С. В. Богомазов
Фотограмметрия и дистанционное зондирование
ВВЕДЕНИЕ
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.
Характеристики объекта могут изучаться по его изображению на одиночном снимке или по паре перекрывающихся снимков, полученных и различных точек пространства.
Если при изучении объекта используются свойства одиночного снимка, то такой метод получения необходимой информации называют фотограмметрическим. Если же он изучается по паре перекрывающихся снимков, то метод называют стереофотограмметрическим.
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. Задачи и методы последнего из указанных направлений существенно отличаются от первых двух и далее детально не рассматриваются.
Основными достоинствами фотограмметрического и стереофотограмметрического методов являются:
– высокая точность результатов, так как снимки объектов получают прецизионными фотокамерами, а их обработку выполняют, как правило, строгими методами;
– высокая производительность, достигаемая благодаря тому, что измеряют не сами объекты, а их изображения. Это позволяет обеспечить автоматизацию процесса измерений и последующих вычислений;
– объективность и достоверность информации, возможность при необходимости повторения измерений;
– возможность получения в короткий срок информации о состоянии как всего объекта, так и отдельных его частей;
– безопасность ведения работ, так как съемка объекта выполняется неконтактным (дистанционным) методом. Это имеет особое значение, когда объект недоступен или пребывание в его зоне опасно для здоровья человека;
– возможность изучения движущихся объектов и быстро протекающих процессов.
Наряду с отмеченными достоинствами рассматриваемые методы имеют и недостатки. К ним следует отнести зависимость фотографических съемок от метеоусловий и необходимость выполнения полевых геодезических работ с целью контроля всех технологических процессов. Поэтому только разумное их сочетание с другими методами получения информации может обеспечить решение поставленной задачи с минимальными затратами труда и средств.
При разработке методических указаний использован опыт ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ», ГОУ ВПО «Пензенский ГУАС» по организации проведения лабораторных занятий по дисциплине «Фотограмметрия и дистанционное зондирование».
ТЕМА 1 ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ К АЭРОФОТОСЪЕМКЕ (2 часа)
Цель работы: ознакомится с методикой расчета элементов плановой аэрофотосъемки.
Задание: провести расчет элементов плановой аэрофотосъемки согласно индивидуального задания, выдаваемого преподавателем.
1
Расчет элементов плановой аэрофотосъемкиОдним из важнейших процессов в подготовительных работах является расчет элементов аэрофотосъемки. Расчет элементов аэрофотосъемки проводится в лабораторных условиях на земле по следующим параметрам:
Н – высота полета (м);
В – базис фотографирования (м);
D – расстояние между маршрутами (м);
N – число маршрутов (шт.);
n – число аэрофотоснимков в одном маршруте (шт.);
nx – общее число аэрофотоснимков за съемку (шт.);
t – максимальная выдержка (сек.);
Т – интервал между экспозициями.
Для расчета всех параметров необходимо получить плановое задание, которое приведено в таблице 1.
Таблица 1 – Размер площади подлежащей съемке (длина (А)×ширина (С), км)
Таблица 2 – Формат снимков (см х см) и их продольное (dх) и поперечное (dу) перекрытие (%)
Таблица 3 – Масштаб съемки (m) и фокусное (fк) расстояние (мм)
Таблица 4 – Скорость полета самолета (км/час) и допустимый линейный сдвиг (δ) изображения (мм)
Все расчеты проводятся по следующим формулам:
H =
f k ×
m, (1)
где: Н – высота полета;
fk – фокусное расстояние;
m – масштаб снимка.
где: В – базис фотографирования;
dx – продольное перекрытие;
l – длина стороны снимка.
где: D – расстояние между маршрутами.
где: N – число маршрутов;
С – ширина участка.
где: n – число аэроснимков в одном маршруте;
А – длина маршрута.
n x=
N *
n , (6)
где: nx – общее количество аэрофотоснимков за съемку.
где: δ – допустимый линейный сдвиг изображения;
V – путевая скорость самолета (м/сек);
t – максимальная выдержка.
T=V/B, (8)
где: В – базис фотографирования;
V – скорость самолета.
По окончанию расчета элементов плановой аэрофотосъемки заполняется бланк-задание на летно-съемочный процесс в виде таблицы 5.
Таблица 5 – Бланк-задание на летно-съемочный процесс
Контрольные вопросы
1. Перечислите основные параметры расчета элементов аэрофотосъемки.
2. Как определяется масштаб аэрофотоснимка?
3. С какой целью вводятся продольные и поперечные перекрытия на аэрофотоснимках?
4. От чего зависит количество маршрутов аэрофотосъемки?
5. Какие существуют форматы аэрофотоснимков?
ТЕМА 2 УСТРОЙСТВО АЭРОФОТОАППАРАТА (2 часа)
Цель работы: изучить устройство аэрофотоаппарата.
Основным средством, позволяющим получить аэрофотоснимки, является аэрофотоаппарат (АФА) – сложный высокоточный оптико-механический и электронный прибор. АФА не имеет приспособлений для наводки на резкость, поскольку высота фотографирования всегда больше гиперфокального расстояния.
Типы и конструкции современных АФА различны, но все они в своей основе имеют единую принципиальную схему, а основными их узлами является корпус, конус, кассета и командный прибор (рис. 1:6). Корпус АФА (1) служит для размещения механизмов, обеспечивающих работу всех частей фотокамеры – счетчика кадров, часов, уровня, числового индекса фокусного расстояния и др. В верхней части корпуса размещена прикладная рамка, плоскость которой совпадаете главной фокальной плоскостью объектива.
Рисунок 1 – Устройство аэрофотоаппарата
Конус АФА (2) крепится к нижней части корпуса и содержит оптическую систему, в которую входит объектив, светофильтры, компенсатор сдвига изображения и др.
Кассета (3) служит для размещения фотопленки и приведения ее светочувствительного слоя при экспонировании в соприкосновение с плоскостью прикладной рамки. В промежутке между экспозициями фотопленка перематывается с подающей катушки на принимающую. Перематываемый участок пленки соответствует формату кадра с учетом промежутка между кадрами. Выравнивание пленки в плоскость выполняется механическим прижимом к плоскому стеклу или путем откачивания воздуха из промежутка между пленкой и прикладной рамкой.
Командный прибор (4) предназначен для дистанционного управления всеми механизмами аэрофотоаппарата – измерения времени между экспозициями и их продолжительности, подачи команд на срабатывание затвора АФА, перемотки фотопленки, отсос воздуха между фотопленкой и прикладной рамкой и т. п. В современных аэрофотоаппаратах командный прибор управляет одновременно двумя – тремя съемочными камерами.
Аэрофотоустановка (5) служит для крепления аэрофотоаппарата на борту носителя, ориентирования его в пространстве и предохранения от толчков и вибрации.
Рисунок 2 – Прикладная рамка аэрофотокамеры
В плоскости прикладной рамки размещены четыре механические координатные метки (рис. 1.7), изображающиеся на каждом снимке. Прямые, соединяющие противоположные метки, должны быть взаимно перпендикулярны, а точка их пересечения О – совпадать с главной точкой снимка О'.
