ФОТОГРАММЕТРИЯ

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

28.6

14.2

Рис. 21

По разрешению съемка рассматриваемой системой сопоставима с аэрофотосъемкой аналоговым АФА в масштабе 1:10 000, если сканирование снимков выполнить с размером пиксела 12 мкм. Это позволяет обеспечить картографирование вплоть до масштаба 1:2 000. Фактором, ограничивающим разрешение на местности, является интервал времени (период) между считыванием информации с линеек, равный 1.2 мсек.

При скорости движения самолета 100 м/сек. разрешение на местности в направлении движения будет примерно равно 25 см. Такое же разрешение получается в поперечном направлении, если высота полета равна 2400 м. Ширина полосы захвата при этом будет равна 3 000 м.

Следует отметить, что геометрические свойства полученного системой изображения принципиально отличаются от геометрии обычного аэрофотоснимка. В этом случае каждая строка, получаемая в результате считывания информации с ПЗС линейки, представляет собой центральную проекцию некоторой линиии на поверхности земли. Причем значения элементов внешнего ориентирования для каждой такой строки отличаются между собой из-за изменений угловой ориентации и перемещения самолета. Работать с таким изображением невозможно. По этой причине исходные изображения (им присваивают уровень 0) подвергаются геометрическому трансформированию с учетом элементов ориентирования каждой строки, получаемых с помощью системы позиционирования и ориентации (Position and Orientation System-POS). Такие трансформированные изображения (уровень 1) уже можно измерять, в том числе и в стереорежиме. Для выполнения указанных операций нужно специальное программное обеспечение.

Важнейшими компонентами системы является: собственно датчик, включающий объектив и пластину с ПЗС линейками; инерциальное измерительное устройство, жестко связанное с датчиком; системы подогрева и охлаждения; устройство управления датчиком, включающее компьютер, программное обеспечение, GPS-приемник и память на жестких дисках.

Система также включает операторский интерфейс (жидкокристаллический дисплей высокого разрешения, монтируемый в специальной подвеске, гасящей вибрацию самолета).

41

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Запоминающее устройство из 6 дисков по 36 Гб каждый смонтировано в герметизированном корпусе, предохраняющем диски и от вибрации. Скорость передачи данныз 45 Мб/сек.

В нашей стране изготовителем кадровых многоматричных цифровых аэрофотоаппаратов «4/90» и «6/90» универсального назначения является НТЦ «Радар». Цифровые снимки, полученные этими камерами, ориентированны на создание и обновление топографических и специальных карт и планов городов масштабов от 1:500.

Фотоприемный элемент - гибридный, на основе цветных ПЗСматриц с прогрессивной разверткой. Экспонирование матриц в кадре - синхронное. Обеспечивается получение одноцветного (raw-12) изображения. Формат эквивалентного кадра - 24 000Х1 200 пикселов (АФА 4/90) и 27 000Х1 200Х2 полосы (АФА 6/90); постоянный угол стереозасечки – 10˚). Обеспечивается формирование выходного кадра, полностью эквивалентного гомоцентрической центральной проекции. Используется специализированный объектив с постоянным, фокусным расстоянием 92мм. Разрешение по полю - 300 лин/мм, относительное отверстие- 1:2,8- 1:5,6. Угол зрения в направлении «поперек полета»- 50 -56º. Минимальный интервал фотографирования – 0,5 с. Диапазон высот применения – от 1 500 м (5 см/пиксел) до 8 000 м (26 см/пиксел). Аэрофотоаппараты обладают уникальной в своем классе производительностью

– выходное изображение формируется со скоростью до 200 Мбайт/с. При этом, обеспечивается возможность работы с перекрытием 60-90 % в полосе 0,9 высоты полета при скорости носителя 0-900 км/ч.

Обработка результатов фотографирования возможна любым распространенным пакетом – например, LPS 8.7 + Orthobase фирмы Leica Geosystems. Имеется программное обеспечение (ПО) управления съемкой, визуального и приборного контроля качества фотографирования, астрокалибровки. Управляющее ПО и аппаратура изделий обеспечивают:

Регистрацию GPS-координат точки фотографирования и профиля полета носителя по курсу, тангажу и крену с использованием собственной твердотельной инерциальной навигационной системы. Артефакты движения носителя компенсируются приводами камеры.

Установку в надирный обогреваемый (в зимнее время) аэрофотолюк размером 200х200 (АФА 4/90) или 300х300 (АФА 6/90) мм, а также в закрытый отапливаемый герметизируемый (обитаемый) отсек носителя. Имеется установочное оборудование для носителей Ан-30, Ан-2, Л-410. Может быть установлена арматура для нестандартной установки. Потребление энергии менее 600 Вт. Минимальная высота фотографирования1400 м. Размер проекции пиксела на местности, см/высота, м/скорость носителя максимальная, км/ч- 10/2750/350; 15/4100/500; 30/8200/900.

42

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Комплект поставки АФА (450х350х350 мм, 26 кг), сервер бортового управления, накопитель 1,6 Т байт (230х370х200 мм, 11,5 кг), антенна GPS с кабелем до 1 м, интерфейсные кабели длиной по 6 м (2 шт.), установочный комплект, преобразователь питания - по спецификации потребителя.

Аэрофотокамеры UltraCam D. Основной принцип камеры базируется на использовании множества распространенных и доступных ПЗС матриц, объединенных в единую 90 мегапиксельную координатную систему с единым центром перспективы. Принцип работы модульный, и в базовой конфигурации состоит из модуля сенсоров и модуля обработки и хранения изображений. Их краткие характеристики сведены в таблицу.

В сенсорном модуле находятся 8 объективов, 4 из которых отвечают за съемку четырех каналов цветного изображения, а 4 расположенных в один ряд объектива отвечают за формирование черно-белого изображения из девяти ПЗС матриц. Один из черно-белых объективов является основным, за которым находятся 4 угловых ПЗС матрицы, обеспечивающие базовую геометрию выходного изображения. За остальными тремя черно-белыми объективами находятся соответственно две вертикальные, две горизонтальные и центральная матрицы изображения с которых накладываются с перекрытием и программно сшиваются с четырьмя базовыми. Каждый объектив "срабатывает" с задержкой 1-2 миллисекунды (в зависимости от скорости полета) относительно предыдущего, что обеспечивает съемку из одной точки всех частей выходного изображения. Такой подход обеспечивает получение детального изображения с большим захватом и хорошей геометрией без дорогостоящего оборудования и трудоемких математических преобразований.

Модуль обработки и хранения состоит из 15 объединенных в сеть компьютерных блоков и массива из 30 дисков, на котором хранятся как исходные необработанные изображения, так и снимки, прошедшие постобработку. Причем процесс обработки может проходить целиком на борту, а может продолжиться на Земле путем подключения модуля к более мощным наземным станциям обработки. Выходная разрядность в 14 бит обеспечивает лучшую радиометрию, а четыре раздельных цветных канала позволяют более полно и точно охватить спектральный диапазон.

.

43

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Максимальная скорость съемки составляет 0,75 секунды на кадр. При высоте полета 1500 м. размер покрываемой одним кадром территории составляет 1550 х 1012 м. Односекундный интервал съемки обеспечивает 95% перекрытия кадров, тем самым каждая точка поверхности может быть отснята 20 раз. Более востребованным, как правило, является перекрытие 60-70%, и в таком режиме система обеспечивает 6 часов непрерывной съемки.

V-STARS – это система для промышленной фотограмметрии. Она включает одну или несколько цифровых камер с фокусным расстоянием 17 мм. Камера INCA2 4.2 имеет разрешение ПЗС матрицы 2 033х2 044 пикселей. Ее размер -18.2х18.4 мм, а угол поля зрения - 56 х56 . У камеры INCA2 6.3 указанные выше параметры имеют следующие значения: 2 033х3 072 пикселей

18.4х27.6 мм и 56 х76 .

В комплект системы входит компьютер, программное обеспечение и аксессуары (набор марок, жезлы для масштабирования, камера, куда помещается фотоаппарат при работе в экстремальных условиях, и проч.).

Система обеспечивает работу, как в режиме реального времени, так и в режиме off line. Измерение визирных целей на цифровых фотоснимках можно выполнять в автоматическом режиме. Разработчики системы гарантируют, что при соблюдении технологии съемки и измерений можно обеспечить точность определения параметров объекта с ошибкой 1:100 000.

3.АНАЛИТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОДИНОЧНОГО СНИМКА

3.1.СИСТЕМЫ КООРДИНАТ ТОЧЕК МЕСТНОСТИ И СНИМКА.

Для установления связей между точками объекта и их фотографическими изображениями используются пространственные и плоские системы координат. Если картографируемый участок захватывает больше, чем 1 зону может использоваться геоцентрическая система координат (рис.22). В ней за начало координат принят центр общеземного эллипсоида О'г, а плоскостью X'г Y'г является плоскость экватора. Ось X'г находится в плоскости начального

44

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

меридиана, а ось Z'г совмещена с полярной осью О'г Р. Система координат правая. За фигуру Земли принимается эллипсоид вращения с полуосями а и b и сжатием е. Любая точка О пространства задаётся геодезическими координатами: широтой В, долготой L и высотой Н. Геоцентрические координаты X'г, Y'г, Z'г точки О находят по их геодезическим координатам, с помощью известных формул сфероидической геодезии.

Z'г

P Z''г

90°

Y''г H X''г

O

B

L

X'0

X'г

ЭК В А Т О Р

Рис. 22

Может использоваться и прямоугольная система координат X"г Y"г Z"г, представленная на рис.22. Она сохраняет все преимущества геоцентрической системы, но абсолютные значения координат точек в ней меньше. Ось Z"г нормальна к поверхности эллипсоида в начальной точке О картографируемого участка; ось Y"г совпадает с направлением на север. Система координат правая. За начало счёта высот принимается такое значение, при котором аппликаты всех точек положительны. Координаты X"г, Y"г, Z"г, легко получаются из геоцентрических X'г, Y'г, Z'г путём трёхмерного преобразования, включающего перенос начала координат и их вращение.

При решении задач на сравнительно небольшом участке местности используется известная левая система прямоугольных координат Oг Xг Yг Zг (рис.23) Гаусса.

Рис. 23

На практике часто находит применение местная система пространственных прямоугольных координат Xг Yг Zг с началом в некоторой

45

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

точке А картографируемого участка (рис.23). В этой системе ось Zг нормальна к поверхности квазигеоида в точке А, ось Xг горизонтальна и параллельна осевому меридиану зоны, в которой находится участок съёмки, а ось Yг направлена на восток. Координаты начала задаются в системе Ог Xг Yг Zг.

Системы координат Ог Xг Yг Zг и А Xг Yг Zг в фотограмметрии принято называть геодезическими.

Координаты точек местности, полученные по результатам измерения снимков, определяются, как правило, в так называемой фотограмметрической пространственной прямоугольной системе координат SXYZ (рис.23). Она правая. Ее начало и направление координатных осей выбираются так, чтобы наиболее просто осуществлялся переход от координат точек снимка к координатам точек местности. Обычно начало координат совмещается с точкой фотографирования S или с какой-либо точкой местности, а плоскость XY устанавливается горизонтально или параллельно плоскости одного из снимков.

Поскольку системы координат X Y Z и Xг Yг Zг не совпадают, то при переходе от фотограмметрических координат к геодезическим необходимо выполнять преобразование координат из системы в систему.

На каждом снимке по его периметру имеется ряд координатных меток, которые определяют плоскую прямоугольную систему координат o' x y. Такая система при наличии на снимке четырёх меток 1, 2, 3, 4 показана на рис. 24. Начало координат находится в точке о' пересечение отрезков 1-2 и 3-4. Ось x совмещается с прямой 1-2, а ось y с перпендикуляром к оси x в точке о'. Возможны и другие варианты. Например, ось y – это главная вертикаль, а ось x - одна из горизонталей и т. д. Отметим, что на наземных снимках оси обозначают буквами x и z, а координаты в системе координат снимка иногда называют фотокоординатами.

Положение точка на снимке определяется координатами x и y, но это можно сделать и в пространственной фотограмметрической системе X'Y'Z' (рис.25). Начало координат этой системы всегда совмещено с точкой фотографирования S, а оси X', Y', Z' параллельны осям X, Y, Z фотограмметрической системы координат точек объекта местности или осям геодезической системы координат.

Связи между плоскими и пространственными координатами точек снимка и местности устанавливаются через элементы ориентирования снимка.

46

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

3.2. ЭЛЕМЕНТЫ ОРИЕНТИРОВАНИЯ СНИМКА.

Элементами ориентирования снимка называются величины, определяющие его положение в момент фотографирования относительно выбранной пространственной прямоугольной системы координат. Различают элементы внутреннего и внешнего ориентирования снимка.

Элементы внутреннего ориентирования позволяют найти положение центра проекции относительно снимка, а значит восстановить связку проектирующих лучей, существовавшую в момент фотографирования. К ним относятся координаты главной точки x0, y0 снимка и фокусное расстояние f фотокамеры (рис.26).

S

Рис.26. Элементы внутреннего ориентирования снимка

Элементы внешнего ориентирования (ЭВО) позволяют установить положение снимка (связки), которое она занимала в момент фотографирования относительно заданной пространственной прямоугольной системы координат. Для снимков, полученных АФА, на практике используют две таких системы.

В первую систему ЭВО (рис. 27) входят координаты Xs, Ys, Zs точки фотографирования, а также углы поворота снимка α, ω и κ

Продольный угол наклона снимка α образуется осью Z΄ и проекцией главного луча Sо на плоскость X΄ Z΄.

Поперечный угол наклона снимка ω заключён между главным лучом Sо и его проекцией на плоскость X΄ Z΄.

Угол поворота снимка κ образуют ось у снимка и след плоскости, проходящей через главный луч Sо и ось Y΄ (в этой плоскости находится угол ω).

На рис. 27 углы κ и ω положительные, угол α - отрицательный. Вторая система (рис.28) ЭВО содержит:

-координаты Xs, Ys, Zs точки фотографирования;

-t – дирекционный угол оптической оси фотокамеры – он образуется следом плоскости главного вертикала W и положительным направлением оси X΄;

-ε - угол наклона снимка, находится в плоскости главного вертикала между главным и надирным лучами;

-κ – угол поворота в плоскости снимка, образуется главной вертикалью и

осью y плоской системы координат x y.

На рисунке изображены положительные углы.

Различают абсолютные и относительные ЭВО снимка. Абсолютные элементы определяют положение связки в геодезической системе координат.

47

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Таким образом, положение одиночного снимка определяется девятью элементами ориентирования, из них три - элементы внутреннего ориентирования и шесть - элементы внешнего ориентирования.

3.3. ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ И ПЛОСКИМИ КООРДИНАТАМИ ТОЧКИ СНИМКА.

При изучении теории фотограмметрии и решении практических задач используются зависимости между плоскими координатами x, y точек снимка и их пространственными координатами X', Y', Z'. Эти зависимости можно установить, если известны элементы внутреннего и угловые элементы внешнего ориентирования снимка.

Введём для этого систему координат S x y z с началом в точке фотографирования S (рис. 29). Координатные оси x, y этой системы расположим параллельно соответствующим осям на снимке, а ось z совместим с главным лучом связки So. Тогда координаты x, y любой точки снимка в пространственной системе имеют те же значения, что и в плоской, а координата z для всех точек постоянна и равна фокусному расстоянию снимка (z = -f).

Системы S X' Y' Z' и S x y z имеют общее начало, поэтому в процессе преобразования координат из одной сиситемы в другую следует выполнять только вращение, что выражается, например, формулой:

48

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис. 29

Ортогональная матрица А имеет третий порядок и называется матрицей преобразования координат. Ее элементами являются 9 направляющих косинуса, поэтому выше приведенное соотношение можно записать и так:

Причем, каждый из направляющих косинусов это косину угла между соответствующими осями систем координат участвующих в преобразовании, то есть:

Отметим, что в формуле 16 не произведения координат, заключенных в скобках, а обозначение осей, между которыми берется угол.

В силу ортогональности направляющие косинусы матрицы связаны между собой шестью независимыми уравнениями:

Один поворот в пространстве можно заменить тремя последовательными поворотами в плоскости (вокруг осей Z, X и Y, рис.30). Им будут соответствовать матрицы A , Аω, и Аα.. В соответствии с рис. 26 для каждого из

поворотов соотношение 16 можно представить следующим образом:

49

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Таким образом, направляющие косинусы а1, а2, а3,…..,с3 зависят от трёх угловых элементов внешнего ориентирования снимка и являются координатами единичных векторов, определяющих взаимное положение рассматриваемых систем координат: X' Y' Z' и x y z.

Аналогично для второй группы элементов внешнего ориентирования снимка можно получить:

a1 = cos(X΄, x) = cock sint + cosε sink cost a2 = cos(X΄, y) =- sink sint + cosε cosk cost a3 = cos(X΄, z) =- sinε cost

b1 = cos(Y΄, x) =- cock cost + cosε sink sint

b2 = cos(Y΄, y) = sink cost + cosε cosk sint (19) b3 = cos(Y΄, z) =- sinε sint

c1 = cos(Z΄, x) = sinε sink c2 = cos(Z΄, y) = sinε cosk c3 = cos(Z΄, z) = cosε

Формулы (18) и (19) позволяют установить связь между элементами

50