ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ

Ш 12.1. Основные принципы фотограмметрии _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Фотограмметрия — наука, изучающая способы определения формы, размеров и пространственного положения объектов путем измерения их фотографических изображений.

Фотограмметрия представляет собой дистанционный, бескон­ тактный способ измерения.

Термин фотограмметрия происходит от греческих слов — свет, запись и измеряю, в буквальном переводе означающий измерение светозаписи.

Предметом изучения в фотограмметрии являются геометри­ ческие и физические свойства фотоснимков, способы их использо­ вания для определения количественных и качественных характе­ ристик сфотографированных объектов, а также применяемые при этом фотографические и измерительные приборы.

Дистанционное зондирование Земли включает фототопографические (стереофототопографические) съемки — аэрофотосъем­ ку, космическую съемку и наземную стереофотограмметрическую съемку.

Фотоснимки и их классификация:

—наземные, аэроснимки, космические — в зависимости от поло­ жения фотокамеры;

—плановые и перспективные — в зависимости от положения оп­ тической оси фотокамеры;

—одиночные, маршрутные, площадные — в зависимости от раз­ меров и характера объектов, подлежащих фотографированию; —черно-белые, цветные, спектрозональные — в зависимости от

применяемых фотоматериалов;

—размеры фотоснимков 13x18, 18x18, 23x23, 30x30 (см). Фотограмметрию используют в различных областях науки,

техники и производства:

—создание и обновление топографических карт и планов — ос­ новы для проектирования;

—составление фотопланов, тематических карт;

—выполнение обмеров объектов недвижимости; —составление обмерных чертежей; —создание цифровых моделей объектов недвижимости;

—реставрация памятников архитектуры, скульптурных мону­ ментов, уникальных предметов, съемка архитектурных ансам­ блей;

—определение деформаций сооружений и их отдельных частей; —изыскания железных и автомобильных дорог и других линей­

ных объектов; —гидротехнические, геологические, географические изыскания

иисследования.

Ш12.2. Стереопара и стереоскопическая модель_ _ _ _ _ _ _ _

Использование восприятия человеком глубины при наблюде­ нии и измерении снимков основано на том, что снимки построены по тем же законам перспективной, центральной проекции, что и изображения на сетчатках глаз. Два снимка, на которых изобразил­ ся один и тот же объект, называют стереоскопической парой или сокращенно стереопарой.

Стереоскопическое рассмотрение стереопары позволяет по­ лучить стереомодель местности. Для этой цели используют стерео­ скопы, например, линзово-зеркальный. Две пары зеркал (ПЗ), ус­ тановленных под углом 45° к горизонту, и две увеличительные лин­ зы (УА) стереоскопа (рис. 12.1) позволяют раздельно каждым глазом рассматривать левый и правый фотоснимки. Расположив начальные направления снимков параллельно продольной оси сте­ реоскопа и расставив снимки на расстояние между главными точ­ ками, равное примерно базису стереоскопа Вст, добиваются сте­ реоэффекта. Стереоэффект может быть прямой, обратный и нуле­ вой.

—Прямой стереоэффект: глазной базис наблюдателя должен быть параллелен базису стереопары, левый глаз рассматривает левый снимок, правый глаз — правый снимок. При прямом сте­ реоэффекте наблюдается уменьшенная пространственная мо­ дель местности (рис. 12.2).

—Обратный стереоэффект: если при тех же условиях снимки по­ менять местами, т. е. левый снимок рассматривать правым гла­ зом, а правый — левым, то будет наблюдаться уменьшенная обратная модель местности: возвышенности будут восприни­ маться как низины и наоборот (рис. 12.3).

—Нулевой стереоэффект: если базис стереопары расположить перпендикулярно глазному базису, т. е. повернуть снимки на

334 90°, то стереоэффект пропадет (рис. 12.4).

Следует заметить, что для всех снимков, полученных данным АФА. элементы внутреннего ориентирования можно считать пос­ тоянными известными величинами. Однако элементы внешнего ориентирования у каждого снимка свои и, как правило, неизвест­ ны.

Ш 12.4. Съемочные системы _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

При стереофотосъемке применяют фотографические, оптико­ электронные и цифровые съемочные системы. В качестве прием­ ника светового потока используют фотопленку, светодиод, а в циф­ ровых съемочных системах прибор с зарядовой связью (ПЗС), ко­ торый имеет форму матрицы или линейки.

Различают две формы записи изображения: аналоговую и циф­ ровую.

Цифровая форма записи очень удобна для хранения и обработ­ ки больших массивов изображений, обладает большой оператив­ ностью, т. к. в отличие от аналоговой записи не требуется фотохи­ мическая обработка пленки; отсутствуют процессы, связанные с изготовлением диапозитивов, по которым производят фотограм­ метрические измерения. Съемка и обработка изображений может происходить почти одновременно.

По принципам построения изображения съемочные системы делятся на кадровые и сканерные. К кадровым системам относятся фотокамеры, у которых все точки кадра фиксируются в один мо­ мент времени (в момент открытия затвора) на плоскости в цент­ ральной, перспективной проекции, что обеспечивает строгую гео­ метрию построения изображения.

Принцип работы сканерных съемочных систем заключается в том, что регистрация светового потока, идущего от объекта, произ­ водится либо построчно, либо поточечно.

Если регистрация выполняется построчно, то в один момент времени фиксируются все точки, составляющие строку кадра. По­ ложения всех точек в строке будут получены из одного центра про­ екции и будут соответствовать центральному проектированию. Длина и ширина строки задаются либо длиной и шириной узкой щели, пропускающей световой пучок и установленной перед фото­ пленкой, либо длиной и шириной линейки ПЗС. Развертка изобра­ жения по кадру осуществляется по одному из двух способов: 1) от­ клонением светового пучка влево-вправо, перпендикулярно к на­ правлению полета, 2) движением съемочной системы относительно объекта съемки.

При первом способе, если съемочная система и объект не сме- 338 щаются относительно друг друга, то изображение получается в

центральной проекции на цилиндрической поверхности. В этом случае прямые линии, перпендикулярные направлению панорами­ рования, будут изображаться прямыми, а прямые линии, парал­ лельные панорамированию, — в виде кривых второго порядка. Это объясняется спецификой построения изображения на цилиндри­ ческой поверхности и не является искажением геометрии построе­ ния изображения. При фотограмметрической обработке таких снимков нужно использовать уравнения связи координат точек местности и их изображений в центральной проекции на цилинд­ рической поверхности. Если съемочная система и объект смеща­ ются относительно друг друга, то построение изображения проис­ ходит с искажением формы объекта.

При втором способе изображение будет получаться на плос­ кости в виде отдельного снимка со своим центром проекции, поло­ жение которого в пространстве будет отличаться от положения других центров проекции.

Если регистрация выполняется поточечно (бегущим лучом), то каждая точка изображения фиксируется в отдельный момент времени, имеет свой центр проекции, положение которого в про­ странстве будет отличаться от положения других центров про­ екции. Построение кадра осуществляется по двум вариантам: 1) последовательным фиксированием всех точек кадра, 2) после­ довательным фиксированием точек одной строки с разверткой изображения по кадру за счет линейного перемещения съемочной системы относительно объекта или вращения съемочной системы вокруг своей оси.

Вкачестве примера первого варианта можно привести теле­ визионную съемку. Если телевизионная съемочная система и объект взаимно не смещаются, то полученное изображение соот­ ветствует кадровой съемке на плоскость в центральной проекции. Если же носитель перемещается, то изображение на экране элек­ тронно-лучевой трубки (ЭАТ) или матрицы ПЗС тоже будет сме­ щаться. Т.к. изображение считывается поточечно, то каждой точ­ ке на экране или матрице будет соответствовать свой центр про­ екции. Однако скорость считывания изображения большая, и если по сравнению с ней скорость смещения изображения по эк­ рану или матрице мала, то изображение можно считать практи­ чески кадровым.

Впоследние годы все большее распространение получают ла­ зерные сканерные системы, которые не только строят поточечно изображение объекта, но и фиксируют координаты точек изобра­ жения в съемочной системе координат. Пока эти системы находят применение при съемке инженерных объектов, а не для создания топографических карт.

И 12.5. Аэрофотосъемка местности_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Аэрофотосъемка выполняется специальным аэрофотоаппара­ том (АФА), имеющим устройства, обеспечивающие автоматиза­ цию съемки: сохранение заданного интервала времени между экс­ позициями в зависимости от высоты фотографирования, скорости полета и других параметров, выравнивание пленки при экспози­ ции, ее перематывание и др. АФА имеют формат кадра 18x18 см, 23 х 23 см, 30 х 30 см (рис. 12.9).

Аэрофотосъемка по условиям выполнения и метрическим тре­ бованиям к снимку существенно отличается от обычных видов фо­ тографии. Для получения доброкачественных аэроснимков необ­ ходимы изучение и всесторонняя оценка атмосферных условий съемки, характеристик АФА, свойств фотографических материа­ лов и процессов их химико-фотографической обработки.

Аэрофотосъемка может быть плановой и перспективной. Если угол наклона оптической оси АФА относительно вертикали не пре­ вышает 3°, то такая съемка называется плановой. Для придания оси фотокамеры неизменно отвесного положения используется ги­ ростабилизирующая установка, которая позволяет выдерживать горизонтальное положение фотопленки с точностью 15—20" неза­ висимо от колебаний самолета. При перспективной съемке АФА устанавливают так, чтобы его оптическая ось составляла с вертика­ лью требуемый заранее рассчитанный угол (чаще всего 30°, 45°, или 60°).

В фотограмметрии, как правило, используют снимки плановой аэросъемки — плановые аэроснимки.

Для создания топографических планов и карт применяется площадное фотографирование. Оно выполняется проложением ряда параллельных друг другу маршрутов с взаимным перекры­ тием смежных аэроснимков одного маршрута, которое называют продольным перекрытием, и с вза­ имным перекрытием снимков смеж­ ных маршрутов, называемым попе­ речным перекрытием. Продольное перекрытие аэроснимков необходи­ мо для дальнейшей их фотограммет­ рической обработки и обычно со­ ставляет 60 —65 %. Поперечное пере­ крытие обычно 30 —40 % (рис. 12.10).

Масштаб аэросъемки опреде­ ляют в зависимости от масштаба составляемого плана, принятой вы­ соты сечения рельефа, характера

340 местности и имеющегося фотограм-

метрического оборудования. Обычно он в 1,5 —2,5 раза мельче мас­ штаба составляемого плана.

Р

Рис. 12.10. Схема многомаршрутной съемки

В районах, где мало четких естественных контуров, перед вы­ полнением аэросъемки производят маркировку, т. е. создают ис­ кусственные контурные точки. По окончанию съемки кассеты экс­ понированные аэрофильмы сдают в лабораторию, где выполняют фотообработку аэропленок, изготовление контактных отпечатков и фотомонтаж, который используется для составления планов гео­ дезических и фотограмметрических работ.

Перед выполнением летносъемочных работ составляют проект задания на аэрофотосъемку. В задании указывают границы снима­ емой территории, масштаб аэрофотосъемки, величины продольно­ го и поперечного перекрытий, высоту полета, число маршрутов и аэронегативов, количество необходимой аэропленки, число часов съемочного времени и др.

Высоту фотографирования вычисляют в зависимости от задан­ ного масштаба аэрофотосъемки и фокусного расстояния аэрофо­ тоаппарата. Расчет числа маршрутов, аэроснимков и времени на съемку участка ведется на основании заданных перекрытий сним­ ков и их масштаба, высоты фотографирования Н, фокусного рас­ стояния аэрофотокамеры f формата кадра. Время, необходимое для съемки всего участка, рассчитывается в зависимости от путе­ вой скорости самолета и складывается из времени на собственно фотографирование участка, времени заходов с маршрута на марш­ рут, времени полета до съемочного участка и обратно, времени на пробные полеты и т. п. Необходимо также рассчитать максимально допустимое значение выдержки с тем, чтобы исключить недопус­ тимый смаз изображения, т. к. в момент экспонирования пленки самолет продолжает лететь.

Аэрофотосъемку для последующего составления топографичес­ ких планов в основном проводят со специально оборудованных само-

летов. При крупномасштабных съемках небольших участков приме­ няют малоскоростные самолеты типа АН-2, при мелкомасштабных съемках — самолеты с большей скоростью полета типа АН-30 и др.

Из контактных отпечатков составляют накидной монтаж. На­ кидным монтажом называется приближенное соединение контакт­ ных отпечатков их перекрывающимися частями для получения не­ прерывного изображения местности.

По накидному монтажу проверяют величины продольных и по­ перечных перекрытий снимков, оценивают прямолинейность марш­ рутов, развороты снимков в своей плоскости относительно линий, соединяющих их центры. Приближенно определяют утлы наклона аэронегативов по фотоизображению показаний круглого уровня. По показаниям радиовысотомера определяют уклонения от задан­ ной высоты фотографирования.

Приборы для аэрофотосъемки

Современный аэрофотоаппарат состоит из двух основных час­ тей: аэрофотокамеры 1и съемной кассеты 2 (рис. 12.11). В камере ук­ реплен ортоскопический объектив 10 со светофильтром 11, междулинзовым затвором и механизмом установки выдержек и диафрагмы. Некоторые АФА снабжены обогревом линз объектива для предотвра­ щения их запотевания при изменениях температуры. На прикладной рамке 8 установлено выравнивающее стекло 9 с нанесенными на нем оптическими калибровочными метками в виде сетки крестов с шагом 10x10 мм. Кассета 2 заряжается аэропленкой 6, намотанной на пода­ ющую катушку 5. Внутри кассеты имеется устройство перемотки аэ­ ропленки. По мере экспонирования пленка наматывается на прини­ мающую катушку 3. Непосредственно перед фотографированием аэ­ ропленка прижимается к выравнивающему стеклу 9 прижимной доской 7, которая наклонно опускается на пленку (по способу «закры­ вания книги») сначала под малым, а затем под большим давлением плотно прижимает ее к стеклу. Опускание и поднимание прижимной доски осуществляется специальным механизмом 4. После каждого эк­ спонирования прижимная доска поднимается и освобожденная плен­ ка перематывается на величину кадра с катушки 5 на катушку 3.

Промежуток времени между двумя экспозициями, необходи­ мый для осуществления всех операций в аэрофотоаппарате, назы­ вается продолжительностью цикла работы АФА. Цикл работы про­ должительностью 1,2 —2,5" состоит из следующих основных про­ цессов: спуска затвора (экспонирование); подъема прижимной доски; перемотки аэропленки; опускания прижимной доски и взво­ да затвора. На этом цикл работы заканчивается и следующий спуск затвора осуществляется через определенный промежуток време-

342 ни, когда необходимо получить следующий аэроснимок.

Расчеттехнических параметров топографической аэросъемки

При создании топографической карты масштаба 1 :М с сечением hcE4 рельефа горизонталями с помощью стереофототопографической съемки необходимо правильно рассчитать технические пара­ метры аэросъемки, т. к. точность создаваемой карты и ее контурная нагрузка определяются точностью и дешифровочными возможно­ стями снимков. Для расчета технических параметров топографиче­ ской аэросъемки необходимо установить масштаб аэросъемки 1:М, высоту фотографирования Н и фокусное расстояние f фотокамеры.

Значения этих параметров вначале выбирают приближенно, а затем уточняют путем подстановки в равенство Н= fM.

Масштаб аэросъемки выбирают, исходя из масштаба создава­ емой топографической карты.

Допустимую высоту фотографирования рассчитывают исходя из требуемой точности измерения высот точек по снимкам:

где Ь — базис фотографирования в масштабе аэроснимков, mz — средняя квадратическая ошибка измерения высот точек, тр— сред­ няя квадратическая ошибка измерения продольного параллакса.

Используют формулу для подсчета предельной высоты фото­ графирования, выше которой при заданном значении средней ошибки 8л аэросъемку производить нельзя:

П1.25Ь5„

шр

Втопографической аэросъемке используют фотокамеры с фо­

кусными расстояниями/= 70, 100 (широкоугольные), 140, 200 (дормальноугольные), 350 и 500 (узкоугольные) мм и форматом кадра 18 х 18 см или 23 х 23 см.

Расчет основных параметров топографической аэросъемки

1. Исходя из значения высоты фотографирования Н, рассчиты­ вают абсолютную высоту полета Набс над уровенной поверхно­ стью по формуле:

Набс =Н+Ас р ',

где Аср — средняя высота над участком.

Затем рассчитывают высоту полета относительно аэродрома:

где Аа — высота аэродрома.