Фотограмметрія Дорожинський
.pdf
Міністерство освіти і науки України Національний університет "Львівська політехніка"
О.Л. ДОРОЖИНСЬКИЙ
Р.ТУКАЙ
ФО Т О Г Р А М М Е Т Р І Я
Затверджено Міністерством асвіти і науки України як підручник для студентів вьішш повчальних закладів
Львів Видавництво Національного університету "Львівська політехніка"
2008
УДК 528.7 (075.8) Д692
ББК 26.12я73
Затверджено Міністерством освіти і науки України як підручник для студентів вищих навчальних закладів (лист Μ 1-4/18-Г-1118 від 19,05.2008)
Рецензенти:
Бурштинська Х.В., доктор технічних наук, професор кафедри фотограмметрії та геоінформатики Національного університету "Львівська політехніка";
Войтенко C.IL, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри інженерної геодезії Київського національного технічного університету будівництва і архітектури;
Карпінський Ю.О., доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри геоінформатики і фотограмметрії
Київського національного технічного університету будівництва і архітектури
Дорожинський ОJL, Тукай Р.
Д 692 Фотограмметрія: Підручник. - Львів: Видавництво Національного університету "Львівська політехніка", 2008. - 332 с.
ISBN 978-966-553-688-8.
У підручнику подано теорію аналітичної фотограмметрії та розв'язання основних фотограмметричних задач, що становить основу цифрової фотограмметрії. Висвітлено питання цифрового оброблення зображень, зокрема формування образів, покращання якості, способи стиснення та ін. Детально описано технології цифрової фотограмметрії, зокрема побудова цифрових моделей рельєфу і поверхні, аеротріангуляції, кореляції зображень, створення ортофотокарт. Подано теоретичне розв'язання задач космічної фотограмметрії, розглянуто сучасні підходи до технологій космічного картографування поверхонь Землі і планет.
Підручник призначений для студентів ВНЗ з базового та магістерського рівнів підготовки напряму "Геодезія, картографія та землевпорядкування", а також для аспірантів, докторантів та фахівців, що займаються використанням фотограмметрії та дистанційного зондування у різних галузях науки і практики.
ББК 26.12я73
© Дорожинський О.Л., Тукай P., 2008 ISBN 978-966-553-688-8 © Національний університет
"Львівська політехніка", 2008
З М І С Т
Від авторів |
7 |
1. ВСТУП |
9 |
1.1. Концепція цифрової фотограмметрії та чинники її розвитку |
9 |
1.2. Коротка історична довідка |
18 |
2. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ФОТОГРАММЕТРІЇ |
25 |
2.1. Види проекцій, в якйх отримується зображення |
25 |
2.2. Знімок як центральна проекція |
26 |
2.3. Системи координат, що використовуються у фотограмметрії |
29 |
2.3.1. Системи координат знімків |
29 |
2.3.2. Просторові фотограмметричні системи координат, кути Ейлера та |
|
напрямні косинуси |
31 |
2.3.3. "Геодезична" (абсолютна) та геоцентрична системи координат |
33 |
2.4. Елементи внутрішнього та зовнішнього орієнтування знімка |
34 |
2.5. Математичні залежності між координатами точок знімка та місцевості |
37 |
2.5.1.Визначення координат точки об'єкта з використанням одного знімка.... 37 |
|
2.5.2.Визначення координат точки знімка за відомих координат точки об'єкта |
38 |
2.5.3.Залежність між координатами точок горизонтального і нахиленого |
|
знімків |
42 |
2.6. Елементи орієнтування пари знімків і геометричної моделі об'єкта |
44 |
2.6.1. Елементи зовнішнього орієнтування пари знімків |
44 |
2.6.2.Елементи взаємного орієнтування (ЕВО) |
45 |
2.6.3. Елементи зовнішнього орієнтування фотограмметричної моделі об'єкта |
46 |
2.7. Аналітичне розв'язання основних фотограмметричних задач |
47 |
2.7.1. Пряма фотограмметрична засічка |
47 |
2.7.2. Обернена фотограмметрична засічка для одного знімка |
49 |
2.7.3. Подвійна обернена фотограмметрична засічка |
53 |
2.7.4. Розв'язання задачі взаємного орієнтування |
56 |
2.7.5. Сумісне визначення елементів взаємного орієнтування |
|
та передавання масштабу для двох суміжних моделей |
60 |
2.7.6. Геодезичне орієнтування фотограмметричної моделі |
62 |
2.8. Геометричні перетворення, вживані у фотограмметрії |
63 |
З
2.9. Математичні моделі похибок фотограмметричних вимірів. Вплив кривини Землі... 69
2.9.1. Моделі похибок фотограмметричних вимірів |
69 |
2.9.2. Відхилення реальної центральної проекції від ідеальної |
70 |
2.9.3. Похибки вимірювання фотокоординат |
73 |
2.9.4. Фактори нестрогого математичного опрацювання |
74 |
2.9.5. Вплив кривини Землі |
75 |
3. КОМП'ЮТЕРНЕ ОПРАЦЮВАННЯ ЦИФРОВИХ ЗОБРАЖЕНЬ |
78 |
3.1. Основи перетворення образу у цифрову форму |
78 |
3.1.1. Сприйняття зображень |
78 |
3.1.2. Кольорове охоплення та моделі кольору |
82 |
3.2. Візуалізація цифрових образів на екрані комп'ютера |
95 |
3.3. Збереження цифрових зображень |
106 |
3.4. Компресія цифрових образів |
112 |
3.4.1. Кодування без втрат |
113 |
3.5. Оптимізація яскравості та контрасту |
120 |
3.6. Методи кольорової компресії |
124 |
3.7. Прилади із зарядовим зв'язком - основні відомості |
126 |
4. ЦИФРОВИЙ ФОТОГРАММЕТРИЧНИЙ ЗНІМОК |
131 |
4.1. Вступ |
131 |
4.2. Сканування фотографічних зображень.Фотограмметричні сканери |
131 |
4.3. Визначення плоских прямокутних координат точок цифрового зображення |
141 |
4.4. Цифрові фотограмметричні знімальні системи |
143 |
4.5. Методи покращання характеристик цифрових знімків |
151 |
4.5.1. Методи просторової області |
151 |
4.5.2. Методи частотної області |
155 |
4.5.3. Поліпшення зображення модифікацією гістограми |
157 |
4.5.4. Згладжування зображень |
163 |
4.5.5. Підкреслення країв у зображенні |
165 |
4.5.6. Поліпшення зображень за допомогою частотних фільтрів |
167 |
4.6. Специфічні операції опрацювання цифрових знімків |
172 |
4.7. Методи автоматичної ідентифікації образів у цифровій фотограмметрії |
176 |
5. ПОБУДОВА ЦИФРОВИХ МОДЕЛЕЙ ОБ'ЄКТІВ |
181 |
5.1. Поняття про цифрові моделі об'єкта (ЦМО, ЦММ, ЦМР) |
181 |
5.2. Методи збирання даних для побудови моделі об'єкта |
182 |
5.2.1. Загальні відомості |
182 |
5.2.2. Наземне лазерне сканування |
184 |
5.2.3. Лазерні сканувальні системи повітряного базування |
189 |
4
5.2.4. Радарні методи |
196 |
5.3. Математичні моделі відтворення та інтерполяції ЦМР |
204 |
6. АНАЛІТИЧНА ФОТОТРІАНГУЛЯЦІЯ |
214 |
6.1. Класифікація способів аналітичної фототріангуляції |
214 |
6.2. Фототріангуляція методом в'язок |
215 |
6.3. Фототріагуляція методом моделей |
217 |
6.4. Фототріангуляція за відомих координат центрів проекцій |
218 |
6.5. Маршрутна фототріангуляція |
221 |
6.5.1. Спосіб частково залежних моделей |
222 |
6.5.2. Спосіб повністю залежних моделей |
223 |
6.5.3. Спосіб незалежних моделей |
223 |
6.6. Фототріангуляція із самокалібруванням |
224 |
6.7. Деформація фототріангуляційної мережі. Точність фототріангуляції |
227 |
7. ТЕХНОЛОГІЇ ЦИФРОВОЇ ФОТОГРАММЕТРІЇ |
231 |
7.1. Цифрові фотограмметричні станції та основні види продукції |
231 |
7.1.1. Системи стереоспостереження у ЦФС |
231 |
7.1.2. Характеристики деяких ЦФС |
232 |
7.2. Технологія побудови мереж аеротріангуляції з цифрових знімків |
241 |
7.3. Технології взаємного та абсолютного орієнтування моделі |
250 |
7.4. Технології побудови цифрової моделі рельєфу (ЦМР) з цифрових аерознімків |
253 |
7.5. Цифрові ортофотокарти |
259 |
7.5.1. Визначення і теоретичні основи |
259 |
7.5.2. Генерування ортозображень |
261 |
7.5.3. Генерування ортозображень з виправленням оптичної щільності |
Λ.264 |
7.5.4. Визначення лінії "склеювання" мозаїки |
265 |
7.5.5. Вирівнювання кольорів для створених ортофотокарт |
266 |
7.5.6. Створення ортофотокарт з обрізанням по рамках секцій |
|
з одночасним тональним вирівнюванням |
267 |
7.5.7. Виправлення похибок ЦМР та похибок знімків на створених |
|
ортофотокартах |
270 |
7.6. Сумісне опрацювання даних лазерного сканування з літака та цифрових |
|
знімків |
272 |
7.7. Сучасні технології у картографуванні територій (на прикладі Швейцарії) |
275 |
8. КОСМІЧНА ФОТОГРАММЕТРІЯ |
283 |
8.1. Предмет космічної фотограмметрії. Об'єкти досліджень |
283 |
8.2. Картографічні супутникові системи високої точності та роздільної |
|
здатності |
284 |
5
8.2.1. Супутникові системи світу |
284 |
8.2.2. Значення роздільної здатності |
289 |
8.2.3. Космічні системи високої роздільної здатності |
293 |
8.2.4. Ціна картографічних супутникових зображень |
294 |
8.2.5. Картографічні супутникові системи та Україна |
295 |
8.3. Теоретичні основи космічної фотограмметрії |
296 |
8.3.1. Завдання космічної фотограмметрії |
296 |
8.3.2. Відомості про орбітальний рух |
296 |
8.3.3. Системи координат, вживані у космічній фотограмметрії |
299 |
8.3.4. Визначення планетоцентричних координат точок планети із |
|
застосуванням кадрових систем |
303 |
8.3.5. Визначення планетоцентричних координат точок планети із |
|
використанням сканерних систем |
304 |
8.3.6. Визначення планетоцентричних координат точок планети з даних |
|
радіолокаційного знімання |
306 |
8.4. Космічна фототріангуляція |
309 |
8.4.1. Математичні моделі космічної фототріангуляції |
309 |
8.4.2. Відомості про створені опорні мережі на об'єктах Сонячної системи |
313 |
8.5. Космічна фотограмметрія для картографування територій |
315 |
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ |
323 |
АЛФАВІТНИЙ ПОКАЖЧИК |
326 |
6
ВІДАВТОРІВ
Фотограмметрія як наукова дисципліна, що вивчає кількісні та якісні характеристики різноманітних природних та штучних об'єктів, час від часу зазнає певних змін. Передусім це стосується технологій опрацювання зображень цих об 'єкт Такі зміни коротко можна окреслити трьома етапами розвитку фотограмметрії: аналогова фотограмметрія - аналітична фотограмметрія - цифрова фотограмметрія.
Перші два розділи вивчаються в університетських курсах з фотограмметрії на рівні бакалавра. Аналітична фотограмметрія як теоретична база цифрової фотограмметрії вивчається як на рівні бакалавра, так і магістра. Цифрова фотограмметрія як сучасна технологія опрацювання зображень сьогодні є провідно гілкою фотограмметрії. Саме тому в цій роботі їй надано таку увагу, щоб читач змі самостійно вивчити основні методи і технології цифрової фотограмметрії; передусі способи отримання інформації про об 'єкти на основі опрацювання зображень на т. цифрових фотограмметричних станціях.
Наша робота містить вісім основних розділів, кожний з яких дає певну інформацію про математичні підходи, фізичні засади і технологічні аспекти виконуваних фотограмметричних операцій.
Урозділі 1 (вступ) проаналізовано сучасний стан фотограмметрії та описано основні історичні етапи розвитку цієї дисципліни.
Урозділі 2 автори подають математичні основи фотограмметрії так, як це прийнято в курсі з аналітичної фотограмметрії. Ці фундаментальні теоретичні знання є основою для реалізації фотограмметричної складової цифрової фотограмметрії, і передовсім опрацювання зображень, які отримані на підставі центральної проекції.
Урозділі 3 викладений матеріал тісно перегукується з дисципліною, яка довол часто фігурує під назвою "цифрове опрацювання зображень ". Тут зосереджено уваг на можливостях покращання яскравості та контрасту зображення, корекції кольорі
атакож запису великих масивів інформації, якими є цифрові образи, у стисненому вигляді. Автори також подають відомості, як отримати стереоефект на екрані комп'ютера, які існують підходи до розв'язання складної задачі виконання стереовимірів без участі людини-оператора, тобто в автоматичному режимі.
Розділ 4 стосується способів отримання цифрового знімка. У ньому висвітлен принципи геометричної (кількісної) та радіометричної (якісної) оцінки зображення. Наведено способи покращання обох характеристик та форми (формати) запису образів на носіях даних, які придатні для подальшого комп 'ютерного опрацювання.
Одним із найчастіше вживаних видів продукції, отриманої засобами цифрової фотограмметрії, є ортофотокарта. Напевне, читачеві відомо, що для її побудови потрібна цифрова модель рельєфу (ЦМР) території (об 'єкта). Тому в розділі 5 описа способи побудови цифрових моделей об 'єктів, зокрема ЦМР, методи відтворення та інтерполяціїЦМР.
7
Фотограмметрія як науково-прикладна дисципліна завжди була скерована на скорочення обсягів польових геодезичних та топографічних робіт, переміщаючи цент ваги з поля у вигідніші та дешевші камеральні умови побудови топографічних або тематичних карт. Аеротріангуляція саме для того і виникла, щоб замінити геодезич згущення планово-висотної мережі (роботу в польових умовах) на фотограмметричн способи, що грунтуються на камеральному опрацюванні знімків. У розділі 6 подано теоретичні основи аеротріангуляції\ які спираються на класичні засади аналітичної фотограмметрії. Окрім цього, описано підходи до автоматичної (без участі оператора!) побудови аеротріангуляційних мереж.
Розділ 7 стосується описання технологій цифрової фотограмметрії. Тут пода відомості про цифрові фотограмметричні станції (ЦФС), які складаються з двох основних частин: технічної бази (комп'ютер) та програмного забезпечення (пакет прикладних програм). Описано технології реалізації трьох головних задач - побудови мереж аеротріангуляції\ створення моделі об'єкта, виконання операцій для створенн цифрових ортофотокарт.
У розділі 8 подано відомості з космічної фотограмметрії\ що стосуються математичних і технологічних аспектів. Оскільки проблематика космічної фотограмметрії є доволі об 'ємною і може бути предметом окремої праці, то автор обмежились висвітленням найважливіших питань з цієї галузі.
Список літератури містить далеко не повний перелік виданих за останнє десятиліття монографій, підручників, статей тощо. Проте ті джерела, що нами подано, завжди можуть і повинні слугувати читачеві тим дороговказом, який приве його до повного розуміння предмета ФОТОГРАММЕТРІЯ.
Ця праця розрахована на коло читачів, які ознайомлені з основами фотограмметрії. До них зараховуємо студентів, докторантів, аспірантів, виклада та інженерів, які займаються питаннями теорії і практики фотограмметрії та застосуванням їїметодів у різних галузях науки і практики.
Магістр Р. Тукай написав розділ 7 та параграфи 4.2, 4.6, 5.2.3, а також підготував значну кількість ілюстрацій до цієїроботи.
До написання окремих підрозділів цієї книги залучені:
професор, доктор технічних наук Х.В. Бурштинська (параграфи 5.1, 5.2.1, 5.3) доцент, кандидат технічних наук О.В. Тумська та доцент, кадидат фізикоматематичних наук В.Я. Янчак (розділ 3, параграф 4.5). Магістр О. О. Дорожинська написала параграфи 8.2, 8.5 та підібрала ілюстративний матеріал до розділу 8. Параграф 7.7 написав магістр Т. Грюненфельдер на підставі власного досвіду.
Решта матеріалу підручника написав професор, доктор технічних наук O.JI. Дорожинський (розділи 1, 2, 6, 8, параграфи 3.7, 4.1, 4.3, 4.4, 4.7, 5.2.2, 5.2.4, 8.1, 8.3, 8.4).
Загальне редагування книги виконав О.Л.Дорожинський.
Сподіваємося, що ця праця допоможе читачеві зрозуміти та освоїти теорію і практику сучасної фотограмметрії.
Α ДОРОЖИНСЬКИЙ Р. ТУКАЙ
Львів, 2008
8
1.ВСТУП
1.1.Концепція цифрової фотограмметрії та чинники її розвитку
Ще в 1988 р. на XVI Конгресі Міжнародного товариства з фотограмметрії та дистанційного зондування (ISPRS) цим науковим дисциплінам дано таке визначення: це галузь технічних наук, яка займається отриманням достовірної інформації про фізичні об'єкти та їхнє оточення за допомогою реєстрації\ вимірювання та інтерпретації образів або цифрових образів, одержаних за допомогою сенсорів, які не контактують безпосередньо з цими об'єктами.
Можна, з позицій сьогодення, критикувати таке визначення, можна його сприймати повністю або ж частково, проте важливо усвідомити, що воно було дано майже 20 років тому. Безперечно, техніка і технології за цей час істотно розвинулись, і це вплинуло на фотограмметрію та дистанційне зондування (ДЗ).
У цьому розділі подаємо узагальнений погляд на фотограмметрію, що є предметом нашого багаторічного зацікавлення, і лише подеколи торкнемося ДЗ - цієї величезної сфери наукової та прикладної діяльності спеціалістів з різних галузей - геологів, екологів, архітекторів, гірників, будівельників тощо.
Фотограмметрія як наукова і прикладна дисципліна тісно пов'язана з іншими галузями знань, причому цей зв'язок має як теоретичну, так і технічну компоненту.
Рис. 1.1. Основні чинники, пов'язані з функціонуванням фотограмметрії як наукової дисципліни
9