Фотограмметрическая обработка данных аэросъемки

Аэрофотосъемка Аэрофотосъемка – комплекс работ для получения топографических планов, карт и ЦММ с использованием материалов фотографирования местности с летательных аппаратов или из космоса. Материалы аэросъемки являются основой для составления планшетов, планов, схематических карт и других графических документов, служащих для решения оперативных задач и для планирования долговременных мероприятий в лесном хозяйстве. Виды аэрофотосъемки (по конструктивным особенностям АФА) 1. Кадровая (серия отдельных кадров); 2. Щелевая (щелевой снимок - в виде сплошной «ленты» вдоль маршрута 3. Панорамная (прямоугольные снимки с большим поперечным углом поля зрения) ( по высоте полета летательного аппарата) 1. Космофотосъемка земной поверхности (первые сотни км) выполняется с искусственных спутников Земли. 2. Аэрофотосъемка (АФС) выполняется с самолетов и вертолетов: 2 а – высотная (5-10 км). 2 б – стандартная (1-5 км). 2 в – низковысотная ( м)

(по использованию зон спектра) 1. Цветная – снимки получают в естественных цветах местности; 2. Черно-белая – снимки получают в оттенках серого. Это позволяет снять излишнюю пестроту изображения территории, сохраняя фототон – интенсивность серого цвета и фактуры изображения. 3. Спектрозональная – с помощью фильтров получают снимки определенных частей спектра и раскрашивают их в условные цвета. Технология позволяет совмещать и комбинировать изображения отдельных частей видимого спектра. 4. Радиолокационная – получение изображения по отраженным от точке местности радиоволнам – всепогодная съемка. 5. Инфракрасная (тепловая ) – с помощью тепловизоров. 6. Многозональная –сразу несколькими синхронно работающими камерами. (по способу организации работ) 1. Маршрутная. Разновидность плановой съемки. Производится вдоль определенных направлений, долин рек, горных дорог и т.д. 2. Площадная (многомаршрутная) –основной вид съемки при изысканиях площадных и линейных объектов. 3. Комбинированная. Сочетание АФС с одним из видов наземной топографической съемки..

(по положению оптической оси АФА) 1. Плановая. Фотографирование производится в вертикальном направлении, сверху вниз, с отклонением от вертикали не более 3º. Этим видом съемки покрывают большие территории, пролетая над ней галсами (залетами). Обычно залеты имеют широтную ориентировку. Это наиболее часто используемый вид съемки. I-1 I-2 I-4 I-6 I-7 I-8

2. Перспективная. Съемка производится под острым углом к горизонту. Используется обычно для съемки больших участков крутых склонов в условиях горной местности.

Планово-высотное обоснование аэросъемки Плановое положение контурных точек определяют в камеральных условиях фототриангуляцией. На местности во время полевых наземных геодезических работ определяют координаты соответствующего числа точек местности, необходимого для создания триангуляции. Опознавательный знак – контурная точка аэроснимка, координаты которой определены на местности в результате привязки к пунктам ГГС. Плановые опознаки совмещают с четкими, легко опознаваемыми на аэроснимке контурами местности. Местоположение опознаков тщательно определяют и накалывают на аэроснимке.

АЭРОФОТОСЪЕМОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ АЭРОСЪЕМОЧНЫЙ ПРОЦЕСС Аэрофотоустановка – крепления АФА к корпусу летательного аппарата; амортизирует фотокамеру. Управляющий (командный) прибор: дистанционное управление и контроль за работой АФА. Навигационное оборудование (радио- или лазерный высотомер: определяет высоту полета; статоскоп: определяет колебания высоты полета). Аэрофотосъемочный процесс включает в себя: Подготовительные работы: определение объектов и сроков проведения АФС. Летно-съемочные работы: фотографирование с летательного аппарата в благоприятное для съемок время. Фотолабораторные работы состоят в проявлении аэрофильмов и получении на их основе аэроснимков и диапозитивов.

Накидной монтаж аэроснимков получают, накладывая их друг на друга перекрывающимися частями. Репродукция накидного монтажа – это копия накидного монтажа на фотобумаге. С помощью накидного монтажа оценивают качество летно-съемочных работ. Определяют: -отклонения фактических продольных и поперечных взаимных перекрытий смежных аэрофотоснимков от допустимых значений (допустимые минимальные перекрытия : 35% для продольного и 15% для поперечного); -- неизменность высоты фотографирования (допустимые изменения высоты полета – до 5%); -- прямолинейность маршрута (допустимые отклонения маршрута от прямой – не более 3% от общей его длины).

АЭРОФОТОСНИМОК Аэрофотоснимок – это центральная проекция участка местности, которая образуется связкой проектирующих образуется связкой проектирующих лучей. лучей. Точка пересечения оптической оси аэрофотоаппарата с плоскостью светочувствительного слоя (О) называется главной точкой и принимается за начало прямоугольной системы координат снимка. S - центр проекции (задняя узловая точка аэрофотоаппарата ); Аа, Be, Oo, Cc. Dd - световые лучи; Аа, Be, Oo, Cc. Dd - световые лучи;

о - главная точка снимка; So = t - фокусное расстояние объектива АФА; SO - высота фотографирования; о, в. о, с, d - изображение на светочувствительном слое. Проекция, в которой изображение предметов на плоскости предметов на плоскости получается с помощью проектирующих лучей, пересекающихся в одной точке, называется центральной, а точка пересечения этих лучей – центром проекции.

Перекрытие АФС Перекрытие аэрофотоснимка – "общая" часть земной поверхности, изображенная двух соседних снимках. По ходу залёта перекрытие должно составлять не менее 60%, по соседним залетам – 15% (ГОСТ) Масштабы АФС Ограничение накладывает разрешающая способность глаза (0,1–0,2 мм). Поэтому для решения различных задач используют АФС разного масштаба. По нормативам масштаб используемых АФС должен быть по крайней мере в 2 раза крупнее масштаба работ. 1. Региональные задачи – м-б АФС 1: – 1: (космофотосъемка). 2. Среднемасштабные геологосъемочные работы – м-б АФС 1: – 1: (высотная и стандартная аэрофотосъемка). 3. Крупномасштабные и детальные геологосъемочные работы – м-б АФС 1: – 1: (низковысотная аэрофотосъемка).

Геометрия снимка 1. Рабочая часть и поля снимка. На полях (1 а) помещают номер снимка и дополнительную информацию (номер заказа, дату и время съемки, пузырьковый уровень). 2. Главная точка снимка. Изображение точки поверхности, куда нацелена оптическая ось камеры. 3. Координатные вершины снимка. Метки, помогающие установить главную точку снимка. 4. Базис снимка. Расстояние между главной точкой текущего снимка и положением на нем главной точки предыдущего снимка. 5. Точка надира. Изображение на снимке точки на поверхности земли, находящейся точно под самолетом. 6. Направление съемки. Линия, проходящая через главную точку и точку надира. Самолет не может лететь абсолютно ровно, ветры крутят его как хотят, т.е. в момент съемки самолет всегда в той или иной степени наклонен: тангаж кренрысканье

Искажения на АФС 1. Искажения, связанные с непостоянством масштаба Снимок представляет собой центральную проекцию, а не плановую, как карта. Стандартный масштаб снимка 1 / М = f / H, где f – фокусное расстояние камеры, H – высота съёмки над местностью Очевидно, что SA = SB > H, поэтому M H < M SA, т.е. в середине снимка масштаб крупнее, чем на краях. Снимок (А) и территория, на нем изображенная (Б) Вследствие того, что масштаб изображения плавно изменяется по всему снимку, на нем все объекты изображены с искажениями ! Наименьшие искажения, связанные с непостоянством масштаба, наблюдаются в центре снимка, в пределах рабочей части.

2. Искажения из-за наклона самолета Масштаб объектов А и Б одинаков В идеальном случае, т.е. когда самолет расположен совершенно горизонтально и ориентирован строго по курсу, центральная точка снимка (o) совпадает с точкой надира (n). В реальном полете так не бывает, поэтому центральная точка снимка "гуляет" вокруг точки надира. кабрировании пикировании При тангаже самолет либо задирает нос ( кабрирование ), либо опускает его ( пикирование ). При кабрировании центральная точка "уходит" вперед от точки надира, из-за чего масштаб части АФС, расположенной по ходу полета, становится мельче. При пикировании центральная точка "уходит" назад от точки надира, из-за чего масштаб части АФС, расположенной по ходу полета, становится крупнее. n,o n о n о БА Масштаб объекта Б мельче, чем масштаб объекта А Б А Б А Масштаб объекта Б крупнее, чем масштаб объекта А

Масштаб объектов А и Б одинаков левом крене мельче правом крене При крене самолет качается относительно продольной оси (качает крыльями). При левом крене центральная точка "уходит" вправо от точки надира, из-за чего масштаб части АФС, расположенной справа по лёту, становится мельче. При правом крене всё наоборот. n,o n о n о БА Масштаб объекта Б мельче, чем масштаб объекта А Б А Б А Масштаб объекта Б крупнее, чем масштаб объекта А При рыскании изменяется угол между продольной осью самолета и направлением полета. Это не приводит к дополнительным искажениям масштаба, в пределах одного снимка, однако зона перекрытия становится трапециевидной, что затрудняет дальнейшую интерпретацию.

3. Искажения, связанные с рельефом При фотографировании территории с расчлененным рельефом, разные точки находятся на меняющемся расстоянии от центра проекции, что приводит к искажению изображения по сравнению с плановой проекцией. Точки, находящиеся на возвышенностях, на снимке "отодвигаются" дальше от главной точки снимка, а находящиеся в понижениях – "приближаются" к ней. При этом, естественно, искажается и масштаб: объекты на возвышенностях выглядят крупнее, объекты в низинах – мельче. r – смещение на снимке до положения на плановой проекции (поправка), r – расстояние от точки до главной точки снимка, Н – средняя высота съемки над местностью, h – превышение точки над средней высотой местности.

Одним из следствий искажения за рельеф является эффект визуального изменения углов падения слоев. Склоны, обращенные к главной точке снимка, получаются шире, а от главной точки – уже.

ЭЛЕМЕНТЫ ОРИЕНТИРОВАНИЯ СНИМКОВ Элементы ориентирования аэрофотоснимка – величины, определяющие его положение в момент фотографирования относительно выбранной пространственной прямоугольной системы координат. Различают элементы внутреннего и внешнего ориентирования снимка.

ЭЛЕМЕНТЫ ВНУТРЕННЕГО ОРИЕНТИРОВАНИ АЭРОФОТОСНИМКОВ. Три элемента внутреннего ориентирования – фокусное расстояние фотокамеры f, координаты x 0, y 0 главной точки о. Они определяют положение центра проекции относительно аэрофотоснимка. S f y o o' x y0y0 x0x0

ЭЛЕМЕНТЫ ВНЕШНЕГО ОРИЕТИРОВАНИЯ АЭРОФОТОСНИМКОВ Элементы внешнего ориентирования 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. Рис.1 Рис.2

В первую систему ЭВО (рис. 1) 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. 1 углы κ и ω положительные, угол α - отрицательный. Вторая система (рис.2) 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.

ОСНОВЫ СТЕОФОТОГРАММЕТРИИ Главной задачей фотограмметрии в применении ее для топографии является определение координат точек местности по аэрофотоснимкам. Используя одиночный аэрофотоснимок, можно определить лишь плановое положение точек, изобразившихся на нем. Для определения высот точек местности необходимо иметь два аэрофотоснимка данного участка, полученных из двух разных точек или с двух концов базиса фотографирования. Два снимка с изображениями одного и того же участка местности, полученные с двух точек пространства, имеющие между собой перекрытие не менее 55%, называются стереоскопической парой снимков (стереопарой). Снимок, полученный с точки фотографирования S 1, называется левым, а с S 2 – правым.

На рис. изображена пара снимков в положении, которое она занимала в момент фотографирования. А – точка местности, изобразившаяся на снимках в точках а 1 и а 2. Они называются соответственными или одноимёнными точками. Проектирующие лучи S 1 A и S 2 A, проходящие через эти точки называются соответственными или одноимёнными проектирующими лучами. A a1a1 a2a2 A S1S1 S2S2 S 2 a 2 W1W1 W2W2 bпbп

Расстояние В между точками фотографирования S 1 и S 2 – базис фотографирования. Плоскость W A, проходящая через базис и точку А местности есть базисная плоскость. Плоскости, проходящие через базис фотографирования и главные лучи являются главными базисными плоскостями (W 1 - левого W 2 - правого снимков). Любая пара соответственных лучей пересекается, если снимки занимают положение, которое было в момент фотографирования. Совокупность их точек пересечения образует поверхность. Ее называют стереомоделью или просто моделью местности. Если одна из связок (например, правая) поступательно перемещается вдоль базиса из положения S 2 в S 2, одель при этом не разрушится, но изменится ее масштаб. Расстояние b п между центрами проекций двух связок, по которым построена модель, называется базисом проектирования. Если одна из связок (например, правая) поступательно перемещается вдоль базиса из положения S 2 в S 2,, то модель при этом не разрушится, но изменится ее масштаб. Расстояние b п между центрами проекций двух связок, по которым построена модель, называется базисом проектирования. Ее масштаб вычисляется по формуле: i/t = b n B i/t = b n B

ПРОДОЛЬНЫЙ И ПОПЕРЕЧНЫЙ ПАРАЛЛАКСЫ При измерении стереопары кроме координат точек используют разности этих координат на обоих снимках, называемые параллаксами При стереосъёмке точки объекта изображаются в разных частях левого и правого снимков. Например, на левом снимке точка объекта изобразилась в точке m. В системе координат o' Л x Л y Л этого снимка она будет иметь координаты x Л, y Л. На правом снимке та же точка объекта изобразилась в точке m', и в системе координат o' П x П y П она имеет координаты x П, y П.

По координатам x Л, y Л нанесём на правом снимке положение точки m. Смещения точки m' относительно точки m вдоль координатных осей х и у являются, соответственно, продольным (буква р) и поперечным (буква q) параллаксами. Их величины рассчитывают по формулам: p = x Л - x П, q = y Л - y П. Продольный параллакс р является базисом фотографирования b в масштабе съёмки данной точки. Это видно из формулы, где В - базис фотографирования, Н - высота фотографирования, f - фокусное расстояние фотокамеры, m - знаменатель масштаба съёмки. Продольный параллакс р имеет переменную величину по площади снимка из-за изменений высоты фотографирования Н в зависимости от рельефа местности. Следовательно, измерив на стереопаре снимков продольные параллаксы, можно рассчитать высоты на местности. Поперечный параллакс q возникает из-за различия в величинах элементов внешнего ориентирования левого и правого снимков. B X = X Sп - X Sл не изменяет координат у П по сравнению с координатами у Л и, следовательно, не вызывает появления поперечного параллакса. B Y = Y Sп - Y Sл изменяет ординаты на правом снимке на величину. B Z = Z Sп - Z Sл изменяет масштаб правого снимка относительно левого. Разность углов w Л и w П, a Л и a П, k Л и k П вызывают изменения координат на снимках относительно друг друга.

Получение стереоскопического эффекта Стереоскопический эффект – объемное видение взаимного расположения объектов – получается из-за того, что каждый из двух глаз видит взаимное расположение объектов под своим углом зрения. левый правый Мозг обрабатывает информацию, создавая общую объемную картину. Важно, что при этом зрачки находятся в постоянном движении, и эта объемная картина непрерывно корректируется.

Из-за взаимного перекрытия, на двух соседних снимках будет изображен один участок местности, снятый с двух разных точек. Если создать такие условия, при которых каждое из изображений будет видеть только один глаз, то мозг обработает эту информацию, создавая объемную картину рельефа территории. Зона перекрытия на рабочих частях снимков Задачу разделения изображений (левый глаз видит только левый снимок, а правый глаз – только правый) решает стереоскоп : 1 – большое зеркало; 2 – линза; 3 – малое зеркало; 4 – место для носа 1234 Стереоскоп зеркально- линзовой

Кроме термина стереомодель, используют другой термин - стереоэффект. Различают прямой, обратный и нулевой стереоэффекты. Прямой стереоэффект возникает при рассматривании левого снимка левым глазом, а правого - правым (рис. а, перекрывающиеся части снимков покрыты сетчатым полем). Если снимки поменять местами (рис. б), то физиологические параллаксы поменяют знак, и будет наблюдаться обратный стереоэффект, т.е., например, возвышенности будут восприниматься как углубления. Если оба снимка повернуть на 90 0 и сместить вверх-вниз относительно друг друга (рис. в), то будет наблюдаться нулевой стереоэффект, т.е. два плоских изображения сольются в одно плоское. Это объясняется тем, что вдоль глазного базиса установятся ординаты точек, разности которых вызываются разными положениями снимков в пространстве, а не рельефом местности. Измерения стереопары выполняют при прямом стереоэффекте.

Фотосхема. Фотоплан Некоторые технологические варианты стереотопографической АФС предусматривают составление фотопланов или ортофотопланов. Фотоплан (ортофотоплан) - это фотографическое изображение местности, составленное из трансформированных снимков (ортофотоснимков) одного масштаба. Фотографическое изображение местности, составленное из плановых снимков, называется фотосхемой. Их точность ниже точности фотопланов, поэтому они используются для приближенных количественных оценок в лесоустройстве, землеустройстве и т.д. Фотоплан (ортофотоплан) - это фотографическое изображение местности, составленное из трансформированных снимков (ортофотоснимков) одного масштаба. Фотографическое изображение местности, составленное из плановых снимков, называется фотосхемой. Их точность ниже точности фотопланов, поэтому они используются для приближенных количественных оценок в лесоустройстве, землеустройстве и т.д. Фотосхемы бывают одномаршрутные и многомаршрутные. Трансформирование – процесс преобразование фотоснимков из наклонных в горизонтальные с одновременным приведением их к заданному масштабу. Принцип трансформирования состоит в том, что по снимку можно восстановить связку проектирующих лучей такой, какой получался в АФА при съемке, а при помощи этих лучей спроектировать изображение снимка на горизонтальную поверхность. Прибор, с помощью которого реализуется, технология трансформирования называется фототрансформатор. В зависимости от целевого назначения различают фотопланы топографические и специальные. Первые составляют в общегосударственной разграфке с соблюдением инструкций и наставлений по топографическим съемкам. Специальные фотопланы составляют, как правило, в произвольной разграфке, и они должны удовлетворять требованиям ведомственных инструкций.

Фотопланы составляют из трансформированных снимков путем монтажа их на основе по опорным точкам. Фотоплан составляют на жесткой основе (бумаге, наклеенной на алюминий, авиационной фанере или пластике), на которой по координатам в заданном масштабе нанесены опознаки, пункты геодезической сети и трансформационные точки. Выполняют это либо путем монтажа отдельных фотоснимков либо путем оптического монтажа с одновременным трансформированием по зонам. Основными процессами составления первым из названных способов являются: подготовительный, монтаж снимков, контроль качества фотоплана и его оформление. Подготовительные работы включают: подбор фотоснимков по трапециям и по маршрутам в пределах трапеции; контроль их качества и точности трансформирования; пробивку пуансоном отверстий диаметром около 1 мм на всех опорных, трансформационных точках, и пунктах геодезической сети.

Монтаж начинают с левого снимка северного маршрута. Его укладывают на основу, усредняют погрешности совмещения центров отверстий с точками на основе и закрепляют грузиками. Затем на основу укладывают второй снимок, так же совмещают отверстия с опорными точками и, закрепив его, проверяют сходимость контуров в зоне перекрытия. Для этого накалывают четкий контур на верхнем снимке и проверяют, где он оказался на нижнем снимке. Отклонение накола от контура не должно превышать 0.7 мм. После этого разрезают оба снимка одновременно примерно посередине продольного перекрытия. Линия пореза не должна проходить через ответственные контуры и вдоль линейных объектов. Обрезки от каждого снимка сохраняют для последующего контроля, а соответствующие части первого и второго снимков наклеивают на основу. Аналогичные операции выполняют при соединении второго и последующих снимков маршрута, а также при монтаже снимков смежных маршрутов. Но в последнем случае контроль сходимости контуров, а также порез, осуществляют и по поперечным перекрытиям.

Дешифрирование АФС Под дешифрированием понимается выявление, распознавание и определение характеристик объектов местности, изобразившихся на фотоснимках. Виды дешифрирования: - топографическое; - специальное (с/х, лесное, геологическое, экологическое, военное, гидрологическое и т. д.). Топографическое - показывает информацию об элементах на поверхности Земли (количественно и качественно). Специальное - позволяет проводить региональное и топологическое районирование местности для изучения процессов, происходящих на поверхности Земли для решения специальных задач. Методы дешифрирования: а) полевое; б) аэровизуальное; в) камеральное; г) комбинированное; Дешифровочные признаки: прямые, косвенные, комплексные.

Прямые - те свойства объектов, которые передаются непосредственно и воспринимаются дешифровщиком однозначно. К прямым относятся: форма, размер, тень, фототон, структура, протяженность. Косвенные дешифровочные признаки указывают на наличие или характеристику объекта, не изобразившегося на снимке или неопределённого по прямым признакам, а также устраняют многозначность или неопределённость прямых признаков. Комплексные дешифровочные признаки - это сочетание прямых и косвенных признаков. Топографическое дешифрирование выполняют с целью выявления, распознавания и определения характеристик объектов местности, которые должны наноситься на план в соответствии с требованиями действующих условных знаков. Дешифрирование снимков в процессе обследования местности в натуре называется полевым. Распознавание на фотоизображениях объектов и контуров без обследования их в натуре называется камеральным дешифрированием. В зависимости от топографической изученности картографируемого района и принятой технологии работ полевое дешифрирование проводится до камерального или после него.