Лекции по фотограметрии

Формат космических  снимков различен — от размера 70 х  90 мм до 30 х 30 см и более. Например, снимок, полученный панорамной камерой высокого разрешения КВР-1000, имеет формат 190 х 700 мм. При одинаковых параметрах съемки (f, H, р_х, р_у) использование снимков с большим форматом имеет преимущества: во-первых, позволяет увеличить площадь захвата на поверхности Земли, во-вторых, при фотограмметрической обработке повышается точность определения высот точек местности.

При съемке с КЛА, движущихся по эллиптическим орбитам, изменяется высота фотографирования. Вследствие этого средние масштабы смежных снимков имеют значительные различия.

В связи с изменением высот фотографирования при постоянной скорости движения КЛА возникает необходимость изменять интервал времени между моментами съемки. Это необходимо для обеспечения постоянного заданного значения продольного перекрытия снимков. Интервал фотографирования меняют с помощью специального автоматического устройства, входящего в комплект космического фотоаппарата.

При космическом фотографировании поперечное перекрытие снимков обеспечивается тремя приемами. В первом случае за счет вращения Земли: при этом снимки, получаемые с последующего витка, перекрываются со снимками предыдущего витка (виток аналогичен маршруту при аэрофотосъемке). Если съемка выполняется при движении КЛА по полярной или близполярной орбите, поперечное перекрытие снимков будет непостоянным. Вблизи экватора перекрытие будет минимальным, в районе полюсов — максимальным. Чтобы поперечное перекрытие находилось в заданных пределах, необходимо согласование скорости обращения КЛА со скоростью вращения Земли.

Во втором случае перекрытие снимаемой полосы осуществляется поперечным наклоном (креном) летательного аппарата. Угол крена должен обеспечить заданное поперечное перекрытие снимков.

В третьем случае продольное перекрытие снимков обеспечивается разворотом КЛА, при котором выполняется наклон главной оптической оси съемочной системы «вперед» по направлению полета — предыдущий снимок и «назад» — последующий снимок.

Рис. Схема съемки с разворотом КЛА

 

 

 

 

Существенное отличие космической съемки - изображение на одном снимке территории площадью в несколько тысяч квадратных километров. При этом на геометрии построения плоского изображения сказывается кривизна Земли. Точки земной сферической поверхности проецируются по законам центральной проекции на плоскость, в которой находится фотопленка. За счет этого на краях снимка масштаб изображения мельче по сравнению с его центральной частью.

При съемке с круговых орбит фотосъемку выполняют таким  образом, чтобы оптическая ось фотокамеры была направлена по направлению нормали к поверхности Земли. Это частный случай конвергентной съемки. При этом взаимный угол, образованный оптическими осями двух смежных снимков стереопары, не превышает нескольких градусов.

 

3. Космические съемочные системы

На рубеже XX века в нашей стране, наряду с государственными программами выполнения космических съемок, появились коммерческие космические программы. Первый коммерческий спутник был запущен российской ракетой-носителем с космодрома на Дальнем Востоке в январе 1997 г. Крупнейшие авиационные и космические компании участвуют в осуществлении собственных программ. Образовался рынок фотографических и цифровых изображений. Потребитель в соответствии с решаемой задачей, из публикаций или по Интернету выбирает из предлагаемых каталогов наиболее приемлемые для него материалы съемок. На околоземных орбитах находятся несколько десятков космических летательных аппаратов с различными съемочными системами на борту. Получаемая при этом разноплановая информация — изображения или результаты измерений определенных характеристик объектов на поверхности Земли или атмосферы — передается на пункты приема тех стран или коммерческих структур, по заказу которых осуществляют данную съемку. Космические летательные аппараты отличаются параметрами полета, а съемочные системы имеют различные характеристики. Наземные комплексы приема и первичной обработки космической информации находятся в различных городах страны.

Наиболее известные и используемые в мире данные получают с зарубежных космических аппаратов NOAA, LANDSAT, SPOT, IRS, RADARSAT, ERS (табл.1).

Высокие изобразительные и метрические  качества имеют фотографические снимки, полученные с отечественного спутника «Комета» камерами специального назначения КВР-1000 и топографической ТК-350. Среди российских пользователей для изучения природных ресурсов используют снимки со спутников типа «Метеор», «Ресурс-Ф», «Ресурс-О, «Океан», съемочные системы «Фрагмент», МСУ-Э, МСУ-СК (табл.2). Съемка с периодически запускаемых на орбиты спутников позволила создать архивы изображений на различные районы земной поверхности, что дает возможность осуществлять мониторинг территорий и отдельных объектов и явлений.

Серия спутников LANDSAT (США) функционирует с начала семидесятых годов XX века. Съемку проводят с высоты орбиты 900 км. На спутниках используются многозональные съемочные системы типа MSS с линейным разрешением на местности 55 х 80 м.

В целях мониторинга  кадастровой информации и создания картографической продукции масштабов 1:М = 1:5000...1:10 000 могут быть использованы космические съемочные системы высокого разрешения. Например, космические изображения земной поверхности, получаемые со спутников IKONOS и QUICK BIRD (США). Они имеют соответственно разрешение на местности 0,61 м и 1 м. Точность фотограмметрического определения координат точек по снимкам спутника QUICK BIRD, снятых в панхроматической зоне (0,45...0,95 мкм) и с использованием опорных точек, составляет 2 м, без опорных точек — 23 м.

Французская съемочная  система SPOT IMAGE, установленная на спутниках типа SPOT, имеет четыре спектральных канала (4-й канал соответствует 1,55...1,75 мкм). Линейное разрешение при панхроматической съемке равно 5... 10 м, а при многозональной — 20 м. Важное преимущество данной системы — возможность получения снимков с перекрытием (получение стереопар), что позволяет проводить стереофотограмметрическую обработку снимков. Снимок захватывает участок на земной поверхности размером примерно 60 х 60 км.

Индийские спутники последнего поколения (IRS-1C, IRS-1D) оснащены съемочными системами, работающими в четырех спектральных каналах. Панхроматические снимки получают с разрешением 5...6 м, а зональные — 23 м и более.

Разработка компактных радиолокационных съемочных систем с малым потреблением энергии позволила использовать их при космических съемках. Радарные изображения, получаемые, например, с канадского спутника RADARSAT или европейского ERS, имеют разрешение 25 м. Современные методы радиолокации позволяют получать изображения с разрешением на местности до 5 м и менее. Изменяя ориентацию спутника в полете на соседних орбитах, можно производить стереорадиолокационную съемку. Существующие компьютерные программы позволяют выполнять фотограмметрическую обработку радарных снимков. При этом учитывается специфическая геометрия радиолокационных изображений, производится построение цифровых моделей рельефа как по стереопаре, так и с использованием методов радарной интерферометрии (определение геометрических параметров объектов на основе интерференции отраженных от них радиоволн).

Фотографические снимки, полученные со спутника «Комета» кадровыми  камерами КВР-1000 (фокусное расстояние f= 1000 мм), имеют разрешение 2 м. Топографическая камера ТК-350, установленная на спутнике «Комета», позволяет производить съемку с перекрытиями. Разрешение изображения данных снимков—10м. Результаты стереофотограмметрической обработки снимков используют для создания и обновления мелкомасштабных планов и карт. Спутники «Комета» запускают на срок до 1 мес.

Широко используют фотографические изображения, получаемые со спутников серии «Ресурс-Ф», оснащенные фотографическими камерами КФА-1000, КФА-3000, КАТЭ-200 и четырехканальным фотоаппаратом МК-4.

На территории страны имеется большое число региональных пунктов приема космических изображений, получаемых со спутника «Ресурс - О». На спутнике установлены многозональные сканеры МСУ-Э с разрешением 45 м и МСУ-СК с разрешением 150 м. Благодаря свободному доступу снимки широко используют в отечественных организациях, занимающихся исследованиями природных ресурсов.

 

 

Существуют многолетние  космические проекты исследования земной поверхности, разрабатывают  и реализуют новые. Информацию о них и процедуре заказа снимков можно узнать через Интернет.

Для широкого пользования разработаны и применяют станции приема и обработки изображений (низкого и среднего разрешения) земной поверхности. Аппаратно-программные комплексы включают: персональные компьютеры, антенную систему, устройство сопряжения антенной системы с компьютером и программное обеспечение. С помощью параболической антенны, установленной на поворотном устройстве, принимают передаваемые со спутника изображения. Программные средства обеспечивают слежение за спутником, автоматический прием данных, их визуализацию, просмотр и оценку. Визуализация изображения производится в черно-белом или цветном варианте, осуществляется синтезирование зональных снимков. Проводится географическая привязка всего снимка или его фрагмента, а также программными средствами рассчитываются географические координаты для каждого пикселя изображения. Выполняется фотограмметрическое преобразование изображений, составляются накидные монтажи. Программные средства позволяют выполнить тематическую обработку изображений и представить результаты обработки в картографическом виде.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 4: Одиночный снимок

 

План:

1. Основные элементы центральной проекции
2. Влияние угла наклона АФА на метрические свойства снимков:

1. Смещение точек снимка
2. Изменение масштаба
3. Искажение площадей
4. Искажение направлений

3. Влияние рельефа местности на:

1. Смещение точек снимка
2. Изменение масштаба
3. Искажение площадей
4. Искажение направлений

4. Прочие факторы

1. Основные элементы центральной проекции

При картографировании земной поверхности  используют различные картографические проекции. Задачи организации территорий, земельного и городского кадастра, инженерных изысканий удобнее решать по планам, созданным по законам ортогонального проецирования, — точки элементов ситуации при этом проецируют на горизонтальную плоскость отвесными линиями с одновременным масштабированием результатов.

На снимках, полученных с помощью  кадровых съемочных систем, изображение, как отмечалось ранее, строится по законам центрального проецирования. Проектирующие лучи здесь представляют собой пучок линий, проходящих через единую точку — центр проекции.

Основные элементы центральной  проекции следующие:

S— центр проекции, в фотограмметрии — задняя узловая точка объектива съемочной камеры;

 - картинная плоскость (негативная) — фокальная плоскость объектива съемочной камеры;

P- картинная плоскость позитивная

Рис. 1. Основные элементы центральной проекции

 

Е - предметная плоскость — горизонтальная секущая плоскость снимаемого участка местности;

о (о') — главная точка картины — главная точка снимка, получаемая при пересечении главного луча (оптической оси) объектива съемочной камеры S_o с плоскостью картины;

W— плоскость главного вертикала, проходящая через точку S перпендикулярно плоскостям Р(Р') и Е;

— главная вертикаль — след пересечения плоскостей P(P') и W;

v_oV — проекция главной вертикали;

п(п') — точка надира — точка пересечения плоскости Р(Р') с отвесным лучом;

N— проекция точки надира — точка пересечения плоскости Е отвесным лучом, проходящим через точку S;

 — угол наклона картины (снимка) — угол между плоскостями Р( ) и Е или лучами SO и SN;

c( ) — точка нулевых искажений — точка пересечения плоскости Р(Р) биссектрисой угла а_Р;

С - проекция точки нулевых искажений;

h_nh_n (h'_nh'_n) —горизонталь, проходящая через точку п(п'), — линия в плоскости Р(Р'), перпендикулярная .

Горизонтали могут проходить  через любую точку картины, например через точку о — h_oh_o или точку с — h_ch_c. В одной из систем координат снимка главную вертикаль v_ov принимают за ось абсцисс, а любую из горизонталей — за ось ординат.

Точки о, п, с располагаются на главной вертикали, а точки О, С, N— на ее проекции. Отстояния точек n и с от точки о определяют по формулам:

 

  и   (1)

 

Эти точки, в общем случае, близки друг к другу. Например, на плановых снимках при а_Р= 2° и f = 100 мм on = 3,5 мм и ос=1,8 мм, а на снимках, полученных с использованием гиростабилизированной АФУ, при а_Р= 20' on = 0,6 мм и ос = 0,3 мм. Это положение неоднократно будем использовать в дальнейшем при анализе метрических свойств снимков и описании технологии их применения.