Введение.
Фотограмметрия — техническая наука о методах определения метрических характеристик объектов и их положения в двух- или трехмерном пространстве по снимкам, полученным с помощью специальных съемочных систем. Такими системами могут быть традиционные фотографические камеры, а также системы, использующие иные законы построения изображения и иные (кроме фотографических слоев) регистраторы электромагнитных излучений. Основная задача фотограмметрии — топографическое картографирование, а также создание специальных инженерных планов и карт, например кадастровых.
Для выполнения работ по реорганизации землеустроительным органам необходимы свежие, обновленные картографические материалы. Формирующаяся земельно-кадастровая служба нуждается в выполнении большого объема работ по инвентаризации земель и объектов, созданием кадастра застроенных территорий. Большое значение в решении этих задач имеет широкое использование материалов аэрофотосъемок.
В создавшейся на сегодняшний день ситуации актуальнейшей задачей является разработка новейших технологий по оптимизации дешифрирования, обработке аэро- и космических снимков. Актуальным вопросом является также и подготовка высококвалифицированных специалистов в области землеустройства, ведь именно от уровня образования выпускников зависит будущее развитие вышеназванной науки.
Отражательная способность объектов. Цветная и спектрозональная аэрофотосъемка. Особенности дешифрирования.
Спектральная отражательная способность природных объектов.
Спектральная отражательная способность водных объектов.
Основной закономерностью отражения света водой является резкое падение её спектральной кривой в видимом диапазоне спектра (от синей части к красной) и минимальное отражение в ближней ИК-зоне спектра (рис. 7).
Отражательные свойства водных объектов зависят от рассеивающих и поглощающих свойств чистой воды, взвешенных частиц разного (органического и неорганического) происхождения, хлорофилла и других пигментов фитопланктона.
С увеличением концентрации взвешенных веществ органического и неорганического происхождения и содержания хлорофилла максимум отражения видимого света обычно смещается в длинноволновую область спектра.
Рис. 7. Спектральная отражательная способность водных объектов на территории Словакии во время летнего паводка 1997 года по данным с КА «Ресурс-О» (каналы: 1 – 0,5–0,6 мкм;2 – 0,6–0,7 мкм и 3 – 0,8–0,9 мкм).
Спектральная отражательная способность растительного покрова.
Спектральные отражательные свойства растительного покрова определяются следующими основными физическими факторами: оптическими свойствами листа (количество хлорофилла, каротина и других пигментов), геометрией покрова и угловым распределением листьев, отражательной способностью почв, на которых она находится, проективным покрытием почвы растительностью, углом освещения и углом наблюдения, состоянием атмосферы.
На рис. 8 приведена спектральная отражательная способность различных классов растительность в трех спектральных каналах.
Растительность в хорошем состоянии с большим количеством хлорофилла в листьях (ярко-зелёные лиственные леса, густые, сочные луга) имеет характерную спектральную кривую: высокое значение в зелёном участке спектра, резкое падение в красном участке спектра и очень высокий подъём в ближней ИК-области (рис. 8, кривая 1).
С ухудшением состояния растительности падает отражательная способность в диапазоне 500–600 нм, исчезает падение в красном диапазоне и резко уменьшается подъём в ближней ИК-области (рис. 8, кривые 3, 4), т. е. постепенно спектральная кривая растительности превращается в спектральную кривую почвы, на которой она растёт. То есть для очень плохой растительности (проективное покрытие менее 15 %) кривая спектральной отражательной способности практически вырождается в плавно возрастающую прямую и приближается к кривым, характерным для открытых почв (рис. 8, кривая 5).
Рис. 8. Спектральная отражательная способность растительного покрова.
Здоровая зелёная растительность в ближнем ИК-диапазоне по сравнению с видимым диапазоном длин волн характеризуется очень высокой отражательной способностью. Отражение листьями солнечной энергии, наблюдаемое в ближнем ИК-диапазоне, связано с различными коэффициентами преломления света между воздушным пространством и оболочками клеточных структур. Растения с более рыхлой структурой листа в ближнем ИК-диапазоне имеют больший коэффициент отражения, чем растения с плотной структурой.
Отражательная способность нескольких слоёв листьев больше, чем одного листа, что можно наблюдать в ближнем ИК-диапазоне. Схема многолистового отражения показана на рис. 9.
Рис. 9. Схема многослойного пропускания и отражения света листьями растительности
Спектрозональная, цветная и черно-белая аэрокосмосъемки.
Фотопленки для аэрокосмических съемок делят на ч-б (1слойные), цветные (3хслойные) – воспроизведение объектов в цветах близких к натуральным, и цветные спектрозональные (2- и 3хслойные) с воспроизведением объектов в условных цветах.
Спектрозональная съемка – съемка объектов земной пов в разных зонах спектра. Она заключается в фотографировании объектов в неск. различных зонах спектра, включая невидимые УФ и инфракр зоны. Спектрозональное фотографирование основано на свойствах объектов в разной степени отражать различные лучи спектра. При этом исп цветные двухслойные пленки, позволяющие получать на одном снимке перекрывающие друг друга изображения в условных цветах, что значительно увеличивает контрастность цветного изображения деталей объекта.
Цветные спектрозональные фотопленки - 2хслойные (СН-2М, СН-6М, СН-8, СН-10) и 3хслойные (С-15 и СН-23). Объекты изображены в условных цветах (не передают действительных цветов, но сильно подчеркивают цветовым контрастом различие в окраске объектов). Так хв породы, менее яркие, фиксируются в основном панхром слоем. Лиственные породы на негативе сине-зел, фиксируются инфрахром слоем.
В лесном деш наиболее часто исп СН-6М. Она имеет 2 светочувствительных слоя: инфрахроматический(чувств к син и кр лучам) и панхроматический (вся видимая область спектра). Общая светочувствительность этой пленки 300-400 ед., разрешающая способность 68 лин/мм.
При изготовлении 2хслойной спектрозональной пленки в каждый слой вводят красители, которые после экспонирования и проявления пленки окрашивают изображение в различные цвета. В инфрахроматический слой вводят син-зсл краситель, в панхроматический - пурп.
Есть вариант спектроз сьемки - многоканальная АФС (многозональной, мультиспектральной) -фотографирование осущ синхронно тремя или более АФА на нескольких ч-б аэроплёнках, чувствительных к излучению в разных зонах спектра. Экспонируют эти аэроплёнки с исп целой серии различных светофильтров, специально подбираемых в целях выделения или исключения тех или иных узких диапазонов световых лучей. Так обеспечивается изготовление комплекта сопоставимых аэроснимков, содержащих в совокупности наибольшую инф о территории.
Черно-белые фотопленки в зависимости от сенсибилизации (спектральная чувствительность фотоэмульсии достигается путем введения в нее спец органич вв оптических сенсибилизаторов) подразделяют на: несенсибилизированные (простые) - эмульсионный слой чувствителен только к фиол, син и голуб лучам в зонах спектра; ортохроматические - чувствительны к зел и ж лучам с некоторым понижением чувств-ти в пограничной зоне гол и зел лучей; изоортохроматические - чувств к тем же лучам, но без понижения чувств к зел зоне; панароматические - чувств ко всей зоне видимой области спектра (400-730 нм) но с понижением чувств в зоне зелх лучей (500-550 нм); изопанхроматические - как и панхроматич, но почти без понижения чувств в зоне зел лучей; инфрахматические- две области чувств - в видимой (син) и невидимой (ИК) частях спектра (Х>750 нм); панинфрахроматические - чувств ко всем лучам видимой области спектра и частично в ИК зоне.
Цветные фотопленки с натуральной цветопередачей (ЦН-1, ЦН-3, ДС-5 и др.) состоят из 3 эмульсионных слоев. Верхний – светочувствительный (несенсибилизированная эмульсия, чувств к син зоне), средний – оргохроматический(к зел лучам), а нижний – панхроматич (к кр). Для устранения влияния фиол, сини голу лучей на средний и нижний слои между верхним и средним слоями пленки введен тонкий желтый фильтровый слой, а под подложку - лаковый зеленый. Все 3 слоя имеют хим в-ва - компоненты, которые во время проявления окрашивают изображение в 3 цвета: верхний слой - в ж, средний - в пурп, нижний - в гол. Аэрофотоснимки полученные в летнее время менее информативны по цветопередаче лесных объектов по сравнению с осенними и ранневесенними снимками
Фотобумага. Исп че-б, спектрозональную 2хслойную и цветную 3хслойную бумагу. Чб изготовляют путем полива светочувствительной бромосеребряной эмульсии на бумажную основу. Бромосеребряную бумагу изготовляют 3 типов: «Унибром», «Фотобром» и «Новобром». Все обладают устойчивостью к вуали. Пов может быть глянцевая, полуматовая и матовая. Цв и спектрозональне пленки - 3хслойную цв фотобумагу. В каждом слое свои цветные компоненты. Для лесного деш исп фотоснимки, изготовленные на 3хслойной цв фотобумаге. При исп 3хслойной цв фотобумаги получают изображения, близкие по цвету к натуральным, а со спектрозональных фотопленок в условных цветах (хв - син-зел, листв - пурп, ор или же). Дтя изготовления сильно увеличенных изображений часто исп светочувствительные пленки, на которых получаются изображения с повышенной детальностью и лучшей цветопередачей.
Признаки дешифрирования древесных пород по спектрозональным аэроснимкам.
На спектральных аэроснимках древесные породы окрашиваются в присущий им цвет. Для группы хвойных преобладающим является сине-зеленый, а для лиственных - - пурпурный цвет с различными оттенками. Цветопередача обусловлена коэффициентом спектральной яркости. Хвойные древесные породы, имеющие пониженный коэффициент яркости в инфракрасной зоне спектра, фиксируются в панхроматическом слое пленки. Лиственные, обладающие повышенным коэффициентом в инфракрасной зоне спектра, фиксируются инфрахроматическим слоем пленки. Каждый слой имеет свой краситель. Это дает надежное распознавание хвойных и лиственных на спектрозональных аэроснимках.
При дешифрировании древесной породы прибегают ко всем основным и вспомогательным признакам. На спектрозональных аэроснимках сохраняются форма и размеры предметов, характер строения полога и прочее. Эти признаки достаточно подробно изучались на черно-белых аэроснимках. Поэтому в данной лабораторной работе внимание обращается на различие в цвете фотоизображения. Отличительные признаки даются применительно к аэроснимкам масштаба 1:10000 - 1:15000.
Сосна имеет слабо заостренную овальную крону с мутовчатым расположением сучьев. Цвет изображения - сине-зеленый, теневые части крон получаются темно-синими. С освещенной стороны -на кроне выделяется более яркий ободок светло-зеленого цвета. В возрасте 160—180 лет этот ободок приобретает желто-зеленый цвет. Тени сосны менее плотные, чем у ели.
Ель характеризуется узкими конусовидными кронами звездчатой формы. Кроны ели получаются темными сине-зелеными, иногда синими. Затененная часть кроны имеет темно-синий цвет. Разрывы в пологе заполнены темными тенями. Примесь сосны распознается по более светлому цвету изображения и менее плотным теням.
Береза отличается слабо заостренной в верхней части кроной, основание которой высоко поднято над землей. На спектральных аэроснимках береза окрашивается в светло-оранжевый или желто-оранжевый цвет. В смешанных березово-осиновых насаждениях кроны осины изображаются более насыщенно оранжевым цветом.
Осина имеет куполообразную форму кроны в спелых насаждениях. Цвет изображения бывает оранжевый или красно-оранжевый с желтым оттенком по краям кроны. Молодняки и средневозрастные насаждения передаются более светлыми тонами этих же цветов.
Дуб обладает разветвленной кроной со слабо закругленной, почти плоской вершиной. В проекции очертания кроны имеют неправильную зубчатую форму комковатого сложения. Окрашивается в красно-бурый или коричнево-бурый цвет. По тону окраски дуб темнее других лиственных пород.
Ольха черная выделяется по неправильно-округлым плоским проекциям крон. Цвет изображения на спектральных аэроснимках более красный, чем березы и осины, но светлее, чем у дуба.
Признаки дешифрирования нелесных и не покрытых лесом площадей.
1. Моховые болота получаются желтыми или желтыми с зеленым оттенком; мочажины и сильно увлажненные места - синими или сине-зелеными; заросли кустарника и камыша - оранжевыми или оранжево-бурыми.
2. Травяные болота - оранжевого цвета.
3. Реки и озера передаются синим цветом.
4. Луга имеют желто-оранжевый или желто-бурый цвет. Однако цвет растительных группировок может изменяться в зависимости от их фенологического состояния. Луга с избыточным увлажнением окрашиваются в зеленый цвет.
5. Сельхозугодья передаются по-разному, в зависимости от характера обработки почвы, фазы развития растений и их густоты стояния. Участки, занятые сельскохозяйственными культурами, получаются светло-зелеными, буро-зелеными и красными с различными оттенками.
6. Шоссейные дороги изображаются светло-зелеными, грунтовые - светло-желтыми или буро-желтыми с различными окрасками.
7. Свежие вырубки окрашиваются в желто-зеленый цвет, а заросшие травой - оранжевый и красный. Молодняки лиственных пород на вырубках получаются оранжевыми, молодняки хвойных - сине-зелеными.
8. Гари, сухостойные деревья и куртины леса изображаются ярко-синим или зеленовато-синим цветом.
3. Фототриангуляция, виды и способы планового фотограмметрического сгущения геодезического обоснования (Цель, виды, свободная модель, типы используемых точек).
При создании проектировании, изыскании и строительстве инженерных сооружений приходится определять качественные и количественные характеристики различных объектов.
Существует много различных способов решения этих задач, большинство из них основано на непосредственном контакте с объектом, исключение составляет фотограмметрический метод. Достоинством этого метода является бесконтактность; объективность, оперативность и высокая точность полученных данных; высокая информативность и максимально возможная степень автоматизации выполняемых процессов.
Выполнить вышеперечисленные виды работ геодезическим способом дорого, а зачастую просто невозможно. Были разработаны фотограмметрические методы выполнения этих работ.
Одним из основных процессов фотограмметрической технологии является сгущение съёмочного обоснования способом фототриангуляции.
Фототриангуляция это процесс построения трёхметных моделей объекта, по группе снимков принадлежащих одному или нескольким съёмочным маршрутам. Как и при построении одиночной модели для внешнего ориентирования фототриангуляционной сети используют опорные пункты.Число опорных пунктов обратно пропорционально точности и жёсткости самой сети. Другой путь уменьшения полевых работ заключается в определения элементов внешнего ориентирования снимков в процессе аэрофотосъёмки. Главным вопросом дипломной работы является фототриангуляция, выполняемая для решения задач возникающих при автодорожных изысканиях, проектировании, строительстве и инвентаризации. В связи с этим вопросу развития фототриангуляции, её современного состояния и перспективах уделено большое внимание.
Первые способы фототриангулирования были графическими, основанными на свойстве планового аэроснимка. На основе опытных работ по пространственной фототриангуляции на стереопланиграфе А. С. Скиридов изобрёл прибор стереоуниверсал и разработал аналитический способ фототриангулирования с применением этого прибора.
В Центральном научно-исследовательском институте геодезии, аэросъёмки и картографии (ЦНИИГАиК) Г. П. Жуков и Г. В. Романовский разработали дифференциальный способ пространственной фототриангуляции, включающий графическую радиальную фототриангуляцию с аналитическим определением высот по исправленным разностям продольного параллакса.
Дальнейшее развитие фототриангуляции показало, что радиальная фототриангуляция позволяет определить не только плановое положение точек местности, но и их высоты.
Затем возникла и начала развиваться пространственная фототриангуляция на универсальных приборах.Широкое и эффективное применение аналитической фототриангуляции в аэрофотогеодезическом производстве стало возможным после изобретения электронных ввычислительных машин.
В настоящее время имеется большое количество теоретических и практических разработок. В области аналитической фототриангуляциип предложены и успешно используются на производстве целый ряд способов фототриангулирования. Возникает необходимость в их классификации.
В основу классификации, предложенной М.И. Булушевым положены: вид, назначение, форма сети; фотограмметрическое качество исходных материалов; порядок использования геодезической опоры; элемент уравнивания; размер элементарного звена; геометрические условия, используемые при уравнивании.
Пространственная фототриангуляция выполняется, в большинстве случаев, для определения геодезических координат точек местности. И в зависимости от вида конечных результатов фотограмметрические сети можно разделить на: плановые, высотные и пространственные. По назначеню фотограмметрические сети могут быть каркасными и заполняющими. По форме различают маршрутную, многомаршрутную или блочную фототрингуляцию.
Под фотограмметрическим качестврм, в данном случае, понимается величина продольного и поперечного перекрытия снимков. Обычно аэрофотосъёмка выполняется с 60% продольным и 30% поперечным перекрытиями, но иногда эти параметры изменяются.
В зависимости от порядка использования геодезической опоры фотограмметрическая сеть может быть: зависимой - при наличии тавномерно расположенных опознаков сеть строится сразу в геодезической системе координат; независимой - сеть строится без использования опознаков, в произвольной системе координат; частично-зависимой - если в процессе построения сети применяются дополнительные данные, полученные физическими методами (координаты точек фототриангулироования, показания высотомера, статаскопа и др.).В качестве элемента уравнивания может использоваться либо связка проектирующих лучей, либо модель местности.Размер элементарного звена сети зависит от числа входящих в него снимков, и может представлять из себя: связку проектирующих лучей - отдельный снимок; стереопару - одиночная модель; двойную модель; модель подблока; модель маршрута. Кроме своего размера, элементарные звенья отличаются друг от друга и видом определяемых велечин, а также порядком их соединения в единую цепь.
Изложенная классификация не является полной, она лишь отражает различные аспекты построения фотограмметрических сетей и является основной для следующих методов:
-способ независимых моделей;
-способ частично-зависимых моделей;
-способ зависимых моделей;
-способ совместного определения и уравнивания элементов внешнего ориентирования снимков и координат точек местности - способ связок;
-способ раздельного уравнивания элементов внешнего ориентирования снимков и координат точек местности;
-способ вставки «точка-снимок»;
-построение сетей без определения угловых элементов внешнего ориентирования снимков;
-построение сетей без определения линейных элементов внешнего ориентирования снимков;
-построение сети фототриангуляции на основе предварительно уравненных угловых элементов ориентирования снимков;
-построение сетей путём жёсткого подориентирования связок;
-комбинированный способ;
-построение блочной сети объединением независимых моделей;
-построение блочной сети объединением маршрутов;
-построение блочной сети объединением триплетов;
-построение блочной сети объединением подблоков;
-построение сетей с использованием квазиснимков;
-построение сетей на предельно разреженном геодезическом обосновании;
-построение блочной сети по материалам аэрофотосъёмки выполненной двумя камерами;
-построение блочной сети при увеличенных перекрытиях снимков;
-построение сетей без использования связующих точек.
И. В. Антиповым был разработан программный комплекс ФОТОКОМ-32. указанный комплекс представляет собой ряд взаимосвязанных программ, с помощью которых эффективно выполняется фотограмметрическое сгущение и решаются сопутствующие этому задачи. Комплекс позволяет: развивать пространственную аналитическую фототриангуляцию в виде маршрутных и блочных сетей разнообразной конфигурации, в том числе с каркасными и взаимно перекрёстными маршрутами; вставлять в уравненную фототриангуляционную сеть неограниченное количество дополнительных точек; выдавать каталоги координат и высот точек уравненной фототиангуляционной сети по маршрутам или листам карты способом связок. Особенностью способа связок, разработанного профессором А. Н. Лобановым, является то, что фотограмметрическая сеть строится и уравнивается сразу по всем снимкам блока или маршрута. Для каждой точки снимка, включенной в фотограмметрическую сеть, записываются два уравнения коллинеарности связывающие координаты точки на местности и на снимке. Задав приближённые значения неизвестных - элементов внешнего ориентирования снимков и координат точек местности, и решив, под условие минимума суммы квадратов невязок, записанные для всех точек уравнения коллинеарности находят поправки к приближённым значениям неизвестных. Решение продолжается до тех пор пока поправки к приближённым значениям неизвестных не станут пренебрегаемо малы. Геометрическая сущность уравнений коллинеарности позволяет строить фотограмметрические сети непосредственно в геоцентрической системе координат или в системе координат Гаусса-Крюгера без определения элементов взаимного ориентирования снимков. Конечно, не исключается и случай построения свободной маршрутной сети с последующим внешним ориентированием её по опорным точкам.
Главным достоинством описываемого метода является его полное соответствие теории наименьших квадратов. Это обусловлено тем, что уравниваются непосредственно измеренные величины, а не их функции. Способ связок универсален и позволяет совместно с решением уравнений коллинеарности решать, с учётом весов, практически любые уравнения описывающие геометрические связи между элементами уравниваемой сети.
Если при построении сети способом связок кроме условия коллинеарности использовать условие компланарности векторов, то за счёт увеличения числа уравнений при том же количестве неизвестных, можно несколько улучшить обусловленность матрицы нормальных уравнений. Порядок совместного использования уравнений коллинеарности и компланарности приводится пример в работе профессора А. Г. Чибуничева.
При построении сети по способу связок необходимо соблюдать условия Гаусса-Маркова: в измерениях должны отсутствовать грубые ошибки, а систематические ошибки должны быть на порядок меньше случайных. Исходя из изложенного, способ связок применяют только для уравнивания сети, используя в качестве приближённых значения неизвестных, полученных при построении сетей иным способом.
Также программный комплекс Фотоком-32 позволяет выдавать ведомости элементов стереофотограмметрических приборов и фототрансформаторов; осуществлять калибровку аэрофотосъёмочных или измерительных приборов, составлять их паспорта и учитывать данные калибровки при вычислительной обработке результатов измерений снимков; создавать аналитические модели местности и снимков и решать по ним задачи технического проектирования и исследовательского характера.
Кроме названного комплекса И. Т. Антиповым завершён в 2002 г. и сразу же начал быстро внедряться в производство специализированный программный комплекс Фотоком для цифровой фотограмметрической станции ЦНИИГАиК. Вместе с основным программным обеспечением ЦФС этот компонент обеспечивает выполнение фототриангуляции в режиме on-line [2].
Из обзора аналитических способов фототриангуляции можно сделать следующие выводы. Все перечисленные способы сыграли определённую роль в развитии теории и практике аналитических построений. В настоящее время математические положения аналитической фототриангуляции достигли совершенства и остаются неизменными при переходе на цифровую фототриангуляцию. Однако при переходе на цифровую фототриангуляцию появляется новое направление, связанное с автоматизацией процессов измерения, которые пока находятся в стадии развития.
С точки зрения алгоритма построения сетей фототриангуляции признаны способы, обеспечивающие использование всех связей, как вдоль маршрутов, так и между ними, предусматривающие уравнивание измеренных велечин строгими математическими методами, обеспечивающие максимально возможное исключение систематических и грубых ошибок. По этим условиям наиболее современным следует признать комплекс программ, разработанный д.т.н. Антиповым И. Т., Фотоком.
В ОАО НФ «ИркутскгипродорНИИ» предпочтение отдали Фотомоду по той причине, что Фотоком в это время ещё не был переведён на цифровую обработку. Недостаток Фотомода заключается в том, что уравниваются не измеренные величины, а функции от них. Далее Фотомоду будет уделено особое внимание, так как в работе использовался этот программный комплекс.