14.5. Стереофотограмметрична обробка знімків

Стерефотограмметрична обробка полягає у створенні за знімками об’ємної (стереоскопічної) моделі місцевості і визначення за її допомогою форми, розмірів і просторового положення зображених на знімках об’єктів за методами, що розробляє стереофотограмметрія (грец. ςτερεός — просторовий, об’ємний) є складовою фотограмметрії.

В основі створення об’ємної моделі лежить бінокулярний зір — здатність зору спостерігача сприймати об’ємну форму предметів та їх положення у просторі. Це явище називають стереоефектом, а бінокулярний зір (зір двома очима), при якому відчувається стереоефект, — стереоскопічним зором.

Для одержання об’ємної моделі місцевості використовують стереоскопічну пару знімків — стереопару, тобто два суміжних знімки, які частково перекриваються та спеціальні прилади, що дозволяють створити потрібний ефект. При розгляданні зображень одного і того ж об’єкта у стереоскопічних приладах здійснюється розділення зору: лівим оком спостерігається лівий знімок, а правим — правий. Такі спостереження двох знімків, що мають перекриття, дають змогу отримати об’ємну модель місцевості, а також вимірювати цю модель з високою точністю. З цією метою використовують декілька способів і відповідних приладів. На рис. 14.11 приведено схему найпростішого з таких приладів для розділення зору — дзеркального стереоскопа.

У стереоскопі є дві пари паралельних між собою дзеркал, закріплених під кутом 45° до горизонтальної площини. Кожна пара складається з великого і малого за розміром дзеркал. Промені від зображень однойменних точок лівого а_л, с_л і правого а_п, с_п знімків спочатку попадають на великі дзеркала, відбиваються від них, попадають на малі дзеркала і після повторного відбиття потрапляють в очі оператора S′_л, S′_п з базисом спостереження В′. Оператор сприймає уявну стереоскопічну модель, яка створюється продовженням променів, відбитих від малих дзеркал.

Рис. 14.11. Схема дзеркального стереоскопа

Для отримання стереоскопічної моделі за двома плоскими зображеннями в сучасних ЦФС поряд із стереоскопом використовують й інші способи розділення зору — анагліфічний та обтюраторний, або спосіб чергування знимків.

Спосіб анагліфів основано на властивості додаткових кольорів (синього і червоного) при їх змішуванні створювати монохромне зображення. На екран монітора одночасно із суміщенням зон перекриття виводяться зафарбовані у відповідні кольори знімки, наприклад, лівий — у червоний, правий — у синій. Стереоскопічна модель спостерігається через окуляри з відповідними фільтрами.

Спосіб чергування знімків полягає у виведенні на екран монітора із сумішенням зон перекриття лівого і правого знімків почергово. Стереоскопічна модель спостерігається через стереоокуляри з затворами (фільтрами-поляроїдами), якими керують синхронно з появою відповідних знімків на екрані монітора.

Одночасно зі знімками оператор спостерігає в площині кожного знімка марки у вигляді однієї просторової марки, яку можна переміщувати в просторі моделі. Встановлення зв’язку між координатами поточних точок об’єкта місцевості з координатами зображень цих точок, виміряними на стереопарі знімків, отримало назву прямої фотограмметричної засічки.

На рис. 14.12 представлено ідеальний випадок, коли знімки строго горизонтальні і виконані з висоти H камерою з фокусною відстанню f з центрів проекції S_л і S_п, розміщених на кінцях горизонтального базиса В. Поточна точка місцевості А зображується відповідними точками а_л на лівому і а_п на правому знімках стереопари з відповідними координатами x_л і x_п. Для встановлення залежності між координатами точок об’єкта і координатами зображень цих точок на знімках перенесемо проектуючий промінь Аа_л, який створює зображення точки А на лівому знімку, в правий центр проектування S_п, а базис - паралельно проектуючому променю в точку А.

Рис. 14.12. Пряма фотограмметрична засічка

З подібних трикутників S_пAA′ і S_пa_лa_п складають пропорцію:

,

з якої одержують відповідні математичні залежності між координатами точок об’єкта і координатами зображень цих точок на знімках:

; ; ,

де — поздовжній паралакс — різниця абсцис зображень ідентичних точок на лівому і правому знімках.

При виконанні фотознімання отримати строго горизонтальні знімки практично неможливо, тому в формулах виміряні координати нахилених знімків, трансформують у координати горизонтального (трансформованого) знімка. Таке трансформування можливе лише з використанням елементів орієнтування знімків. Як вказано раніше, положення одного знімка характеризується дев’ятьма елементами орієнтування: трьома елементами внутрішнього (f, x₀, y₀) та шістьма елементами зовнішнього (X_S, Y_S, Z_S, a, w, k) орієнтування. В загальному випадку положення пари знімків в просторі прийнятої системи координат характеризується вісімнадцятьма елементами орієнтування. Якщо обидва фотознімки отримані однією камерою, то, враховуючи, що елементи внутрішнього орієнтування не змінювались (однакові) для сусідніх знімків, положення пари знімків можна характеризувати п’ятнадцятьма елементами орієнтування. Якщо взяти різницю цих елементів орієнтування, то взаємне положення стереопари знімків буде визначатися різницею їх елементів зовнішнього орієнтування (різниці елементів внутрішнього орієнтування дорівнюють нулеві). В цьому випадку елементи зовнішнього орієнтування пари знімків представляють у вигляді двох груп: в першій п’ять елементів взаємного орієнтування пари знімків, в другій сім елементів зовнішнього (геодезичного) орієнтування моделі.

Елементи взаємного орієнтування визначають взаємне положення знімків стереопари в просторі, при якому виконується умова перетину відповідних проектуючих променів і побудова геометричної моделі об’єкта. Очевидно, щоб отримати геометричну модель місцевості при взаємному орієнтуванні потрібно досягти попарного перетину всіх відповідних проектуючих променів стереопари знімків. У сучасних ЦФС ця задача вирішується аналітично за результатами спостереження (вимірювання) поперечних паралаксів — різниць ординат зображень ідентичних точок в області перекриття лівого і правого знімків. В результаті орієнтування геометрична модель будується подібною до об’єкта в масштабі базису проектування з випадковою орієнтацією відносно просторової системи координат.

Зовнішнє, або геодезичне орієнтування моделі (стереопари знімків) виконують для приведення масштабу моделі до потрібного масштабу карти та перенесення моделі в геодезичну систему координат. Зовнішнє орієнтування моделі виконують за опорними точками, для чого потрібно мінімум три опорні точки, що не лежать на одній прямій, дві з яких планово-висотні, а третя може бути лише висотною. Для забезпечення контролю використовують від чотирьох контрольних точок, три з яких не лежать на одній прямій, до шести і більше.