысушенного фильма

г) Накидной монтаж. После обработки и сушки контактных отпечатков делают из них накидной монтаж, для чего снимки монтируют на большом листе фанеры, скрепляя их кнопками, скрепками, грузиками. Удобно делать накидной монтаж на фанерном монтажном экране, имеющем вид стола с параллельно натянутыми полосками резины, при помощи которых придерживаются снимки.

д) Порядок монтажа. Снимки каждого маршрута располагаются в порядке съемки по номерам. На каждый снимок накладывают последующий, добиваясь наилучшего совмещения всех идентичных контуров. Закончив монтаж одного маршрута, таким же способом присоединяют к нему снимки соседнего маршрута.

Если аэросъемка производилась маршрутами с запада на восток, принято монтировать снимки слева направо в каждом маршруте и сверху вниз помаршрутно.

Если аэросъемка производилась маршрутами с севера на юг, снимки монтируют сверху вниз в каждом маршруте и слева направо помаршрутно.

е) Репродукция накидного монтажа. Накидной монтаж фотографируют с уменьшением и получают репродукцию накидного монтажа, которая служит схемой расположения аэроснимков. Вместо репродукции иногда изготовляют схемы накидного монтажа: графическую (рис. 5а) или  цифровую (рис. 5б).

Рис. 5. Схемы накидного монтажа

ж) Оценка качества залета. При аэросъемке должны быть обеспечены: высокое качество фотографического изображения (резкость, контрастность); постоянство масштаба аэроснимков, т.е. постоянство высоты полета и отсутствие значительных искажений, вызванных наклоном осп камеры (наклоны оси камеры не должны превышать  3°); постоянство величин продольного и поперечного перекрытий; прямолинейность маршрутов; правильность покрытия заданной площади; отсутствие разрывов («окон»).

з) Паспорт аэросъемки. В паспорте аэросъемки указываются: номенклатура трапеций, в пределах которых произведена аэрофотосъемка; сведения об аэрофотоаппарате (фокусное расстояние камеры); дата полета, номера аэроснимков, число аэроснимков; оценка качества залета; перечень материалов аэрофотосъемки.

Контактные отпечатки удобны для работы в поле. Комплект аэроснимков должен быть снабжен репродукцией или схемой накидного монтажа.

Как контактные отпечатки, так и составленные из этих отпечатков фотосхемы не являются строго плановым изображением местности, поскольку масштаб изображения в разных частях их различен. Ориентирование фотосхемы выполняется приближенно. Фотосхемы можно использовать при первичной обработке полевых данных.

Фотоплан монтируется из трансформированных снимков и является плановым изображением местности, точность которого примерно равна точности топографической карты соответствующего масштаба (в равнинных областях, где влияние ошибки, вызванной рельефом, мало). Фотопланы составляются в рамках трапеций государственных топографических карт, на них подписывают номенклатурное обозначение трапеции, наносят координатную километровую сетку.

Фотоплан, на котором вычерчены топографическими условными знаками (дешифрированы) населенные пункты, дороги, воды и пр. называется фотокартой.

Фотоплан и, особенно, фотокарта используются так же, как и обычная топографическая карта.

1.4 Аэрофотосъемочное оборудование

Аэросъемку производят с использованием специального аэросъемочного и навигационного оборудования, устанавливаемого на самолетах, вертолетах, искусственных спутниках Земли космических аппаратах, а также для производства крупномасштабных съемок  на мотодельтапланах и БПЛА (рис. 6).

Рис. 6 Беспилотный летательный аппарат

Современные аэросъемочные системы сложные устройства, состоящие из АФА, гиростабилизирующей аэроустановки для автоматического приведения оптической оси АФА (рис. 7) в положение, близкое к отвесному, и управляющего (командного) прибора.

Рис.7 Схема устройства АФА

Основным средством, позволяющим получить аэрофотоснимки, является аэрофотоаппарат (АФА) сложный высокоточный оптико-механический и электронный прибор. АФА не имеет приспособлений для наводки на резкость, поскольку высота фотографирования всегда больше гиперфокального расстояния (2).Типы и конструкции современных АФА различны, но все они в своей основе имеют единую принципиальную схему. Типы АФА в зависимости от высоты фотографирования:

- короткофокусные с фокусным расстоянием ft 50 и 70 мм;

- среднефокусные ей 100 и 140 мм;

- длиннофокусные с ft 200. 350 и 500 мм;

- сверхдлиннофокусные с fk более 500 мм.

Основными их узлами является корпус, конус, кассета и командный прибор (рис. 7).

Корпус АФА (1) служит для размещения механизмов, обеспечивающих работу всех частей фотокамеры счетчика кадров, часов, уровня, числового индекса фокусного расстояния и др. В верхней части корпуса размещена прикладная рамка, плоскость которой совпадает с главной фокальной плоскостью объектива.

Конус АФА (2) крепится к нижней части корпуса и содержит оптическую систему, в которую входит объектив, светофильтры, компенсатор сдвига изображения и др.

Кассета (3) служит для размещения фотопленки и приведения ее светочувствительного слоя при экспонировании в соприкосновение с плоскостью прикладной рамки. В промежутке между экспозициями фотопленка перематывается с подающей катушки на принимающую. Перематываемый участок пленки соответствует формату кадра с учетом промежутка между кадрами. Выравнивание пленки в плоскость выполняется механическим прижимом к плоскому стеклу или путем откачивания воздуха из промежутка между пленкой  и прикладной рамкой.  

Командный прибор (4) предназначен для дистанционного управления всеми механизмами аэрофотоаппарата измерения времени между экспозициями и их продолжительности, подачи команд на срабатывание затвора АФА, перемотки фотопленки, отсос воздуха между фотопленкой и прикладной рамкой и т. п. В современных аэрофотоаппаратах командный прибор управляет двумя – тремя съемочными камерами.

Аэрофотоустановка (5) служит для крепления аэрофотоаппарата на борту носителя, ориентирования его в пространстве и предохранения от толчков и вибрации

Рис. 8 Аэрофотосъёмочная система RC –30

При топографической аэрофотосъемке кроме аэрофотоаппарата устанавливают вспомогательное оборудование, которое обеспечивает стабилизацию съемочной камеры, контроль высоты, скорости, прямолинейности полета, интервал между экспозициями. Кроме того, обеспечивает заход на очередной съемочный маршрут и определение данных для последующей фотограмметрической обработки – высоты фотографирования, превышений между центрами фотографирования, их координаты и др. С этой целью на борту самолета устанавливают статоскоп, радиовысотомер, гиростабилизирующую установку и др.

Фотографический объектив и его характеристики

Фотографический снимок (аэроснимок, аэронегатив), в соответствии с законами геометрии, представляет собой перспективное изображение, построенное в центральной проекции, в которой все лучи света, отраженные от объекта съемки, проходят через одну точку, называемую центром проекции.

S2

S1

H1           H2

F1

F2

A

a

Рис. 8а Построение изображения с помощью оптической системы

H1         H2

P

f

f

P

В действительности фотографическое изображение строится при  помощи объектива, представляющего собой сложную оптическую систему, состоящую из комбинации собирательных и рассеивающих линз и предназначенную для получения действительного обратного изображения фотографируемого объекта. Все линзы объектива ограничены шаровыми поверхностями различных радиусов и точно центрированы относительно прямой, проходящей через центры кривизны всех линз. Эта прямая называется главной оптической осью, а совпадающий с ней луч – главным оптическим лучом.

На рис. 8а представлена идеальная оптическая система, состоящая из двух сферических поверхностей.

На главной оптической оси  расположены передняя (S1)

и задняя (S2) узловые точки, отнесенные к пространству предметов и пространству изображения соответственно. Передняя  узловая точка называется центром  фотографирования, а задняя – центром проектирования. Луч, попадающий в переднюю узловую точку S1, при выходе из задней узловой точки S2 сохраняет первоначальное направление.

Плоскости H1 и H2, проходящие через узловые точки перпендикулярно к главной оптической оси, называются главными плоскостями объектива, в которых и происходит преломление лучей.

Луч, параллельный главной оптической оси, после преломления пересекает ее в точке, называемой главным фокусом. Таких точек две:  передний фокус F1 в пространстве предмета и задний фокус F2 в пространстве изображения.

Плоскость, в которой получается резкое изображение фотографируемого объекта, называется фокальной плоскостью. В зависимости от расстояния между объективом и фотографируемым объектом положение фокальной плоскости изменяется, и при достаточном удалении объекта она проходит через главный фокус.  Плоскости, проходящие через главные фокусы F1 и F2 перпендикулярно к главной оптической оси, называются главными фокальными плоскостями. Расстояние между узловыми точками объективов и точками фокуса одинаково. Оно называется фокусным расстоянием объектива и обозначается символом  f.

Луч, проходящий через передний фокус, после преломления  становится параллельным главной оптической оси.

Удаления точек A и a от передней и задней узловых точек связаны с фокусным расстоянием известной формулой оптического сопряжения

 ,  (1.1)

где f – фокусное расстояние объектива; D, d – расстояния вдоль главного оптического луча от передней и задней узловых точек до точки объекта A и точки изображения a соответственно.

В фотограмметрических построениях узловые точки объектива S1 и S2 (рис. 1.4) объединяют в одну, рассматриваемую как центр фотографирования и одновременно как проектирования. В связи с этим обе части каждого проектирующего луча будут представлять одну прямую линию.  

Рис. 8Б. Масштаб аэрофотоснимка

S

a

b

A

B

H

f

При аэрофотосъемке можно полагать, что объект находится в бесконечности, и величиной 1/D в формуле (1.1) можно пренебречь. В этом случае d = f, т. е. изображение объекта (местности) строится в главной фокальной плоскости. В этой плоскости и помещают светочувствительный материал (фотопленку), на которой получается резкое изображение фотографируемой местности. Это позволяет применять для определения масштаба горизонтального аэроснимка простую зависимость, вытекающую из подобия треугольников Sab и SAB (рис. 8Б):

     (1.2)

Здесь AB и ab – расстояния между точками на местности и их изображениями на снимке;  f – фокусное расстояние объектива съемочной камеры;  H –  высота фотографирования.  

Рис. 8Г. Угол и поле зрения и изображения

2

2

S

P

Реальный фотографический объектив характеризуются фокусным расстоянием, полем и углом зрения и изображения, относительным отверстием (диафрагмой), светосилой, глубиной резкости, разрешающей способностью и искажениями, называемыми аберрациями.

Если на экран P (рис. 8Г), установленный в фокальной плоскости, спроектировать через объектив удаленный ландшафт, то в центральной части экрана получится четкое, равномерно освещенное изображение, которое по мере удаления от центральной части к краям становится все более размытым, а его освещенность уменьшается до нуля.

Полем зрения объектива называется часть изображения, в пределах которой наблюдается хотя бы минимальная освещенность. Угол 2 между лучами к диаметрально противоположным точкам поля зрения называется  углом зрения.

Полем изображения называется часть поля зрения, в пределах которого изображение получается одинаково ярким и достаточно резким. Вписанный в это поле квадрат называется форматом кадра. Угол 2 между лучами к диаметрально противоположным точкам поля изображения называется углом изображения.

S2

S1

F

A

P

f

P

x

D

a

d

a

a

H1       H2

H1        H2

Рис. 8Д  К определению глубины резкости изображения

Практически все поле изображения не используется, поскольку его освещенность E связана с освещенностью в центре поля зрения E0  и углом , составленным направлением луча с главной оптической осью, следующей зависимостью

.

Например, при угле зрения 1200 освещенность на краю изображения падает в 16 раз, поэтому уменьшение потерь света в оптических системах является одной из основных задач при их создании.

Относительное отверстие объектива характеризует количество проходящего через него света и, следовательно, его способность создавать изображение с определенной степенью яркости. Величина относительного отверстия 1/n  связана с диаметром действующего отверстия d и фокусным расстоянием объектива f зависимостью

1/n = d/f   или   n = f/d   (1.3)

Величина действующего отверстия регулируется с помощью диафрагмы. Поскольку  количество пропускаемого диафрагмой света пропорционально квадрату относительного отверстия, то величину 1/n2  называют  светосилой объектива.

Глубина резкости объектива характеризует его способность  строить резкие изображения объектов, расположенных от него на различных расстояниях.

На рис. 8Д  изображены проекции двух точек пространства, одна из которых расположена в бесконечности, а вторая – на конечном расстоянии от объектива. Изображение первой получено в точке фокуса F, а второй – в виде точки a, расположенной на расстоянии x от нее. Изображение точки пространства A в главной фокальной плоскости будет представлено кружком нерезкости диаметром aa=.  Из подобных треугольников (рис. 1.7) следует, что

                                  или        (1.4)

Заменив в основной формуле оптики (1.1) величину d на f+x, получим (f+x)f+Df=D(f+x) или  x=f2/(Df). После постановки этого выражения в (1.4) получим:

    (1.5)

Отсюда минимальное удаление объекта, начиная с которого и до бесконечности величина кружка нерезкости не превысит :

       (1.6)

Найденная по формуле величина D называется гиперфокальным расстоянием.

При  n = 4,5,  = 0,1 мм и  f =  200 мм  D =  88,8 м.

Разрешающая способность объектива, выражаемая числом раздельно различаемых линий (штрихов) на 1 мм, характеризует его возможность воспроизводить раздельно мелкие детали изображения. Теоретически возможная разрешающая способность объектива  Rоб вычисляется по следующей формуле, полученной на основе дифракционной теории света:

 Rоб = 1480d/f=1480/n,     (1.7)

где d – диаметр действующего отверстия объектива.

Коэффициент 1480 применяется, когда раздельно воспринимаемые элементы изображения различаются по яркости на 25 %; при использовании для обработки изображений оптических приспособлений этот коэффициент может достигать 1800.  

Найденная по формуле (1.7) теоретическая разрешающая способность объектива при d = 44,5 мм может колебаться в пределах 300 – 400 линий на 1 мм.

Фактическая разрешающая способность, определяемая путем фотографирования специального теста (миры) на оптической скамье, существенно ниже теоретической разрешающей способности из-за влияния различного рода искажений и доходит до 40–60 линий на 1 мм. Лучшие современные аэрофотосъемочные камеры имеют разрешение 100–150 линий на 1 мм.

Качественные показатели получаемого с помощью объектива изображения зависят от качества составляющих его линз и их конструктивного сочетания. Последним, как известно,  присущи оптические недостатки, называемые аберрациями.

Хроматическая аберрация  вызывается неодинаковым преломлением лучей с различной длиной волны. Наиболее преломляемыми лучами являются синие (их фокус ближе), а наименее – красные. Хроматическая аберрация устраняется подбором линз с различными коэффициентами преломления.

Сферическая аберрация вызывается несовпадением коэффициентов преломления линзы в точках, различно удаленных от главной оптической оси. Устраняется комбинацией выпуклых и вогнутых линз и отсечением крайних лучей с помощью диафрагмы.

Астигматизм возникает из-за несоответствия точек фокуса для горизонтальных и вертикальных лучей и устраняется подбором линз по кривизне, толщине и коэффициенту преломления.  

Кривизна поля изображения проявляется в том, что фокальная поверхность линзы представляет собой не плоскость, а искривленную поверхность сложной формы. Степень кривизны этой поверхности определяется конструктивными особенностями  объектива.

Дисторсия является следствием нарушения подобия (ортоскопии) построенного объективом изображения объекта, расположенного в плоскости, перпендикулярной к главной оптической оси. Эти нарушения приводят к смещению точек изображения как в радиальном направлении (радиальная дисторсия), так и перпендикулярно к ней (тангенциальная дисторсия). Лучшие современные объективы имеют дисторсию, не превышающую 2 мкм.

Все виды аберраций, кроме дисторсии, ухудшают разрешающую способность объектива, и их стремятся уменьшить или свести к минимуму путем подбора линз. Такие объективы, к которым относятся и аэрофотосъемочные,  называют  анастигматами.

К объективам предъявляется ряд требований специального характера. К ним относится высокая разрешающая способность, достаточные углы зрения и изображения, высокая точность в части подобия изображений объектам местности (ортоскопия), минимальная дисторсия и все виды аберраций, достаточная светосила и постоянство показателей при колебании температуры окружающей среды от –500 до + 600.

Четкой классификации объективов, основанной на каком-либо признаке, не существует. Однако известны характерные группы объективов, различающиеся некоторыми параметрами и имеющие определенную область применений. Сверхширокоугольные объективы удобны для обзорных съемок и пригодны для высокоточного изображения рельефа местности, широкоугольные и нормальноугольные объективы – при контурных съемках, а узкоугольные  – при съемках с больших высот.

Статоскоп представляет собой высокочувствительный дифференциальный барометр, позволяющий измерять изменение давления воздуха, возникающие при колебании высоты фотографирования. Способ основан на известном положении, что при малых разностях высот (порядка 50–100 м) колебание высоты полета H связано с разностью давления p и барометрической ступенью QH простой линейной зависимостью

H = QH p.   

Поскольку барометрическая ступень для стандартной атмосферы известна, для определения превышения между центрами фотографирования необходимо лишь измерить разность давлений в точках съемки.

В аэрофотосъемочном производстве применяются статоскопы-автоматы непрерывного действия С-51 и С-51М. Определяются превышения между центрами фотографирования с точностью ±1 м.

Радиовысотомер представляет собой радиолокационную установку, предназначенную для измерения высоты полета в моменты фотографирования. Принцип его действия основан на использовании импульсного метода измерения расстояний и измерении времени прохождения радиоволны, направленной к земной поверхности и отраженной обратно. Тогда пройденный радиоволной путь, соответствующий высоте фотографирования:

где vc – скорость

Рис. 10 Высотограмма

4

1

2

3

5

Рис. 9 Принцип работы радиовысотомера

H

распространения рдиоволн, равная  300000 км/сек; t – время прохождения радиоволной расстояния от самолета до ближайшей точки местности и обратно.

Принцип работы радиовысотомера заключается в следующем. В момент экспонирования передатчик 1 (рис. 9) генерирует и через антенну 2 излучает импульс, который, отразившись от земли, улавливается приемной антенной 3 и через приемник 4 передается на экран индикатора 5. Изображения направленного и принятого радиоимпульсов строятся в виде развертки шкалы на экране электронно-лучевой трубки, которая в моменты срабатывания затвора фотокамеры фотографируется на фотопленку, называемую высотограммой (рис. 10).

Кадры высотограммы содержат изображение индикатора со шкалой развертки от 0 до 500 м и два выступа («выброса»), соответствующие моментам регистрации начального и отраженного импульсов. Для определения высоты фотографирования к разности отсчетов по высотограмме прибавляется произведение 500 м на целую часть частного от деления найденной по формуле (1.9) приближенной высоты фотографирования на 500. Так, при m= 17000 и f=100 мм целая часть равна 0,117000/500=3, и отсчету по высотограмме на рис. 1.12 соответствует высота фотографирования H = 175 + 3500 =1675 м.

Широкая направленность антенны (120) и выбранная длина волны (68 см) обеспечивают отражение радиоволн от точек земной поверхности (а не от растительности), расположенных на различных расстояниях. После приема первого отраженного импульса приемник радиоволн запирается, что исключает многозначность определений.

С увеличением рельефа местности показания радиовысотомера начинают отличаться от истинного значения высоты фотографирования и приближаются к наклонному расстоянию до ближайшей точки.

Применяемые при аэрофотосъемке радиовысотомеры РВТД и РВТД-А обеспечивают определение высоты фотографирования над равнинной местностью с точностью 1,2–1,5 м.

Гиростабилизирующая установка предназначена для стабилизации в полете положения съемочной камеры и уменьшения углов отклонения ее главной оптической оси от отвесной линии. В основе конструкции современных гироскопов лежит принцип волчка, стремящегося сохранить неизменным пространственное положение своей оси вращения при наклоне плоскости, на которой он установлен. Применяемые гиростабилизирующие установки Н-55, ТАУ, ГУТ-9 и др. использует трехстепенные гироскопы, стабилизирующие положение съемочной камеры с точностью 10–15 минут.

Системы определения координат центров фотографирования в процессе аэрофотосъемки применяют с 50-х гг. прошлого столетия. В начале это были радиотехнические системы, основанные на фазовых методах измерения расстояний от самолета до двух наземных станций. Широко применяемые в то время радиогеодезическая станция ЦНИИГАиК (РГСЦ) и самолетный радиодальномер (РДС) обеспечивали определение координат центров с ошибкой 1–5 метров.  

Системы глобального позиционирования GPS(Global Positioning System), появившиеся в 90-х гг., заменили радиогеодезические системы. Они работают по принципу измерения дальностей (расстояний) от самолета до геодезических спутников и скоростей их изменения (вследствие перемещения этих спутников). Определяемые с помощью системы пространственные координаты центров фотографирования могут использоваться как для целей навигации, так и последующей фотограмметрической обработки снимков. В обоих случаях через заданный промежуток времени определяются координаты точки и заносятся на магнитный носитель вместе со временем их определения и временем срабатывания затвора фотокамеры (экспозиции).

Последующая обработка данных позволяет вычислить пространственные координаты центров фотографирования путем интерполяции GPSизмерений на моменты экспозиции и учесть положение антенны приемника относительно узловой точки объектива фотокамеры. Ошибка определения координат центров фотографирования этим методом не превышает 0,1 м при удалении от базовой станции не более 20 км.

Рис.11 Современный аэрофотосъемочный комплекс

  1.  Свойства аэрофотоснимков

2.1 Построение изображения на фотоснимке

Обрабатываемые методами фотограмметрии фотографические изображения местности представляют в различных видах в зависимости от способа их получения, принятой модели и структуры данных (рис.12).

Аналоговую форму представления изображений объектов местности используют с давних пор. Она обеспечивает получение информации на одном из физических носителей: на бумаге, фотобумаге, фотопленке и т.д. Аналоговая форма изображений и сегодня является одной из основных. Фотографируя местность с летательных аппаратов или из космоса, получают изображение в виде аэронегативного или позитивного отпечатка, характеризуемого более четким отображением как оптических плотностей элементов местности, так и взаимного положения объектов и их частей. Негативные и позитивные изображения местности, получаемые с летательных или космических аппаратов, — аэрофотоснимки, строятся по законам центральной проекции связкой проектирующих лучей, проходяших через центр проекций S, которым является центр объектива, а картинной плоскостью — плоскость прикладной рамки АФА (Рис. 13 б). Изображение на снимке каждой точки земной поверхности А. О. В, С (на снимке соответственно точки с. Ь, о. а) получают в результате пересечения соответствующих лучей с плоскостью аэрофотоснимка.

Рис. 12. Способы построения изображений

а)                                               б)

Рис. 13. Схема определения положения точек местности на аэрофотоснимке:

а) центральная проекция аэрофотоснимка; б) оси координаг аэрофотоснимка

Луч О So, перпендикулярный плоскости аэрофотоснимка, называется главным лучом аэрофотоснимка (оптической осью АФА), а основание перпендикуляра О So (точка о) — главной точкой аэрофотоснимка. Главная точка снимка находится на пересечении линий, соединяющих противоположные координатные метки аэрофотоснимка (рис. 13 б). Аналоговое изображение характеризуется форматом кадра, величиной фокусного расстояния объектива АФА, а также погрешностями, возникающими как при его построении с помощью объектива, так и при фиксации на светочувствительном слое. Одними из основных характеристик аналогового изображения являются разрешающая способность системы объектив —негатив и величина некомпенсирусмой дисторсии (нарушение подобия изображения в плоскости аэрофотоснимка). Ятя решения задач, связанных с дешифрированием аэрофотоснимков, большое значение имеют светочувствительность и цветочувствительность фотопленки и ее тип.

Положение точек аэрофотоснимка определяют в системе координат O'XY (рис. 13, б). Ось абсцисс X принимают совпадающей с прямой 1 — 2, а ось ординат У — с прямой 3—4. Напраатения координатных осей задают в процессе юстировки (калибровки) АФА и фиксируют на снимках четырьмя механическими или четырьмя —восемью оптическими координатными метками. Тогда положение точки m на аэрофотоснимке определится координатами x: = о m': у = m'm.

Цифровая форма аналоговых изображений появилась в связи со стремительным развитием вычислительной техники и используется для представления изображений в оперативной памяти компьютера и на магнитных носителях информации.

2.2 Основные точки и линии снимка

 ЦЕНТРАЛЬНАЯ ПРОЕКЦИЯ КАК ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОСНОВА АЭРОФОТОСНИМКА

Под проекцией следует понимать изображение пространственных фигур на плоскости или какой-либо другой поверхности.

В ортогональной проекции все точки фигуры проектируются на горизонтальную плоскость по прямым линиям, перпендикулярным этой плоскости. Эти прямые линии являются в данном случае отвесными линиями.

Центральная проекция получается в результате проектирования всех точек фигуры на какую-либо плоскость или поверхность по прямым линиям. выходящим из определенной точки S, называемой центром проекции (рис. 14, (рис.15).

Рис. 14. Центральная проекция (наклонный аэрофотоснимок)

При центральном проектировании используются следующие основные плоскости, линии и точки:

Е – горизонтальная плоскость, проходящая через какую-либо точку местности и называемая плоскостью основания. Её еще называют предметной плоскостью;

Р – картинная плоскость (аэрофотоснимок). На этой плоскости размещается центральная проекция объектов предметной плоскости;

W – плоскость главного вертикала (направления съёмки);

SoO – главный луч;

So-f – фокусное расстояние объектива фотокамеры;

Н – высота съёмки – расстояние центра проекции относительно основания;

о – главная точка аэрофотоснимка;

О – проекция главной точки на предметную плоскость;

с – точка нулевых искажений. В этой точке горизонтальные углы не искажаются;

С – проекция точки нулевых искажений на предметную плоскость;

n – точка надира (пересечения отвесной линии, проходящей через центр проекции, с плоскостью снимка);

ТТ – ось перспективы (линия основания);

hh – главная горизонталь;

Рис. 15. Центральная проекция (горизонтальный аэрофотоснимок)

Vi –главная вертикаль;

h1hi – линия действительного горизонта;

i – точка схода картинной плоскости;

V – главная точка оси перспективы (пересечения линии основания с главной вертикалью).

Различают элементы внутреннего ориентирования аэрофотоснимка и элементы внешнего ориентирования. К элементам внутреннего ориентирования относятся фокусное расстояние f и координаты хо, у0 главной точки в системе координат снимка оху. а к элементам внешнего (рис. 3) – координаты  Хs, Ys, Zs точки фотографирования S в системе координат OXYZ местности, а также углы Эйлера:  – угол поворота снимка в плоскости XY,  – угол продольного наклона снимка в плоскости ZX,  – угол поперечного наклона в плоскости ZY.

В частном случае, рассматриваемом в настоящей работе (см. рис. 14), =0 и =0, Za =H, а зависимость между координатами точки на снимке и на местности определяется формулами:

                                    (1)

2.3 Масштабы арофотоснимка

Будем полагать аэроснимок горизонтальный. Тогда, если местность представляет собой горизонтальную плоскость, масштаб аэрофотоснимка определится в зависимости от высоты полета летательного аппарата Н и фокусного расстояния АФА f% получают аэрофотоснимки различных масштабов. Отношение длины отрезка на аэрофотоснимке ab к длине того же отрезка на местности А В называется численным масштабом аэрофотоснимка. Как следует из рис. 16, масштаб аэрофотоснимка можно определить по формуле:

                                                                                             (2)

где m – знаменатель масштаба АФС.

Но поскольку

                                                                                        (3)

то

                                                                                          (4)

Из формулы (3) можно вычислить высоту фотографирования:

                                                                                      (5)

если известен ее масштаб и фокусное расстояние фотокамеры.

Рис. 16 Схема определения масштаба аэрофотоснимка

При наклонном положение оптической оси АФА, а также при пересеченном или горном рельефе снимаемой местности масштабы аэрофотоснимков для разных их частей будут неодинаковы. В частности при отклонении оптической оси АФА от отвесной линии на угол αo масштаб аэрофотоснимка в разных его точках можно определять по формуле:

  (6)

При пересеченном и горном рельефах местности масштабы аэрофотоснимков будут переменными также в связи с искажениями из-за рельефа. Как следует из рис. 17. если точка А имеет превышение (+h) и точка В (-h) относительно условного (среднего) горизонта, а точки А0 и Вс — их ортогональные проекции, то точки a0, а и b0, b являют ся соответственно центральными проекциями этих точек на аэрофотоснимке Р. В этом случае расстояния aa0ha и bb0hb являются смешениями точек a и b на аэрофотоснимке за счет соответствующих превышений. Только в одной точке N аэрофотоснимка — точке надира (см. рис. 17), являющейся проекцией отвесной линии, проходящей через центр объектива, искажений из-за рельефа не будет, т.е. δh= 0. Поэтому при рисовке горизонталей и контуров местности в положение соответствующих точек необходимо вводить поправки за рельеф местности δhпо направлению к главной точке при положительном превышении и в обратную сторону — при отрицательном.

Рис. 17 Смещение изображений точек на аэрофотоснимке в плане из-за рельефа

S

B

A

Po

P

bo

ao

a

b

Рис. 18. Масштаб наклонного и горизонтального снимков

Ранее было установлено, что масштаб горизонтального снимка равнинной местности постоянен и определяется отношением фокусного расстояния съемочной камеры к высоте фотографирования. Наклонный снимок содержит перспективные искажения, и его масштаб уже не будет постоянным. В частности, из рис. 18 следует, что

для снимка P0: ; для снимка  P:  .

Рис.19. Бесконечно малые отрезки на местности (a) и на снимке (б)

dL

dX

dY

0

X

O

Y

dl

dy

x

o

y

dx

a

б

Следовательно, масштаб изображения следует определять как отношение бесконечно малых отрезков наклонного снимка и местности:

(7)

где dl и dL – бесконечно малые отрезки снимка и местности, связанные с бесконечно малыми приращениями координат ограничивающих их точек следующими зависимостями (рис. 19):

(8)

Для вывода формулы, определяющей масштаб наклонного снимка по произвольному направлению, используются формулы связи координат точек снимка и местности, при выводе которых координатные оси ox и OX совмещаются с главной вертикалью и ее проекцией.

После преобразований формула масштаба снимка в точке с координатами x, y по произвольному направлению примет вид

 ,   (9)

где    

 .

Выполним анализ формулы (9), получим формулы масштаба в основных точках снимка по главной вертикали и по горизонталям.

1. Снимок горизонтальный (с= 0). Подстановка c  дает k  = 1,  c = 0, и вместо (9) будем иметь

 .  (10)

Следовательно, масштаб горизонтального снимка плоской местности – величина постоянная, не зависящая от положения точки.

2. Масштаб по главной вертикали (y = 0,  = 0). Подстановка в (9) дает  k=cosc и c=0. Тогда формула масштаба по главной вертикали

 .    (11)

3. Масштаб по горизонталям ( = 90). Подкоренное выражение в знаменателе формулы (9) равно k, и искомый масштаб

 .    (12)

Как видно, масштаб по любой горизонтали является величиной постоянной, что и подтверждает перспектива сетки квадратов.

Действуя аналогично, можно получить формулы для расчета масштаба по главной вертикали и горизонталям в основных точках.

Масштаб в точке нулевых искажений.

Подставив в (9) y=0, oc=x=–f(1cos)/sin согласно(20), k=1, c=0, получим

 .      (13)

Масштаб в точке надира (x= – ftg, k=1/cos, c=0):

 .    (14)

Масштаб в главной точке снимка (x=0, k=cos, c=0):

 .    (15)

4. Изменение масштаба в пределах аэроснимка можно получить, определив разность масштабов по главной вертикали в двух симметрично расположенных точках с абсциссами +x и x:

После несложных преобразований, полагая, с достаточной для приближенных оценок точностью, что средний масштаб аэроснимка определяется по формуле (13):

 .    (16)

Расчеты по этой формуле показывают, что при x=f и c=30  относительное изменение масштаба составит около 1/30. С такой же точностью будут определены и длины измеренных на снимке линий. Следовательно, выполнять измерения по контактным аэроснимкам с использованием их среднего масштаба нужно весьма осторожно.

2.4 Смещение изображений точек местности

Линейные искажения, вызванные влиянием угла наклона аэроснимка

Пусть наклонный (P) и горизонтальный (P0) снимки получены одной съемочной камерой, имеют общий центр проекции S (рис. 20, а), а точка местности M изобразилась на них в виде точек m и m0. Такие снимки пересекаются по линии неискаженных масштабов hchc.

Поскольку изображение горизонтального снимка P0 соответствует ортогональной  проекции, его можно рассматривать как предметную плоскость, а линию неискаженных масштабов – как основание картины.

a                                                              б

Рис.20. Линейные искажения, вызванные влиянием угла наклона аэроснимка на пространственном чертеже (a) и на эпюре сложения (б)

S

c

o

n

oo

m

mo

M

hc

hc

Po

P

i

xo

r

r o

c

2

hi

i

hi

hc

P0,P,

E

mo

m

S, c

k

r

hc

С учетом этого получим эпюр сложения (рис. 20, б), выполнив вращение картинной плоскости и плоскости действительного горизонта согласно условиям теоремы Шаля. На эпюре сложения центр проекции S совместится с точкой нулевых искажений c, которая в данном случае будет одновременно и главной точкой основания картинной плоскости, а точки m и m0 окажутся лежащими на одном проектирующем луче Smm0.

Обозначим удаления точек m и m0 от точки нулевых искажений через r и r0 соответственно. Тогда искажение ,=rr0 («практическое значение минус теоретическое»), а mm0=.

Из подобных треугольников mm0k и icm можно записать:

,  или   .

Поскольку mc=rc, ic=f/sinc  и m0k =r0cos , то

 .     (17)

Эта формула определяет величину искажения, вызванного влиянием угла наклона снимка, или перспективного искажения. В таком виде эта формула применяется в конструкциях ряда фотограмметрических приборов.

Если в правой части формулы (17) заменить r0 на r, то после несложных преобразований получим окончательно

 .    (18)

Опустив в знаменателе второе слагаемое, что оправдано при использовании плановых снимков, получим

 .    (19)

При c=10, f=rc= 100 мм, и = 0 найдем, что  =1,75 мм.

Индекс «c» в обозначении радиуса-вектора r напоминает, что он отсчитывается от точки нулевых искажений, а угол от положительного направления главной вертикали против хода часовой стрелки.

Легко видеть, что максимальное искажение  имеют точки, расположенные на главной вертикали (cos=1), причем при c:

 .   (20)

По формуле (20) можно вычислить радиус полезной площади аэроснимка r, в пределах которого максимальное искажение  не превысит заданного значения .. Заменив в (20) rc на r и   на ,  получим

 .    (21)

При =0,3 мм, c=30 и f=100 мм r= 58,5 мм, а при f=200 мм  r= 82,3 мм.

Анализ полученных формул позволяет сделать несколько выводов.

1. Величина искажения   тем больше, чем больше угол наклона c и чем меньше фокусное расстояние съемочной камеры f. При постоянных значениях c и f величина искажения зависит от положения точки на снимке, т.е. от величин угла  и радиуса-вектора rc.

2. Полезная площадь планового аэроснимка близка к его рабочей площади.

3. На линии неискаженных масштабов hchc величины искажений  равны нулю (cos=0), и масштаб ее изображения соответствует масштабу горизонтального снимка.  

4. Длина отрезка, симметричного относительно точки нулевых искажений, не искажается: углы  для концов отрезка различаются на 1800, а их искажения равны по величине и противоположны по знаку.

Смещения точек, вызванные влиянием угла наклона снимка, полностью устраняются в процессе его трансформирования.

   Линейные искажения, вызванные влиянием рельефа местности

Ранее было показано, что аэроснимок является изображением местности в центральной проекции, а топографический план – в ортогональной, и что эти проекции совпадают только в случаях, когда снимок горизонтальный, а местность равнинная.

Рис. 21. Линейные смещения, вызванные влиянием рельефа местности

a

a0

b0

b

o

B0

B

hB

+hA

A

A0

A

O

E

P0

S

На рис. 21 изображен горизонтальный снимок P0 всхолмленной местности, полученный с высоты H над плоскостью E. Точки местности A и B, имеющие превышения над плоскостью E соответственно +h и h, изобраились в виде точек a и b, расположенных на расстояниях oa=ra и ob=rb от главной точки.

Точка A0 и B0 являются ортогональными проекциями точек местности A и B на предметную плоскость E; их проекции, если бы они могли быть получены, располагались бы в точках a0 и b0. Следовательно, отрезки  aa0 и bb0 являются смещениями (искажениями) h точек a и b, вызванными влиянием рельефа местности. Поскольку точка надира является точкой схода перспектив всех отвесных линий, эти смещения всегда совпадают с направлениями, проходящими через точку надира.  

Для определения величины искажения h рассмотрим две пары подобных треугольников Soa, AA0A и Saa0, SAA0, из которых следует:

.

Поскольку AA0=h, oa=r, SO=H и aa0=h, получим

 .              (22)

При h=50 м, r=100 мм и H=2000 м смещение h=2,5 мм, что  больше смещения, обусловленного влиянием угла наклона.

Формула (22) получена без учета угла наклона снимка и уже поэтому не является строгой. Однако она широко применяется в фотограмметрической практике, поскольку допускаемая ошибка вычислений величины искажения h при плановой аэрофотосъемке не превышает 0,1–0,2 мм.

Заметим, что искажения точек, вызванные влиянием рельефа местности, объясняются тем, что масштаб их изображения крупнее масштаба изображения средней плоскости снимка при положительном превышении над ней (точка ближе к центру фотографирования), и  мельче при отрицательном превышении (точка дальше от центра).  

Используя формулу (22), можно установить предельное превышение, при котором величина искажения h не превысит заданного предела, что учитывается в Инструкциях по фотограмметрическим работам.

Анализ формулы  позволяет сделать несколько выводов.

1. Величина смещения h=0 при r=0 , т.е. когда точка совпадает с точкой надира.

2. При положительных превышениях точек местности над предметной плоскостью смещения h направлены к точке надира, а при отрицательных превышениях – от точки надира.

3. Для уменьшения влияния рельефа местности следует увеличивать либо высоту фотографирования H, либо фокусное расстояние f.

Искажение изображения площади

Линейные искажения точек снимка, вызванные влиянием угла наклона и рельефа местности, приводят к искажениям линий, следовательно, и площадей участков, ограниченных этими линиями. Причем раздельные и независимые влияния угла наклона снимка и превышений между точками местности на искажения площадей суммируются. Рассмотрим эти источники.

a

b

c

d

o

h

h

k

Рис. 22. Искажение изображения площади

Влияние угла наклона на искажения площадей участков установим, исходя из следующих соображений. Пусть имеем на плоской местности квадрат со стороной L, расположенный симметрично относительно главной вертикали (рис. 22). На наклонном снимке этот квадрат изобразится в виде трапеции со средней линией ab=l1 и высотой cd=l2. Площади участка на наклонном (P) и на горизонтальном (P0) снимках равны:

P=l1l2=(L/mh)(L/mv)  и P=l2=L2f2/H2.

Искажение площади есть разность площадей P и P0, которая с учетом масштаба по вертикали (11) и горизонтали (12) равна:

.

Более показательно относительное искажение площади:

 .     (23)

Если центр участка k совпадает с главной точкой снимка (x=0), то

 .     (24)

Расчеты показывают, что площадь участка, изображенного на снимке симметрично относительно главной его точки, определяется с достаточно высокой точностью: при углах наклона c, равных 30 и 60 минут, относительное искажение составляет 1/ 8700 и 1/2900 соответственно.  

Влияние рельефа местности на искажения площадей участков, изображенных на плановом снимке, определим исходя из ошибок  определения масштаба снимка, или, точнее, высоты фотографирования над средней плоскостью, расчет которой обычно выполняется по опознанным на карте (на местности) точкам и последующего измерения расстояния между ними.

Площадь земельного участка на местности (P0) вычисляют по результатам ее измерения на снимке (P):

.

Неточное определение высоты фотографирования H (или неучет превышений h между точками ее определения) приведет к ошибке определения масштаба и площади участка.  Для установления ошибки функции P0 в зависимости от ошибки аргумента H в соответствии с правилами теории ошибок измерений выполним дифференцировани:

 .

Примем dP0=P  и  dH=h. Тогда относительная ошибка площади  

 . (25)

Из полученной формулы следует, что влияние рельефа достаточно ощутимо: при высоте фотографирования H=2000 м и превышении h=50 м относительная ошибка определения площади составит 5 % или 1/20 от ее величины.

  1.  Стереомодель местности

3.1 Геометрическая и стереоскопическая модели местности

Метрическая информация, извлекаемая из одиночных снимков, может быть только двумерной, например размеры объектов, площадь и т. п. Человек, наблюдая окружающее пространство одним глазом, воспринимает его также двумерно, не ощущая глубины. О последовательности расположения объектов наблюдатель судит по изменению их размеров, четкости восприятия или перекрываемости дальних объектов ближними. То же пространство, наблюдаемое двумя глазами, воспринимается объемным (трехмерным). Видимые раздельно левым и правым глазом «картинки» геометрически не одинаковы. Эта «неодинаковость» и несет информацию о третьей координате — удалении элементов пространства при горизонтальном наблюдении или их высоте при наблюдении вертикальном. По двум снимкам, полученным с концов некоторого базиса, независимо от направления съемки можно получить трехмерную информацию об изобразившихся на обоих снимках объектах. В извлечении этой информации, особенно при обработке пар снимков простейшими средствами, большое значение имеет зрительный аппарат исполнителя. При анализе и измерении снимков человек может рассматривать их непосредственно невооруженными глазами или с помощью оптических устройств. Выделяют три вида зрения — монокулярное, бинокулярное и стереоскопическое. Монокулярным называют зрение одним глазом, бинокулярным — двумя глазами. Зрение стереоскопическое — частный случай бинокулярного зрения. Наблюдатель при этом, воспринимает пространственно расположение разноудаленных объектов.

На одиночных фотоснимках, фотосхемах и фотопланах рельеф представлен изменением тона фотоизображения земной поверхности, возникающим из-за разного отражения света от по-разному наклоненных к лучам Солнца участков поверхности Земли. По двум фотоснимкам одной и той же местности, полученным с концов некоторого базиса, можно наблюдать объемную стереоскопическую модель местности (рис.23). Она представляет собой пространственное изображение земной поверхности, наблюдаемое при пересечении одноименных пар проектирующих лучей. Для ее построения необходимо соответствующее ориентирование фотоснимков. При пересечении пар соответственных проектирующих лучей, проходящих через центры проекции аэроснимков S1, и S2 и через изображения одноименных точек местности, расположенных на тех же двух смежных фотоснимках, строят геометрическую модель местности. Два снимка, полученные с разных точек и имеющие перекрывающиеся части фотоизображений, называются стереопарой. Возможность создания пространственного изображения по двум таким перекрывающимся снимкам называется стереоскопическим эффектом. Для получения прямого стереоэффекта аэрофотоснимки устанавливают так, чтобы левая часть стереопары приходилась против левого глаза, а правая — против правого глаза, и одноименные точки располагались по линиям, параллельным глазному базису. Для наблюдения невооруженными глазами стереомодели (рис. 10, а) необходимо на расстоянии от глаз 25—30 см смотреть одновременно левым глазом на левую часть стереопары, а правым глазом на ее правую часть.

Рис.23 Принцип построения стереоскопической модели местности

При таком наблюдении резкий контур, который вначале может двоиться, затем части двоящегося изображения сближаются и возникает объемное изображение этого контура и всей стереомодели.

Первые наблюдения рекомендуется выполнять на тренировочной стереопаре. Если наблюдатель таким путем не может раздельно рассматривать каждым глазом свое изображение, то можно для этого установить между глазами стереопары картонную перегородку.

При установке левой части стереопары против левого глаза, а правой — против правого глаза возникает прямой стереоэффект (рис. 24 а). Если поменять фотоснимки местами (правый снимок установить на место левого, а левый — на место правого), то можно наблюдать обратный стереоэффект (рис. 24 б).

Рис. 24. Размещение снимков для наблюдения прямого (a),

обратного (б) и нулевого (в) стереоскопического эффекта

а

b1

a1

Л

b2

a2

П

б

b2

a2

П

b1

a1

Л

в

a1

b1

Л

b2

a2

П

При прямом стереоэффекте пространственное изображение соответствует виду местности, а при обратном все выпуклые формы становятся подобными им вогнутыми формами. По мере одновременного разворота фотоснимков и возникновения угла между их начальными направлениями — линией между главными точками фотоснимков и глазным базисом — величина пластичности (степень объемности, выпуклости) стереомодели уменьшается. Если такой угол равен 90', пластичность стереомодели исчезает. Обычно все виды изыскательских работ выполняют при прямом максимальном стереоэффекте. Наблюдение стереомодели ведут с помощью стереоскопов (рис. 25) или бинокуляров стереофотограмметрических приборов.

3.2 Способы стереоскопических наблюдений

Ранее  были сформулированы пять условий, при выполнении которых наблюдатель может увидеть по снимкам стереоскопический эффект. Выполнение первых четырех   условий  не вызывает затруднений, поскольку:

  1.  смежные аэроснимки  всегда получают из двух центров фотографирования;
  2.  разность масштабов смежных снимков легко устраняется применением оптических систем с переменным увеличением для левой и правой ветвей;
  3.  при аэрофотосъемке угол конвергенции всегда превышает 15;
  4.  разворот снимков и установление линий, соединяющих соответственные точки снимков, параллельно глазному базису, затруднений не вызывает.

Выполнение пятого условия, требующего, чтобы каждый глаз рассматривал соответствующий снимок, вызывает определенные затруднения, поскольку выполнить его без специальной подготовки нелегко. Это объясняется тем, что при рассматривании снимков зрительные оси должны быть почти параллельны, в то время как аккомодация соответствует их удалению на 25 см. В связи с этим для наблюдения каждым глазом только одного изображения применяют разные способы: оптический, анаглифический, поляроидный и др.

Рис. 24 Стереоскоп линзовый

1

2

1

2

3

3

Bс

Оптический способ основан на применении для наблюдения стереоскопической модели оптических приборов. В них снимки рассматриваются через систему линз, призм и зеркал, благодаря которым левый глаз видит только левое изображение, а правый – правое.

Простейшим прибором для наблюдения стереомодели является линзово-зеркальный стереоскоп (ЛЗ), состоящий из двух пар зеркал 1, 2 (рис. 24) и двух линз 3.

Стереоскоп характеризуется главным расстоянием (Fc), измеряемым от центра линзы до снимка по ходу центрального луча, величиной базиса (Bc), измеряемого между центрами больших зеркал, и увеличением v, подсчитываемым как отношение расстояния наилучшего зрения (250 мм) к главному расстоянию:

v=250/Fс.

Некоторые конструкции стереоскопов снабжены бинокулярными насадками, измерительными и другими устройствами различного назначения.

анаглифы

К

СЗ

с-з

к

Л

П

m

Рис25. Наблюдение модели путем вычитания цветов

Способ поляроидов (Р. Брукхарт, 1942 г.) основан на получении левого и правого изображений в поляризованном свете, образующемся при пропускании светового потока через два поляроида, каждый из которых представляет собой пару плоско-параллельных стеклянных пластинок с заключенной между ними пленкой-поляризатором. Поскольку интенсивность проходящего через систему светового потока изменяется пропорционально косинусу угла между плоскостями поляризации, то для получения стереоэффекта достаточно развернуть плоскости поляризации левого и правого изображений на 90, наблюдая их через очки-анализаторы с аналогичными поляризаторами. При этом плоскости поляризации левого и правого изображений должны быть параллельны плоскостям поляризации соответствующих анализаторов очков. Наблюдаемая модель имеет нормальные тона, свойственные фотоизображению, потому способ позволяет получать модель по черно-белым и цветным снимкам.

Анаглифический способ наблюдения заключается в рассматривании двух совмещенных изображений, исполненных в дополнительных цветах (например, в красном и сине-зеленом). Наблюдение выполняется через анаглифические очки со стеклами таких же цветов, и каждый глаз воспринимает только одно из изображений: красный светофильтр пропускает красный цвет и задерживает сине-зеленый, а сине-зеленый светофильтр – пропускает сине-зеленый цвет и задерживает красный. Пропускаемые через светофильтры изображения суммируются, и наблюдатель воспринимает одноцветное пространственное изображение объекта.

Пространственная (рельефная) картина может быть получена на основе сложения дополнительных цветов или на вычитании их из белого.

Способ вычитания (Роллман, 1853 г.) применяется для получения объемных изображений. Левое и правое изображения, называемые анаглифами, печатаются на белом фоне прозрачными красками дополнительных (красного и сине-зеленого) и рассматриваются через анаглифические очки. При этом белый фон воспринимается в цветах, соответствующих цветам светофильтров, и потому он сливается с изображением соответствующего снимка того же цвета. Если изображение левого снимка окрашено в сине-зеленый цвет, а правого снимка – в красный цвет, то, рассматривая их через красный (К) и сине-зеленый (СЗ) светофильтры наблюдатель увидит (рис. 25): левым глазом – погашенное (черное) изображение левого снимка на красном фоне, а правым глазом – погашенное (черное) изображение правого снимка на сине-зеленом фоне. В итоге наблюдатель увидит пространственную картину черного цвета на белом (светлом) фоне.

Рис. 26 Наблюдение модели путем сложения цветов

S1

S2

К

С-З

к

с-з

Л    П

B

b

E1

E3

E2

m

E

Способ сложения (дАлмейда, 1858 г.) предполагает проектирование на общий экран E или E1 (рис. 26) изображений, окрашенных в дополнительные цвета, и рассматривание их через анаглифические очки. Поскольку наблюдения выполняются в затененном помещении, то левым глазом (Л) наблюдатель увидит изображение красного цвета на темном фоне, а правым глазом (П) – изображение сине-зеленого цвета на темном фоне. Темный фон создается как черным экраном, так и погашенными (не пропущенными светофильтрами) изображениями. В итоге наблюдатель воспринимает пространственную картину на темном фоне.

Обратим внимание, что соответственные лучи, проектирующие изображение левого и правого снимков на экран (на рис. 26 они показаны сплошными линиями), пересекаются в точках (например, B), совокупность которых образует геометрическую модель местности, объективно существующую независимо от наблюдателя. Наблюдатель же видит иную – стереоскопическую модель местности, представленную совокупностью наблюдаемых точек b (на рис. 26 лучи, создающие изображения на сетчатках глаз наблюдателя, показаны штриховыми линиями). Форма наблюдаемой модели зависит от положения наблюдателя относительно экрана – при приближении она сплющивается, при удалении – вытягивается, а при боковых смещениях – деформируется.

При компьютерной обработке цифровых изображений применяются и иные способы получения стереоскопических изображений.

3.2 Способы измерения снимков и стереомодели

Для измерений координат точек на аэроснимках применяют два способа – монокулярный и стереоскопический, в основе которых лежат свойства монокулярного и бинокулярного (стереоскопического) зрения соответственно. Точность второго при прочих равных условиях заведомо выше из-за более высокой остроты бинокулярного зрения.

Монокулярный способ применяют для измерения одиночных снимков, и в зависимости от требуемой точности, используют те или иные приборы и приспособления. Иногда для этого достаточно циркуля-измерителя и масштабной линейки (когда достаточно знать приближенные координаты), а в иных случаях – требуются высокоточные приборы. Основным недостатком монокулярного способа измерений является требование, чтобы измеряемые точки были контурными. В противном случае возникают трудности их отождествления на смежных снимках, особенно при съемке местности с малой контурностью.

Стереоскопический способ предполагает измерение геометрической модели, построенной по паре смежных снимков. Способ пригоден для измерения координат как контурных, так и не контурных точек. В силу этого и более высокой точности стереоскопический способ получил широкое применение.

Для совместного измерения пары снимков и модели местности в фотограмметрии используется два способа – способ действительной марки и способ мнимой марки.

Способ действительной марки, предложенный Девилем в 1902 г., предназначен для измерения модели местности и предполагает введение в ее пространство реальной марки. Эта марка представляет собой светящуюся точку m в центре верхней плоскости измерительного столика (рис. 26), свободно перемещающегося по экрану. В нижней части измерительного столика  имеется устройство для фиксации положения измерительной марки на экране. Перемещающаяся по высоте марка m воспринимается как левым, так и правым глазом наблюдателя.

M

S2

S1

M

m1

m2

n2

P1

P2

Рис. 27. Измерение снимков мнимой маркой

Для измерения модели столик устанавливают так, чтобы интересующий наблюдателя участок изображения проектировался на его экран. Изменяя высоту измерительного столика, наблюдатель воспринимает стереоскопическую модель, создаваемую фрагментами изображений на плоскостях E1, E2, E3 и т. д. (рис. 26), и принадлежащую ей точку b, которая приближается к точке B геометрической модели. При совпадении точек B и b геометрическая и стереоскопическая модели окажутся совмещенными. Соответствующее этому моменту положение измерительного столика на экране, зафиксированное на экране E специальным устройством, и его высота, отсчитанная по шкале, характеризуют пространственные координаты наблюдаемой точки.

Способ мнимой марки, предложенный в 1899 г. Пульфрихом,  пригоден для измерения как снимков, так и модели. В нем используются две реальные марки (на рис. 27 они имеют Т-образную форму), накладывающиеся на изображения левого (P1) и правого (P2) снимков.

При наблюдении снимков наблюдатель видит пространственную модель и единую пространственную марку. Если на левом и правом снимках марки проектируются на соответственные точки m1 и m2, то наблюдатель увидит пространственную марку, совмещенную с видимой стереомоделью в точке M. При смещении одной из марок (например, правой) в положение n2 пространственная марка воспринимается перемещающейся по высоте от точки M к точке M вдоль левого проектирующего луча.  

                                                       

Рис. 28 Формы измерительных марок

Для совмещения измерительных марок с точками модели или соответственными точками снимков необходимо обеспечить совместное перемещение марок или снимков вдоль координатных осей x и y снимков и независимое перемещение одного из снимков (одной  из марок) вдоль тех же координатных осей. Величины перемещений снимков (марок) должны учитываться измерительными устройствами.

Способ мнимой марки является основным в фотограмметрии и применяется в большинстве фотограмметрических приборов. Используемые в них измерительные марки имеют различную форму (рис. 28); в некоторых приборах наблюдатель может изменить размеры марок (от 0,02 до 0,10 мм), цвет (белый, красный, зеленый) и их яркость отдельно для левой и правой ветвей наблюдательной системы. Размеры левой и правой марок не должны различаться более чем на 10 %.  

4. ДЕШИФРИРОВАНИЕ СНИМКОВ

4.1 Понятие о дешифрировании

Процесс опознания на аэрофотоснимках объектов местности, выявление их свойств, определение качественных и количественных характеристик называется дешифрированием. Различают дешифрирование топографическое и специальное. Топографическое дешифрирование предназначено для определения характеристик ситуации и рельефа земной поверхности, а специальное дешифрование — объектов и элементов местности, наиболее важных для решения различных инженерных задач.

Дешифрирование осуществляется на фотосхемах, фотопланах либо непосредственно на аэрофотоснимках, служит для выявления сложившихся природных и техногенных условий местности в районе изысканий и позволяет устанавливать влияние этих условий на основные инженерные решения и технико-экономические показатели проектируемых сооружений. Это один из наиболее ответственных этапов сбора информации о местности.

Наиболее полно можно дешифрировать объекты местности по аэрофотоснимкам крупного масштаба. Чем крупнее масштаб аэрофотоснимка, тем больше объектов, их деталей и характеристик можно определить при дешифрировании. Особенно уверенно дешифрируют объекты местности, имеющие большие размеры. Объекты, изображения которых составляют десятые и сотые доли миллиметра, могут быть опознаны, как правило, лишь по косвенным признакам либо с помощью специальных оптико-механических приборов, позволяющих увеличивать изображения на аэрофотоснимках до 5 —15' раз, например с помощью зеркально-линзового стереоскопа или интерпретоскопа (рис. 29).

                        

                                                                        3    4                  5   6

Рис. 29. Интсрпрстоскоп

Устройство интерпретоскопа: 1— катушка для фильма; 2 — отсчетное устройство: 3 — винт оптического поворота изображения; 4 — регулятор яркости изображения. 5 — бинокуляр; 6,7 — соответственно шкала и винт изменения увеличения; S шкала продольных параллаксов;9 — объектив; 10 — стол.

При изысканиях автомобильных дорог, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей по аэрофотоснимкам определяют топографические, инженерно-геологические, почвенно-грунтовые, гидрогеологические, гидрологические и экономические условия местности.

Характерные черты и особенности фотоизображений различных элементов местности и объектов, способствующие их опознанию или раскрытию содержания, называются дешифрованными признаками.

В зависимости от назначения дешифрирование подразделяют на топографическое и специальное. Причем к последнему относят распознавание объектов по их фотоизображениям в интересах сельского хозяйства, геологии, гидрологии и т. п. Универсальность  материалов аэрофотосъемки позволяет в каждом случае дешифрирования выявлять  те особенности и детали местности, которые требуются для решения соответствующих научных, инженерных, хозяйственных и иных задач.

При топографическом дешифрировании выявляют и показывают условными знаками все элементы местности, необходимые для создания топографической карты в заданном масштабе:  населенные пункты и отдельные постройки; закрепленные на местности опорные геодезические пункты; гидрографическую и дорожную сети, линии связи с характеризующими их данными и относящимися к ним сооружениями; естественный и культурный растительный покров и грунты; рельеф местности и др.

При специальном дешифрировании, выполняемом в интересах соответствующих служб (землеустроительной, архитектурно-градостроительной, лесной и др.), выявляют в первую очередь интересующие их объекты местности – административно-территориальные или хозяйственные границы, породы леса и др. с характеризующими их данными. При этом другие элементы местности – пути сообщения, элементы гидрографии, леса, болота и т. п. дешифрируют с обобщением и сокращением их характеристик в части, не имеющей непосредственного отношения к соответствующей службе.

В зависимости от техники исполнения  дешифрирование делят на камеральное, полевое, комбинированное и аэровизуальное.

Камеральное дешифрирование основано на использовании изобразительных свойств фотоснимков и изучении различных вспомогательных материалов.  В ряде случаев (в военном деле, при изучении небесных тел и др.) камеральное дешифрирование является единственно возможным.

Полевое дешифрирование, выполняемое непосредственно на местности, носит сезонный характер. Оно основано на сличении фотоизображения с натурой, чем и обеспечивается требуемая полнота, точность и достоверность  результатов на момент дешифрирования.

Комбинированное дешифрирование сочетает достоинства и недостатки полевого и камерального дешифрирования. Как правило, в зимний период выполняют камеральное дешифрирование, а в летний – полевую проверку и уточнение полученных зимой результатов.

Аэровизуальное дешифрирование производят  непосредственно с борта летательного аппарата (самолета, вертолета) и применяют для ускорения процесса дешифрирования больших однородных массивов с малым числом контуров – лесов, болот, тундры и др.  

4.2. Дешифровочные признаки

Дешифрированию объектов местности способствуют изобразительные свойства фотоснимков, складывающиеся из прямых и косвенных дешифровочных признаков.

Прямые дешифровочные признаки присущи практически всем объектам местности, изображающимся на снимках данного масштаба. Они характеризуют объект непосредственно и включают форму, размер, тон, цвет, тень, структуру и др.

Форма – один из основных дешифровочных признаков, по которому устанавливается наличие объекта и его основные свойства. Именно очертания объекта, или его форма, воспринимаются при дешифрировании в первую очередь.

Различают геометрически определенную и неопределенную форму объектов. Определенная, геометрически правильная  форма является важнейшим признаком искусственных сооружений, в то время как неопределенная форма характерна для природных объектов как площадного характера (луга, леса), так и линейного (ручьи, бровки оврагов и др.). Так, профилированные дороги чаще всего изображаются чередованием прямолинейных участков, сопряженных плавными кривыми. Хозяйственные постройки, теплицы, мосты и др. имеют прямоугольную вытянутую форму.  

Форма, однако, не является решающим дешифровочным признаков: извилистый контур может быть речкой и полевой дорогой; круглый контур может быть изображением бассейна и стога сена и т. п.

Размер уточняет сведения, которые дает его форма. При этом важно знать масштаб снимка, определяющий размер изображения, либо иметь некий эталон, позволяющий сравнивать размеры изображений леса и озера, отдельной постройки и стадиона, и т. п. Обычно для дешифрирования планового снимка достаточно знать средний масштаб фотографирования. Для выявления типа объекта всегда, часто подсознательно, выполняют оценку его размеров, площади, периметра, отношение площади к периметру и т. д.  

Минимальные размеры изображения объектов на аэроснимке определяются его разрешающей способностью, зависящей от разрешающей способности объектива и фотоэмульсии.  При разрешающей способности современных съемочных камер на краю изображения не менее 30 линий на 1 мм, а фотоэмульсии – порядка 150–200 линий на 1 мм, получим суммарное разрешение около 0,02 мм в масштабе снимка.

Фототон – это степень почернения фотоматериала в соответствующем месте изображения объекта, зависящая от целого ряда факторов – отражательной способности объекта, его внешнего строения, освещенности, времени съемки, влажности, режима фотопечати и т. п.

Так, сухие дороги и каменные заборы изображаются почти белыми линиями. Светло-серыми, почти  белыми, изображаются освещенные скаты крыш строений, сухая земля,  мосты и пр. Водные пространства, поглощающие свет, изображаются темными тонами, и чем больше глубина, тем чернее. В то же время мутная, вспененная или покрытая рябью вода изображается серым тоном, и тем светлее, чем меньше ее прозрачность. Почва изображается тем темнее, чем больше ее влажность; растительность изображается тем чернее, чем темнее ее окраска в натуре.

Полезно иметь в виду, что если тон изображения разложить на 256 градаций, то глаз человека различает только 25, а для дешифрирования вполне достаточно семи (белый, почти белый, светло-серый, серый, темно-серый, почти черный и черный).

Учитывая нестабильность показателя, при дешифрировании фототон оценивают только в сочетании с другими дешифровочными признаками (например, структурой). Тем не менее именно фототон выступает как основной дешифровочный признак, формирующий очертания границ, размеры и структуру изображения объекта.

Таблица 2 Дешифровочные признаки основных топографических объектов


n/n

Объекты
топографическою дешифриронания

Главные дешифровочные признаки

1

Пашня

В зависимости от увлажненности и типа растительности изменяется тон от светло-серого до серого.
Искусственные прямолинейные границы контуров.

2

Луг

Серый тон. криволинейные очертания контуров,
сухой луг светлее заливного.

3

Еловый лес

Пестрый рисунок из-за разновысотности деревьев. Кроны светлее и меньше, чем промежутки между ними. Стереофотограмметрические приборы выявляют конусообразность деревьев.

4

Сосновый лес

Однообразный светло-серый рисунок, характерный для деревьев примерно одинаковой высоты. Кроны закругленные.

Окончание таблицы 2


n/n

Объекты
топографическою дешифриронания

Главные дешифровочные признаки

5

Лиственный
лес

Значительно светлее хвойного, небольшие промежутки между кронами.

6

Кустарник

Более слабый тон по сравнению с лесом, короткие тени. Нет сплошного густого массива, нет просек.

7

Сады

Четкие ряды деревьев, которые изображаются на снимках в виде черных точек.

8

Тропинки

Тонкие светло-серые линии.

9

Проселочные дороги

Извилины, неровные края земляного полотна,
переменная всю ширина

10

Автомобильные дороги

Очень светлые широкие полосы одинаковой ширины, обрамленные светлыми полосками (обочинами, кюветами). Геометрически правильные закругления.

II

Железные дороги

Светлые полосы с плавными, геометрически правильными закруглениями, с прилегающими широкими полосами (полосами отвода).

12

Мосты на дорогах

Изменение ширины полотна. Тени от опор и пролетных строений.

13

Скаты

Различная освещенность. Скаты, обращенные к солнцу, светлее ровных мест и скатов, наклоненных от солнца.

14

Линии электропередачи и связи

На залесенных участках легко опознаются по просекам, на открытых местах — по незапаханным полосам, на пашне — по теням.

15

Водная поверхность

Водная поверхность глубоких и спокойных водоемов отображается черным тоном, который заметно светлее в мелких местах с песчаным дном, в водоемах с мутной водой, с поверхностью, покрытой рябью от ветра.

16

Колодцы

Темные пятнышки (мокрые места) и ведущие к
ним тропинки.

17

Броды

Большое количество дорожек и тропинок, выходящих к берегу реки. В русле видны отмели светлого тона.

18

Геодезические знаки
(сигналы и пирамиды)

Сигналы и пирамиды на аэрофотоснимках М1:50 ООО совершенно не опознаются; в масштабе 1:35 ООО они могут быть опознаны на пашне по наличию незапаханных под знаками площадей. На аэрофотоснимках М1:18 ООО можно различить тени от знаков, а в М 1:8 ООО непосредственно опознаваемы сами знаки.

Тень объекта является одним из существенных дешифровочных признаков. Различают тени собственные, образуемые в результате различной освещенности поверхности объекта в сочетании с ее неровностями, и тени падающие. Так, различные части кроны дерева, скаты крыши, овраги, насыпи, и др. получают различное количество солнечных лучей на единицу поверхности, что определяет их плотность и структуру. Форма отбрасываемой предметом тени и ее размер позволяет судить о высоте дерева, башни или глубине ямы, канавы, и, следовательно, и о содержании объекта. При этом следует иметь в виду, что на размер тени оказывает влияние рельеф местности (рис. 30).

Рис. 30. Длина тени объекта и рельеф местности

Направление лучей света

Падающие тени отображают вытянутую форму силуэта объекта. Это свойство используют при дешифрировании изгородей, телеграфных столбов, водонапорных и силосных башен, наружных знаков пунктов геодезической сети, отдельных деревьев, а также резко выраженных форм рельефа (обрывов, промоин и пр.).

Цвет и его насыщенность является наиболее достоверным признаком, так как при съемке с натуральной цветопередачей цвета объектов местности соответствует цветам фотоизображения. Наилучшие результаты получают при дешифрировании спектрозональных аэроснимков с более высоким цветовым контрастом.

Структура изображения – наиболее устойчивый прямой дешифровочный признак, практически не зависящий от условий съемки. Структура представляет собой сложный признак, объединяющий некоторые другие прямые дешифровочные признаки (форму, тон, размер, тень) компактной группы однородных и разнородных деталей изображения местности на снимке. Повторяемость, размещение и количество этих деталей приводят к выявлению новых свойств и способствуют повышению достоверности дешифрирования. Важность этого признака повышается с уменьшением масштаба снимка.

Имеется достаточно большое число структур, образованных сочетаниями точек, площадей, узких полос различной формы, ширины и длины. Некоторые из них рассмотрены ниже.

Зернистая структура характерна для изображения лесов. Рисунок создается серыми пятнами округлой формы (кронами деревьев) на более темном фоне, создаваемом затененными промежутками  между деревьями. Аналогичную структуру имеет изображение культурной растительности (садов).

Однородная структура образуется однотипной формой микрорельефа и характерна для низинных травянистых болот, степной равнины, глинистой пустыни, водоемов при спокойном состоянии воды.

Полосчатая структура характерна для изображений огородов и распаханных пашен и является следствием параллельного расположения борозд.

Мелкозернистая структура характерна для изображения кустарников различных пород.

Мозаичная структура образуется растительностью или почвенным покровом неодинаковой влажности и характерна для беспорядочно расположенных участков различного тона, размеров и форм. Аналогичная структура, создаваемая чередованием прямоугольников различного размера и плотности, характерна для изображения приусадебных участков,

Пятнистая структура характерна для изображений садов и болот.

Квадратная структура характерна для некоторых типов лесных болот и населенных пунктов городского типа. Она образуется сочетанием участков леса, разделенных светлыми полосами болота, и читается как сочетания площадей однородного тона. Такую же структуру создают изображения многоэтажных зданий (относительно крупные прямоугольники) и элементов внутриквартальной застройки в населенных пунктах.

Косвенные дешифровочные признаки возникают из закономерностей взаимного расположения объектов местности в силу природных условий, их назначения, хозяйственного использования и т. д.

Рис. 31 Фрагмент аэроснимка 

К косвенным признакам относятся существующая в натуре и отразившаяся на снимках взаимосвязь, взаимозависимость или взаимообусловленность различных объектов и явлений и сопутствующих им характеристик.   Например, соединяющая населенные пункты светлая извилистая линия почти наверняка является изображением проселочной дороги; с той же вероятностью теряющиеся в лесу или в поле светлые извилистые линии – полевые или лесные дороги; постройка вблизи пересечения светлой извилистой полосы (грунтовой дороги) с железной дорогой свидетельствует о наличии здесь переезда;  обрывающаяся на берегу реки дорога и ее продолжение на другом берегу указывает на наличие брода или парома. Логический анализ прямых и косвенных дешифровочных признаков значительно повышает достоверность дешифрирования.

Такой логический анализ позволяет, в частности, определить содержание изображенных на рис.31 объектов:

к скотным дворам 1 с северной стороны примыкает дорога 3 для подвоза кормов; высокие круглые сооружения 2 вблизи юго-восточных углов скотных дворов – силосные или водонапорные башни; темные прямоугольники 4 между дворами – загоны для скота.  

С уменьшением масштаба аэроснимка прямые дешифровочные признаки видоизменяются. Так, если по снимкам масштаба 1:5000  непосредственно выявляется большинство дешифрируемых объектов, то на снимках  масштаба 1:10 000 и мельче исчезают многие малые объекты – колодцы, столбы, реперы и др., а детали объектов среднего размера становятся неразличимыми.

Косвенные дешифровочные признаки достаточно устойчивы, и зависят от масштаба в меньшей степени.

Рельеф местности дешифрируется по характеру изображения элементов гидрографии и геоморфологического строения местности, по теням и освещенности склонов. Однако выполнять его следует с обязательным использованием стереоскопов.

4.3 Содержание  дешифрирования

В зависимости от принятой технологии производства работ, дешифрирование выполняют на фотопланах,  фотосхемах, контактных или увеличенных снимках. Содержание работ, детальность дешифрирования и набор характеристик объектов определяются назначением работ.

Содержание топографического дешифрирования, его точность, степень детализации, правила отображения объектов на снимках и набор их характеристик регламентируются действующими нормативными документами – инструкциями, наставлениями, руководствами, в том числе условными знаками топографических карт (планов) соответствующего масштаба и др.

Сельскохозяйственное дешифрирование – один из наиболее распространенных видов специального дешифрирования.  Его особенностью является выявление в первую очередь границ административно-территориальных и территориальных единиц, землепользований, землевладений, границ объектов недвижимости, сельскохозяйственных угодий с их характеристиками и сведениями о хозяйственном использовании. При этом некоторые топографические объекты не дешифрируются вообще (ориентиры, отдельные деревья, гидротехнические сооружения и др.), а иные показываются с неполными характеристиками (отсутствуют данные о грузоподъемности мостов, покрытии дорог, скорости течения, глубине брода и др.).

Объектами сельскохозяйственного дешифрирования являются: пункты государственной геодезической сети; населенные пункты; дорожная сеть и соответствующие сооружения; объекты гидрографии; границы и ограждения; земли сельскохозяйственного назначения; леса; болота; земли несельскохозяйственного назначения; земли, подвергшиеся радиоактивному загрязнению.    

Современные технологии производства работ по дешифрированию основаны на использовании цифровых методов картографирования и включают:

  1.  подготовительные работы: подбор необходимых картографических материалов, сбор сведений об официальных названиях и категориях населенных пунктов, информации о дорожной сети, данных государственного учета земель и лесного фонда, данных инвентаризации и государственного земельного кадастра, сведений о характеристиках и составе лесных земель и т. д.;
  2.  камеральное дешифрирование фотопланов (ортофотопланов)  с максимальным использованием собранных в подготовительный период материалов и сведений;
  3.  полевое обследование копий фотопланов (ортофотопланов) с результатами камерального дешифрирования, включающее их контроль и уточнение отображения; определение и уточнение числовых характеристик объектов, полученных в камеральных условиях видов и качественного состава земель; нанесение объектов, не изобразившихся на материалах аэрофотосъемки; согласование с руководителями хозяйств данных о хозяйственном использовании земель и др.
  4.  контроль качества результатов исполненных работ и их приемку.

Перечисленные работы выполняются как составная часть работ по созданию (обновлению) топографических или иных карт, планов или  информационных систем соответствующего назначения.

Задачи топографического и сельскохозяйственного дешифрирования объединяются при создании «базовой картографической модели местности», содержание которой соответствует требованиям к топографической карте масштаба

1:10000, а полнота дешифрирования и набор характеристик объектов сельскохозяйственного назначения определяется документами, регламентирующими порядок государственного учета земель.

4.4. Спектральный образ как дешифровочный признак

Сельскохозяйственное производство связано с культивированием, в основном, травянистой растительности. В дистанционном изучении растительности можно выделить следующие основные направления:

  1.  изучение естественных кормовых угодий;
  2.  дешифрирование сельскохозяйственных культур, наблюдение за их развитием, прогнозирование урожайности;
  3.  обнаружение заболеваний и повреждений растений.

Современные возможности многозональной цифровой съёмки позволяют в значительной степени успешно решать задачи перечисленных направлений используя спектральные характеристики травяной растительности.

Спектральная характеристика отразившегося от растений излучения в интервале длин волн λλ = 0,4—2,6 мкм (Рис.31), зависит, в основном, от интенсивности поглощения радиации хлорофиллом в видимой области и водой в средней ИК (инфракрасной) зоне спектра, а также от интенсивности отражения, обусловленного особенностями гистологии листьев, в ближней ИК зоне λλ = 0,75—1,3 мкм.

Многочисленными исследованиями установлено, что спектральная отражательная способность здоровых зеленых травянистых растений различных видов мало варьирует. Типичный ход кривой КСЯ (коэффициентов спектральной яркости) растений показан на рис. 32.

Рис.32 Кривая коэффициентов спектральной яркости в зависимости от интенсивности поглощения радиации хлорофиллом

В видимой области спектра происходит наиболее интенсивная ассимиляция лучистой энергии растениями. Максимум поглощения приходится на интервалы λλ = 0,40—0,47 мкм в синей и λλ = 0,59—0,68 мкм в красной зонах спектра, максимум отражения — в зеленой' зоне с экстремумом около 0,54 мкм.

В ближней ИК зоне отражательная способность растений максимальна —40—50 % и более. Зависит она от структуры мезофилла листьев. Поскольку структурные межвидовые различия бывают существенны, то наибольшие различия КСЯ растений наблюдаются именно в этой зоне спектра.

Рис.33 Кривая коэффициентов спектральной яркости в зависимости от содержания влаги в листьях

Ход кривой КСЯ в средней зоне λλ = 1,3-2,6 мкм определяется интенсивностью поглощения радиации водой в интервалах с максимумами около 1,4; 1,9 и 2,6 мкм. Интегральный уровень отражения  в этой зоне  зависит от содержания влаги в листьях — зависимость обратная (рис. 33).

Фенологическая динамика растений, а также изменения, обусловленные дефицитом питательных веществ и воды, избыточной засоленностью почв, приводят к большей или меньшей трансформации исходной кривой КСЯ. По мере развития растений, пока окраска их определяется хлорофиллом, наблюдается некоторое снижение интенсивности отражения в видимой области спектра и увеличение в ближней ИК зоне. В период созревания культур и увядания, вследствие неблагоприятных условий произрастания, в формировании цветового аспекта растений начинают превалировать каротины, центофиллы (желтые пигменты) и антецианины (красные пигменты). Интенсивность отражения в видимой области спектра при этом увеличивается, ход кривой КСЯ выравнивается с постепенным повышением по мере увеличения λ и несколько уменьшается в области ближней ИК зоны.

Анализ спектральной отражательной способности растений в интервале λλ = 0,4—2,5 мкм и ее изменений во времени позволяет надеяться, что при правильном выборе параметров многозональной съемочной системы и сроков съемки можно решить ряд практических задач по определению вида растений и их состояния.

Большое практическое значение имеют исследования возможности дистанционного изучения сельскохозяйственных культур, особенно зерновых, оценка их состояния и развития, прогнозирование урожайности.

Одним из важнейших факторов, определяющих спектральную отражательную способность растительных покровов, является их морфология. Изучению морфологии, в основном применительно к культурной растительности, уделяется большое внимание в России и за рубежом (работы Ю. К. Росса, Г. К. Сюитса, Т. Р. Синклера, М. М. Шрайбера, Р. М. Хоффера и др.) Предполагается, что морфология полога — пространственное распределение листьев и их ориентация — изменяется в зависимости от сорта культуры, качества посева, условий произрастания, фенофазы и др. Если это так, то морфология полога может использоваться при оценке состояния посевов и прогнозировании урожайности.

Наиболее распространенным критерием морфологии полога является проективное покрытие (ПП) —процент закрытия почвы растительностью. За рубежом находит широкое применение иной критерий — индекс площади листьев (ИПЛ), выражающийся отношением площади листьев к площади их ортогональной проекции на землю. Оба критерия, как показали многочисленные исследования, тесно связаны с надземной биомассой, которая, в свою очередь, может использоваться при оценке ожидаемой урожайности культуры, например, зерна. Следовательно, через спектральную характеристику изучаемых культур можно прогнозировать урожайность.

  1.  Определение превышений на аэрофотоснимках

Продольные паралаксы точек на аэрофотоснимках

  1.  Определение превышений на аэрофотоснимках

6. Стереокомпаратор его устройство и принцип работы

Рис. 7.10. Координаты соответственных точек на паре снимков

x

b1

a1

y

b2

a2

y

x

Стереокомпаратор является наиболее высокоточным стереофотограмметрическим прибором, предназначенным для определения положения соответственных точек на смежных снимках, которое характеризуется координатами ее изображения, т. е. величинами x1, y1, x2 и y2,  (рис. 7.10), или величинами  x1, y1, p и q, причем

p =x1x2,     q=y1y2.  (7.4)

Величина p называется продольным параллаксом точки, а величина q – поперечным параллаксом.

Для измерения этих координат и параллаксов и предназначен стереокомпаратор.

Существуют несколько различных конструкций стереокомпараторов, но их принципиальная схема, представленная на рис. 7.11,  не меняется более 100 лет.

На массивной станине 1 размещена общая каретка 2, перемещающаяся вдоль оси X прибора и несущая левый снимкодержатель P1. В правой части общей каретки 2 расположена параллактическая каретка 4, которая вместе с установленным на ней правым снимкодержателем P2 перемещается относительно каретки 1 вдоль оси X.  

Рис. 7.11. Принципиальная

схема стереокомпаратора

2

1

4

3

5

P1

P2

6

Вдоль оси Y прибора по мостику 3 перемещается подвижная часть наблюдательной системы 5, правая ветвь которой имеет дополнительное (по отношению к левой ветви) перемещение вдоль оси Y прибора. Величины перемещений подвижных частей прибора измеряются по шкалам абсцисс, ординат, продольных и поперечных параллаксов.  

Оба снимкодержателя могут разворачиваться в своих плоскостях на углы . Наблюдение снимков выполняется через бинокулярный микроскоп 6. Измерение стереомодели выполняется марками, вмонтированными в левую и правую ветви наблюдательной системы.   

Рассмотренная принципиальная схема стереокомпаратора обеспечивает возможность  ориентирования снимков, получения стереомодели, наведения измерительной марки на произвольные ее точки и измерения координат и параллаксов точек.

Современные стереокомпараторы характеризуются высокой точностью измерений, переменным увеличением наблюдательной системы от 6 до 20, а также наличием устройств регистрации результатов измерений на машинных носителях.

Рис. 7.12. Стереокомпаратор Стеко 1818

9 8

7

6

5

4

3

2

1

Стереокомпаратор Стеко 1818 производства фирмы «Карл Цейсс Йена» (рис. 7.12) получил в нашей стране наибольшее распространение. Прибор предназначен для измерения координат и параллаксов точек по снимкам формата 1818 см. Коэффициент увеличения наблюдательной системы 8. Визирование осуществляется с помощью марок, расположенных в фокальной плоскости окуляров. Марки имеют форму баллончиков с точкой в нижней части; для наведения на точки используют точку или нижний конец баллончика. Наблюдение стереомодели и ее измерение выполняется с помощью бинокулярного микроскопа 7. Наведение на точки снимков выполняют вращением штурвалов абсцисс X (2), ординат Y (3), продольного параллакса p (6) и кольца  поперечного параллакса q (5).  Значения координат x и y отсчитывают по круговым шкалам абсцисс (1) и ординат (4) с точностью 0,02 мм, а  p и q – по  круговым шкалам продольных (8) и поперечных (9) параллаксов с точностью 5 мкм.

Автоматизированные стереокомпараторы СКА-30 и СКА-1818 обеспечивают выполнение измерений по снимкам формата 1818 или 3030 соответственно с ошибкой 2–5 мкм с регистрацией полученных результатов на машинный носитель. Увеличение наблюдательной системы переменное, от 6 до 20. Особенностью этих приборов является возможность наблюдения дополнительного снимка или кадра неразрезанного аэрофильма (например, смежного маршрута) в паре с одним из основных, что важно для повышения надежности отождествления наблюдаемых точек.

Стереокомпаратор Stecometer фирмы «Карл Цейсс Йена» предназначен для измерения координат и параллаксов точек снимков формата 2323 см с точностью 2 мкм. Для регистрации результатов измерений на машинном носителе к прибору подключается  коордиметр – универсальная электронная система, предназначенная для регистрации данных, полученных на любом стереофотограмметрическом приборе, выпускаемом фирмой.

В настоящее  время, в связи с массовым применением методов цифровой фотограмметрии, стереокомпараторы потеряли актуальность, однако они имеют достаточно широкое распространение и остаются высокоточными приборами.

  1.  ТРАНСФОРМИРОВАНИЕ координат и параллаксов точек СНИМКОВ

  1.  Назначение и способы трансформирования.

Трансформированием называется преобразование центральной проекции, которую представляет собой аэронегатив (аэроснимок), полученный при наклонном положении главного оптического луча, в ортогональную проекцию заданного масштаба или в изображение, соответствующее проекции составляемой карте (плану), с учётом рельефа с точностью соответсвующей масштабу выпуска.

Трансформирование выполняют путем «обратного проектирования» изображения, т. е. преобразования изображения путем переноса его с картинной плоскости на предметную, соответствующую ортогональной проекции. Для такого преобразования необходимы данные, позволяющие прямо или косвенно найти элементы внешнего ориентирования снимка. В связи с этим методы трансформирования делятся на две основных, принципиально и технически различных группы – трансформирование по опорным точкам и трансформирование по элементам ориентирования.

В процессе трансформирования полностью исключаются все виды перспективных искажений аэроснимка, вызванных влиянием угла наклона, а так же разномасштабность смежных снимков, являющаяся следствием колебания высоты фотографирования. Названные искажения подчиняются определенным законам, потому их учет не вызывает затруднений.

Что же касается искажений, вызванных влиянием рельефа местности, то определяющие их превышения точек местности связаны с  одной стороны, с формами рельефа, а с другой – с выбором плоскости, на которую производится трансформирование. Учет таких искажений является одной из наиболее трудных задач фотограмметрии, строгое решение которой связано с разложением изображения на отдельные точки (зоны) и раздельным их трансформированием. Устранение этих искажений возможно лишь применением соответствующих методов или технологических приемов, обеспечивающих учет рельефа с той или иной степенью точности.

Для трансформирования аэроснимков применяют несколько способов, различающихся используемыми техническими средствами: аналитический, фотомеханический, оптико-графический, дифференциальный и др.

Аналитический способ трансформирования основан на использовании зависимостей  между координатами соответственных точек аэроснимка и местности.

Рис. 8.1. Принципиальная схема

фототрансформирования

a

b

c

d

a0

b0

c0

d0

S

P

E

Фотомеханический способ трансформирования основан на использовании специальных приборов – фототрансформаторов. Соответствующими рабочими движениями  основные части фототрансформатора приводят в положение, при котором построенное на экране изображение соответствует горизонтальному аэроснимку, и фиксируют это изображение на фотобумаге. Трансформированный фотоснимок получается в результате химической обработки экспонированной  фотобумаги. До недавнего времени этот способ трансформирования был основным.

Оптико-графический способ трансформирования предполагает применение специальных малоформатных приборов – проекторов. Полученное с их помощью трансформированное изображение проектируют на лист бумаги, обводят карандашом и оформляют принятыми условными знаками. В настоящее время способ находит ограниченное применение при обновлении топографических или иных карт неспециализированными предприятиями.  

Дифференциальный способ трансформирования (ортотрансформирование) основан на преобразовании отдельных фрагментов исходного изображения с учетом элементов ориентирования аэроснимка и высоты центра этого фрагмента над средней плоскостью. Способ  реализуется на приборах универсального типа либо на ЭВМ. Результатом обработки является ортофотоснимок или ортофотоплан.

Термин «дифференциальное трансформирование» (иногда – «щелевое трансформирование»)  в фотограмметрической литературе применяется в случаях, когда ортофотоснимок создается с помощью прибора универсального типа, путем сканирования одного из снимков стереопары вдоль оси Y с постоянным изменением высоты проектирования согласно профилю местности и проектирования изображения на фотографический слой через щель ромбической или трапециевидной формы.

Термин «ортогональное трансформирование»  применяется в случаях, когда выполняется цифровая  обработка изображений, а ортофотоснимок создается путем преобразования группы пикселов с использованием формул связи координат точек наклонного и горизонтального снимков (3.11) и полученной тем или иным способом цифровой модели рельефа местности.

2.  Понятие о традиционном фотомеханическом         трансформировании

Фотомеханическим трансформированием (фототрансформированием) называется такое преобразование фотографического изображения, в результате которого получается новое фотографическое изображение в заданном масштабе и требуемой точности.

Фотомеханическое трансформирование выполняют при помощи специальных оптико-механических приборов – фототрансформаторов.

В кассету фототрансформатора, находящегося в темном помещении, закладывают аэронегатив P (рис. 8.1), освещают его сверху и проектируют изображение через объектив S на экран  E.

Механическими перемещениями и наклонами добиваются такого взаимного положения аэронегатива, объектива и экрана фототрансформатора, при котором проекции наколотых на аэронегативе точек a, b, c и d точно совмещаются с нанесенными по координатам точками  a0, b0, c0 и d0 основы, уложенной на экран E. При этом масштаб спроектированного на экран изображения будет равен масштабу основы, а само изображение окажется свободным от перспективных искажений и будет соответствовать плану местности.

После совмещения точек объектив закрывают красным светофильтром, заменяют основу фотобумагой и, открыв объектив, печатают трансформированное изображение.  После фотографической обработки полученный снимок используют для монтажа фотоплана.  

Фототрансформирование можно выполнить двумя путями:

  1.  восстановить связку проектирующих лучей, подобную существовавшей в  момент фотографирования;
  2.  построить связку проектирующих лучей в соответствии с условиями теоремы Шаля, т. е. изменив взаимное положение плоскости аэроснимка P и экрана (предметной плоскости E).   

Первый путь реализуется в фототрансформаторах первого рода, работающих по принципу подобия связок проектирующих лучей, а второй – в фототрансформаторах второго рода, где используется принцип преобразованных связок проектирующих лучей.

Для правильного фототрансформирования снимков необходимо, чтобы был выполнен ряд условий, обеспечивающих резкость и геометрическую корректность формируемого на экране изображения. Оптические условия фототрансформирования обеспечивают получение на экране фототрансформатора резкого изображения. Геометрические условия фототрансформирования обеспечивают получение на экране фототрансформатора геометрически правильного изображения в заданном масштабе 1:M.

  

3.  Фототрансформаторы

 Рис. 8.2. Автоматизированные фототрансформаторы ФТА (а) и «Пеленг» (б) :1 – осветитель; 2 – кассета; 3 – пульт управления; 4 – счетчики коррекционных механизмов; 5 – экран; 6 – подвижная щель; 7 – объектив

2

7

3

3

6

4

5

1

б

7

6

5

3

1

2

При выполнении фотограмметрических работ используется ряд современных приборов отечественного и зарубежного производства, часть которых рассмотрена ниже.

Фототрансформаторы автоматизированные ФТА (рис. 8.2, а) и «Пеленг» (рис. 8.2, б)  реализуют первую систему элементов трансформирования и предназначены для трансформирования плановых и перспективных снимков с преобразованными связками проектирующих лучей по опорным точкам или установочным данным.

В качестве дополнительной информации о местности может использоваться цифровая модель рельефа, что обеспечивает возможность обработки снимков любой местности.

а

Оба прибора снабжены вычислительными устройствами для выполнения оптических и геометрических условий и щелевой установкой, позволяющей выполнять аффинное преобразование изображения путем его поперечного сдвига и сжатия (растяжения) в продольном направлении, что важно при трансформировании снимков местности с однообразным уклоном. Ширина щели регулируется в зависимости от параметров аэрофотосъемки и рельефа местности.

                

                             а                                                 б                          

    Рис. 8.3. Фототрансформаторы Rectimat (а) и Seg-V (б).

           1 – экран; 2 – объектив; 3 – кассета; 4 – осветитель

Фототрансформаторы Rectimat и Seg-V (рис. 8.3),  выпускаемые фирмой «Оптон» (Германия), используют первую систему элементов трансформирования и предназначены для фототрансформирования по опорным точкам или по установочным элементам. Приборы снабжены высококачественными сменными объективами, обеспечивающими возможность получения фотоизображения высокого разрешения. Оптические и геометрические условия выполняются с помощью вычислительных устройств или электромеханических инверсоров; децентрация вводится вручную оператором или с помощью специальных вычислительных устройств.

В связи с широким распространением цифровых фотограмметрических приборов и рабочих станций на базе ПЭВМ разработка новых конструкций фототрансформаторов перестала быть актуальной.

                    4.  Трансформирование снимков на фототрансформаторе 

Фототрансформирование снимков может быть выполнено по установочным данным или по опорным точкам.

Трансформирование снимков по установочным данным выполняется с помощью наиболее приспособленных для этой цели фототрансформаторов ФТА, Rectimat, Seg-V, Seg-VI и некоторых других.

Для аналитического трансформирования необходимы: элементы внутреннего ориентирования снимка f, x0, y0; угловые элементы его внешнего ориентирования , , ; средняя высота фотографирования H; фокусное расстояние фототрансформатора F и масштаб создаваемого плана 1:M. По этим данным выполняют расчет элементов трансформирования.

Далее аэронегатив закладывают в кассету фототрансформатора и точно ориентируют по координатным меткам. На соответствующих шкалах с учетом их мест нулей устанавливают вычисленные значения элементов трансформирования, а аэронегатив разворачивают в своей плоскости на угол P =  + t, где  – угол поворота снимка в первой системе элементов внешнего ориентирования, а  t – дирекционный угол оптической оси съемочной камеры.

После этого включают освещение и полученное на экране трансформированное изображение снимка фиксируют на фотобумаге.

Точность трансформирования снимков по установочным элементам зависит главным образом от точности определения элементов внешнего ориентирования снимков и погрешностей юстировок фототрансформатора.

Трансформирование снимков по опорным точкам ещё недавно являлся одним из наиболее распространенных способов преобразования наклонной центральной проекции в горизонтальную. Способ требует наличия на каждый снимок не менее четырех четких контурных точек, расположенных по углам его рабочей площади снимка. Обычно используемая пятая контрольная точка располагается в центре снимка. Такие точки, называемые опорными или трансформационными, определяют в ходе полевых геодезических работ или построения фототриангуляционных сетей. В отдельных случаях их координаты могут быть определены по топографическим картам.

718

656

719

720

655

654

454

721

453

452

451

657

Рис. 8.4. Плановая основа

Основными процессами трансформирования являются: изготовление плановой основы и опорных планшетиков, подготовка аэронегативов, расчет толщины подложки для учета деформации фотобумаги, собственно фототрансформирование и фотографическая обработка отпечатков. Кратко рассмотрим эти процессы.

Изготовление основы. На лист тонкой авиационной фанеры или алюминия размером 6060 см наклеивают чертежную бумагу. После просушивания на планшете строят сетку координат, наносят углы рамки съемочной трапеции или границы обработки, сетку координат, трансформационные точки, подписывают номера аэронегативов, вычерчивают границы рабочих площадей и оформляют принятыми на предприятии условными знаками (рис. 8.4).

Опорные планшетики используют для совмещения точек на экране фототрансформатора вместо основы. Их готовят на каждый трансформируемый аэронегатив или на их группу, включающую два-три смежных аэронегатива одного маршрута. С этой целью на лист чертежной бумаги с помощью восковки или на просветном столе переносят центр аэронегатива и необходимые для его трансформирования ориентирующие точки. Точки оформляют принятыми условными знаками, а их наколы чернят тушью или острием карандаша.

Подготовка аэронегативов заключается вспециальной маркировке центральных и ориентирующих точек, по которым будет выполняться фототрансформированиеУчет деформации фотобумаги выполняется путем изготовления отпечатка в более крупном масштабе, чем это требуется. С этой целью определяют величину деформации: получают отпечаток с заранее известными размерами элементами изображения и подсчитывают толщину картонной подложки, которую нужно разместить  при совмещении точек под опорным планшетиком. При печати изображения подложку и опорный планшетик заменяют фотобумагой, на которой фиксируется изображение в чуть более крупном, чем требуется масштабе. После мокрой фотографической обработки и последующей сушки отпечаток примет нужные размеры.

Собственно фототрансформирование начинают с приведения прибора в исходное состояние: экран устанавливают в горизонтальное положение, а на шкалах рабочих движений  –  начальные отсчеты (места нулей). В кассету укладывают аэронегатив  эмульсией к объективу, совмещая его главную точку с центром кассеты, а на экране размещают подложку с уложенным на нее опорным планшетиком. После этого включают освещение и открывают диафрагму объектива.  

Техника фототрансформирования зависит от конструкции применяемого фототрансформатора и сводится к совмещению светящихся точек аэронегатива (проектируемого на экран изображения) с зачерненными точками опорного планшетика.

Совмещение точек считается достигнутым, если несовпадение проектируемых с аэронегатива опорных точек с их положением на экране не превышает 0,4 мм. После совмещения точек объектив диафрагмируют, закрывают светофильтром, опорный планшетик  с подложкой заменяют фотобумагой, выравнивают ее покровным стеклом и выполняют экспонирование.

Фотографическая обработка отпечатков заключается в их проявлении, фиксировании и сушке на специальных стеллажах.

Трансформированные снимки, полученные в результате выполнения рассмотренных операций, используют для монтажа  фотоплана.

5. Учет рельефа при фототрансформировании

Рассмотренная выше технология фототрансформирования является теоретически строгой лишь для точек местности, лежащих в одной плоскости. Практически это условие не выполняется, и положение точек имеющих превышение h над средней плоскостью снимка, получают искажения, описываемые формулой (3.54).

Учет влияния рельефа местности при использовании любого способа трансформирования (в том числе фототрансформирования) основан на очевидном положении, заключающемся в том, что масштаб изображения произвольной точки местности определяется отношением фокусного расстояния съемочной камеры к высоте фотографирования над этой точкой. Поэтому масштаб изображения точек, лежащих выше средней плоскости аэроснимка, всегда крупнее среднего масштаба, а лежащих ниже нее – мельче. Это обстоятельство и объясняет наличие искажений под влиянием рельефа местности. С учетом изложенного задача учета влияния рельефа местности при трансформировании  сводится к тому, чтобы скорректировать масштабы изображения точек аэронегатива на экране прибора в соответствии с их положением относительно плоскости трансформирования и привести эти масштабы  к требуемому.

Механизм учета влияния рельефа местности при фототрансформировании, заключающийся в преобразовании изображения по частям (зонам), предложен австрийским инженером Шеймпфлюгом еще 1903 г.  и сводится к следующему.

Пусть рабочей площади аэроснимка отметки самой низкой и самой высокой точек в пределах рабочей площади равны соответственно Zmin и Zmax, а колебание рельефа Z = ZminZmax.

Найдем по формуле высоту зоны (ступени) Q, при которой величина искажения, вызванного влиянием рельефа местности, не превысит заданного допуска h:

                                                    .

Рис. 8.5. Зоны трансформирования

Zmin

Zmax=Zmin+3Q

Zmin+Q

Zmin+2Q

S

Hср. пл.

A

B0

Зона 1

A   A0

Зона 2

Зона 3

B

a

b

B

Очевидно, что трансформирование на одну плоскость даст приемлемые по точности результаты  только при Z < Q.

Если же Z>Q, то фототрансформирование на одну плоскость даст грубые результаты. Во избежание этого необходимо разделить местность по высоте на несколько зон так, чтобы разности высот в пределах каждой из них не превышали Q (рис. 8.5). Каждую из таких зон необходимо трансформировать отдельно, используя исправленные соответствующим образом трансформационные точки. При этом переход от одной зоны к другой осуществляется путем изменения только масштаба проектирования на величину, пропорциональную высоте зоны. В последующем, при монтаже фотоплана, из каждого отпечатка используют лишь часть изображения, в которой располагается соответствующая зона.

Для фототрансформирования на средние плоскости зон необходимо соответствующим образом исправить положение точек основы, сместив нанесенные на нее по координатам трансформационные точки A0, B0 и др. в положение A, B (рис. 8.5). При этом величина поправки h определяется по формуле, вытекающей из рис. 8.5:

(8.2)

                                       ,                                                      (8.1)

II

74,0

I

72,5

III

67,0

IV

66,0

Зоны транс-

формирова-

ния

 зона 1

 зона 2

 зона 3

Рис. 8.6. Фигуры трансформирования снимка по зонам  

г                        hi = ZiZср.пл .

В формулах (8.11) и (8.12): Zср.пл., Hабс. – отметка средней плоскости зоны и абсолютная высота фотографирования; Zi, Ri, hi – отметка трансформационной точки, ее удаление от центра снимка на основе и– превышение над средней плоскостью зоны.

Положительные поправки h откладываются от центральной точки снимка, а отрицательные – к центральной.

С учетом изложенного рассмотренная ранее технология фототрансформирования дополняется следующими операциями.

1. Определение по карте высот опорных (трансформационных) точек Zi, округление их высот до отметок  ближайших горизонталей и расчет колебания рельефа в пределах рабочей площади снимка

Z=ZminZmax.

2. Расчет высоты зоны (ступени) Q по формуле (3.55), ее округление до сечения рельефа (как правило, в сторону уменьшения) и подсчет числа зон  N= Z/Q.

3. Вычисление отметок средних плоскостей каждой зоны Zср.пл.:

 Zср.пл. = Zmin + (n0,5)Q,

где n – порядковый номер зоны считая от наименьшей по высоте.

4. Расчет поправок по формулам (8.1), (8.2)  и введение их в положение трансформационных точек опорного планшетика для нескольких зон (как правило, первой, средней и последней). Контролем правильности выполненных расчетов является параллельность фигур трансформации, соответствующих расчетным зонам трансформирования (рис. 8.6).

Техника совмещения точек при фототрансформировании на первую плоскость первой зоны не отличается от рассмотренной ранее  и выполняется с учетом особенностей конструкции фототрансформатора.

Номер зоны, на которую выполнено трансформирование, подписывают на обратной стороне фотоотпечатка.

Изменение масштаба изображения при переходе от одной зоны к другой выполняют по изменению l длины какого-либо отрезка, например, расстояния l между изображениями на экране фототрансформатора противоположных координатных меток. При изменении длины l при переходе от зоны i к зоне i+1 определяется по формуле

 , (8.3)

где Q – высота зоны; li  – длина отрезка при трансформировании зоны i; Hi – высота фотографирования над средней плоскостью зоны i.  

Фототрансформирование по зонам – очень трудоемкий процесс, и потому он применяется при числе зон, не превышающем трех. При необходимости использования большего числа зон применяют  другие методы трансформирования (ортотрансформирования).

9 . Определение пространственных координат местности по аэрофотоснимкам

9.1 Формулы связи координат точек местности и их изображений на стереопаре снимков (прямая фотограмметрическая  засечка)

На рис. 4.1  показана стереопара снимков Р1 и Р2, на которых точка местности М изобразилась соответственно в точках m1 и m2. Будем считать, что элементы внутреннего и внешнего ориентирования снимков известны.

 Выведем формулы связи координат точек местности и координат их изображений на стереопаре снимков.

Рис. 4.1 .  

Из рис. 4.1  следует, что векторы определяют соответственно положение точки местности М и центра проекции S1 снимка Р1 относительно начала системы координат объекта OXYZ. Вектор определяет положение центра проекции S2 снимка Р2 относительно центра проекции S1.

Векторы определяют положение точек m1 и М относительно центра проекции S1. Векторы определяют положение точек m2 и М относительно центра проекции S2.

Из рис.4.1  следует, что

                                                (4.1)

Так как векторы коллинеарны, то

;                                                         (4.2)

где N – скаляр.

С учетом (4.2) выражение (4.1) будет иметь вид

.                                                 (4.3)

В координатной форме выражение (4.3) будет иметь вид

;                                      (4.4)

где X1’,Y1’,Z1’ –координаты вектора в системе координат объекта OXYZ.

                               .

Найдем значение N, входящее в выражение (4.4). Из рис. 4.1 следует, что

;

или с учетом (4.2)

.                                                    (4.5)

Так как векторы коллинеарны, то их векторное произведение

.                                                  (4.6)

С учетом (4.5) выражение (4.6) можно представить в виде

;

или

.                                                (4.7)

В координатной форме выражение (4.7) имеет   вид:

 

или

 ,                 (4.8),

где:

- орты, совпадающие с осями координат X,Y,Z системы координат объекта OXYZ;

BX, BY, BZ, X1’, Y1’, Z1’, X1’, Y1’, Z1’ – координаты векторов в системе координат объекта OXYZ.

,

где i – номер снимка, а

.                                                (4.9)

Так как векторы коллинеарны ( так как векторы компланарны), значение N можно найти как отношение их модулей, то есть

;                                                         (4.10)

В координатной форме выражение (4.10) с учетом (4.8) имеет вид

;              (4.11)

У коллинеарных векторов отношение их координат равно отношению их модулей, поэтому можно записать, что:

Таким образом, если известны элементы внутреннего и внешнего ориентирования стереопары снимков и измерены на этих снимках координаты соответственных точек x1,y1 и x2,y2, то сначала надо определить по одной из формул

( 4.12)-(4. 14) значение скаляра N, а затем по формуле (4.4) вычислить координаты точки местности X,Y,Z.

 

9.2. Формулы связи координат точек местности и координат их

изображений на стереопаре снимков идеального случая съемки.

В идеальном случае съемки угловые элементы ориентирования снимков стереопары 1=1=1=2=2=2=0, а базис фотографирования параллелен оси Х системы координат объекта OXYZ.

В этом случае координаты базиса будут равны BX=B, BY=BZ=O (B-модуль ).

Примем, что , то есть начало системы координат объекта OXYZ совмещено с точкой S1), f1=f2=f, a x0i=y0i=0.

Так как угловые элементы ориентирования снимков равны нулю, то

,

а    ,

где i – номер снимка.

При этом выражение (4.13) примет вид:

 ,                       (4.15)

а выражение (4.4), которое мы представим в виде

    

будет иметь вид

,                                                          (4.16)

а с учетом (4.15)

 .                                                         (4.17)

Так как из третьего уравнения выражения (4.17) следует, что

,

то формулы связи координат (4.17) можно представить в виде

                                                     (4.18)

10. Измерение превышений на стереометре СТД-2

11. Аналитическая фототопографическая съемка

Технология работ по стереофотограмметрическим измерениям

 Аналитическая стереофотограмметрическая система, принципиальная схема которой представлена на рисунке, содержит:

  1.  стереокомпаратор, служащий для стереоскопического наблюдения и измерения стереопары снимков;
  2.  компьютер;
  3.  штурвалы Х, У, Z , служащие для задания значений координат точек фотограмметрической и внешнеориентированной моделей и для перемещения кареток снимков стереокомпаратора. В некоторых системах вместо штурвалов используют трекбол, дигитайзер или другие устройства.

Стереокомпаратор аналитической стереофотограмметрической системы включает бинокулярную оптическую систему наблюдения с измерительными марками и измерительные системы снимков стереопары, каждая из которых содержит каретку снимка, выполненную с возможностью перемещения по осям х и у. (В некоторых системах по одной из осей перемещается наблюдательная система )

Каждая каретка снабжена датчиками координат х и у её положения и устройствами для её перемещения. Датчики координат и устройства перемещения кареток связаны посредством интерфейса с компьютером.

На осях вращения штурвалов X, Y, Z установлены круговые импульсные датчики, через интерфейс связанные с компьютером. При вращении штурвалов датчики вырабатывают импульсы, число которых пропорционально углу поворота штурвалов. В зависимости от числа, скорости поступления импульсов или направления вращения штурвалов компьютер вырабатывает команды на перемещение кареток стереокомпаратора или задаёт значение пространственных координат точек модели – X, Y, Z.

При фотограмметрической обработке стереопар снимков на аналитических стереофотограмметрических системах выполняются следующие процессы.

  1.  Калибровка измерительных систем стереокомпаратора.

Калибровка выполняется с целью определения систематических ошибок для последующего их учёта при измерении снимков. Калибровка выполняется при установке аналитической стереофотограмметрической системы и повторяется через 1-3 месяца;

  1.  Внутреннее ориентирование. 

Этот процесс выполняется для определения параметров положения и ориентации снимков в каретках стереокомпаратора, а также для определения параметров систематических искажений снимка, вызываемых деформацией фотоматериала.

  1.  Взаимное ориентирование.

Этот процесс  включает измерение координат точек на стереопаре снимков и определение значений элементов взаимного ориентирования.

  1.  Внешнее ориентирование.

Этот процесс  включает измерение координат опорных точек в системе координат фотограмметрической модели и определение значений элементов внешнего ориентирования фотограмметрической модели и элементов внешнего ориентирования снимков стереопары. Для выполнения этого процесса на аналитической стереофотограмметрической системе строится фотограмметрическая модель.

  1.  Измерение координат и высот точек объекта (местности).

Этот процесс выполняется при создании карт, цифровых моделей рельефа и решении других измерительных задач, выполняемых по стереопаре снимков. Для выполнения этого процесса на аналитической стереофотограмметрической системе строится внешне ориентированная модель.

Калибровка измерительных систем стереокомпаратора АСФС

Калибровка измерительных систем стереокомпаратора производится с помощью специальной измерительной сетки, представляющей собой плоскопараллельную стеклянную пластину, на одной из поверхностей которой нанесена сетка крестов, координаты которых известны с высокой точностью (до 0.5 мкм) (рис 1).

Измерительную сетку закладывают в каретку стереокомпаратора и измеряют координаты крестов в системе координат измерительной системы .

Для исключения систематических ошибок измерительных систем обычно используют формулы аффинных преобразований

 (1)

или

 (2)

В формуле (1) и (2):

- координаты точки в системе координат измерительной системы;

- координаты точки в системе координат измерительной сетки (истинные значения координат, которые мы в дальнейшем будем называть координатами в системе координат калибровочной измерительной системы);

-параметры аффинного преобразования;

П -матрица аффинного преобразования.

Параметры являются координатами начала СК измерительной сетки в СК измерительной системы, а посредством параметров учитывают неперпендикулярность осей СК измерительной системы и отличие масштабов датчиков координат от номинальных значений.

Каждый измеренный крест измерительной сетки позволяет составить два уравнения поправок:

(3)

Очевидно, что для определение 6 параметров аффинного преобразования необходимо измерить не менее 3 крестов не лежащих на одной прямой. Обычно при калибровке измеряют 25 крестов, равномерно расположенных на измерительной сетке.

Определение параметров аффинного преобразования  производят в результате решения системы уравнений поправок (3) по методу наименьших квадратов.

По значениям поправок определяют средние квадратические ошибки измерения координат х и у (точность  измерительных систем стереокомпаратора )

, (4)

где n- количество измеренных крестов.

При последующей фотограмметрической обработке снимков вычисление координат точек снимка в СК  калиброванной измерительной системы производят по формулам:

, (5)

или

,(6)

При обработки снимков на аналитической стереофотограмметрической системе возникает задача определения координат точек в СК измерительной системы по значениям их координат в СК калиброванной измерительной системы.

Эти определения производят по формулам:

, (7)

или

, (8)

в которых - элементы обратной матрицы

Современные цифровые фотограмметрические системы

и их основные характеристики

Применение цифровых методов фотограмметрии в практике топографических, кадастровых и других съемок, как и картографического обеспечения геоинформационных и кадастровых систем, стало реальностью сегодняшнего дня. И нет никаких сомнений в том, что вытеснение классических аналоговых методов обработки материалов аэрофотосъемки – задача уже ближайшего будущего. Это обстоятельство и послужило основанием для того, чтобы в действующих инструкциях по фотограмметрическим работам были обозначены как основные задачи, решаемые цифровыми методами, так и критерии их эффективности.  

Требования к цифровым фотограмметрическим системам (ЦФС) делятся на общие, технические и технологические.  

Общие требования к ЦФС включают такие условия, как строгость алгоритма, максимальная автоматизация процессов обработки, гарантированное решение задачи при наличии теоретической возможности, использование всей геометрической точности исходных изображений, насыщенность алгоритмов логическими операциями контроля полноты и корректности данных, авторская поддержка программных средств и др.

Технические требования  определяют главные условия функционирования цифровых систем и в частности – возможность  обработки черно-белых и цветных снимков в сжатых и несжатых форматах, отсутствие ограничений на объем памяти и быстродействие ПЭВМ,  реализация оптических и электронных средств стереоизмерений и ряд других.

Технологические требования к цифровым системам определяют перечень функциональных возможностей систем, наличие которых обеспечивает их эффективную эксплуатацию, в частности:

  1. автоматическое распознавание и измерение изображений координатных меток и выполнение внутреннего ориентирования;
  2. автоматическое стереоотождествление и измерение идентичных опорных и фотограмметрических точек перекрывающихся снимков;
  3. автоматическое построение по стереопарам цифровых моделей рельефа;
  4. ортотрансформирование изображений с использованием информации о рельефе, представленной в виде горизонталей, отдельных точек (пикетов), регулярной или нерегулярной ЦМР, формирование выходного ортоизображения с заданным геометрическим разрешением и автоматическое выравнивание его плотности;
  5. внутреннее, взаимное и внешнее ориентирование снимков и моделей (маршрутов) по произвольному числу исходных точек (меток, крестов);
  6. сбор цифровой информации об объектах местности в процессе стерео- и моно векторизации (по эпиполярным снимка м и ортоизображению соответственно) с использованием настраиваемого классификатора, ее редактирование с использованием автоматизированных процедур и представление результатов в распространенных форматах.

В настоящее время имеется достаточно большое число цифровых фотограмметрических систем, из которых наибольшее распространение в специализированных предприятиях Республики Беларусь получили системы Photomod , ТАЛКА, и RealisticMap.

ЦФС Photomod разработана ОАО «Ракурс» в содружестве с ведущими специалистами России. Система создана в 1993 г. и ныне используется более чем в 40 странах мира.

                 

Управление проектом

(Photomod Project Manager)

Внутреннее ориентирование, выбор точек, построение маршрутной сети

(Photomod AT)

Уравнивание  фототриангуляционного блока объединением моделей

(Photomod Solver)

Управление обработкой (монтажный стол)

(Photomod Montage Desktop)

Построение цифровой модели
рельефа и горизонталей

(Photomod DTM)

Стереовекторизация контуров

(Photomod StereoDraw)

Построение ортоизображения

(Photomod Mosaic)

Обработка одиночных снимков

(Photomod FastOrtho)

Векторизация ортоизображений, вывод

(Photomod VectOr)

Расчет искажений и их учет

(Photomod ScanCorrect)

ГИС, CAD, картографические и иные системы

Цифровые изображения

Печать

ортофотопланов, цифровых карт

Рис. 6.29 Взаимодействие программных компонентов ЦФС Photomod

Photomod – полнофункциональная система с богатейшими возможностями и оригинальным графическим интерфейсом. Используемые системой математические модели позволяют обрабатывать не только наземные и воздушные снимки, полученные по законам центрального проектирования, но и сканерные, радиолокационные  изображения, а также снимки, полученные неметрическими камерами. Это одна из немногих фотограмметрических систем на рынке СНГ, позволяющая обрабатывать космические и иные цифровые сканерные изображения, полученные с помощью различных сенсоров.

К достоинствам системы относится замкнутый технологический цикл получения всех видов конечной продукции: ЦМР, 3D-векторов, ортофотопланов и цифровых карт без использования других программных продуктов.

ЦФС Photomod  имеет гибкую модульную структуру, обеспечивающую оптимальное соответствие конфигурации задачам пользователя, функционирует в локальной  сети и может эксплуатироваться совместно с другими фотограмметрическими системами. Структура системы и основные функции ее компонентов показаны на рис. 6. 29.

Широкое распространение и профессиональное признание системы обеспечили ее богатейшие технологические возможности, основные из которых сводятся к следующему:

  1. оригинальная графическая среда и доступный интерфейс;
  2. возможность обработки сканерных спутниковых изображений, включая снимки SPOT, TERRA, EROS, LANDSAT, IRS, ASTER, ICONOS, QuickBird;
  3. наличие интерфейса, обеспечивающего эксплуатацию системы в среде ГИС «Карта 2000» (ГИС «Панорама»), MicroStation/95/SE/J (модуль StereoLink), экспорта данных в геоинформационные и картографические системы и др.;
  4. возможность использования при построении и уравнивании фотограмметрических измерений полного набора систем координат, картографических проекций и данных GPS-измерений;
  5. наличие эффективных средств калибровки планшетных полиграфических сканеров;
  6. наличие настраиваемого классификатора картографических объектов;
  7. применение графических и статистических методов оценки  достоверности данных и диагностики ошибок измерений;
  8. возможность формирования ЦМР на регулярной сетке (DEM) с переменным разрешением и использования ее при ортотрансформировании;
  9. наличие эффективных средств оцифровки в монокулярном и стереоскопическом режимах и редактирования полученной графической (векторной) информации;

Система постоянно совершенствуется (в год появляется 2–3 новых версии), пополняется новыми инструментальными средствами и технологическими возможностями.

ЦФС ТАЛКА разработана ИПУ РАН под руководством доктора физико-математических наук Д. В. Тюкавкина. Она отвечает производственным требованиям, технологична и изначально хорошо приспособлена для работы с большими объемами данных. К особенности системы можно отнести:

  1. использование «сжатых» изображений, состоящих из точных фрагментов («фотоабрисов») с изображениями точек и пространств между ними с 10-кратным прореживанием;
  2. возможность обработки больших изображений объемом до 4 Гб;
  3. полную автоматизацию стереоизмерений, включая нанесение необходимых точек с использованием четырех режимов отождествления: «грубого» (аффинного), «стандартного» (с обычной корреляцией), «быстрого» (с малой областью поиска) и «надежного» (с поконтурной обработкой);
  4. построение маршрутных сетей по перекрывающимся триплетам, их объединение в блок в свободной системе координат с последующим уточнением, ориентирование блока маршрутов по опорным точкам и уравнивание связок проектирующих лучей;
  5. возможность   выполнения значительного работ (до 95% от общего объема) в свободной системе координат;
  6. ортотрансформирование снимков по фрагментам (максимум 128128), полученным делением рабочей площади на заданное число элементов в зависимости от уклона местности;
  7. возможность выполнения фотометрической коррекции изображения путем локального выравнивания яркостей между фрагментами, глобального выравнивания всего изображения и межпиксельного выравнивание плотности.

К недостаткам системы можно отнести скромные графические возможности при векторизации, отсутствие классификатора объектов (что важно при последующем создании оригинала карты или плана) и невозможность построения и измерения анаглифических изображений исходных снимков.

Среди других ЦФС следует отметить системы корпорации Intergraph, LH-System, (рабочие станции  DWP 770) и SOCET SET, IMAGINE OrthoBase фирмы ERDAS, ЦФС ЦНИИГАиК, Цифровой стереоплоттер SDS (Новосибирск) и др

12. планово-высотное обоснование аэрофотоснимков. Фототриангуляция

12. радиовысотомер. статоскоп. аэрорадионевилирование местности.

14. аэрофотопографические съемки местности при проектировании инженерных сооружений

15. Создание карты на универсальном фотограмметрическом приборе

16. Перенесение в натуру проектов дорожных трасс, запроектированных по АФс

17. Аэрогеодезические работы при обследовании эксплуатируемых автомобильных дорог

18. Автоматизированное трассирование дороги с пременением аэрофотометодов и ЭВМ

АЭРОГЕОДЕЗИЯ

К У Р С   Л Е К Ц И Й

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Наименование тем, их содержание, объем в часах лекционных  занятий

п/п

Наименование темы

Краткое содержание занятий

Введение.

Аэрогеодезия, ее задачи и назначение при проектировании, строительстве и эксплуатации автомобильных дорог. Сущность и состав основных аэрогеодезических работ. Использование материалов съемок и САПР –АД.

  1.  

Аэрофотосъемка, аэрофотосъемочное обоснование.

Аэрофотосъемка и ее разновидности. Аэрофотоснимок. Продольное и поперечное перекрытие аэрофотоснимков. Аэрофотосъемочное оборудование. Материалы аэрофотосъемок. Аэрофотоаппарат, его основные части и принцип работы.

  1.  

Свойства аэрофотоснимков.

Построение изображения на фотоснимке. Основные точки и линии на фотоснимке. Масштабы аэрофотоснимка. Смещение изображений точек местности на аэрофотоснимке из-за рельефа местности, углов наклона аэрофотоснимка и колебаний высоты полета.

  1.  

Стереомодель местности.

Геометрическая и стереоскопическая модели местности. Наблюдения и способы измерения стереомодели.

  1.  

Дешифрование аэроснимков.

Признаки и способы дешифрования. Особенности дешифрования спектрозональных и тепловых фотоснимков.

  1.  

Определение превышений на аэрофотоснимках.

Продольные параллаксы точек на фотоснимках. Основная формула определения высоты точек местности по разностям параллаксов.  Способы и  точность определения превышений.

  1.  

Элементы ориентирования аэрофотоснимков.

Элементы внутреннего, внешнего и взаимного ориентирования фотоснимков, их назначение и способы определения.

  1.  

Стереокомпаратор, его устройство и принцип работы.

Виды стереокомпараторов, их основные части. Измерение координат и параллаксов точек с преобразованием в систему координат снимка.

  1.  

Трансформирование координат и параллаксов точек.

Назначение и способы трансформирования изображений точек фотоснимков. Аналитический способ преобразования координат точек наклонного снимка на горизонтальный. Формулы трансформированных значений координат для общего и частных случаев аэрофотосъемки.

  1.  

Определение пространственных координат точек местности по аэрофотоснимкам.

Прямая пространственная фотограмметрическая засечка, ее сущность и исходные данные. Основные этапы решения прямой засечки по аэрофотоснимкам общего и идеального случаев съемки для определения пространственных координат точек.

  1.  

Измерение превышений на стереометре СТД-2. 

Корректоры стереометра и их назначение. Ориентирование аэрофотоснимков на стереометре. Измерение превышений и рисовка горизонталей на ориентированных аэрофотоснимках.

  1.  

Аналитическая фототопогра-фическая съемка

Автоматизированное рабочее место фотограмметриста (АРМ-Ф). Назначение и содержание обрабатывающего комплекса. Программное обеспечение АРМ-Ф. Технология работ по стереофотограмметрическим измерениям и аналитической обработке полученных данных на персональном компьютере для построения  цифровой модели местности, фотограмметрического нивелирования трассы и других задач.

  1.  

Планово-высотное обоснование аэрофотоснимков. Фототриангуляция.

Назначение и способы создания планово-высотного обоснования. Размещение и оформление опознаков на местности и  аэрофотоснимках. Расчет расстояний между опознаками. Аналитическая пространственная фототриангуляция, его назначение, построение и реализация  на АРМ-Ф.

  1.  

Радиовысотомер. Статоскоп. Аэрорадионивелирование местности.

Радиовысотомеры, определение высоты полета. Статоскопы, определение колебаний в высоте полета. Аэрорадионивелирование местности и формулы определения превышений и отметок точек.

  1.  

Аэрофототопографические съемки местности при проектировании инженерных сооружений.

Виды и содержание аэрофототопографических съемок. Технология камеральных и полевых работ для составления карт и планов. Фототрансформаторы, их части и принцип работы. Составление фотопланов.

  1.  

Создание карты на универсальном фотограмметрическом приборе.

Универсальные фотограмметрические приборы, их назначение.  Стереопроектор СПР-3, его устройство. Создание карты на СПР-3.

  1.  

Перенесение в натуру проектов дорожных трасс, запроектированных по аэрофотоснимкам.

Основные элементы разбивки инженерных сооружений; детальная разбивка кривых; геодезические приборы и инструменты для разбивки инженерных сооружений Способы перенесения в натуру запроектированной трассы дороги. Технология полевых работ по перенесению проекта трассы с аэрофотоснимков в натуру.

  1.  

Аэрогеодезические работы при обследовании эксплуатируемых автомобильных дорог.

Паспортизация и инвентаризация дорог по материалам аэрофотосъемки. Определение по аэрофотоснимкам крупномасштабной аэрофотосъемки характеристик транспортных потоков. Оценка транспортно-эксплуатационных показателей автомобильной дороги по аэрофотоснимкам

  1.  

Автоматизированное трассирование дороги с применением аэрофотометодов и ЭВМ.

Технологическая схема автоматизированного трассирования. Формирование ЦММ по стереомодели. Перебор вариантов трасс по программе. Фотограмметрическое нивелирование трассы. Графическое оформление трассы.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

58290. Число і цифра 2. Написання цифри два. Лічба предметів. Монети 1 к., 2 к 35 KB
  Скільки всього кружечків Викласти 1 жовтий трикутничок потім 1 синій. Скільки всього трикутничків Як же отримати число 2 Висновок: щоб отримати число 2 треба до 1 додати 1. Скільки намистинок ліворуч Скільки намистинок праворуч...
58291. Деятельность в социально-гуманитарной сфере и профессиональный выбор 62.5 KB
  Знать: что такое профессия чем она отличается от специальности; условия способствующие успешному трудоустройству; мотивы определяющие выбор конкретной профессии; особенности профессий социально-гуманитарной направленности. Мотивы выбора профессии.
58292. Лічба предметів. Поняття довгий, короткий, найдовший, найкоротший, однакові за довжиною 33 KB
  Повторення вивченого матеріалу Порахувати від 1 до 10; порахувати від 10 до 1; порахувати від того числа яке показує вчитель на картці. Порахувати овочі поєднати їх з відповідною цифрою. Завдання: порахувати скільки на малюнках гарбузів помідорів.
58294. Лічба і порівняння предметів. Знаки «більше», «менше», «дорівнює». Написання цифр 1 і 2 36 KB
  Вчитель показує картку з цифрою а учні відкладають відповідну кількість однакових геометричних фігур. Ознайомлення з математичними знаками Діти викладають на партах ліворуч 1 геометричну фігуру а праворуч дві.