2 Пространственная фототриангуляция для сгущения планово-высотного обоснования при создании планов автодорог

2.1 Обзор современных способов фототриангулирования

При создании проектировании, изыскании и строительстве инженерных сооружений приходится определять качественные и количественные характеристики различных объектов.

Существует много различных способов решения этих задач, большинство из них основано на непосредственном контакте с объектом, исключение составляет фотограмметрический метод. Достоинством этого метода является бесконтактность; объективность, оперативность и высокая точность полученных данных; высокая информативность и максимально возможная степень автоматизации выполняемых процессов.

Выполнить вышеперечисленные виды работ геодезическим способом дорого, а зачастую просто невозможно. Были разработаны фотограмметрические методы выполнения этих работ.

Одним из основных процессов фотограмметрической технологии является сгущение съёмочного обоснования способом фототриангуляции.

Фототриангуляция это процесс построения трёхметных моделей объекта, по группе снимков принадлежащих одному или нескольким съёмочным маршрутам. Как и при построении одиночной модели для внешнего ориентирования фототриангуляционной сети используют опорные пункты.Число опорных пунктов обратно пропорционально точности и жёсткости самой сети. Другой путь уменьшения полевых работ заключается в определения элементов внешнего ориентирования снимков в процессе аэрофотосъёмки. Главным вопросом дипломной работы является фототриангуляция, выполняемая для решения задач возникающих при автодорожных изысканиях, проектировании, строительстве и инвентаризации. В связи с этим вопросу развития фототриангуляции, её современного состояния и перспективах уделено большое внимание.

Первые способы фототриангулирования были графическими, основанными на свойстве планового аэроснимка. На основе опытных работ по пространственной фототриангуляции на стереопланиграфе А. С. Скиридов изобрёл прибор стереоуниверсал и разработал аналитический способ фототриангулирования с применением этого прибора.

В Центральном научно-исследовательском институте геодезии, аэросъёмки и картографии (ЦНИИГАиК) Г. П. Жуков и Г. В. Романовский разработали дифференциальный способ пространственной фототриангуляции, включающий графическую радиальную фототриангуляцию с аналитическим определением высот по исправленным разностям продольного параллакса.

Дальнейшее развитие фототриангуляции показало, что радиальная фототриангуляция позволяет определить не только плановое положение точек местности, но и их высоты.

Затем возникла и начала развиваться пространственная фототриангуляция на универсальных приборах.

Широкое и эффективное применение аналитической фототриангуляции в аэрофотогеодезическом производстве стало возможным после изобретения электронных ввычислительных машин [13].

В настоящее время имеется большое количество теоретических и практических разработок. В области аналитической фототриангуляциип предложены и успешно используются на производстве целый ряд способов фототриангулирования. Возникает необходимость в их классификации.

В основу классификации, предложенной М.И. Булушевым [15] положены: вид, назначение, форма сети; фотограмметрическое качество исходных материалов; порядок использования геодезической опоры; элемент уравнивания; размер элементарного звена; геометрические условия, используемые при уравнивании.

Пространственная фототриангуляция выполняется, в большинстве случаев, для определения геодезических координат точек местности. И в зависимости от вида конечных результатов фотограмметрические сети можно разделить на: плановые, высотные и пространственные. По назначеню фотограмметрические сети могут быть каркасными и заполняющими. По форме различают маршрутную, многомаршрутную или блочную фототрингуляцию.

Под фотограмметрическим качестврм, в данном случае, понимается величина продольного и поперечного перекрытия снимков. Обычно аэрофотосъёмка выполняется с 60% продольным и 30% поперечным перекрытиями, но иногда эти параметры изменяются.

В зависимости от порядка использования геодезической опоры фотограмметрическая сеть может быть: зависимой – при наличии тавномерно расположенных опознаков сеть строится сразу в геодезической системе координат; независимой - сеть строится без использования опознаков, в произвольной системе координат; частично-зависимой – если в процессе построения сети применяются дополнительные данные, полученные физическими методами (координаты точек фототриангулироования, показания высотомера, статаскопа и др.).

В качестве элемента уравнивания может использоваться либо связка проектирующих лучей, либо модель местности.

Размер элементарного звена сети зависит от числа входящих в него снимков, и может представлять из себя: связку проектирующих лучей – отдельный снимок; стереопару – одиночная модель; двойную модель; модель подблока; модель маршрута. Кроме своего размера, элементарные звенья отличаются друг от друга и видом определяемых велечин, а также порядком их соединения в единую цепь.

Изложенная классификация не является полной, она лишь отражает различные аспекты построения фотограмметрических сетей и является основной для следующих методов:

- способ независимых моделей;

- способ частично-зависимых моделей;

- способ зависимых моделей;

- способ совместного определения и уравнивания элементов внешнего ориентирования снимков и координат точек местности – способ связок;

- способ раздельного уравнивания элементов внешнего ориентирования снимков и координат точек местности;

- способ вставки «точка-снимок»;

- построение сетей без определения угловых элементов внешнего ориентирования снимков;

- построение сетей без определения линейных элементов внешнего ориентирования снимков;

- построение сети фототриангуляции на основе предварительно уравненных угловых элементов ориентирования снимков;

- построение сетей путём жёсткого подориентирования связок;

- комбинированный способ;

- построение блочной сети объединением независимых моделей;

- построение блочной сети объединением маршрутов;

- построение блочной сети объединением триплетов;

- построение блочной сети объединением подблоков;

- построение сетей с использованием квазиснимков;

- построение сетей на предельно разреженном геодезическом обосновании;

- построение блочной сети по материалам аэрофотосъёмки выполненной двумя камерами;

- построение блочной сети при увеличенных перекрытиях снимков;

- построение сетей без использования связующих точек.

И. В. Антиповым был разработан программный комплекс ФОТОКОМ-32. указанный комплекс представляет собой ряд взаимосвязанных программ, с помощью которых эффективно выполняется фотограмметрическое сгущение и решаются сопутствующие этому задачи. Комплекс позволяет: развивать пространственную аналитическую фототриангуляцию в виде маршрутных и блочных сетей разнообразной конфигурации, в том числе с каркасными и взаимно перекрёстными маршрутами; вставлять в уравненную фототриангуляционную сеть неограниченное количество дополнительных точек; выдавать каталоги координат и высот точек уравненной фототиангуляционной сети по маршрутам или листам карты [2] способом связок. Особенностью способа связок, разработанного профессором А. Н. Лобановым, является то, что фотограмметрическая сеть строится и уравнивается сразу по всем снимкам блока или маршрута. Для каждой точки снимка, включенной в фотограмметрическую сеть, записываются два уравнения коллинеарности связывающие координаты точки на местности и на снимке. Задав приближённые значения неизвестных – элементов внешнего ориентирования снимков и координат точек местности, и решив, под условие минимума суммы квадратов невязок, записанные для всех точек уравнения коллинеарности находят поправки к приближённым значениям неизвестных. Решение продолжается до тех пор пока поправки к приближённым значениям неизвестных не станут пренебрегаемо малы. Геометрическая сущность уравнений коллинеарности позволяет строить фотограмметрические сети непосредственно в геоцентрической системе координат или в системе координат Гаусса-Крюгера без определения элементов взаимного ориентирования снимков. Конечно, не исключается и случай построения свободной маршрутной сети с последующим внешним ориентированием её по опорным точкам [14].

Главным достоинством описываемого метода является его полное соответствие теории наименьших квадратов. Это обусловлено тем, что уравниваются непосредственно измеренные величины, а не их функции. Способ связок универсален и позволяет совместно с решением уравнений коллинеарности решать, с учётом весов, практически любые уравнения описывающие геометрические связи между элементами уравниваемой сети [13].

Если при построении сети способом связок кроме условия коллинеарности использовать условие компланарности векторов, то за счёт увеличения числа уравнений при том же количестве неизвестных, можно несколько улучшить обусловленность матрицы нормальных уравнений. Порядок совместного использования уравнений коллинеарности и компланарности приводится пример в работе профессора А. Г. Чибуничева.

При построении сети по способу связок необходимо соблюдать условия Гаусса-Маркова: в измерениях должны отсутствовать грубые ошибки, а систематические ошибки должны быть на порядок меньше случайных. Исходя из изложенного, способ связок применяют только для уравнивания сети, используя в качестве приближённых значения неизвестных, полученных при построении сетей иным способом [16].

Также программный комплекс Фотоком-32 позволяет выдавать ведомости элементов стереофотограмметрических приборов и фототрансформаторов; осуществлять калибровку аэрофотосъёмочных или измерительных приборов, составлять их паспорта и учитывать данные калибровки при вычислительной обработке результатов измерений снимков; создавать аналитические модели местности и снимков и решать по ним задачи технического проектирования и исследовательского характера [2].

Кроме названного комплекса И. Т. Антиповым завершён в 2002 г. и сразу же начал быстро внедряться в производство специализированный программный комплекс Фотоком для цифровой фотограмметрической станции ЦНИИГАиК. Вместе с основным программным обеспечением ЦФС этот компонент обеспечивает выполнение фототриангуляции в режиме on-line [2].

Из обзора аналитических способов фототриангуляции можно сделать следующие выводы. Все перечисленные способы сыграли определённую роль в развитии теории и практике аналитических построений.

В настоящее время математические положения аналитической фототриангуляции достигли совершенства и остаются неизменными при переходе на цифровую фототриангуляцию. Однако при переходе на цифровую фототриангуляцию появляется новое направление, связанное с автоматизацией процессов измерения, которые пока находятся в стадии развития.

С точки зрения алгоритма построения сетей фототриангуляции признаны способы, обеспечивающие использование всех связей, как вдоль маршрутов, так и между ними, предусматривающие уравнивание измеренных велечин строгими математическими методами, обеспечивающие максимально возможное исключение систематических и грубых ошибок.

По этим условиям наиболее современным следует признать комплекс программ, разработанный д.т.н. Антиповым И. Т., Фотоком.

В ОАО НФ «ИркутскгипродорНИИ» предпочтение отдали Фотомоду по той причине, что Фотоком в это время ещё не был переведён на цифровую обработку. Недостаток Фотомода заключается в том, что уравниваются не измеренные величины, а функции от них.

Далее Фотомоду будет уделено особое внимание, так как в работе использовался этот программный комплекс.

2.2 Теоретические основы программы Фотомод

Разработчики программы Фотомод считают алгоритм секретом фирмы. Однако, из анализа программы можно сделать вывод, что основу алгоритма взяты способы построения маршрутных и блочных сетей фототриангуляции объединением независимых моделей. Поэтому для изложения теоретической сущности использован классический способ, опубликованный в работе «Аналитическая фототриангуляция с применением ЭВМ», авторами которого являются А. Н. Лобанов, В. Б. Дубиновский, Р. П. Овсянников.

Конечно алгоритм, принятый в программе Фотомод, имеет свои особенности, но основные положения должны быть одинаковы. Ниже излагается сущность классического способа построения фототриангуляции объединением независимых моделей.

В способе построения блоков объединением независимых моделей вначале строят одиночные модели в фотограмметрической системе координат (без геодезического ориентирования). Для того, чтобы координаты всех моделей получить в единой системе координат, надо определить элементы внешнего ориентирования моделей Xo, Yo, Zo, ε, η, ν, t относительно геодезической системы координат.

Создавая блочную сеть, определяют эти элементы из совместного преобразования всех моделей. В качестве исходного условия примем равенство координат связующих точек.

Пусть связующая точки местности имеет координаты X, Y, Z в системе данной модели и , , - в системе соседней i-й модели. После соединения моделей получим равенства

. (16)

Допустим, что элементы ориентирования i-й модели известны точно, а элементы ориентирования данной модели – лишь приближённо. Обозначим эти приближённые значения через ,,, , , , и поправки к ним – через , , , , , , .

Тогда вместо (16) напишем

. (17)

.

Введём обозначения коэффициентов

(18)

, (18)

и составим уравнения поправок

. (19)

Значения коэффициентов этих уравнений равны

;

;, (20)

; ;

;

где

; ;

.

По координатам одной связующей точки составляют три уравнения вида (19) с семью неизвестными. Для определения этих неизвестных, следовательно, надо брать не менее трёх точек. Центр проекции общего снимка двух моделей тоже считается связующей точкой, но с большим весом, чем другие точки моделей.

Решая уравнения (19) под условием [pvv] = min, находим поправки к приближённым значениям элементов ориентирования данной модели. Введя поправки, вновь перевычисляют коэффициенты (20) и свободные члены (20), составляют новые уравнения (19) и находят новые поправки к искомым неизвестным. Так действуют до тех пор, пока очередные поправки будут пренебрегаемо малыми.

Окончательные значения элементов преобразования координат точек данной модели в систему координат i-й модели будут равны

. (21)