Фотограмметрия как наука и ее связь с другими дисциплинами

1. Фотограмметрия как наука и ее связь с другими дисциплинами

 

Фотограмметрия - наука, изучающая способы определения форм, размеров, пространственного положения и степени изменения во времени различных объектов, по результатам измерений их фотографических изображений.

Термин "фотограмметрия" происходит от греческих слов: photos - свет, gramma - запись, metreo - измерение. Следовательно, его дословный перевод - измерение светозаписи.

Предметы  изучения фотограмметрии это геометрические и физические свойства снимков, способы  их получения и использования  для определения количественных и качественных характеристик сфотографированных объектов, а также приборы и  программные продукты, применяемые  в процессе обработки.

В настоящее  время в фотограмметрии выделяют три направления исследований. В  первом изучаются и развиваются  методы картографирования земной поверхности  по снимкам. Второе связано с решением прикладных задач в различных  областях науки и техники. В третьем  развиваются технологии получения  информации об объектах Земли, Луны и  планет солнечной системы с помощью  аппаратуры, установленной на космических  летательных аппаратах.

Современная фотограмметрия как техническая  наука тесно связана с науками  физико-математического цикла, достижениями радиоэлектроники, вычислительной техники, приборостроения, фотографии. Она органически  связана с геодезией, топографией  и картографией.

На основе достижения физики и особенно оптики созданы современные объективы  съемочных и обрабатывающих приборов.

Успехи в  развитии электроники, радиоэлектроники, вычислительной техники и космической  геодезии способствовали автоматизации  процессов самолетовождения и управления полетами космических кораблей, созданию сенсоров, для получения изображений в цифровом виде, а также приборов для определения положения снимков в момент фотографирования, автоматизации процессов обработки и хранения информации, которой обладают снимки.

Благодаря химии  освоен выпуск черно-белых и цветных  фотоматериалов. Математика широко применяется  в разработке теории фотограмметрии при решении практических задач.

Методами, известными в астрономии и геодезии, снимки обеспечиваются опорными точками, необходимыми для создания съемочной сети с  целью составления топографических  карт и планов или решения прикладных задач.

При создании по фотоснимкам планов и карт и  их оформлении используются достижениями картографии.

Фотограмметрия  применяется главным образом  для составления топографических  карт и планов. Однако в настоящее  время она находит все более  широкое применение при решении  различных прикладных задач. Для  какой бы цели не применялась фотограмметрия, основные принципы ее остаются теми же самыми. Фотограмметрическое оборудование, используемое, прежде всего, в картографических целях, можно применить и в других областях науки и техники.

 

 

2.Деление спектра электромагнитного излучения, используемые при съемках.

 

Солнечное излучение, достигая Земли, частично отражается ее поверхностью, а частично поглощается, превращается в тепловую энергию  и составляет собственное излучение  Земли. Отраженная и излучаемая Землей радиация имеет волновую и корпускулярную природу и представляет спектр электромагнитных колебаний. Часть спектра от 0,4 до 0,7 мкм воспринимается человеческим зрением и называется видимой областью спектра.

 

Цвет	Длина волны, мкм
Фиолетовый	0,40 – 0,45
Синий	0,45 – 0,49
Зеленый	0,49 – 0,58
Желтый	0,58 – 0,60
Оранжевый	0,60 – 0,62
Красный	0,62 – 0,70

 

Но среди  света, отражаемого поверхностью Земли, присутствуют лучи с длинами волн короче 0,4 мкм, названные ультрафиолетовыми, и от 0,7 мкм до 3 мкм — ближними инфракрасными (ИК).

Более длинноволновая часть спектра, где преобладает  собственное излучение Земли, делится на инфракрасный тепловой и радиодиапазоны. Инфракрасный тепловой диапазон с длинами волн от 3 до 1000 мкм — это излучение земной поверхности в виде тепла, накопленного в результате превращения световой энергии в тепловую. Большая часть этого излучения поглощается атмосферой. Радиодиапазон включает длины волн больше 1 мм. В этом диапазоне можно регистрировать не только собственное излучение Земли, но и излучение, создаваемое искусственным источником.

Поступающее на земную поверхность солнечное  излучение проходит через атмосферу, значительно преобразующую его. Прозрачность атмосферы неодинакова по спектру (рис. 1). Излучение одних участков спектра (их называют окнами прозрачности) почти беспрепятственно проходит через атмосферу, излучение других большей частью отражается (рассеивается) или поглощается ею.

 

Рис. 1. Прозрачность атмосферы

 

Поглощение  атмосферой излучения (рис. 2), зависит, прежде всего, от поглощения парами воды, а также углекислым газом, озоном. В видимой области спектра атмосфера достаточно прозрачна.

 

Рис. 2. Приход солнечной радиации:

1 — на  верхнюю границу атмосферы; 2 —  на поверхность моря

 

Только облака могут существенно поглощать  излучение. В инфракрасной области  поглощение самое высокое, здесь  существуют лишь окна прозрачности: ближнее  в интервале от 3 до 5 мкм и дальнее  — от 8 до 14 мкм. Ближнее окно используется для регистрации отраженного  солнечного излучения, а дальнее — собственного излучения Земли. Для волн радиодиапазона атмосфера полностью прозрачна, что делает актуальным совершенствование средств регистрации излучения в этой части спектра.

Рассеяние в атмосфере происходит на молекулах и аэрозолях. Согласно закону Рэлея, интенсивность рассеяния частицами, размеры которых меньше длины световой волны, обратно пропорциональна четвертой степени длины волны, т.е. в наибольшей степени рассеивается фиолетовый и синий свет. Рассеяние создает дополнительную яркость, искажая, таким образом, действительное соотношение отражательных свойств объектов по спектру.

Скопления более  крупных молекул и частицы  аэрозоля создают ахроматичный рассеянный свет. Дымкой принято называть свечение слоя атмосферы, находящегося между объектом и наблюдателем (съемочной системой), вызванное рассеянием света на флуктуационных неоднородностях газов и на твердых частицах. Она ослабляет световой поток, регистрируемый приемником излучения, но одновременно создает дополнительное свечение, что приводит к понижению контраста на снимках, полученных в видимой области спектра. Дымка может создаваться твердыми частицами как естественного происхождения, например, пыли или соли, так и привнесенными в атмосферу в результате хозяйственной деятельности человека.

Интенсивность дымки зависит от угла между падающим солнечным лучом и направлением визирования. На снимках, полученных при  низком Солнце и широкоугольными  съемочными камерами, влияние дымки  может быть очень существенным. Оно  выражается в снижении контраста  на краях снимка, особенно в его  посолнечной (находящейся дальше от Солнца) части.

Освещенность  земной поверхности, в основном, зависит от высоты солнца. С ее изменением изменяется и спектральный состав суммарного лучистого потока.

 

 

3. Виды аэрофотоснимок

 

Аэрофотосъемка - это комплекс работ, включающий различные процессы от фотографирования земной поверхности с летящего самолета до получения аэрофотоснимков, фотосхем или фотопланов снятой местности.

Виды аэрофотосъемки отличаются один от другого по ряду признаков. Фотографирование земной поверхности  с самолета может происходить  при различных положениях главной  оптической оси камеры аэрофотоаппарата. В зависимости от пространственного ее положения, различают следующие виды аэрофотосъемки: горизонтальную, плановую и наклонную (перспективную). Под горизонтальной подразумевается такая аэрофотосъемка, при которой главная оптическая ось аэрофотоаппарата занимает отвесное положение (α=0), плоскость негатива – строго горизонтальна. Если в момент фотографирования главная оптическая ось камеры аэрофотоаппарата отклоняется от отвесной линии в среднем на 1,0-1,5°, но не более 3,0-5,0°, то такая аэрофотосъемка называется плановой. Фотографирование же с самолета при наклонном положении главной оптической оси аэрофотоаппарата от отвесной линии на углы более 10° называется наклонной, или перспективной аэрофотосъемкой. В том случае, когда на аэрофотосъемке изображается естественный горизонт, аэрофотосъемка будет перспективной с горизонтом. Кроме того, может быть еще планово-перспективная аэрофотосъемка, сущность которой заключается в том, что при полете по одному и тому же маршруту с помощью специальных аэрофотоаппаратов одновременно производятся плановые и перспективные аэрофотоснимки.

В зависимости  от характера покрытия местности  аэрофотоснимками аэрофотосъемка разделяется  на ординарную, маршрутную и сплошную. Ординарная аэрофотосъемка представляет собой фотографирование отдельных объектов местности (например, гари, ветровала, склада древесины, участка леса, сплава и др.) одиночными или парными снимками, связанными между собой перекрытиями. Маршрутной аэрофотосъемкой называется воздушное фотографирование с самолета полосы местности по определенному маршруту. В зависимости от объекта, подлежащего аэрофотосъемке, маршруты полетов могут быть прямолинейными (ряд кварталов леса) или криволинейными (вдоль русла реки). При такой аэрофотосъемке между снимками в маршруте осуществляется перекрытие, достигающее 56-60%; оно называется продольным перекрытием. Маршрутная аэрофотосъемка применяется для лесотранспортных, водно-мелиоративных и других работ, проводимых в пределах узкой полосы местности. Производится она путем проложения ряда прямолинейных и параллельных между собой маршрутов, взаимно перекрывающихся. При данном виде аэрофотосъемки, помимо продольных перекрытий между снимками в маршрутах, должно быть соблюдено и заданное перекрытие между снимками соседних маршрутов полета, называемое поперечным перекрытием; обычно оно не превышает 30-40%.

По методу последующей фотограмметрической  обработки аэроснимков и изготовления конечной продукции различают три вида аэрофотосъемки:

- контурную аэрофотосъемку, в результате которой получается только контурный план местности;

- комбинированную аэрофотосъемку, при которой топографический план местности создается путем использование материалов аэрофотосъемки, а рельеф изображается на нем горизонталями и условными знаками в результате полевых наземных топографо- геодезических работ, преимущественно с применением мензульной съемки при совместном использовании аэроснимков;

- стереофотограмметрическую (высотную) аэрофотосъемку, которая дает возможность получить полный топографический план местности с горизонталями на основании камеральной обработки аэроснимков при небольшом количестве геодезических точек.

 

Летно-съемочный  процесс для всех этих видов аэрофотосъемки в основном один и тот же, но стереофотограмметрическая  съемка предъявляет специальные  требования к оптике, юстировке аппарата и фиксированию элементов внешнего ориентирования. Аэрофотосъемки можно  различать, исходя из масштаба фотографирования. Плановая аэрофотосъемка, в зависимости  от получаемого масштаба аэроснимков, разделяется на:

- крупномасштабную - при масштабе фотографирования крупнее 1:10000;

- среднемасштабную – при масштабе фотографирования от 1:10000 до 1:30000;

- мелкомасштабную – при масштабе фотографирования от 1:30000; 1:50000 ; 1:75000 до 1:100 000.

 

4. Влияние рельефа местности на геометрические свойства снимка

 

Метрические свойства снимков зависят в основном от их наклона и рельефа местности.

Рельеф местности, в зависимости от его характера, влияет на метрические свойства снимка различно. При съемке сильно пересеченной местности, с беспорядочным изменением направлений и крутизны скатов, изменение масштаба изображения отдельных участков в пределах кадра с соответствующим искажением длин линий, площадей и др. можно отнести к случайным. Земли, используемые в сельскохозяйственном производстве, редко располагают на таких территориях. Укрупнение съемочного масштаба с соответствующим сокращением отображающейся в кадре земной поверхности сокращает степень стохастичности экспозиций отдельных участков. При выполнении работ по инвентаризации приусадебных земель метрические операции выполняют обычно автономно в каждом населенном пункте. Последние располагают в большинстве случаев на территориях, представляющих собой односкатные плоскости, реже — сочетания двух-трехскатных плоскостей с разными направлениями скатов. Поэтому вероятностный подход к определению совместного влияния анализируемых факторов будет некорректным. Более правильным в данном случае будет определение предельного совместного влияния этих факторов на геометрию снимка с последующей оценкой приемлемости непосредственного использования снимков для измерительных целей.