Теория одиночного снимка

1. Системы координат снимка. Элементы внутреннего ориентирования снимка.

Рис. 1.1.1

На каждом снимке имеются изображения координатных меток, которые определяют правую прямоугольную систему координат снимка o’xyz.

Ось х этой системы проходит через координатные метки 1-2 и направлена приблизительно по направлению полета. Началом системы координат является точка о’, получаемая в результате пересечения оси х с линией проведенной через координатные метки 3 и 4. Ось y лежит в плоскости снимка Р и перпендикулярна оси х. Ось z дополняет систему до правой.

Любая точка снимка, например m, имеет в этой системе координат координаты m(х,у,z =0). Центр проекции S имеет в этой системе координаты S ( x=x_0, y=y_0, z=f ).

f - фокусное расстояние снимка, а х₀ и у₀ – координаты главной точки снимка - О.

Для восстановления связки проектирующих лучей, сформировавших снимок в системе координат снимка o’xyz, необходимо для каждой точки снимка определить координаты вектора в этой системе координат по измеренным на снимке координатам точки m.

. (1.1.1)

Из выражения (1.1.1) следует, что для восстановления связки проектирующих лучей, необходимо измерить координаты точки и знать значения координат центра проекции S в системе координат снимка f , х₀ , y₀, которые являются постоянными для данного снимка и называются элементами внутреннего ориентирования снимка.

Более широко в фотограмметрии используют систему координат снимка Sxyz , началом которой является центр проекции S, а оси координат параллельны соответствующим осям системы координат o’xyz.

Так как система координат Sxyz параллельна системе координат o’xyz, то, как известно из аналитической геометрии, координаты векторов в обеих системах координат равны, то есть координаты вектора в системе координат Sxyz определяется выражением (1.1.1).

2. Системы координат объекта. Элементы внешнего ориентирования снимка.

Положение точек объекта (местности) по снимкам определяют в прямоугольной пространственной системе координат OXYZ . В зависимости от решаемой задачи в качестве этой системы координат используют:

• государственную картографическую систему координат (в России – Гаусса – Крюгера);

• геоцентрическую систему координат;

• произвольную систему координат, связанную с характерными точками объекта (местности).

Положение и ориентацию системы координат снимка (или, что то же самое – снимка) в системе координат объекта OXYZ определяют элементы внешнего ориентирования снимка .

Положение центра проекции S в системе координат объекта определяют его координаты Xs,Ys,Zs.

Угловая ориентация системы координат снимка относительно системы координат объекта определяется ортогональной матрицей:

(1.2.1)

В матрице А элементы (направляющие косинусы) а_ij являются косинусами пространственных углов между осями координат системы координат объекта OXYZ и снимка Sxyz.

Направляющие косинусы являются координатами единичных векторов (ортов), совпадающих с осями координат снимка в системе координат объекта.

Вследствие особых характеристик ортогональной матрицы:

А^-1=А^т;

а АА^т = Е = .

В ортогональной матрице независимы только 3 элемента, следовательно элементы матрицы являются функцией 3 параметров.

В качестве этих параметров в фотограмметрии используют 3 угла - ,  и , которые называют угловыми элементами внешнего ориентирования снимка.

Последовательно поворачивая систему координат объекта OXYZ на эти углы вокруг ее осей, можно ориентировать ее параллельно осям системы координат снимка. При этом последовательность и направление поворотов могут быть произвольными. Поэтому в фотограмметрии используют различные системы угловых элементов ориентирования снимка.

Рассмотрим наиболее широко используемую систему, в которой система координат объекта OXYZ поворачивается последовательно против часовой стрелки (правые углы) вокруг осей X,Y и Z соответственно на углы ,  и .

Геометрическая интерпретация угловых элементов внешнего ориентирования показана на рис.1.2.1.

 - поперечный угол наклона. Угол в координатной плоскости YZ между осью Z и проекцией оси z на плоскость YZ;

 - продольный угол наклона. Угол между проекцией оси z на плоскость YZ и осью z;

 - угол разворота снимка. Угол в плоскости снимка Р между следом сечения этой плоскости плоскостью Xz и осью х снимка.

Рис.1.2.1

Значение элементов a_ij матрицы А можно получить путем последовательного перемножения матриц, составленных для последовательных поворотов системы координат объекта ОХYZ на углы ,  и .

В результате поворота системы координат ОХYZ или, что то же самое, системы координат SXYZ система SXYZ преобразуется в систему координат SX’Y’Z’ (рис.1.2.2).

Рис.1.2.2

В соответствии с выражением (1.2.1) матрица

.

В результате поворота на угол  система координат SX’Y’Z’ преобразуется в систему координат SX”Y”Z” (рис.1.2.3).

Рис.1.2.3

В соответствии с выражением (1.2.1) матрица

.

В результате поворота системы координат SX”Y”Z” на угол  эта система преобразуется в систему координат снимка Sxyz (рис.1.2.4).

Рис.1.2.4

В соответствии с выражением (1.2.1) матрица

.

В результате перемножения матриц

,

получим значения элементов a_ij , как функции углов , и :

(1.2.2);

Если известны значения направляющих косинусов aij, то из выражений (1.2.2) можно получить значения углов ,,.

(1.2.3).