Текст книги "Фотограмметрия и дистанционное зондирование"

С. В. Богомазов
Фотограмметрия и дистанционное зондирование

ВВЕДЕНИЕ

Фотограмметрия – наука, изучающая способы определения форм, размеров, пространственного положения и степени изменения во времени различных объектов по результатам измерений их фотографических изображений.

Термин «фотограмметрия» происходит от греческих слов: photos – свет, gramma – запись, metreo – измерение. Следовательно, его дословный перевод – «измерение светозаписи».

Предметы изучения фотограмметрии – это геометрические и физические свойства снимков, способы их получения и использования для определения количественных и качественных характеристик сфотографированных объектов, а также приборы и программные продукты, применяемые в процессе обработки.

Характеристики объекта могут изучаться по его изображению на одиночном снимке или по паре перекрывающихся снимков, полученных и различных точек пространства.

Если при изучении объекта используются свойства одиночного снимка, то такой метод получения необходимой информации называют фотограмметрическим. Если же он изучается по паре перекрывающихся снимков, то метод называют стереофотограмметрическим.

В настоящее время в фотограмметрии выделяют три направления исследований. В первом изучаются и развиваются методы картографирования земной поверхности по снимкам. Второе связано с решением прикладных задач в различных областях науки и техники. В третьем развиваются технологии получения информации об объектах Земли, Луны и планет солнечной системы с помощью аппаратуры, установленной на космических летательных аппаратах. Задачи и методы последнего из указанных направлений существенно отличаются от первых двух и далее детально не рассматриваются.

Основными достоинствами фотограмметрического и стереофотограмметрического методов являются:

– высокая точность результатов, так как снимки объектов получают прецизионными фотокамерами, а их обработку выполняют, как правило, строгими методами;

– высокая производительность, достигаемая благодаря тому, что измеряют не сами объекты, а их изображения. Это позволяет обеспечить автоматизацию процесса измерений и последующих вычислений;

– объективность и достоверность информации, возможность при необходимости повторения измерений;

– возможность получения в короткий срок информации о состоянии как всего объекта, так и отдельных его частей;

– безопасность ведения работ, так как съемка объекта выполняется неконтактным (дистанционным) методом. Это имеет особое значение, когда объект недоступен или пребывание в его зоне опасно для здоровья человека;

– возможность изучения движущихся объектов и быстро протекающих процессов.

Наряду с отмеченными достоинствами рассматриваемые методы имеют и недостатки. К ним следует отнести зависимость фотографических съемок от метеоусловий и необходимость выполнения полевых геодезических работ с целью контроля всех технологических процессов. Поэтому только разумное их сочетание с другими методами получения информации может обеспечить решение поставленной задачи с минимальными затратами труда и средств.

При разработке методических указаний использован опыт ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ», ГОУ ВПО «Пензенский ГУАС» по организации проведения лабораторных занятий по дисциплине «Фотограмметрия и дистанционное зондирование».

ТЕМА 1 ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ К АЭРОФОТОСЪЕМКЕ (2 часа)

Цель работы: ознакомится с методикой расчета элементов плановой аэрофотосъемки.

Задание: провести расчет элементов плановой аэрофотосъемки согласно индивидуального задания, выдаваемого преподавателем.

1 Расчет элементов плановой аэрофотосъемки

Одним из важнейших процессов в подготовительных работах является расчет элементов аэрофотосъемки. Расчет элементов аэрофотосъемки проводится в лабораторных условиях на земле по следующим параметрам:

Н – высота полета (м);

В – базис фотографирования (м);

D – расстояние между маршрутами (м);

N – число маршрутов (шт.);

n – число аэрофотоснимков в одном маршруте (шт.);

nx – общее число аэрофотоснимков за съемку (шт.);

t – максимальная выдержка (сек.);

Т – интервал между экспозициями.

Для расчета всех параметров необходимо получить плановое задание, которое приведено в таблице 1.

Таблица 1 – Размер площади подлежащей съемке (длина (А)×ширина (С), км)

Таблица 2 – Формат снимков (см х см) и их продольное (dх) и поперечное (dу) перекрытие (%)

Таблица 3 – Масштаб съемки (m) и фокусное (fк) расстояние (мм)

Таблица 4 – Скорость полета самолета (км/час) и допустимый линейный сдвиг (δ) изображения (мм)

Все расчеты проводятся по следующим формулам:

H = f _k × m, (1)

где: Н – высота полета;

f_k – фокусное расстояние;

m – масштаб снимка.

где: В – базис фотографирования;

d_x – продольное перекрытие;

l – длина стороны снимка.

где: D – расстояние между маршрутами.

где: N – число маршрутов;

С – ширина участка.

где: n – число аэроснимков в одном маршруте;

А – длина маршрута.

n x= N * n , (6)

где: n_x – общее количество аэрофотоснимков за съемку.

где: δ – допустимый линейный сдвиг изображения;

V – путевая скорость самолета (м/сек);

t – максимальная выдержка.

T=V/B, (8)

где: В – базис фотографирования;

V – скорость самолета.

По окончанию расчета элементов плановой аэрофотосъемки заполняется бланк-задание на летно-съемочный процесс в виде таблицы 5.

Таблица 5 – Бланк-задание на летно-съемочный процесс

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные параметры расчета элементов аэрофотосъемки.

2. Как определяется масштаб аэрофотоснимка?

3. С какой целью вводятся продольные и поперечные перекрытия на аэрофотоснимках?

4. От чего зависит количество маршрутов аэрофотосъемки?

5. Какие существуют форматы аэрофотоснимков?

ТЕМА 2 УСТРОЙСТВО АЭРОФОТОАППАРАТА (2 часа)

Цель работы: изучить устройство аэрофотоаппарата.

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.

Типы и конструкции современных АФА различны, но все они в своей основе имеют единую принципиальную схему, а основными их узлами является корпус, конус, кассета и командный прибор (рис. 1:6). 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 совпадаете главной фокальной плоскостью объектива.

Рисунок 1 – Устройство аэрофотоаппарата

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 одновременно двумя – тремя съемочными камерами.

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

Рисунок 2 – Прикладная рамка аэрофотокамеры

В плоскости прикладной рамки размещены четыре механические координатные метки (рис. 1.7), изображающиеся на каждом снимке. Прямые, соединяющие противоположные метки, должны быть взаимно перпендикулярны, а точка их пересечения О – совпадать с главной точкой снимка О'.

Современные АФА имеют в плоскости прикладной рамки 4-8 оптических координатных меток, размещенных по углам кадра, или равномерно распределенную по полю сетку крестов с шагом 1-2 см. Причем оптические координатные метки имеют специальные признаки, что допускает автоматическое определение их номеров и распознавание точки, к которой отнесены координаты. Современные аэрофотоаппараты имеют формат кадра 18×18, 23×23 или 30×30 см и оснащены специальными устройствами, обеспечивающими: аэрофотосъемку с заданным перекрытием;

впечатывание в кадр сенситометрического клина и навигационных данных; автоматическое регулирование экспозиции; измерение контрастности изображения и компенсацию его сдвига; смену светофильтров; индикацию снимаемого ландшафта на мониторе и т. п.

Основные технические характеристики некоторых современных аэрофотоаппаратов приведены в таблице.

Таблица 6 – Характеристики АФА

В конце XX века начали появляться цифровые съемочные системы, основанные на использовании приборов с постоянной зарядовой связью в виде матриц или линеек, помещаемых в плоскости прикладной рамки.

Контрольные вопросы

1. Назначение аэрофотоаппаратов.

2. Из каких основных узлов состоит аэрофотоаппарат?

3. Какие основные характеристики съемочных камер?

4. Классификация фотографических съемочных систем.

ТЕМА 3 СОСТАВЛЕНИЕ НАКИДНОГО МОНТАЖА И ОЦЕНКА КАЧЕСТВА АЭРОФОТОСНИМКА (4 часа)

Цель работы: изучить методику составления накидного монтажа и оценить качество аэрофотоснимков маршрута.

Задание 1: составить накидной монтаж и определить величины продольного и поперечного перекрытия (1 час).

Задание 2: определить рабочую площадь снимка (1 час).

Задание 3: определить непрямолинейность маршрута и разворот снимка относительно направления маршрута «Елочка» (1 час).

Задание 4: оценить фотографическое качество аэрофотоснимков (0,5 часа).

Задание 5: определить средний масштаб аэрофотоснимков (0,5 часа).

Исходный материал: маршрутные аэрофотоснимки двух, трех маршрутов; топографическая карта более мелкого масштаба, чем аэрофотоснимки; линейки, измерители, наколки, транспортиры, грузики.

При аэрофототопографической съемке снимки местности получают путем ее фотографирования. Называют этот этап летносъемочным процессом или аэрофотосъемкой (АФС), осуществляют – с самолёта или другого летательного аппарата. Цель: получение не только фотоснимков, удовлетворяющих заранее поставленным требованиям, но и показаний специальных приборов, характеризующих их положение в момент экспонирования. В наземной фототопографической съемке фотографируют фототеодолитом, который устанавливается на штативе.

АФС можно классифицировать по количеству и расположению аэрофотоснимков (одинарная, маршрутная и площадная), положению оптической оси аэрофотоаппарата (плановая и перспективная) и масштабу фотографирования (крупномасштабная – 1: 10000 и крупнее, среднемасштабная и мелкомасштабная – 1: 35000 и мельче).

Одинарная АФС – фотографирование отдельных сравнительно небольших участков земной поверхности, когда аэрофотоснимки не перекрываются.

Рисунок 3 – Маршрутная аэрофотосъемка

Маршрутная АФС – такое фотографирование полосы местности, при котором смежные аэрофотоснимки взаимно связаны заданным продольным перекрытием Р (рисунок 3). Причем величина его достигает 60 и более процентов, поэтому возникают и зоны тройного перекрытия, что очень важно при фотограмметрической обработке снимков. Маршрутная АФС может быть прямолинейной, ломаной и криволинейной. Площадная (многомаршрутная) АФС – фотографирование участка земной поверхности, который не захватить одним маршрутом. В этом случае прокладываются несколько параллельных между собой аэрофотосъёмочных маршрутов (рисунок 4). При этом смежные маршруты перекрываются. Называют общую часть изображений на снимках поперечным перекрытием Q.

Плановой называют аэрофотосъемку, при которой стараются получать горизонтальные снимки, но получают наклонные с отклонением оптической оси АФА от вертикали не более 3°. Перспективной считают АФС при наклоне оптической оси на заданный и сравнительно больший угол.

Рисунок 4 – Аэрофотосъемка нескольких маршрутов

Основным видом аэрофотосъёмки является плановая АФС. Она производится в различных масштабах, которые зависят от высоты фотографирования Н и фокусного расстояния f АФА, в частности:

При получении снимков с поверхности земли в топографических целях местность фотографируют с разных точек пространства, но так, чтобы смежные снимки перекрывали друг друга. Оптические оси фототеодолита устанавливают при этом, как правило, горизонтально.

Накидным монтажом называется приближенное соединение контактных аэрофотоснимков перекрывающимися частями для получения непрерывного изображения местности. Накидной монтаж выполняют способом мельканий. Монтаж начинают с верхнего маршрута справа налево, чтобы были видны номера всех аэрофотоснимков. Для этого прикрепляют к щиту кнопками самый правый аэрофотоснимок. Затем путем быстрого и многократного отгибания верхнего аэрофотоснимка и перемещения его добиваются совмещения общих контуров в средней части перекрытия (рисунок 5).

Рисунок 5 – Составление накидного монтажа

Монтаж второго маршрута также начинают с правого крайнего снимка, укладывая его по общим точкам поперечного перекрытия с аэрофотоснимками предыдущего маршрута.

Продольное перекрытие Р_х рассчитывают по формуле:

Р_х = (l_x ×100 %)/l, (10)

где l_x – размер перекрывающихся частей снимка; l – длина стороны снимка.

Продольное перекрытие снимков вычисляют или задают исходя из технологии фотограмметрической обработки снимков (или иных соображений). Значение его может быть 60, 70, 80, 90 %. Перекрытие между двумя снимками называют двойным. Зона перекрытия на трех снимках – тройное перекрытие и т. д. Для каждого стандартного значения продольного перекрытия определяют минимальные и максимальные пределы. Размер продольного перекрытия обеспечивается частотой (временным интервалом) включения АФА, который зависит от высоты фотографирования и путевой скорости летательного аппарата. Расстояние между соседними точками фотографирования в маршруте называют базисом фотографирования и обозначают В_х.

Поперечное перекрытие Р_у – это перекрытие снимков соседних маршрутов, которое обеспечивается расстоянием В_у между ними. Поперечное перекрытие рассчитывают по формуле:

Р_y = (l_y ×100 %)/l, (11)

где l_y – размер перекрывающейся части снимков двух смежных маршрутов.

Минимальное поперечное перекрытие допускается 20 %.

Продольные и поперечные перекрытия позволяют проводить измерительные действия в центральной части снимка, где его геометрические и фотометрические искажения минимальны. Эту часть снимка называют рабочей площадью снимка. Рабочую площадь снимка, ограничиваемую линиями, проходящими через середины двойных продольных и поперечных перекрытий, называют теоретической (рисунок 6).

Рисунок 6 – Рабочая площадь снимка

Размер ее по оси х и у вычисляют по формулам:

B_x = l (100 % – P_x) / 100 %, (12)

B_y = l (100 % – P_y) / 100 %, (13)

где Р_х и Р_у – продольные и поперечные перекрытия.

Теоретическую рабочую площадь используют при расчетах.

При выполнении фотограмметрических работ используют практическую рабочую площадь.

Качество материалов съемки оценивают с целью выявления соответствия реально получаемых результатов требованиям технического задания и существующим нормативам, значения которых установлены инструкциями и наставлениями по проведению аэрофотосъемок. Оценивают также фотографическое качество аэрофотоснимков и фотограмметрическое качество материалов аэрофотосъемки.

Фотограмметрическое качество материалов аэрофотосъемки оценивают по следующим критериям:

1. Определение продольных и поперечных перекрытий. Размер перекрытий определяют с помощью специальной линейки для измерения перекрытия в процентах. Если аэрофотосъемка выполнена с продольным перекрытием 60 или 80 %, минимальное значение перекрытия допускается соответственно 56 и 78 %. Минимально допустимое поперечное перекрытие равно 20 %. Обычно определение перекрытий выполняют по накидному монтажу;

2. Непрямолинейность аэрофотосъемочного маршрута. Для ее определения сначала находят главные точки крайних снимков маршрута, за которые принимают пересечение линий, соединяющих противоположные координатные метки. Затем их соединяют прямой линией, измеряют расстояние L между ними (рисунок 7) и уклонение от этой прямой главной точки наиболее удаленного снимка. Это уклонение называют стрелкой прогиба маршрута.

Рисунок 7 – Схема определения непрямолинейности маршрута съемки

Отношение стрелки прогиба к длине маршрута, выраженное в процентах, есть непрямолинейность маршрута:

n = l × 100 % / L. (14)

Непрямолинейность маршрута не должна превышать 2 % при высоте фотографирования Н>750 м и в масштабе съемки 1:т мельче 1:5000 и не более 3 %, если Н<750 м и 1:т крупнее 1: 5000;

Рисунок 8 – Схема определения разворота снимка относительно направления маршрута съемки («елочки»)

3.  Разворот снимков относительно направления маршрута («елочка»). Определяют его двумя способами. Первый – путем измерения угла между линией хх, соединяющей координатные метки снимка, и осью маршрута (рисунок 8). Второй – измерение угла между перпендикуляром к оси маршрута и поперечной стороной снимка. Допустимые углы «елочки» при фокусных расстояниях 100, 140, 200, 350 и 500 м соответственно равны 5, 7, 10, 12 и 14°;

Данные по оценке аэрофотоснимков необходимо занести в журнал:

4. Фотографическое качество.

Фотографическое качество аэроснимков оценивается путем последовательного их просмотра и глазомерного определения степени соответствия тем требованиям, которые к ним действующими инструктивными положениями. Для объективной оценки качества негативов и контактных отпечатков пользуются эталонами и теми придержками, которые приводятся ниже.

1. Нормальный отпечаток. Снимок имеет однородную и достаточную резкость и контрастность всего изображения, полную проработку затененных мест и одинаковый тон изображения однородных объектов. На снимке должны резко выделяться тени крон деревьев, ясно просматриваться переход от затененных к освещенным частям крон, а также хорошо видны полутени, очертания крон и промежутки между ними.

2. Передержанный отпечаток. Общий тон – темный. Неразличимы переходы от затененных частей крон к освещенным (освещенные стороны крон тоже темные, как и затененные). Нет хорошо заметных очертаний крон и промежутков между ними.

3. Недодержанный отпечаток. Общий тон – светло-серый. Тени слабо заметны. Очертания крон неясно различимы.

4. Общая нерезкость изображения. Возникает из-за плохого выравнивания пленки в момент экспонирования.

5. Частичная нерезкость изображения. Наблюдается на некоторых местах снимка из-за неплотного прилегания бумаги к пленки при печатании.

6. Засветка из-за электроразрядов. На снимке видны ветвистые извилистые линии. Причина – проявление экспонированной пленки без двух-трех часовой выдержки ее в спокойном состоянии (не произвелась разрядка электрических зарядов в кассете).

7. Вуаль. Отпечатки сделаны на плохой старой бумаге, или сказалось влияние дымки в момент съемки.

8. Пузырьки на отпечатках. Отдельные участки снимка имеют округлые пятна, напоминающие по своему изображению пузыри. Причина – печатание в растворах разных температур или плохая подкладка под отпечатки при сушке последних.

9. Наличие на отпечатках механических повреждений, срывов эмульсии, склеек и т.д.

10. Желтые пятна или общая желтизна отпечатка. Отпечаток во время фиксирования склеился с другими или же проявился в плохом или холодном проявителе.

11. Темные пятна. На снимке изображены тени от облаков.

12. Светлые пятна. На снимке изображены сами облака.

После тщательного осмотра каждого отпечатка и отнесения его к той или иной категории качества все снимки разносятся по этим категориям. При наличии на снимке двух-трех недостатков его относят к каждой из установленных категорий качества.

Оценка аэроснимков по фотографическому качеству производится исходя из общего распределения снимков по этим 12 категориям. Оценка «отлично» устанавливается, если 90 % всех снимков относится к категории «нормальный отпечаток»; оценка «хорошо» – если имеется 70-80 % нормальных отпечатков; оценка «удовлетворительно» – 50-69 %; оценка «неудовлетворительно» – при наличии менее 50 % нормальных отпечатков.

5. Определяют углы наклона снимков. Если в углах аэрофотоснимков имеется изображение круглого уровня, то по положению пузырька определяют приблизительные значения углов наклона. Цена деления круглого уровня равна 0,5°. Значения углов записывают в журнал;

6. Определяют средний масштаб аэрофотоснимков. В углах накидного монтажа выбирают четыре контурные точки, которые можно опознать на топографической карте. В качестве контурных точек используют изображения углов заборов, пересечения тропинок, канав, дорог и т. п. Измеряют диагонали четырехугольника, образуемого контурными точками, на накидном монтаже l и топографической карте L и записывают в «Журнал определения масштабов аэрофотоснимков» с округлением результата до 1 мм. Вычисляют знаменатели масштабов аэрофотоснимков по формуле m = L × M / l, (15) где М – знаменатель масштаба карты.

Таблица 7 – Журнал определения масштабов аэрофотоснимков

7. Разбирают накидной монтаж, складывают аэрофотоснимки по маршрутам и помещают их в конверт, который необходимо прикрепить в приложения отчета.

После завершения работ по оценке выдают заключение о качестве материалов аэрофотосъемки. В случае несоответствия требованиям аэрофотосъемку (сплошную или выборочную) повторяют.

Общая оценка материалов аэрофотосъемки определяется как среднеарифметическая величина из баллов качественной оценки аэроснимков по всем показателям всех маршрутов.

Аэрофотосъемка признается неудовлетворительной в следующих случаях:

1. Имеются снимки с продольным перекрытием меньше 56 %.

2. Имеются снимки с поперечным перекрытием менее 20 %. 3. При неудовлетворительном фотографическом качестве.

4. Если непрямолинейность маршрутов превышает 3 %.

5. При наличии «ёлочки» с углом 5 ^°.

6. При разномасштабности, превышающей 3 %.

Во всех случаях необходима новая съемка на всей площади или ее части.

Контрольные вопросы

1. Перечислите фотограмметрические показатели определения качества аэрофотосников.

2. Что такое накидной монтаж?

3. По каким фотографическим показателям оценивается качество аэрофотоснимка.

4. В каких случаях аэрофотосъемка считается удовлетворительной?