Текст книги "Фотограмметрия и дистанционное зондирование"

ТЕМА 4 ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ АЭРОФОТОСНИМКА (2 ЧАСА)

Цель работы: ознакомится с методикой проведения геометрического анализа аэрофотоснимка.

Исходные материалы и данные: плановый аэрофотоснимок равнинной местности для выполнения задания: 1. фотоплан (трансформированный снимок) этой же местности примерно такого же масштаба; горизонтальный аэрофотоснимок всхолмленной местности для выполнения задания; 2. фотоплан этой же местности примерно того же масштаба с горизонталями.

Задание 1: исследовать влияние наклона снимка равнинной местности на его метрические свойства (1 час).

Задание 1: исследовать влияние рельефа местности на метрические свойства снимка всхолмленной местности (1 час).

Порядок выполнения задания 1. Выбрать в каждом углу снимка (зоне), не приближаясь к его краю менее 10 мм, по два базиса 1-2 и 3-4 длиной 20…30 мм (рисунок, а). Желательно, чтобы каждая пара базисов пересекалась примерно под прямым углом, а точка их пересечения была центром симметрии образовавшихся плеч. Концами базисов должны быть надежно идентифицирующиеся точки снимка и фотоплана. Эти точки одновременно аккуратно накалывают тонкой иглой (наколкой) на снимке и фотоплане. Угловые зоны обозначают римскими цифрами I…IV.

2. Выбрать аналогично и зафиксировать в центральной части снимка наколами концы пары пересекающихся базисов. Точка пересечения их должна возможно ближе располагаться относительно главной точки снимка. Обозначают эту зону цифрой V.

3. Обвести на обороте снимка и фотоплана (если он не на жесткой основе) наколы окружностями и обозначить цифрами. На фотоплане с жесткой основой точки фиксируют на лицевой стороне.

4. Измерить с помощью измерителя и масштабной линейки каждый базис на снимке (l_i-j) и фотоплане (L_i-j). (Можно на оборотной стороне.) Результаты заносят в журнал.

Таблица 8 – Журнал измерения метрических свойств снимка

5. Вычислить значение знаменателя масштаба по каждому из базисов, используя формулу:

m_i-j = I_i-j ×M / l_i-j,

где M – знаменатель масштаба фотоплана.

Число значащих цифр в m_i-j должно соответствовать числу значащих цифр в наиболее грубо определенном аргументе из использованных в вычислении плюс одна запасная цифра.

Рисунок 9 – Правила расположения базисов при определении частных масштабов снимка

6. Определить среднее значение частного масштаба каждой зоны m_I.

7. Оценить ожидаемую точность использования среднего масштаба каждой зоны при измерении линий любого направления в этой зоне по формуле:

1/t = (m_i-j – m_I)/m_I. (16)

Результат выразить аликвотной дробью.

8. Определить знаменатель среднего масштаба снимка по масштабам в четырех угловых зонах, используя формулу:

m¯ =∑m_I /4. (17)

9. Оценить ожидаемую точность использования среднего масштаба снимка при линейных измерениях в любой его части и по любому направлению по формуле:

1/Т=(m_I – ¯m)_max / ¯m. (18)

10. На основе теории, можно утверждать, что полученное значение знаменателя масштаба m¯ должно при выполнении определенных условий быть равным среднему значению знаменателя масштаба зоны V. Если равенства нет – обосновать возможное отклонение, а при недопустимом отклонении найти ошибки.

11. Составить письменное заключение о возможности метрических действий на снимке равнинной местности, если известна необходимая точность этих действий.

Порядок выполнения задания 2

1. Выбрать возможно дальше от главной точки снимка (но не ближе 10 мм от края снимка), пользуясь фотопланом с горизонталями, два участка местности (зоны) – один с наклоном к мнимому центру проекции, другой – наклоненный от центра, а также два участка, расположенные на равнинных поверхностях и различающиеся по высотному уровню (рисунок, а).

2. Выбрать и зафиксировать на снимке и фотоплане наколами в каждой зоне по два пересекающихся базиса, соблюдая условия, изложенные в предыдущем задании. Особым условием здесь будет непременность расположения одного из базисов вдоль, а другого – поперек направления ската наклоненного участка.

3…8. Измерить и обработать результаты аналогично соответственным пунктам предыдущего задания.

9. Дать письменное заключение о возможностях метрических действий на горизонтальных (или почти горизонтальных) снимках всхолмленной местности.

Контрольные вопросы

1. Какие допускаются углы наклона снимков при решении поставленных задач?

2. Как угол наклона снимка влияет на масштаб изображения местности?

3. Каким образом рассчитывается масштаб аэрофотоснимка?

4. В какой части снимка масштаб будет постоянен?

ТЕМА 5 ИЗГОТОВЛЕНИЕ ВОСКОВКИ НАПРАВЛЕНИЙ И ПОСТРОЕНИЕ ФОТОТРИАНГУЛЯЦИОННОГО РЯДА (2 часа)

Цель работы: ознакомиться с методикой построения фототриангуляционного ряда.

Исходные материалы: аэроснимки, топоплан масштаба 1:10000, калька, циркуль-измеритель.

Задание: изготовить восковки направлений аэрофотоснимков и общую восковку фототриангуляционного ряда.

Фототриангуляция – метод определения координат точек местности по фотоснимкам.

Назначением фототриангуляции является сгущение геодезической сети с целью обеспечения снимков опорными точками, необходимыми для составления топографической карты, и решения ряда инженерных задач.

Фототриангуляция может быть пространственной, если определяют все три координаты точек, или плановой, если определяют только две координаты, характеризующие положение точки в горизонтальной плоскости. Для пространственной фототриангуляции необходимо построить общую модель местности, изобразившейся на данных снимках, и ориентировать её относительно геодезической системы координат (рисунок 10).

Рисунок 10 – Модель пространственной триангуляции

Эту задачу решают путём внешнего ориентирования снимков, т. е. установки их в такое положение, при котором соответственные проектирующие лучи пересекаются, а координаты полевых опорных точек равны их заданным значениям (способ связок). Общую модель создают также путём построения частных моделей по отдельным стереоскопическим парам снимков и соединения их по связующим точкам (способы независимых и частично зависимых моделей). При аналитическом решении задач пространственной фототриангуляции измеряют координаты точек снимков на монокомпараторе или стереокомпараторе и вычисляют координаты точек местности. Наиболее строгим и точным является способ связок, основанный на совместном уравнении фотограмметрических и геодезических измерений и показаний соответствующих приборов на борту съёмочного самолёта.

Для выполнения пространственной фототриангуляции аналоговым способом используют фотограмметрические приборы: стереограф, стереопроектор, автограф и др., позволяющие строить независимые или частично зависимые модели.

Плановая фототриангуляция основана на присущем снимкам с малыми углами наклона свойстве, заключающемся в том, что центральные углы с вершиной в главной точке снимка или вблизи этой точки практически равны соответствующим горизонтальным углам на местности. Плановую фототриангуляцию можно развить аналитическим способом, измерив на снимках центральные углы или координаты точек, или графическим способом при помощи восковок направлений, на которые перенесены углы со снимков (рисунок 11).

Рисунок 11 – Модель плановой фототриангуляции

Также применяются маршрутная и блочная фототриангуляции. Наиболее эффективной является блочная, которая строится по нескольким или многим маршрутам с применением компьютерных технологий: она позволяет в большей степени разредить полевую подготовку снимков, чем маршрутная.

Изготовление восковки заключается в переколке с каждого фотоснимка наколотых на нём точек на отдельный лист восковки и прочерчивании из центральной точки направлений на все точки. Сторона восковки направлений должна быть равна стороне фотоснимка. Для построения фототриангуляционного ряда на аэрофотоснимках накалывают следующие точки:

1. Центральная точка – выбирается вблизи главных точек аэрофотоснимка в качестве вершин их центральных направлений (обводится синим квадратиком);

2. Связующие точки – располагаются на всех продольных тройных перекрытиях аэрофотоснимков на расстоянии 2–3 см от их верхнего и нижнего краёв. Они необходимы для построения фототриангуляционного ряда (обводится кружком синего цвета);

3. Ориентирующие точки – размещаются по углам рабочих площадей аэрофотоснимков. Эти точки, как и центральные, используются при последующем трансформировании аэрофотоснимков;

4. Опорные точки – располагаются на середине поперечных перекрытий и переносятся с аэрофотоснимков полевой подготовки. Они необходимы для редуцирования фототриангуляции (треугольник красного цвета).

Все точки, наколотые на аэрофотоснимках, оформляют соответствующими условными знаками (рисунок 12).

Изготовление восковок направлений заключается в переколе с каждого аэрофотоснимка наколотых на нём точек на отдельный лист восковки и в прочерчивании на этом листе направлений из центральной точки на все остальные. Сторона восковки направлений должна равняться стороне аэрофотоснимка, умноженной на коэффициент трансформирования, что позволит использовать эти восковки для увязки фототриангуляции (рисунок 13).

Рисунок 12 – Условные знаки

Рисунок 13 – Расположение точек на снимке

Построение фототриангуляционного ряда производят путём соответствующей укладки восковок направлений на общую восковку. Построение начинают с укладки двух самых левых восковок направлений ряда, начальные направления которых совмещают (о₁о₂ и о₂о₁ на рисунке 14). Пересечение соответствующих центральных направлений двух восковок, осуществляющих прямую засечку, определяет плановое положение точек, в том числе и связующих (а₂, b₂), в масштабе базиса о₁о₂. Для того чтобы этот масштаб был достаточно близок к масштабу изготавливаемого фотоплана, устанавливают базис, равный величине базиса на аэрофотоснимке (около 70 мм при формате аэрофотоснимка 18 × 18 см), умноженный на коэффициент трансформирования.

Третью восковку направлений укладывают на вторую, совмещая их начальные направления (о₂о₃ и о₃о₂). Передвигая третью восковку вдоль начального направления, добиваются прохождения ее соответствующих направлений через связующие точки (а₂, b₂), полученные с помощью первых двух восковок. Стороны треугольников погрешностей, возникающих при этих точках изза ошибок направлений, не должны превышать 0,3 мм. В результате такой укладки определяется плановое положение центральной точки третьей восковки, а также связующих точек а₃, b₄ в масштабе первого базиса o₁ о₂. Действительно, углы при центральных точках восковок направлений 1, 2, 3 равны соответственным углам на местности, а стороны между центральной точкой второй восковки и связующими точками, полученными с помощью восковок 1, 2 и 2, 3 – совпадают.

Рисунок 14 – Построение фототриангуляционного ряда

Аналогичным образом укладывают остальные восковки направлений. После этого на общую восковку перекладывают центральные точки восковок, а в пересечении соответствующих центральных направлений – ориентирующие и опорные точки. На общей восковке точки обводят тушью. Полученный фототриангуляционный ряд построен в одном масштабе. Однако этот масштаб не равен масштабу создаваемого фотоплана, а ориентирование ряда произвольное.

Контрольные вопросы

1. Назначение плановой фототриангуляции.

2. На каком геометрическом свойстве аэрофотоснимка основано построение графической фототриангуляции?

3. Каково назначение и расположение связующих, ориентирующих и опорных точек при построении фототриангуляции?

4. Какие факторы влияют на величину искажение центральных направлений аэрофотоснимка?

ТЕМА 6 ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОДНОМАРШРУТНОЙ ФОТОСХЕМЫ (2 часа)

Цель работы: освоить методику изготовления одномаршрутной фотосхемы.

Исходные материалы: аэроснимки, топоплан масштаба 1:10000, скальпель, резиновый клей, циркуль-измеритель.

Задание: изготовить одномаршрутную фотосхему различными способами монтажа.

Фотосхемой называется фотографическое изображение местности, полученное из рабочих площадей контактных, увеличенных или приведенных к масштабу аэрофотоснимков.

При значительной разномаштабности конкретных снимков они могут быть приведены примерно к одному масштабу по соответственным отрезкам на их перекрытиям. Но если учесть, что съемку, как правило, выполняют в масштабе, значительно отличающемся от масштаба картографирования, то можно считать приведенные фотосхемы чисто теоретическими.

Фотосхемы в производственных предприятиях изготавливают преимущественно одномаршрутные. Если возникает необходимость в обеспечении фотосхемами территорий, выходящих по площади за пределы одномаршрутной фотосхемы, то монтируют несколько одномаршрутных фотосхем. Наклеивают их на основу одну под другой. Это позволяет избежать в некоторых случаях значительных расхождений ситуационных элементов в полосе поперечного перекрытия фотосхемы. Маршрутные границы рабочих площадей фотосхем, проведенные по их идентичным точкам, могут существенно различаться по их начертанию.

Фотосхемы можно использовать только как приближенный план местности, так как кроме искажений, присущих аэрофотоснимкам, из которых они составлены, здесь имеются дополнительные погрешности их монтажа. Главное преимущество фотосхем – в оперативности их изготовления – сразу после проведения аэрофотосъемки при наличии простейших инструментов и материалов. Фотосхемы можно использовать на различных стадиях землеустроительных, земельно-учетных и кадастровых работ: при обследовании сельскохозяйственных предприятий, при составлении эскизных проектов, при почвенных, геоботанических и других обследованиях, для оценки экологического состояния объектов, контроля за использованием земель, выявления нарушенных земель и др. Фотосхемы, изготовленные из увеличенных аэроснимков, могут быть использованы при проектировании дорог местного значения, для мониторинга за освоением проектов. Отметим, что фотосхема равнинного участка местности, составленная из плановых приведенных к масштабу аэроснимков, приближается по точности к фотоплану и может быть использована для решения ряда задач: определения площадей участков местности, измерения длин контуров, для отвода земель и др. В зависимости от назначения, масштаба аэрофотосъемки и площади объекта изготавливают либо одиночный увеличенный аэрофотоснимок, либо одномаршрутную фотосхему, либо многомаршрутную.

Различают два способа монтажа фотосхем – по соответственным точкам и по начальным направлениям.

Первый способ может быть реализован в двух вариантах – индивидуальной и совместной обрезки снимков.

При работе с гидростабилизированными снимками равнины выгодно использовать только четные и нечетные (монтаж через снимок), поскольку линии порезов пройдут примерно в середине продольного перекрытия. При улучшении метрических свойств схемы объем работ сократится.

Порядок выполнения работы

Работа выполняется в определенной последовательности.

1. Делают монтаж 1-го и 2-го снимков маршрута, чтобы, наложив первый снимок на второй, добиться совмещения одноименных контуров (рисунок 15, а). Намечают приблизительно середину двойного продольного перекрытия.

Рисунок 15 – Монтаж первого и второго снимков маршрута

2. Раздвигают аэроснимки и вблизи линии середины двойного продольного перекрытия на расстоянии 1,5–2,5 см от верхнего и нижнего краев снимков опознают две одноименные точки четких контуров на левом (а_л, в_л) и правом (а_п, в_п) снимках (рисунок 7, б). Накалывают эти точки.

Чтобы избежать вырезов, т. е. пропуска ситуации, точки а и в выбирают на высоких участках местности.

3. Приложив линейку к точкам а_л, в_л, скальпелем обрезают левый снимок (96), а затем правый снимок (97). Обрезки снимков 96 и 97 заштрихованы на рисунке 15, б. Пронумерованные снимки выдаются преподавателем.

4. Оставшуюся часть снимка 97 и остальные снимки обрезают способом совместной обрезки. Для этого из них изготавливают накидной монтаж, т. е. монтируют эти снимки последовательно способом мельканий, совмещая контурные точки, расположенные на серединах продольных перекрытий и на наиболее высоких местах. По мере монтирования аэроснимки закрепляют грузиками. Правильность монтирования проверяют наколом нескольких контурных точек, которые выбирают приблизительно на серединах перекрытий.

Произвести нарезку аэроснимков по серединам продольных перекрытий; оба снимка режут однократным движением скальпеля. Формы порезов могут быть различны: зигзагообразная, криволинейная и комбинированная (рисунок 16).

Рисунок 16 – Формы порезов аэрофотоснимков

Линию пореза проводят по местам наилучшей сходимости контуров по середине перекрытий, по наиболее темным частям с возможно большей однотонностью. Обрезанные аэроснимки наклеивают на основу.

При выполнении совместной обрезки необходимо выполнять следующие условия:

– линия пореза не должна пересекать линейные объекты под острым углом;

– порез не должен проходить по постройкам и другим мелкимконтурам;

– порез не должен проходить ближе чем на 1 мм от важных линейных контуров (дорог, рек и т. п.);

– порез желательно проводить по контурам, имеющим фототон примерно одинаковой плотности на смежных аэроснимках.

Обрезки аэроснимков сохранить для выполнения корректуры фотосхемы.

5. Центральные части аэроснимка (рабочие площади) наклеивают на лист плотной бумаги формата A₃ резиновым клеем, совмещают одноименные контуры. Монтирование аэроснимков считается удовлетворительным, если вырезы не будут превышать 0,5 мм. Отступив 1,0–1,5 см от границ рабочей площади, обрезают лишние части аэроснимков.

6. Фотосхемы характеризуются средним масштабом. Для этого по краям рабочих площадей начального и конечного аэроснимков маршрута опознают по две точки на фотосхеме и топографическом плане (всего по четыре точки).

Измеряют расстояния (базисы) между крайними точками маршрута на фотосхеме l_i (I = 1, 2, 3, 4) и соответствующие расстояния L_i, на топоплане с точностью 0,1 мм.

Вычисляют масштаб фотосхемы по каждому базису по формуле:

1 / m_i = l_i / L_i × M, (19)

где m_i – знаменатель масштаба фотосхемы;

М – знаменатель масштаба топографического плана.

Вычислить средний масштаб фотосхемы и подписать его.

Метрические свойства фотосхемы в пределах вмонтированных в нее рабочих площадей снимка остаются теми же, что и для отдельных снимков. Измерения небольших расстояний через порез могут содержать существенные дополнительные погрешности. О размерах их можно судить по результатам оценки качества монтажа. С увеличением расстояния и площадей точность результатов их измерений будет выше, так как распределение погрешностей, обусловленных влиянием наклона снимка и рельефа местности, а также наличием вырезов и дуплетов на порезах, будет приближаться к нормальному.

7. Качество монтажа фотосхемы оценивают с помощью обрезков. На каждом порезе можно использовать любой из двух обрезков. Обрезок прикладывают к порезу так, чтобы элементы изображения на нем точно совпадали с элементами вмонтированного в фотосхему фрагмента снимка. Иглой вдоль пореза, не отступая далеко от него, через 2–3 см, накалывают четные точки изображения. Сняв обрезок, измеряют отклонения наколов от точек, которые накалывают на обрезе. Аналогично выполняют контроль по другим порезам. Принципиально можно измерять абсолютные отклонения. Но более важно оценить смещение наноса в продольном направлении.

Величины расхождений ∆I записать на корректурный лист (рисунок 17).

Рисунок 17 – Корректурный лист фотосхемы

Знак (–) соответствует вырезу, т. е. когда контур снимка фото схемы находится между порезом и наколом, производимым с обрезка, а знак (+) – когда накол с обрезка приходится между соответствующим контуром и порезом (дублет). При монтаже фотосхемы опасны вырезы, т. к. в этом случае мелкие контуры вблизи пореза могут оказаться на обрезках, а не на фотосхеме (допускаемся вырез до – 0,5 мм).

8. Оформляют фотосхему в соответствии с рисунком 18. При монтаже длинных одномаршрутных фотосхем по описанному способу возможно искривление маршрута за счет систематических ошибок установки аэрофотоаппарата, влияния рельефа местности, угла наклона α и ошибок монтажа.

Рисунок 18 – Оформление фотосхемы

После контроля на фотосхему наносят границу рабочей площади. Для этого на первом и последнем фотоснимках выбирают по две точки, лежащие на середине перекрытия со смежными фотосхемами, и между ними прочерчивают тушью прямые линии, ограничивающие рабочую площадь. Затем отступают от каждой линии с внешней стороны на 0,5-1,0 см и при помощи металлической линейки фотосхему обрезают. Обрезанную фотосхему наклеивают на картон или любой другой жесткий каркас и оформляют надписями.

Фотосхема, корректурный лист, обрезки фотоснимков подшиваются в приложения.

Контрольные вопросы

1. Чем отличается фотосхема от плана?

2. В чем причина непостоянства масштаба фотосхемы?

3. Как отграничивают рабочую площадь на фотосхемах?

4. Для каких целей используют фотосхемы?