СТЕРЕОФОТОГРАММЕТРИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ АЭРОФОТОСЪЕМОК
1. Аэрофотоснимки и их масштабы
Основной продукцией аэросъемочного процесса являются аэрофоснимки местности. Каждый аэрофотоснимок представляет собой центральную проекцию участка местности, образованную связкой проектирующих лучей, проходящих через центр проекции S -- объектив фотокамеры (рис. 1).
Рис. 1. Схема определения положения точек на аэрофотоснимке:
а - центральная проекция снимка; б - оси координат снимка
Как следует из рис. 1, а изображение на снимке каждой точки земной поверхности А, О, В, С (на снимке соответственно точки с, о, b, а) получается в результате пересечения соответствующих лучей с плоскостью аэрофотоснимка. Луч OSo, перпендикулярный плоскости аэрофотоснимка, называют главным лучом (оптической осью АФА), а основание перпендикуляра OSo (точку о) называют главной точкой аэрофотоснимка. Главная точка снимка находится на пересечении линий, соединяющих противоположные координатные метки аэрофотоснимка (рис. б).
Положение любой точки местности на аэрофотоснимке определяют, как и на наземных снимках, в фотограмметрической системе координат. Для определения положения точки на аэрофотоснимке используют плоскую прямоугольную систему координат (см. рис. 1, б), обозначенную через OXY. Ось абсцисс Х принимают совпадающей с прямой 1 -- 2, а ось ординат Y -- с прямой 3 -- 4. Тогда положение точки на аэрофотоснимке определится координатами
x?= o?m?; y?= m?m (1)
В зависимости от высоты полета летательного аппарата Н и фокусного расстояния АФА получают аэрофотоснимки различных масштабов. Отношение длины отрезка на аэрофотоснимке к длине того же отрезка на местности называют численным масштабом аэрофотоснимка. Как следует из рис. 2, масштаб аэрофотоснимка будет равен
, (2)
где fk -- фокусное расстояние АФА;
Н -- высота фотографирования.
Таким образом, если местность практически горизонтальна, а аэросъемка произведена при строго отвесном положении оптической оси АФА, то аэрофотоснимок подобен местности и масштаб его равен
(3)
Рис. 2. Схема определения масштаба Рис. 3. Смещение изображения точек на аэро-
аэрофотоснимка фотоснимке в плане из-за рельефа
При наклонном положении оптической оси АФА, а также при пересеченном или горном рельефе снимаемой местности масштаб аэрофотоснимка для разных его частей будет неодинаков. В частности, при отклонении оптической оси АФА от отвесной линии на угол ?0 масштаб аэрофотоснимка в разных его точках можно определить по формуле
(4)
При пересеченном и горном рельефах местности масштаб аэрофотоснимка будет переменным также в связи с искажениями из-за рельефа. Как следует из рис. 3, если точка А имеет превышение (+h) и точка В (-h) относительно условного (среднего) горизонта, а точки А0 и В0 их ортогональные проекции, то точки а0 , а и b0 , b являются соответственно центральными проекциями этих точек на аэрофотоснимке Р.
Как видно, в этом случае расстояние aa0 = ?ha , и bb0 = ?hb являются смещениями точек а и b на аэрофотоснимке за счет соответствующих превышений. Только в одной точке аэрофотоснимка -- точке надира (см. рис. 3), являющейся проекцией отвесной линии, проходящей через центр объектива, искажений из-за рельефа не будет, т. е. ?h = 0. В связи со сказанным при рисовке горизонталей и контуров местности в положение соответствующих точек необходимо вводить поправки за рельеф местности ?h по направлению к главной точке при положительном превышении и в обратную сторону -- при отрицательном.
2. Элементы ориентирования аэрофотоснимков
Параметры, определяющие положение плоскости аэрофотоснимка относительно центра проекций S, называют элементами внутреннего ориентирования. К ним относят координаты главной точки аэрофотоснимка x0, y0 и фокусное расстояние объектива аэрофотоаппарата fk. Элементы внутреннего ориентирования позволяют восстановить положение связки лучей относительно плоскости аэрофотоснимка, существовавшее в момент фотографирования.
При юстировке АФА стремятся к тому, чтобы главная точка аэрофотоснимка практически совпадала с началом фотограмметрических координат. Тогда x0 = 0 и y0 = 0 и, следовательно, элементы внутреннего ориентирования будут представлены только фокусным расстоянием объектива АФА.
Параметры, определяющие положение аэрофотоснимка в пространстве в момент фотографирования в общей системе геодезических координат, называют элементами внешнего ориентирования.
В аэрофотограмметрии различают две системы внешнего ориентирования аэрофотоснимков.
К первой системе внешнего ориентирования относят следующие параметры (рис. 4, а):
ХS, YS, ZS -- геодезические координаты центра проекций;
?0 -- угол отклонения главного луча (оптической оси АФА) в момент фотографирования от отвесной линии;
?-- дирекционный угол главного луча, т. е. угол между осью X и проекцией главного луча на плоскость ХY;
? -- угол поворота снимка.
Рис. 4. Системы внешнего ориентирования аэрофотоснимков:
а - первая; б - вторая
Ко второй системе элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков относят (рис. 4, б):
ХS, YS, ZS -- геодезические координаты центра проекций;
?X -- продольный угол наклона снимка, заключенными между осью Z и проекцией главного луча на плоскость XZ;
? -- поперечный угол наклона снимка, составленный главным лучом и плоскостью XZ ;
? -- угол поворота снимка.
Аналогично наземным снимкам, аэрофотоснимки имеют девять элементов ориентирования: три элемента внутреннего ориентирования и шесть элементов внешнего.
Из рассмотренных выше систем внешнего ориентирования первую используют при фотограмметрической обработке одиночных аэрофотоснимков, вторую -- стереопар.
Если положение одного аэрофотоснимка в общей системе геодезическими координат определяют шесть элементов внешнего ориентирования, то положение стереопары определяют уже 12 элементов:
ХS1, YS1, ZS1, ?X1, ?1, ?1
ХS2, YS2, ZS2, ?X2, ?2, ?2
Различают две системы взаимного ориентирования аэростереопар:
- в первой системе положение аэрофотоснимков стереопары устанавливают по расположению правого снимка относительно левого (аналогично наземной фототеодолитной съемке) (рис. 5).
При этом определяют:
??X = ?X2 - ? X1 - взаимный продольный угол наклона фотоснимков;
?? = ?2 - ?1 - взаимный поперечный угол наклона;
?? = ?2 - ?1 - взаимный угол разворота;
В -- базис фотографирования;
? -- дирекционный угол базиса фотографирования;
v -- угол наклона базиса к горизонту.
Рис. 5. Элементы взаимного ориентирования аэрофотоснимков. Вид аэросъемочного маршрута сбоку
Следовательно, элементы внешнего ориентирования в этом случае будут представлены следующими параметрами:
ХS1, YS1, ZS1, ?X1, ?1, ?1, В, ?, v, ??X, ??, ??;
во второй -- по расположению аэрофотоснимков относительно базиса фотографирования (см. рис. 5). В базисной системе взаимного ориентирования стереопары положение аэрофотоснимков устанавливают относительно базиса фотографирования. Для этого определяют:
?1, ?2 - продольные углы наклона аэрофотоснимков относительно нормали к базису;
? - взаимный поперечный угол наклона главных базисных плоскостей между собой;
?1, ?2-- углы поворота снимков в своих плоскостях.
Таким образом, для этого случая элементы внешнего ориентирования будут представлены следующими параметрами:
ХS1, YS1, ZS1, ?X1, ?1, ?1, В, ?1, ?2, ?1, ?2, ?
В каждой из рассмотренных систем взаимного ориентирования аэрофотоснимков первые семь величин определяют положение двух смежных снимков и поэтому являются элементами геодезического ориентирования стереопары, а последние пять -- элементами взаимного ориентирования.
3. Фотосхемы
Приближенный план местности, составленный из аэрофотоснимков путем монтирования их рабочих частей по идентичным контурам, называют фотосхемой.
Фотосхема представляет собой сплошное фотографическое изображение снятого участка местности. Однако фотосхемы, монтируемые из нетрансформированных аэрофотоснимков, имеют существенные погрешности вследствие искажения аэрофотоснимков, разномасштабности и неточности монтажа. Эти погрешности выражаются, в частности, в расхождении одноименных контуров в местах соединения аэрофотоснимков. Рамки планшетов наносят на фотосхемы приближенно по имеющимся на район изысканий топографическим картам.
Фотосхемы монтируют на твердой основе, наклеивая снимки целлулоидным клеем. Для этой цели закрепляют фотоснимки накидного монтажа грузиками и разрезают их скальпелем в средних частях их зон перекрытия.
Разрезы при монтаже фотосхем проводят на фотоснимках по участкам однородной тональности, как правило, в удалении от четких контуров местности, при этом разрезы при пересечении контуров местности делают в местах их наилучшего совпадения. С целью равномерного распределения погрешностей монтаж фотосхем начинают с середины маршрута.
В практике аэроизысканий объектов строительства иногда используют уточненные фотосхемы, составленные из аэрофотоснимков, приведенных к одинаковому масштабу.
При изысканиях и проектировании линейных объектов в отдельных случаях используют стереофотосхемы, позволяющие почти непрерывно изучать стереоскопическую модель местности на большом протяжении. Стереофотосхемы состоят из двух частей: первая из них представляет собой обычную фотосхему, составленную из частей правых аэрофотоснимков стереопар, а вторая -- набор участков-вкладышей, изготовленных из частей левых аэрофотоснимков стереопар.
Для изучения стереомодели местности вдоль трассы линейного объекта используют простейшие стереоскопические приборы -- стереоскопы. Стереоскоп устанавливают на фотосхему таким образом, чтобы изучаемый участок местности располагался под левым зеркалом прибора, а под правое зеркало размещают соответствующий участок-вкладыш. Перемещаясь таким образом по фотосхеме, изучают стереоскопическую модель местности по всему маршруту. Однако следует иметь в виду, что получаемые с помощью фотосхем стереоскопические модели непригодны для производства измерительных работ и служат лишь для общей обзорной оценки местности и трассы линейного сооружения.
Фотосхемы используют в качестве промежуточного материала для дешифрирования, нанесения рельефа, предварительного трассирования и для решения других общих инженерных задач, не требующих точного знания координат точек местности.
4. Фототриангуляция
Основной задачей камеральных работ является стереофотограмметрическая обработка аэрофотоснимков с последующим получением топографических планов и ЦММ. Однако для этой цели требуются аэрофотоснимки, исправленные от искажений и приведенные к одному масштабу.
Для трансформирования и монтажа аэрофотоснимков для каждого из них необходимо знать координаты по меньшей мере четырех контурных точек. Очевидно, задача была бы решена, если бы в процессе наземных полевых работ по планово-высотному обоснованию аэросъемки было бы создано необходимое количество опознаков. Однако для этого требуются слишком большие затраты труда и времени, поэтому на практике ограничиваются минимальным числом опознаков, а дальнейшее сгущение опорных контурных точек осуществляют камерально.
Методы сгущения опорных контурных точек в камеральных условиях, необходимых для трансформирования аэрофотоснимков, называют фототриангуляцией
Метод плановой фототриангуляции основан на том свойстве аэрофотоснимков, что углы между направлениями, проведенными из точки нулевых искажений, равны горизонтальным углам между теми же направлениями на местности.
При плановой аэрофотосъемке, когда углы отклонения оптической оси АФА от отвесной линии не превышают 3®, при относительно спокойном рельефе местности вполне допустимо вместо точки нулевых искажений использовать главную точку снимка либо любую рядом лежащую контурную точку на расстоянии, не превышающем --
, мм. Такие контурные точки называют центральными. И только при построении фототриангуляции в горных районах в качестве вершины углов обязательно принимают точку надира.
Построение фототриангуляции (в частности, маршрутной) непосредственно по аэрофотоснимкам возможно лишь при продольном их взаимном перекрытии не менее 55%. В этом случае на каждом аэрофотоснимке будет зона тройного перекрытия и главная точка каждого снимка изобразится на смежных снимках (рис. 6). Например, точка О2 снимка II изобразится на снимках I и III.
На каждом снимке накалывают центральную точку и центральные точки соседних аэрофотоснимков. Линии, соединяющие эти точки на каждом снимке, называют базисами. Затем в зоне тройного перекрытия выбирают контурные точки 1, 2 и 3, 4 и т. д., называемые связующими (рис. 6, б). Из центральной точки каждого аэрофотоснимка проводят направления на все связующие точки (рис. 6, а).
Рис. 6. Маршрутная фототриангуляция:
а - центральная точка снимка с поперечными направлениями; б - базис; в - построение на плане базиса и плановых опорных точек
На листе бумаги строят первый базис (например, О1О2) и при помощи кальки или восковки переносят с аэрофотоснимков направления на связующие точки, прочерченные с концов этого базиса. Пересечения соответствующих направлений определит плановое расположение связующих точек 1, 2 и 3, 4 и т. д. (рис. 6, в). Таким образом получают сеть неориентированной плоской триангуляции в масштабе базиса О1О2.
Для использования полученной таким образом сети фототриангуляции при трансформировании аэрофотоснимков и составлении фотопланов ее редуцируют, т. е. приводят к заданному масштабу и ориентируют относительно принятой системы координат. Для редуцирования фототриангуляционной сети необходимо иметь среди ее точек не менее двух с известными координатами, полученными в результате выполнения наземных геодезических работ, при этом эти точки должны размещаться по возможности в начале и конце триангуляционной сети.
В настоящее время в связи с развитием электронной стереофотограмметрии вместо графической фототриангуляции стали применять аналитическую с использованием специального программного обеспечения и компьютерной обработки.
5. Трансформирование аэрофотоснимков. Фотопланы
Для подготовки топографических планов местности и ЦММ по материалам аэрофотосъемки требуются аэрофотоснимки, исправленные от искажений и приведенные к одному требуемому масштабу.
Процесс преобразования аэрофотоснимков, полученных при наклонном положении оптической оси АФА в положение, соответствующее отвесному ее направлению с одновременным приведением изображения к заданному масштабу, называют трансформированием.
Сущность трансформирования заключается в преобразовании центральной проекции аэрофотоснимка, имеющего наклон в момент съемки, в проекцию, соответствующую горизонтальному положению аэрофотоснимка при заданной высоте фотографирования. В процессе трансформирования исключают ошибки, связанные с наклоном аэрофотоснимков и неравенством высот фотографирования. Кроме того, сводятся к минимуму искажения, связанные с рельефом местности, посредством выбора надлежащей плоскости трансформирования.
Практическая задача трансформирования состоит в восстановлении того положения аэрофотоснимка, которое он занимал относительно плоскости местности в момент фотографирования. Из существующих методов трансформирования еще нередко используют фотомеханический способ с применением специальных приборов -- фототрансформаторов (рис. 7), которые имеют станину 1, осветитель 2, кассету 3, объектив 4 и экран 5.
Рис. 7. Общий вид фототрансформатора: Рис. 8. Корректурный лист фотоплана
1 - станина; 2 - осветитель; 3 - кассета;
4 - объектив; 5 - экран
Для автоматического сохранения резкости изображения при перемещении кассеты 3, объектива 4 и экрана 5 относительно друг друга современные фототрансформаторы снабжены специальными устройствами - инверсорами.
Искажения аэрофотоснимков за счет наклона оптической оси АФА в момент фотографирования исключаются за счет придания кассете и экрану фототрансформатора взаимного положения, соответствующего наклону снимка в момент фотографирования. Необходимый масштаб трансформированного снимка устанавливают изменением расстояния от объектива фототрансформатора до экрана.
Фотомеханическое трансформирование аэрофотоснимков может быть реализовано одним из следующих способов:
-- по известным элементам внешнего ориентирования каждого аэрофотоснимка;
-- по опорным точкам фототриангуляционной сети.
Суть второго, наиболее часто используемого способа состоит в совмещении четырех опорных точек на негативе с четырьмя соответствующими точками на основе. При таком совмещении негатив автоматически занимает положение, которое он имел в момент фотографирования относительно снимаемой местности. Заменив на экране фототрансформатора основу с опорными точками фототриангуляции на фотобумагу, производят экспонирование и получают аэрофотоснимок, не имеющий искажений за наклон оптической оси АФА и приведенный к заданному масштабу.
Фотопланом называют уменьшенное фотографическое изображение местности, построенное из трансформированных аэрофотоснимков.
Фотоплан монтируют на твердой основе из трансформированных снимков. Для этого в местах опорных точек пуансоном пробивают отверстия. Монтаж фотоплана ведут помаршрутно, устанавливая на основе положение каждого снимка по опорным точкам с закреплением грузиками, После проверки контрольными проколами смещения одноименных контуров (допускаемое смещение до 0,5 мм) оба снимка разрезают скальпелем по средней части перекрытия и приклеивают к основе. Затем переходят к монтажу следующего снимка и т.д.
После монтажа второго маршрута делают общий разрез по середине поперечного перекрытия. Аналогичным образом монтируют последующие маршруты. Фотоплан обрезают по рамке трапеции и оставляют за рамкой поля определенной ширины.
По окончании монтажных работ осуществляют корректуру фотоплана и окончательное его оформление. Корректуру производят посредством оценки смещения одноименных контуров по порезам между снимками, по рамкам соседних трапеций и по опорным точкам (рис. 8).
Различают фотопланы контурные (без рельефа) и топографические (с изображением рельефа горизонталями) -- фотокарты.
6. Дешифрирование аэрофотоснимков
Процесс опознания на аэрофотоснимках объектов местности, выявление их свойств, определение качественных и количественных характеристик называют дешифрированием.
Дешифрирование осуществляют на фотосхемах, фотопланах либо непосредственно на аэрофотоснимках. Различают дешифрирование полевое, камеральное и комбинированное.
При полевом дешифрировании визуально сличают изображения объектов на аэрофотоснимках с местностью. В ходе полевого дешифрирования фиксируют также объекты, не отобразившиеся на снимках, а также получают дополнительную информацию о местности, которую невозможно получить изучением только одних материалов аэросъемок (названия населенных пунктов, проходимость болот, скорости течений, глубины бродов, размеры малых водопропускных сооружений и т. д.). Полевое дешифрирование является наиболее полным и достоверным, однако требует больших затрат труда и времени. В ряде случаев полевое дешифрирование осуществляют с воздуха. В этом случае его называют воздушным.
Камеральное дешифрирование базируется на анализе дешифровочных признаков изображения различных контуров и объектов местности. При камеральном дешифрировании, кроме собственно материалов аэросъемок, широко применяют и другие документы и материалы, содержащие топографическую, инженерно-геологическую, гидрометеорологическую, экономическую и другие виды информации о местности. Камеральное дешифрирование основано на учете дешифровочных признаков, раскрывающих содержание, характер объектов и контуров местности. К таким признакам относят прежде всего форму изображений, его размеры и тон. Форма изображаемых на снимках объектов и контуров местности является наиболее надежным дешифровочным признаком.
Размеры изображенных на аэрофотоснимках объектов дают о них дополнительную информацию, учитывающую, в частности, количественную информацию. Тон изображения объекта в сочетании с другими признаками дает существенное повышение качества и надежности камерального дешифрирования.
Различают прямые и косвенные признаки дешифрирования.
К прямым признакам относят форму, размеры, тень, цвет, тон объекта, своеобразное распределение тональности по его поверхности и т. д.
К косвенным признакам относят отразившиеся на аэрофотоснимках существующие в природе взаимообусловленность и взаимосвязи между явлениями и объектами: геоморфологические, геоботанические, гидроморфологические и другие. Например, по характеру растительного покрова можно судить о почвенно-грунтовом и гидрогеологическом строении местности, по очертанию русла реки в плане можно судить о типе руслового процесса, по староречьям о его темпе и т.д.
Существенно расширяют возможности использования камерального дешифрирования в сочетании с плановой с другими видами аэросъемок: перспективной, цветной, многозональной, тепловой и радиолокационной.
В табл. 1 представлены характерные дешифровочные признаки основных объектов топографического дешифрирования.
Таблица 1
|
N п/п |
Объекты топографического дешифрирования |
Главные дешифровочные признаки |
|
1 |
Пашня |
В зависимости от увлажненности и типа растительности изменяется тон от светло-серого до серого. Искусственные прямолинейные границы контуров. |
|
2 |
Луг |
Серый тон, криволинейные очертания, сухой луг светлее заливного |
|
3 |
Еловый лес |
Пестрый рисунок из-за разновысотности деревьев. Кроны светлее и меньше, чем промежутки между ними. Стереофотограмметрический прибор выявляет конусообразность деревьев |
|
4 |
Сосновый лес |
Однообразный светло-серый рисунок, характерный для примерно одинаковой высоты деревьев. Кроны закругленные. |
|
5 |
Лиственный лес |
Значительно светлее хвойных, небольшие промежутки между кронами. |
|
6 |
Кустарник |
Более слабый тон по сравнению с лесом, короткие тени. Нет густого сплошного массива, нет просек. |
|
7 |
Сады |
Четкие ряды деревьев, которые изображаются на снимках в виде черных точек. |
|
8 |
Тропинки |
Тонкие светло-серые линии. |
|
9 |
Проселочные дороги |
Извилины, неровные края земляного полотна, переменная его ширина. |
|
10 |
Автомобильные дороги |
Очень светлые широкие полосы, обрамленные светлыми полосками (обочинами, кюветами). Геометрически правильные закругления. |
|
11 |
Железные дороги |
Светлые полосы с плавными закруглениями, с прилегающими широкими полосами (полосами отвода). |
|
12 |
Мосты на дорогах |
Изменение ширины полотна. Тени от опор и пролетных строений. |
|
13 |
Скаты |
Различная освещенность. Скаты, обращенные к солнцу, светлее ровных мест и скатов, наклоненных от солнца. |
|
14 |
Линии электропередачи и связи |
На залесенных участках опознаются по просекам, на открытых местах -- по незапаханным местам, на пашне -- по теням. |
|
15 |
Водная поверхность |
Водная поверхность глубоких и спокойных водоемов отображается черным тоном, который заметно светлее в мелких местах с песчаным дном, в водоемах с мутной водой, с поверхностью, покрытой рябью от ветра. |
|
16 |
Колодцы |
Темные пятнышки (мокрые места) м ведущие к ним тропинки |
|
17 |
Броды |
Большое количество дорожек и тропинок, выходящих к берегу реки. В самом русле видны отмели светлого тона |
|
18 |
Геодезические знаки (сигналы и пирамиды) |
Сигналы и пирамиды на аэроснимках М 1: 50 000 совершенно не опознаются; в М 1: 35 000 они могут быть опознаны при расположении их на пашне по наличию незапаханной под знаком площади. На аэроснимках М 1: 18 000 можно различить тень от знака, а в М 1: 8 000 непосредственно опознается сам знак. |
При комбинированном дешифрировании наиболее рационально используют возможности камерального и полевого наземного и воздушного дешифрирования. При этом камерально определяют бесспорно опознаваемые объекты местности. Остальные объекты и дополнительную информацию о местности получают на основе дополнительных полевых наземных и воздушных обследований.
При комбинированном дешифрировании полевому обследованию нередко подвергают лишь некоторые характерные участки местности - эталоны, что в значительной мере облегчает задачу камерального дешифрирования трасс линейных объектов большой протяженности.
В последние годы в стране стали применять при дешифрировании материалов аэросъемок новые средства автоматизации и вычислительной техники.
7. Стереофотограмметрическая обработка аэрофотоснимков
Стереофотограмметрическая обработка материалов аэрофотосъемок необходима для получения топографических карт, электронных карт (ЭK), топографических планов и цифровых моделей местности (ЦММ).
До недавнего времени эти задачи решались исключительно с использованием универсальных стереофотограмметрических приборов, обеспечивающих последовательное решение всех задач процесса подготовки топографических карт, планов и ЦММ:
- внутреннее ориентирование аэрофотоснимков, т. е. построение связок проектирующих лучей;
- взаимное ориентирование снимков стереопар, т. е. построение геометрической модели местности;
- внешнее ориентирование геометрической модели местности;
- определение координат точек местности, съемку контурных линий и рельефа.
Когда известны элементы внешнего ориентирования, то на универсальных стереофотограмметрических приборах решают прямую фотограмметрическую засечку, т. е. снимки в стереоприборе устанавливают по известным элементам внешнего ориентирования. В результате получают стереоскопическую модель местности, фотограмметрическая обработка которой дает возможности подготовки топографических карт, планов и ЦММ.
Для подготовки топографических планов в автоматическом режиме на графопостроителях и ЦММ используют стереофотограмметрические приборы с автоматической регистрацией измеряемых координат точек местности с непосредственной их записью в память компьютера или на магнитные носители информации (дискеты, компакт-диски).
Универсальные стереофотограмметрические приборы позволяют осуществлять сгущение опорной геодезической сети аэрофотосъемки, т. е. строить фототриангуляционные сети.
В зависимости от конструкции в стереофотограмметрических приборах используют разные принципы построения связок проектирующих лучей, поэтому их разделяют на две группы: приборы со связками проектирующих лучей, подобными существующим в момент фотографирования; приборы с преобразованными связками проектирующих лучей.
По конструктивным особенностям стереофотограмметрические приборы разделяют на оптические, механические, оптико-механические, аналитические и автоматизированные стереофотограмметрические системы.
Оптические универсальные стереофотограмметрические приборы (двойные проекторы, мультиплексы, стереопланиграфы) имеют по меньшей мере две проектирующие системы, с помощью которых создают стереоскопические модели местности.
Механические универсальные стереофотограмметрические приборы (стереоавтографы, стереопроекторы, стереокартографы, стереометрографы) обеспечивают построение связок лучей и стереоскопических моделей посредством системы прецизионных рычагов и линеек.
В оптико-механических универсальных приборах (фотостереографы) связки проектируемых лучей получают оптическим путем, а стереоскопические модели -- посредством механизмов.
На аналитических универсальных стереофотограмметрических приборах (аналитические плоттеры) в ходе стереофотограмметрической обработки стереопар осуществляется вычисление и регистрация геодезичеcких координат точек местности на компьютере, которые используются для подготовки топографических карт, планов и ЦММ.
И, наконец, при использовании электронных стереоскопических изображений местности уже нет необходимости в использовании каких-либо стерео фотограмметрических приборов вообще, поскольку стереофотограмметрическая обработка электронных стереопар осуществляется непосредственно на компьютере с использованием автоматизированных систем цифровой фотограмметрии (АСЦФ), обеспечивающих аналитическое решение любых фотограмметрических задач, включая автоматизированную подготовку топографических карт, планов и ЦММ.
Фотограмметрические измерения аэрофотоснимков при проектировании объектов строительства сводятся главным образом к измерению длин линий, горизонтальных углов, превышений и определению трехмерных координат характерных точек местности.
Самым универсальным способом измерений является определение трехмерных координат точек местности (Х, Y, Н). Очевидно, зная геодезические координаты соответствующих точек, можно вычислить горизонтальные расстояния между ними, дирекционные углы и превышения. Кроме того, координаты точек служат непосредственной информацией как для подготовки ЦММ, так и для автоматического оформления топографических планов на графопостроителях.
Превышения и высоты точек местности по аэрофотоснимкам плановых аэросъемок устанавливают по продольным параллаксам. Схема к определению превышений для двух горизонтальных аэрофотоснимков стереопары представлена на рис. 9.
Рис. 9. Схема определения превышений на стереопаре горизонтального случая аэросъемки
Продольные параллаксы точек представляют собой разности абсцисс изображений на левом и правом снимках стереопары в фотограмметрической системе координат, для которой ось х ориентирована по направлению базиса фотографирования, а ось у -- по перпендикуляру влево от главных точек аэрофотоснимков.
Как следует из рис. 9, продольные параллаксы любых точек (например, А и С) могут быть выражены базисом фотографирования b0 в масштабе изображения на аэрофотоснимке:
, (5)
при этом продольные параллаксы точек местности, размещающихся на одной и той же горизонтальной плоскости, будут одинаковы. Например, для случая, представленного на рис. 9, Hа = Hс0 из выражения (5) имеем:
ра = рс 0 (6)
Этим свойством пользуются при съемке рельефа местности. Очевидно, что продольные параллаксы точек, расположенных на разных горизонтальных плоскостях, будут разными, а разность продольных параллаксов будет характеризовать превышения между ними:
, (7)
Если представить
, то величина превышения hac между точками А и С определится
, (8)
где b0 -- базис фотографирования в масштабе аэрофотоснимка;
ра и рс-- продольные параллаксы точек А и С местности соответственно;
fk -- фокусное расстояние аэрофотокамеры.
С использованием представленных зависимостей по стереомоделям местности решают такие задачи, как фотограмметрическое нивелирование трасс линейных сооружений, рисовку горизонталей, определение высотного положения характерных точек местности для подготовки ЦММ и автоматического вычерчивания топографических планов местности.
Так как в общем случае плановая аэрофотосъемка отлична от горизонтальной (аэрофотоснимки имеют небольшой наклон к горизонту), то для получения истинных значений разностей параллаксов ?р аэрофотоснимки необходимо трансформировать.
Целесообразно использовать и другой путь определения превышений и высот точек местности, заключающийся в измерениях на стереофотограмметрических приборах разностей продольных параллаксов ?р'ас с последующим введением поправок ?pас, определяемых аналитическим путем на компьютере по известным элементам внешнего ориентирования, тогда
?pас = ?р'ас + ?pас. (9)
При использовании универсальных стереофотограмметрических приборов (типа стереопроектора СПР-3) такие поправки вводятся автоматически в ходе измерений с помощью специальных механических приспособлений -- корректоров.
8. Автоматизированная система цифровой фотограмметрии "РНОТОМОD"
Многие современные технологии и методы, ранее практически нереализуемые, в связи с ускоренным развитием средств автоматизации и вычислительной техники в настоящее время становятся повседневным рабочим инструментом, доступным не только проектно-изыскательским организациям и фирмам, но и отдельным частным пользователям. Это относится прежде всего к ГИС-технологиям и системам автоматизированного проектирования САПР.
Наиболее важной, но и весьма трудоемкой операцией при использовании этих технологий является подготовка исходной информации для проектирования (топографические крупномасштабные планы и ЦММ) и пространственная интерпретация исходных данных с точки зрения технологичности, наглядности и информативности. В этом плане наиболее трудоемкой является фотограмметрическая обработка стереопарных фотографических изображений местности. Тем не менее сравнительно небольшой объем изыскательских работ, выполняемых методами наземных фототеодолитных и воздушно-космических аэросъемок, был обусловлен прежде всего огромной стоимостью даже минимального комплекса стереофотограмметрических приборов, их размерами и весом, сложностью технического обслуживания и ремонта и, главное, потребностью в квалифицированных кадрах, обладающих профессиональным опытом работы с конкретным парком таких приборов.
Рассмотрим принципиальную технологическую схему обработки стереопарных изображений с использованием АСЦФ "Photomod"
Синтез компьютерных технологий обработки растровых изображений местности и методов фотограмметрической обработки стереопар привел к появлению автоматизированных систем цифровой фотограмметрии (АСЦФ). Одной из таких АСЦФ является система "Photomod".
Автоматизированная система цифровой фотограмметрии "Photomod", работающая в операционной среде WINDOWS, реализуется на персональных компьютерах с умеренными характеристиками. Система максимально автоматизирована, обеспечивает возможность работы оператора в режиме стереоскопической визуализации и предназначена для решения широкого круга задач, начиная с обработки материалов космических и аэросъемок до решения задач ближней стереофотограмметрии.
Структура АСЦФ "Photomod" и принципы ее функционирования следующие.
База данных (БД) является одним из основных структурных элементов системы, обеспечивающая связь программных модулей, управление их работой и хранение исходных данных и результатов измерений. БД включает в себя растровые изображения стереопары, параметры ориентирования и точек планово-высотного обоснования съемки, промежуточные и окончательные результаты расчетов и изображения.
Внутреннее ориентирование и дополнительные параметры. В качестве исходных данных осуществляют ввод координат главных точек снимков и фокусного расстояния фотокамеры. Ввод главных точек осуществляют непосредственно с изображения снимков путем позиционирования маркера либо с помощью координатных меток или вводом пиксельных или физических координат. Дополнительными параметрами являются: тип и ориентация системы координат, таблицы дисторсии, единицы измерений и т. д.
Данные планово-высотного обоснования стереофотосьемки. Для внешнего ориентирования стереопар и получения результатов измерений в абсолютной системе координат пользователь должен ввести данные о точках планово-высотного обоснования. В системе используются два типа опорных данных: точки изображения с известными трехмерными координатами (пункты государственной геодезической сети, опознаки, точки съемочного обоснования, корректурные точки и т.д) и (или) опорные отрезки (пары точек изображения с известными расстояниями между ними). Для получения данных в абсолютной системе координат необходимо ввести минимум 3-4 опорные точки для каждой стереопары. В случае ввода только опорных отрезков (минимум 1 -- 2 отрезка) пользователь может получать данные в условной системе координат.
Взаимное и внешнее ориентирование стереопар. Взаимное и внешнее ориентирование стереопар в рамках системы производится в автоматическом режиме при условии задания (можно приблизительного) пользователем как минимум трех соответственных точек на левом и правом снимках, далее система автоматически уточняет положение точек с субпиксельной точностью и находит дополнительное количество соответственных точек. После субпиксельного трансформирования изображения пользователь может производить измерения трехмерных координат точек местности.
Системой предусмотрена возможность работы при недостатке или полном отсутствии данных о внутреннем ориентировании (например, при неизвестном фокусном расстоянии камеры), однако для этого пользователь, должен ввести данные не менее чем о 5 опорных точках.
Стереоскопическая визуализация и измерения. Все измерения трехмерных координат характерных точек снимаемого участка местности могут осуществляться в двух режимах: автоматическом, с использованием курсора, следующего по рельефу, и ручном -- в стереоскопическом режиме визуализации. В последнем случае пользователь может перемещать маркер в трехмерном пространстве и позиционировать его в точку наблюдения с помощью клавиатуры компьютера и манипулятора-- "мышь".
Реализация стереоскопической визуализации. В системе "Photomod" для реализации стереоскопической визуализации снимаемого объекта могут быть задействованы два метода. Анаглифический метод, когда изображение со специальной смешанной палитрой рассматривают через специальные очки с цветными (красным и циановым) светофильтрами. Метод позволяет выдавать стереоскопические изображения на цветной плоттер. С использованием затворных жидкокристаллических очков, обеспечивающих раздельную передачу на правый и левый глаза наблюдателя соответствующих растровых изображений за счет синхронизации мигания развертки экрана и срабатывания затворов.
Построение и редактирование ЦММ. Система обеспечивает построение цифровых моделей местности (ЦММ) в автоматическом режиме. Для этой цели пользователь задает размеры и положение сетки в плоскости изображения, на основе которой система будет строить трехмерную сеточную модель рельефа местности или исследуемого объекта. В системе предусмотрены три типа таких моделей: регулярная, адаптивная и гладкая, которые выбираются пользователем в зависимости от конкретной решаемой задачи. На основе полученных ЦММ производится расчет горизонталей и готовятся топографические планы местности. Сеточные ЦММ могут экспортироваться в любые распространенные форматы.
Векторизация по растру (отображение ситуационных особенностей местности) служит для создания и редактирования на растровой основе. В качестве объектов можно использовать: точки, полилинии, полигоны, прямоугольники и текстовую информацию с возможностью измерения длин линий и площадей как в плане, так и в продольном или поперечном профиле. Системой предусмотрена возможность создания, измерения, печати и экспортирования до 5-ти слоев векторных объектов.
Векторизации в стереоскопическом режиме. Служит для создания и редактирования векторных объектов в стереоскопическом режиме визуализации. Предусмотрен режим векторизации с использованием только манипулятора -- "мышь", при этом движение маркера в плоскости экрана осуществляется перемещением "мыши", а управление маркером по высоте -- ее клавишами.
Краткая характеристика основных программных модулей АСЦФ "Photomod".
Корреляционный модуль является одной из важнейших частей системы. Он позволяет автоматически определять соответственные точки снимков стереопары с субпиксельной точностью. Определение соответственных (опорных) точек легко осуществляется даже при работе с изображениями плохого качества.
Модуль взаимного ориентирования и трансформирования снимков позволяет придавать снимкам то взаимное угловое расположение, которое они занимали в момент фотографирования, и преобразовывать исходные изображения в трансформированные (выполнение функций фото- трансформатора). Существенным преимуществом этого программного модуля является возможность проведения взаимного ориентирования стереопары при неточном знании параметров элементов внутреннего ориентирования, что обеспечивает функционирование системы при решении задач с неполным набором исходных данных.
Модуль абсолютного (внешнего) ориентирования снимков. В зависимости от набора исходных данных позволяет работать как в абсолютной, так и в условной системах геодезических координат. Введение данных об избыточном количестве опорных точек позволяет компенсировать ошибки, внесенные на этапе взаимного ориентирования из-за неточности параметров внутреннего ориентирования.
Модуль построения ЦММ и ортоизображений (топографических планов). Достоинством этого модуля является возможность построения ЦММ в автоматическом режиме с последующим (если необходимо) ручным редактированием. Позволяет вычислять реальные метрические характеристики векторных объектов (координаты, длины, площади). Модуль позволяет строить полутоновые изображения поверхности рельефа производить высотную окраску рельефа, "натягивать" реалистической (левое) изображение на сеточную модель и визуализировать полученную поверхность в произвольном ракурсе.
Основные задачи, решаемые с использованием системы "Photomod":
-- проведение высокоточных трехмерных измерений;
-- создание ЦММ;
-- автоматические расчет и визуализация горизонталей;
-- построение точных ортоизображений (топографических планов и карт);
-- цветная стереоскопическая визуализация;
-- векторизация (создание векторных объектов) планов и карт;
-- обучение основам современной фотограмметрии.
Точность получаемых результатов зависит от следующих факторов:
-- масштаба съемки;
-- качества фотопленки и съемочной аппаратуры;
-- качества полученных негативов;
-- точности координат используемых опорных точек;
-- числа опорных точек в пределах зоны взаимного перекрытия каждая стереопары;
-- разрешающей способности и геометрической точности используемого сканера;
-- квалификации оператора.
Следует отметить чрезвычайную значимость этапа сканирования фотоснимков в технологии цифровой фотограмметрии. Поэтому во всех случаях целесообразно использование высокоточных (и, к сожалению, очень дорогих) фотограмметрических сканеров или в крайнем случае относительно недорогих полиграфических сканеров после их обязательной калибровки.
Например, если снимок масштаба 1:10 000 отсканирован с разрешением 600 dpi, цена пиксела на местности составит 10 000 х 42,3 мкм - 42 см, соответственно ошибка модели составит не более 40 см, что соответствует точности плана масштаба 1:5000. При сканировании того же снимка с разрешением 1200 dpi цена пиксела составит порядка 21 см, а ожидаемая ошибка -- не более 20 см, что соответствует точности плана масштаба 1:2000.