А. С. Назаров

ФОТОГРАММЕТРИЯ

Курс лекций

Минск,

2005

Введение § 1. Понятие о фотограмметрии

Фотограмметрия¹ – научная дисциплина, изучающая способы оп­ре­деления формы, раз­меров и пространственного положения объек­тов в заданной координатной сис­теме по их фотографическим и иным изо­бра­жениям.

Фотограмметрия выделилась из геодезии в начале прошлого столе­тия благодаря при­ме­нению новых начал измерительной тех­ники, бази­рую­щихся на способности объектива стро­ить изображения объектов, возмож­ности регистрации этого изображения фотохимиче­скими мето­дами и из­мерения его с помощью оптических, механиче­ских или элек­тронных при­боров и инструментов.

При фотографировании объекта местности световые лучи, отра­жае­мые его точками A, B, C, D (рис. 1), улавливаются объекти­вом фотока­меры, прохо­дят через его узловую точку S и дают негатив­ные изображе­ния a, b, c и d точек объекта на свето­чув­стви­тель­ном слое в плоскости P.

Е сли установить снимок P в то положение, ко­торое он занимал в момент фотографи­рова­ния, и, воспользовавшись принципом обрати­мо­сти фото­графического про­цесса, осветить полу­чен­ный нега­тив P, то све­товые лучи Sa, Sb, Sc и Sd пройдут через объ­ектив S и те же точ­ки объ­екта ABCD. По­ста­вив на пути свето­вых лучей экран P , в сече­нии его лучами свето­­вого пучка получим изобра­жения a⁰b⁰c⁰d⁰ тех же точек ABCD объекта в мас­­штабе, зависящем от удаления эк­рана P от объек­тива S. Изменяя угол, под которым свето­вой пучок пересекает экран P, можно выпол­нять пре­­образование (транс­­форми­ро­вание) изо­браже­ния.

Методы построения и преобразования изо­бра­жений объектов, ос­но­ванные на использова­нии свойств одиночного аэроснимка, назы­ваются фо­тограм­метри­ческими. Так как оценка по­ло­жения точек по вы­соте невозможна, то область их применения огра­ничива­ется об­работкой изо­бражений объ­ектов, рас­положен­ных в од­ной плоскости.

Полное описание формы, размеров и пространственного положе­ния объектов местно­сти возможно лишь на основе методов сте­рео­фо­тограмметрии², использую­щей свой­ства пары сним­ков.

П усть из двух точек простран­ства S₁ и S₂ (рис. 2) по­лучена пара пе­ре­крываю­щихся снимков P₁ и P₂. Точки мест­ности A и B изобра­зились на левом снимке P₁ в виде то­чек a₁ и b₁, а на пра­вом P₂ – в виде точек a₂ и b₂.

Если снимки P₁ и P₂ установить в то по­ложение, кото­рые они зани­мали во время съемки, то связки лучей, сущест­во­вавшие в мо­мент фото­графирования, ока­жутся вос­станов­лен­ными, и в пересече­нии со­ответст­венных лучей S₁a₁ и S₂a₂, S₁b₁ и S₂b₂ воз­никает про­странст­венная (сте­рео­скопичес­кая) модель объекта, по­добная сфото­графи­рованному объ­екту ме­стности. Масштаб сте­рео­скопической модели определяется рас­стоя­нием S₁S₂ между вер­ши­нами связок, и, из­меняя его, можно при­вести построенную модель к за­данному мас­штабу. Вращая стереоскопиче­скую модель вокруг ко­орди­натных осей, можно совместить ее с гори­зонтальной или иной плоскостью.

Построенная стереоскопическая мо­дель местности может быть из­ме­рена с точностью, зависящей только от разре­шающей способно­сти снимков. Для по­лучения плана (карты) достаточно вы­пол­нить изме­рение стерео­скопической мо­дели (точки A, B; рис.2) и ортого­нальное их проек­тирование на плоскость карты (точки A₀, B₀).

Легко видеть, что построение про­ст­ранственной модели местно­сти воз­можно лишь при совместной обработке пары пе­ре­крываю­щихся ме­жду собой снимков. На­личие перекры­тий между снимками поз­во­ляет созда­вать высокоточ­ные фото­три­ангуляционные сети, со­стоящие из снимков одного или несколь­ких маршру­тов. Преобразо­вание точек фо­тотриангу­ляцион­ной сети в систему координат ме­стно­сти выполня­ется по вклю­чен­ным в эту сеть опорным точкам, по­ложение которых в сис­теме ко­ординат местности определяют по ре­зуль­татам по­левых геодези­ческих измере­ний.

Таким образом, применение фотограмметрического и стереофо­то­грам­­метриче­ского методов связано с получением аэросним­ков с по­мощью летательных ап­паратов и последующей их камеральной об­работкой.

Применение дистанционных методов получения снимков и по­сле­дующая каме­раль­ная обработка изображений исследуемых объ­ектов (вместо самих объектов) предопре­деляют основные преимуще­ства фото­­грамметрических и стереофотограмметрических мето­дов ис­сле­до­ваний перед другими. Это, прежде всего, высокая производи­тель­ность метода; объек­тивность, достоверность и документирован­ность данных; высокая точность; возмож­ность безопасного получения ин­форма­ции о любых (в том числе быстро дви­жущихся) объектах и т. п.

Эти преимущества фотограмметрии обеспечили применение ее ме­то­­дов в самых разно­об­разных отраслях науки и техники: в геодезии и кар­­тогра­фии (для создания планов и карт); в строительстве (для кон­троль­­ных из­мерений в строительстве и исследования де­формации со­ору­же­ний); в архитектуре (для съемки исторических памятников); в астро­­но­мии и кос­мо­навтике (для картографирования планет); в во­енно-инже­нерном деле (для определения коор­динат цели, траектории и иных параметров полета снаряда, ракеты и пр.) и т. д.

Фотограмметрическая обработка фотоснимков позволяет выявить ме­сторождения по­лез­ных ископаемых и его границы, определить ин­тен­сив­ность движения городского транс­порта, параметры деятельно­сти вулка­нов, характеристики объектов микромира и т. п.

Становление и развитие фотограмметрии тесно связано с точным при­бо­ростроением и авиацией, космонавтикой и физикой, химией и элек­троникой, математикой, геодезией и кар­тографией. Их достиже­ниями оп­ределяется и современное состояние фотограмметрии, в ко­тором можно выделить несколько направлений:

фототопографию (аэрофототопографию), изучающую методы и технические средства соз­дания планов и карт по цифровым или анало­говым изображениям земной поверхности, полученным с лета­тельного аппарата;

прикладную фотограмметрию, изучающую вопросы применения фо­тограмметрии в ин­тересах различных областей науки и техники – в строи­тельстве, архитектуре, медицине, гео­логии, военном деле и т. п.;

космическую фотограмметрию, изучающую вопросы применения фотограмметрии для получения и обработки снимков Земли, планет и иных небесных тел, полученных непосредственно из космоса (с борта космического аппарата) или с помощью спускаемых аппаратов.

Появившиеся в конце XX в. технические средства и ме­тоды по­лу­чения, об­ра­ботки и хранения цифровых изображений при­дали фото­грамметрии новый им­пульс и обу­словили возникновение и развитие циф­ровой фотограмметрии, основанных на применении элек­тронных вычис­лительных машин.