14.2. Аерофототопографічне і космічне знімання
Аерофототопографічне і космічне знімання, під час яких застосовують фотографічні знімки, часто розглядають як аерокосмічні знімання. Цим зніманням притаманні схожі процеси створення карт (хоча є і певні відмінності, пов’язані перш за все з технічними засобами знімальних робіт).
Основними етапами зі створення топографічних карт такі:
політ над територією знімання за визначеними технічними умовами і фотографування місцевості;
наземні геодезичні роботи зі створення планово-восотного обгрунтування знімання;
фотолабораторні роботи: проявлення плівок, отримання з негативів позитивних відбитків (знімків, потрібних для виконання наступних видів робіт) тощо;
складання накидного монтажу для оцінки якості льотно-знімальних робіт шляхом накладення знімків один на одного частинами, що перекриваються і прикріплення їх до твердої основи;
дешифрування знімків;
фотограмметрична і стереофотограмметрична обробка знімків: трансформування знімків, визначення планових і висотних координат в одній системі, згущення точок планово-висотного обгрунтування, побудова фотограмметричної моделі місцевості тощо;
створення топографічної карти у традиційних умовних позначеннях або цифрової моделі місцевості.
Аерофототопографічне знімання виконується за розробленим технічним проектом. Основними носіями знімальної апаратури є літаки і гвинтокрили, характеристики яких подані в таблиці 14.1.
Таблиця 14.1
Характеристики літаків та гвинтокрилів для аерофотознімання
Характеристики |
Літаки |
Гвинтогрили |
||
АН-2 |
АН-30 |
КА-26 |
МІ-24 |
|
Швидкість, км/год |
180 |
350-500 |
140 |
140 |
Гранична висота знімання, м |
4500 |
8300 |
3100 |
5500 |
Дальність польоту, км |
1300 |
2500 |
400 |
660 |
Кількість АФА |
1 |
4 |
1 |
1 |
Для аерофотознімання використовують циклічні кадрові плівкові аерофотоапарати (АФА), схема яких подана на рис. 14.1.
Рис. 14.1. Схема аерофотоапарата (АФА)
Незважаючи на різні типи АФА, в них можна виділити такі основні вузли: об’єктив 1, затвор 2, корпус 3, касету 4, котушки 5 з фотоплівкою, притискну дошку 6, прикладну рамку 7. Плівка притискається і вирівнюється в площину між притискною дошкою і прикладною рамкою за рахунок різниці тиску, яка створюється насосом 8. Розміри світлового вікна в прикладній рамці визначають формат кадру знімка. У площині прикладної рамки АФА є координатні мітки, які утворюють координатну систему знімка. Для стабілізації положення АФА розміщують на гіростабілізуючій платформі 9, яка забезпечує незначне відхилення оптичної осі апарата від вертикалі в межах 15-30'.
Однією з основних характеристик роботи АФА є цикл роботи — проміжок часу, потрібний для виконання всіх операцій з одержання чергового знімка, який у сучасних АФА складає близько 1,5-2 с.
Комплект апаратури кадрового плівкового аерофотоапарата RC 30 включає: АФА RC 30, гіроплатформу RAV30, візир для візуального контролю прокладання маршрутів, командний прилад, програму планування знімання і збору навігаційних параметрів і програму пост-обробки навігаційних даних.
Об’єктиви сучасних АФА є складними багатолінзовими системами, в яких кількість лінз доходить до 10-15 й більше. Така велика кількість лінз потрібна для виключення різного типу спотворень фотозображень.
В залежності від розмірів території, що підлягає фотографуванню, знімання може бути:
одномаршрутним (рис. 14.2, а), якщо знімається вузька смуга місцевості (вздовж річки, дороги, лісосмуги тощо).
багатомаршрутним, підчас якого паралельні маршрути здійснюють як правило із заходу на схід вздовж паралелей (рис. 14.2, б);
Рис. 14.2. Схема одномаршрутного (а) та багатомаршрутного (б) знімання
Фотографування місцевості здійснюють з таким розрахунком, щоб аерофотознімки за маршрутом перекривали один одного. Тоді на кожному наступному знімку частково зображується площа, сфотографована на попередньому.
Перекриття двох суміжних знімків на одному маршруті називають поздовжнім перекриттям аерознімків; його величина за умовами подальшої обробки знімків має бути не менш як 60 % від розміру знімка. Відстань між маршрутами встановлюють так, щоб забезпечувалось перекриття знімків суміжних маршрутів, яке називають поперечним перекриттям знімків, його величина за умовами подальшої обробки знімків має бути не меншою ніж 30 % від розміру знімка.
При аерофотозніманні для цілей картографування поздовжнє p й поперечне q перекриття знімків розраховують за формулами:
,
,
Де p0 – 60 %, q0 – 30 %, H — висота польоту носія, h — перевищення на місцевості.
Масштаб отриманих фотознімків становить від 1:10 000 до 1:50 000.
На сучасному етапі вдосконалення якості кадрових плівкових АФА обмежується властивостями плівки і, особливо, складністю і тривалістю процесів фотолабораторної обробки, що унеможливлює отримання фотознімків в реальному часі.
Космічне знімання базується на тривалій роботі супутникових систем, до складу яких входять центри управління польотом та зніманням, наземні пункти прийому інформації з супутників, центри первинної обробки знімків.
Для знімання застосовують фотографічні апарати, оптико-електронні камери, сканери, які є модифікаціями аерофотоапаратів.
В оптико-електронних камерах зображення формується електронними системами, які перетворюють оптичне зображення на електричні сигнали. Найсучаснішим прикладом є цифрова електронна камера (її все частіше називають цифровою фотокамерою), в якій зображення будується на площині багатоелементної матриці приладів із зарядовим зв’язком (ПЗЗ-матриці). Якщо за допомогою фотоапарату отримують фотонегатив, то результатом застосування цифрової камери є файл із цифровими позначеннями окремих однакових за розміром елементів – пікселів (від англ. picture element, тобто елемент зображення), з яких складається зображення.
Сканери (англ. scan — проглядати) утворюють зображення, яке формується із багатьох послідовно отриманих елементів. Існують два види сканерів: оптико-механічний і оптико-електронний.
Оптико-механічним сканером одержують зображення місцевості у вигляді безперервної смуги (рис. 14.3), яка складається з рядів (сканів), котрі в свою чергу формуються з пікселів. На збільшеному сканерному знімку видна регулярна піксельна структура зображення, яка відсутня на фотознімках
Рис. 14.3. Формування зображення оптико-механічним сканером
Оптико-електронний (цифровий) сканер формує смугове зображення з послідовних одномоментно зафіксованих рядів, за допомогою лінійних ПЗЗ-приймачів (рис. 14.4).
Сформовані сканером зображення можуть бути записані на магнітній стрічці, що дозволяє потім отримати візуалізоване зображення або бути відразу візуалізованим на екрані телевізора.
Для створення стереоскопічного зображення в скануючій камері, встановленній у літаках, використовують три незалежних канали, які знімають місцевість під різними кутами вздовж польоту носія: один з них направлено вперед, другий — назад і третій, основний, сканує місцевість безпосередньо під носієм (рис. 14.4, а). Скануючі камери КА мають два канали (рис. 14.4, б).
Рис. 14.4. Формування зображення оптико-електронним сканером з літака (а) та з космічного апарату (б)
Просторове розміщення камери з високою точністю контролюється в реальному часі супутниковою системою GPS, яка складається з кількох супутників і наземної приймальної станції.
Цифрова скануюча камера «3-DAS-1» виробництва ДНВП «Геосистема» (Україна) включає: скануючий модуль на три незалежних канали з різними кутами нахилу за напрямком руху носія (надирний — 0°, передній — 16°, задній — 26°), за рахунок чого забезпечується потрійне стереоскопічне перекриття; гіростабілізуючу платформу, яка компенсує кути нахилу і розвороту корпусу носія в польоті, постійно підтримуючи горизонтальне положення камери; систему управління польотом, яка забезпечує прокладання маршрутів, а також навігацію і контроль траекторії польоту; інерціальну GPS для забезпечення високоточної геодезичної прив’язки знімків з періодичністю 200 раз в секунду; керуючий комп’ютер для швидкісного запису зображень на дисковий накопичувач.
Останнім часом все більшу увагу приділяють активним системам лазерного сканування, в яких вузький направлений промінь лазера сканує безпосередньо поверхню об’єкта, а відбитий сигнал приймається бортовими приймачами.
Формування просторової поверхні в таких системах відбувається за рахунок вимірювання в процесі сканування дальності d поточної точки, кутового положення θ скануючого променя, а також високоточних даних швидкодіючих приймачів GPS про просторове і кутове положення носія. Сканування поверхні, як і в скануючій цифровій камері, відбувається перпендикулярно напряму польоту. Результати знімання отримують у вигляді безперервної смуги (рис. 14.5).
Рис. 14.5. Принцип лазерного сканування
Лазерний віддалемір реєструє інтенсивність відбитих імпульсів. Детектор лазера має можливість вимірювати декілька відгуків відбитого сигналу від кожного імпульсу (наприклад, це може відбуватись при проходженні сигналу через крони дерев, коли маємо відгук від крони дерев та від поверхні землі під ними). Такі відгуки реєструються при змінах у відстані не менше 3-4 м. Реєстрація декількох відгуків дозволяє використати ці дані при одержанні, наприклад, моделі рельєфу з рослинністю і без неї.