|
светодальномерами.
Полевые работы проведены в короткие сроки и с высокой точностью в сложных городских условиях. Полученная база геодезических данных позволяет качественно проводить в городе все виды геодезических измерений и служит основой для разного рода исследований, в том числе опасных деформационных процессов на территории г. Москвы.
Только благодаря использованию новейшей спутниковой технологии стало возможным создание единой высокоточной геодезической сети, необходимой для решения новых задач:
• создания и ведения высокоточного городского кадастра (учета и оценки земельных участков),
• разработки ГИС,
• выделения и продажи земельных участков в пределах города и его окрестностей.
Фототопографические съемки
7. 1. Общие сведения о фототопографических съемках
Методы фототопографической съемки лежат в основе прогрессивного фотограмметрического метода обмеров памятников архитектуры, которые широко применяются в практике реставрационных работ в России и за рубежом.
Фототопографические методы съемки основаны на измерении местности по фотографическим изображениям.
Для получения карт и планов выполняется фотографирование территории с помощью высокоточных (прецизионных) фотокамер. Фотографирование может быть осуществлено с борта самолета — аэрофотосъемка, а также с помощью фотокамеры, установленной на космическом аппарате — КА, то есть из космоса — космическая съемка. Кроме того, в горных и предгорных районах применяется наземная фототопографическая (фототеодолитная) съемка, когда фотографирование выполняется на поверхности земли.
Аэрофототопографическая съемка является главным методом государственного картографирования.
По сравнению с наземными съемками фототопографические методы съемок имеют несомненные преимущества:
1) трудоемкие полевые геодезические работы на местности заменяются камеральными работами по измерению фотографических изображений;
2) обеспечивается высокая точность и производительность работ, что обусловлено применением прецизионного оборудования и ЭВМ;
3) гарантируется полная объективность и достоверность результатов измерений, так как изображения объектов получаются фотографическим способом;
4) открывается возможность картографирования труднодоступных территорий;
5) появляется возможность получения информации о местности и происходящих на ней явлений в короткие сроки.
Если сфотографировать местность с двух точек, расположенных друг от друга на определенном расстоянии, которое называется базисом фотографирования — В, получим стереопару снимков (рис. 58). При рассматривании стереопары снимков: левым глазом — левого снимка, а правым глазом - - правого снимка, можно увидеть объемное изображение или стереомодель местности. Это явление называется стереоэффектом, оно обусловлено особенностями физиологического зрения человека: двумя глазами мы видим объемное изображение предметов. При фотографировании длина базиса намного больше глазного базиса, поэтому стереомодель местности утрирована, неровности выступают резче. Стереомодель местности измеряется на высокоточных приборах для получения пространственных координат и высот точек. Измерение фотографического изображения для определения формы, размеров и пространственного положения объектов называется фотограмметрией. Это слово происходит от греческих: photos - - свет, gramma - запись, metreo — измеряю. Фотограмметрия решает следующие проблемы:
• прецизионная фотосъемка (аэрокосмическая и наземная),
• измерение и преобразование фотоизображений,
• интерпретация информации, полученной со снимков для использования в различных направлениях.
Исследования местности по материалам аэрокосмических съемок проводятся для решения многих проблем народного хозяйства и обороны и называются дистанционным зондированием Земли - ДЗЗ. По данным ДЗЗ осуществляется контроль за состоянием окружающей среды, прогнозирование природных и антропогенных явлений и др.
Аэрокосмические съемки в настоящее время получают все большее развитие, что обусловлено необходимостью иметь наиболее полную, достоверную и новейшую информацию о территориях (регион, город, административный округ). Именно аэрокосмические съемки служат основой для создания: топографических и электронных карт и планов, цифровых моделей местности и рельефа, фотопланов и фотокарт, ортофотопланов и ортофотокарт, геоинформационных систем - ГИС, земельного и градостроительного кадастров.
При аэрофототопографической съемке выполняется следующий комплекс работ:
1) создание опорной геодезической сети;
2) фотографирование местности;
3) сгущение опорной геодезической сети методами фототриангуляции;
4) трансформирование снимков;
5) дешифрирование снимков;
6) фотограмметрическая обработка снимков.
7.2. Аэрофотосъемка местности
Фотографирование местности производится, как правило, с самолета АН - - 30, специально оборудованного для производства аэрофотосъемки. Используются аэрофотоаппараты — АФА, позволяющие получить снимки местности, отличающиеся высокой измерительной точностью. В момент экспонирования аэрофотоаппарат испытывает различные перемещения и подвергается действию вибрации. Высота и скорость полета, интервал времени между экспозициями и другие параметры съемки должны быть строго выдержаны.
Для создания топографических карт и планов масштабов 1:500... 1:25 ООО аэрофотосъемку выполняют в масштабах 1:1700... 1:35 000. Используется черно-белая, цветная и спек-трозональная пленки. Выполняется также радиолокационная съемка, которая находит все большее применение при картографировании местности.
В зависимости от положения оптической оси АФА аэрофотосъемка может быть плановой и перспективной. Съемка называется плановой, если отклонение оптической оси АФА от вертикали не превышает 3°. При перспективной съемке оптическая ось АФА устанавливается на заданный угол относительно вертикали. При картографировании местности наибольшее применение имеет плановая съемка.
Аэрофотосъемку узкой полосы местности производят одним маршрутом, такая съемка называется маршрутной. Этот вид съемки применяется при проектировании и строительстве линейных сооружений: дорог, трубопроводов, каналов и др. При картографировании местности применяется многомаршрутная или площадная съемка. При этом самолет летит по параллельным маршрутам, экспонирование выполняется
так, чтобы обеспечить продольное перекрытие снимков (вдоль маршрута) порядка 60—65% и поперечное перекрытие снимков (между маршрутами) порядка 30—40% (рис. 59). В результате продольного перекрытия на соседних снимках изображается одна и та же местность, то есть составляется стереопара снимков, что позволяет получить пространственное положение любой точки местности.
7.3. Фотограмметрические методы и приборы, применяемые для обработки материалов аэрокосмических съемок
Аэрофотоснимок. Масштаб снимка
Фотоснимок является изображением объекта в центральной проекции. Центр проекции снимка — точка S — оптический центр объектива фотокамеры (рис. 60). Основание перпендикуляра, опущенного из центра проекции точки S на плоскость снимка - точка О, называется главной точкой снимка. Эта точка должна находиться на пересечении прямых, соединяющих противоположные координатные метки, имеющиеся на каждом аэроснимке. Перпендикуляр SO — фокусное расстояние объектива АФА. Координаты главной точки снимка и фокусное расстояние определяют положение снимка относительно центра проекции - - точки 5 и называются элементами внутреннего ориентирования аэроснимка (рис. 61). Положение аэроснимка в пространстве определяется элементами внешнего ориен-
тирования снимка (рис. 62): координатами Xs Ys Zs точки S и углами а, со, к — поворота снимка относительно пространственной системы координат. Угол а составлен проекцией оптической оси фотокамеры на плоскость XZ с направлением отвесной линии, со — поперечный угол наклона снимка, составленный оптической осью с плоскостью XZ, к — угол поворота снимка в своей плоскости.
Итак, аэроснимок имеет девять элементов ориентирования: три элемента внутреннего ориентирования и шесть элементов внешнего ориентирования. Элементы внутреннего ориентирования известны по результатам исследований и юстировки АФА. Элементы внешнего ориентирования Xs Ys Zs определяются в полете с применением радиогеодезических систем, с помощью радиовысотомера и статоскопа.
Угловые элементы внешнего ориентирования снимка обычно неизвестны.
Через элементы ориентирования снимка устанавливают математические зависимости между координатами х, у точки снимка и координатами X,Y,Z этой точки на местности.
Если оптическая ось АФА отвесна, а местность горизонтальна, масштаб аэроснимка 11 т равен отношению: f/H, где /— фокусное расстояние объектива АФА, Н - - высота полета (рис. 60). Такой снимок называется горизонтальным, по нему можно выполнять измерения расстояний, углов и площадей. Местность редко бывает горизонтальной, поэтому на снимке возникают искажения за рельеф. Искажения на снимке возникают также вследствие отклонения оптической оси фотокамеры от отвесного положения. Все эти искажения необходимо устранить в процессе обработки материалов аэрофотосъемки.
Понятие о фототриангуляции. Для обработки снимков в процессе составления топографической карты (плана) необходимо иметь геодезическое обоснование. Государственная геодезическая сеть сгущается путем определения пространственного положения точек, которые легко опознаются как на местности, так и на снимке. Такие точки называются опозна-ками. При этом стремятся свести к минимуму число опозна-ков, координаты и высоты которых получают в полевых условиях с помощью геодезических измерений. Плановое и высотное положение большинства опознаков определяется каме-рально, путем развития сетей фототриангуляции. Методы аналитической фототриангуляции основаны на математически строгой теории, устанавливающей зависимости между пространственными координатами точки объекта и координатами изображений этой точки на левом и правом снимках стереопары. При этом учитывается влияние всех источников погрешностей. На фотограмметрических приборах измеряются стереопары снимков, определяются координаты изображений опорных точек и точек сгущения сети. Данные измерений снимков, а также значения пространственных координат опознаков служат основой для уравнивания сетей фототриангуляции. Сети аналитической фототриангуляции уравниваются с использованием ЭВМ большой мощности.
Для измерения стереомодели снимки располагаются в соответствии со значениями элементов внутреннего и внешнего ориентирования снимков, при этом восстанавливается связка проектирующих лучей, существовавшая в момент фотографирования (рис. 58).
Координаты точки М объекта, изобразившейся на двух снимках, можно определить, если измерить координаты•%! У\ и х2 г/2 точек и т2 - изображений точки М на левом и правом снимках соответственно.
Трансформирование снимков. Как отмечалось выше, на снимке присутствуют искажения: за рельеф, за отклонение оптической оси АФА от отвесного положения и др. Фототрансформирование имеет целью устранить эти погрешности и максимально приблизить изображение на снимке к ортогональной проекции плана или карты. Фототрансформирование выполняется на фототрансформаторах. Для трансформирования необходимо иметь пять опорных точек на каждом снимке.
В настоящее время метод фототрансформирования чаще заменяют более прогрессивным методом ортофототрансфор-мирования, при котором фотографическое изображение преобразуется из центральной проекции в ортогональную. В пространстве стереомодели по заданному маршруту с определенной скоростью перемещается марочка. Оператор, наблюдая стереомодель, поднимает или опускает марочку в зависимости от рельефа так, чтобы марочка касалась рельефа. Движение марочки согласуется с движением щели, перемещающейся над негативом и экспонирующей на чистую фотопластинку малые участки стереомодели.
Точность ортофототрансформирования зависит главным образом от размера щели (ширина 0,5... 1 мм, длина 4—6 мм). Ортофототрансформирование выполняется с помощью ор-тофототрансформаторов или на универсальных фотограмметрических приборах, оборудованных ортофотоприставка-ми. Кроме того, ортофотопланы могут быть получены на основании цифровой модели рельефа.
Ортофотоснимок совмещает в себе богатые изобразительные качества фотографического изображения и точность ортогонального чертежа.
Дешифрирование снимков. Дешифрирование заключается в распознавании объектов по их изображению на снимке, а также в определении качественных и количественных характеристик этих объектов.
Различают полевое и камеральное дешифрирование. При дешифрировании в камеральных условиях применяются специальные приборы для наблюдения стереомоделей, например, зеркальные стереоскопы. Значительный объем дешифрирования выполняется камерально. Как правило, на снимках легко визуально дешифрировать: растительность, водные поверхности, населенные пункты, дорожную сеть. В полевых условиях дешифрируются объекты, которые не опознаются или вообще не изображены на снимке. Некоторые элементы невозможно определить по снимку, например, названия населенных пунктов, рек, глубину водоемов.
Для повышения качества дешифрирования выполняется спектрозональная и цветная съемка. Так, на снимках в инфракрасной зоне спектра намного лучше дешифрировать водные поверхности, заболоченные участки, растительность.
Кроме того, разработаны методы получения псевдоцветного изображения на основании выделения градации серого панхроматического снимка, что позволяет повысить дешиф-ровочные свойства снимка.
В общем комплексе фототопографических работ дешифрирование занимает важное место, от точности и полноты дешифрирования во многом зависит качество составления планов и карт.
На. рис. 63 приведен аэроснимок местности.
Понятие о современных способах фотограмметрической обработки снимков. Измерение стереомоделей выпол-
Аналоговый способ основан на использовании универсальных фотограмметрических приборов, на которых осуществляется преобразование изображения из центральной проекции на снимке в ортогональную проекцию плана (карты) местности.
Составление топографических карт и планов
на универсальных фотограмметрических приборах
Универсальные стереоприборы предназначены для составления карт и планов, а также для сгущения опорной геодезической сети и построения цифровой модели рельефа
местности (ЦМР). Универсальные стереоприборы применяются также для обработки стереопар снимков с целью создания обмерных чертежей фасадов и интерьеров зданий.
На универсальных стереоприборах осуществляется преобразование изображения из центральной проекции на снимке в ортогональную проекцию плана или карты местности.
На производстве используются универсальные стереоприборы: Стереопроектор СПР-3 (Россия), Стереограф СД-3 (Россия), Топокарт (Германия) и другие.
Универсальный прибор представляет собой массивную станину, на которой размещается: наблюдательная система, проектирующие камеры, система линеек, рычагов, кареток, коррекционные механизмы. Чертежный стол (координатограф) может быть совмещен с прибором или располагаться на отдельной станине.
Проектирующие камеры прибора по своим параметрам тождественны АФА, которым произведена съемка. Аэроснимки устанавливаются в приборе в соответствии с элементами внутреннего и внешнего ориентирования. Бинокулярная система позволяет рассматривать левый и правый снимки раздельно и с увеличением. Система всех механизмов прибора позволяет осуществить прямую фотограмметрическую засечку, то есть определить пространственные координаты точки по ее изображению на левом и правом снимках.
Процесс измерения стереомодели на универсальном приборе состоит из нескольких этапов.
1 — Внутреннее ориентирование аэроснимков или построение связки проектирующих лучей заключается в установке левого и правого снимков в соответствии с их элементами внутреннего ориентирования.
2 — Взаимное ориентирование снимков или построение стереоскопической модели местности; этот процесс выполняется методом последовательных приближений; при этом снимки располагаются в соответствии с элементами внешнего ориентирования.
3 — Внешнее или геодезическоеориентирование стереоскопической модели состоит в приведении масштаба стерео-модели в соответствие с масштабом составляемой карты; кроме того, выполняется поворот стереомодели для совмещения систем координат: модели и чертежа. Этот процесс выполняется с помощью опорных точек, координаты которых, как отмечалось ранее, определяются в полевых условиях и камерально путем фотограмметрического сгущения опорной сети.
4 — Определение координат точек местности, рисовка контуров и рельефа.
После выполнения этапов 1,2,3 все проектирующие лучи
попарно пересекаются и образуют геометрическую модель
местности. В пространстве стереомодели перемещается светящаяся измерительная марка, которая стереоскопически
наводится на точки и контура. При этом на шкалах прибора можно определить плановые координаты и высоты точек местности. Движение марки передается на координатограф, где составляется топографическая карта.
Для рисовки горизонталей измерительная марка прибора устанавливается на высоте, которая соответствует отметке проводимой горизонтали (в масштабе модели). Не изменяя высоты марки, обводят ею модель так, чтобы марка постоянно соприкасалась с поверхностью. При этом на координатографе вычерчивается горизонталь. Затем высоту марки изменяют на высоту сечения рельефа, выраженную в масштабе модели, и проводят следующую горизонталь.
Для нанесения контуров марка при перемещении должна касаться поверхности модели.
В настоящее время аналоговый способ заменяется более прогрессивными способами: аналитическим и, в особенности, цифровым.
7.4. Фотограмметрические технологии создания принципиально новой продукции: электронных карт и планов, трехмерных моделей местности, геоинформационных систем
За последнее десятилетие разработаны принципиально новые системы обработки данных аэрокосмических и наземных съемок, основанные на использовании компьютерных технологий. Карты и планы все чаще создаются в цифровом (электронном) виде. Этому способствуют как развитие вычислительной техники, так и возросший уровень программного обеспечения.
Для обработки материалов аэрокосмической съемки применяются аналитические фотограмметрические станции: SD-20, (выпускается в России по лицензии), Стереоанаграф (Россия), SD-2000 и SD-3000 (фирмы Лейка) (рис. 64) и др. Такие приборы представляют собой сочетание измерительной стереофотограмметрической системы и компьютера с периферийными устройствами. Модульная структура аппаратуры и программного обеспечения стереофотограмметрической рабочей станции позволяет поддерживать ее на уровне новейших разработок.
Стереофотограмметрические рабочие станции обеспечивают выполнение любых фотограмметрических задач: раз-
витие аэротриангуляции, создание топографических карт, сбор цифровых данных для геоинформационных систем и решение прикладных задач, в том числе для фотограмметрических обмеров архитектурных сооружений.
Основные технические характеристики
3000: ||1
- увеличение наблюдательной системы: от 3 до 18 крат;
- размер снимка (негатива, диапозитива, фотоснимка на бумаге): до 25 х 25 см;
— разрешающая способность 160 линий/мм.
Станция легко размещается на столе.
Аналитические фотограмметрические станции успешно применяются как при сплошном картографировании местности, так и при решении прикладных задач: при трассировании линейных сооружений (дорог, трубопроводов); при разработке полезных ископаемых; для контроля за качеством строительных работ, при обмерах архитектурных сооружении. Для решения конкретных производственных задач создается дополнительное программное обеспечение.
Рис. 64. Стереофотог-рамметрическая рабочая станция SD-3000
Большие возможности открываются при обработке данных аэрокосмических съемок на цифровых фотограмметрических системах — ЦФС.
С помощью программно-аппаратного комплекса ЦФС
вся обработка данных аэрокосмических и наземных съемок
может производиться на персональных компьютерах.
Если ранее аэрокосмическая съемка применялась для создания топографических карт масштабов 1:10 ООО и мельче, то сейчас картографирование территорий успешно осуществляется в масштабе 1:1000 и 1:500.
Цифровой фотограмметрический метод обработки аэрокосмических изображений является наиболее эффективным методом получения цифровой информации о местности для ГИС различного назначения, создания и обновления топографических карт и планов. Преимущества использования ЦФС по сравнению с традиционными методами состоят в возможности обработки снимков практически с любыми параметрами, в повышении уровня автоматизации технологических процессов, в получении новых видов продукции, а также в существенно меньшей стоимости оборудования.
В мире в настоящее время известно около 30 ЦФС. В России и за рубежом успешно внедряются на производстве отечественные ЦФС: ЦНИИГАиК, Талка, Апертура, Фото-мод, а также ЦФС зарубежных фирм: DVP (Digital Video Plotter) фирмы Лейка и др. Особенностью ЦФС является воспроизведение стереоизображения на экране дисплея.
Стереоэффект на экране дисплея получают различными способами. Анаглифический способ — это окрашивание левого и правого снимков в красный и синий цвета и наблюдение снимков с помощью цветных очков. Затворные очки также позволяют разделить левую и правую зрительную систему для получения стереоэффекта. Наиболее благоприятным для наблюдателя считается стереоскоп, подвешенный на кронштейне перед экраном дисплея.
В ЦФС автоматизирована основная измерительная операция в стереофотограмметрии — стереоскопическое визирование.
Для получения изображения на экране выполняется сканирование снимков. Применяются как стандартные планшетные сканеры (типа EPSON, HP и им подобные), так и более точные топографические сканеры. Например, фирмой «Геосистема» (Украина) выпускается целая серия фотограмметрических и топографических сканеров. Фотограмметрический сканер этой фирмы «Дельта Скан -5-Автомат» имеет следующие технические характеристики: минимальный пиксел 8 мкм, точность ±3 мкм, формат сканирования
260x260 мм, цвет 12/8 бит/канал; автоматическая подача фильма, программное обеспечение.
ЦФС имеют модули, позволяющие осуществлять различные операционные процессы: взаимное и внешнее ориентирование стереопары снимков, построение и уравнивание сетей фототриангуляции, построение цифровых моделей рельефа, ортофотопланов и электронных карт, визуализация и др.
На ЦФС выполняется создание цифровой модели рельефа — ЦМР, которая используется при ортофототрансформи-ровании и построении горизонталей. Редактирование сетки высот выполняется оператором с использованием затворных очков или стереоскопа. ЦМР служит основой при построении разрезов и профилей, подсчета объемов земляных работ.
На ЦФС успешно составляются мозаичные (сформированные из многих снимков) растрово-векторные ортофото-карты в геодезической разграфке с использованием условных знаков. Такие карты отличаются высокой наглядностью и содержат намного больше информации о территории по сравнению с традиционными бумажными топографическими картами.
Ортофотоплан в виде файла растрового формата может быть использован в современных ГИС и CAD системах, как координатно — привязанная, масштабированная растровая подложка для векторизации объектов стереосъемки.
Для картографирования застроенных территорий в масштабах 1:1000 и 1:500 несомненный интерес представляет ЦФС «Апертура-4»(Разработчик — д.т.н. И.Г. Чугреев). Эта станция предназначена для совместной обработки материалов аэрофотосъемки и наземных топографических съемок. Блок ЦФС по обработке материалов полевых досъемок предназначен для использования данных оптических приборов, имеется также конвектор, считывающий информацию электронных тахеометров. В системе Апертура реализован алгоритм пересчета координат для связи наземной досъемки и фотограмметрической модели. Для построения горизонталей на застроенной территории с большим количеством закрытых для аэросъемки участков процедура построения цифровой модели рельефа может быть выполнена по нерегулярной пикетно-цифровой модели.
Таким образом с помощью ЦФС «Апертура» можно объединить следующие процессы: планово-высотную подготовку снимков, полевое дешифрирование, стереорисовку, создание цифровой модели рельефа и инструментальную досъемку закрытых участков.
Вывод данных компьютерной фотограмметрической обработки снимков может быть осуществлен в виде твердых копий с помощью принтера или плоттера. Продукцию, созданную цифровыми фотограмметрическими станциями, можно импортировать в Maplnfo, AutoCAD, MicroStation и другие программы, поддерживающие международные форматы DXF и MID-MIF.
В связи с внедрением Цифровых фотограмметрических систем, а также прогрессом в применении GPS — технологий, значительно усовершенствованы фотограмметрические работы по созданию и обновлению топографических карт, ГИС и видеоинформационных систем с показом видеомоделей местности с разных ракурсов и из разных точек пространства.
7.5. Понятие о дистанционном зондировании Земли из космоса
Дистанционное зондирование Земли — ДЗЗ — это изучение и исследование Земли по данным аэрокосмических съемок.
ДЗЗ, являясь новейшим достижением науки и техники, внедряется во все области жизнедеятельности, в том числе в сферу градостроительства и охраны культурных и исторических ценностей человечества. Основным достижением ДЗЗ является возможность получения многопрофильной и новейшей информации о территории. Непрерывная съемка Земли из космоса позволяет:
• выявить закономерности развития территорий,
• отследить быстропротекающие процессы: пожары, выбросы отходов, наводнения, оползни, карстовые явления и пр.,
• установить взаимодействие природных и антропогенных факторов на любом участке территории,
• прогнозировать развитие тех или иных процессов и пр.
При изучении городских и сельских поселений по снимкам можно определить: реальные границы поселения, характер застройки (плотность, этажность, время возведения, «рельеф» крыш), структуру улично-дорожной сети, ареалы распространения загрязнений воздушной, водной и почвенной среды, болезни растений и т.д. Например, в результате анализа космических снимков было обнаружено местоположение ряда объектов археологии, скрытых под толщей культурного слоя.
На рис. 65 приведены космические панхроматические снимки метрового разрешения центров городов: Москвы (Кремль), Вашингтона (Капитолий), Рима (Ватикан).
Для архитектурных ансамблей и заповедных территорий по космическим снимкам возможно решение таких проблем, как: исследование окружающего ландшафта, определение
мест возможного размещения нового строительства (например, объектов туризма), планирование охранных и реставрационных мероприятий и пр.
космическим снимкам составляются тематические арты и буклеты национальных парков и заповедных зон с Детальной классификацией элементов ландшафта, с составлением туристических маршрутов. *
Дата добавления: 2015-08-29; просмотров: 24 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |