Требования к содержанию и точности топографического плана.......................... 7

3. Выбор метода фототопографической съёмки и варианта технологии создания топографического плана………………………………………………………………10

4. Обоснование требований к аэрофотографической съемке………………………11

5. Содержание и основные требования к выполнению полевых работ……………13

6 . Содержание и основные требования к выполнению камеральных

фототопографических работ…………………………………………………………..19

7.Технические характеристики фотограмметрических приборов………………….21

8. Заключение…………………………………………………………………………..22

9. Список литературы…………………………………………………………………23

Введение

Фотограмметрия – это наука, изучающая форму, размеры и пространственное положение объектов по измерениям их фотографических изображений.

Фототопография решает задачу создания топографических карт и планов и построения цифровых моделей местности с использованием материалов фотосъемки. Она является разделом фотограмметрии. Комплекс процессов, выполняемых для создания по снимкам топографических карт и планов, называется фототопографической съемкой.

Главный вид съёмок, применяемый в фотограмметрии при составлении планов и карт всех масштабов - это аэрофототопографическая съёмка. Основными методами создания карт и планов аэрофототопографической съёмки являются комбинированный и стереотопографический. При стереотопографическом способе выполняется только АФС, при комбинированном АФС дополняется наземными видами съёмки.

1.Исходные данные для разработки задания курсовой работы

Задание разрабатывается применительно к созданию топографического плана в масштабе 1:1000 на равнинную местность с углами наклона до 2 0 . Топографический план предназначается для решения архитектурных работ.

2.Требования к содержанию и точности топографического плана.

Требования к точности топографического плана определяются нормативными документами, которыми регламентируется съемка местности. Они зависят от характера местности, масштаба и назначения документа.

Топографические планы – могут быть представлены в графическом виде или в виде цифровой модели местности.

Существует несколько методов для получения топографо-геодезической информации о местности с помощью которой создают цифровые модели.

Мензульный

Тахеометрический или теодолитный

Стереотопографический

Наземный фототопографический (фототеодолитная съёмка)

Комбинированный аэрофототопографический

Высота сечения рельефа на топографических планах при съемке масштаба 1: 1000 в равнинной местности с углами наклона до 2° равна 0.5м.

Точность планов оценивается по расхождениям положения контуров, высот точек, рассчитанных по горизонталям, с данными контрольных измерений.

Средние погрешности (ошибки) в положении на плане предметов и контуров местности с четкими очертаниями относительно ближайших точек съемочного обоснования не должны превышать 0.5 мм.

Средние погрешности съемки рельефа относительно ближайших точек геодезического обоснования, выраженные в долях принятой высоты сечения рельефа, не должны превышать 1 / 4 при съемке в масштабе 1: 1000 в равнинной местности с преобладающими углами наклона до 2° и количество их не должно быть более 10 % от общего числа контрольных измерений.

При определении точек (пунктов) съёмочной сети построением съёмочных

На правах рукописи

Шевчук Станислав Олегович

РАЗРАБОТКА ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОГО СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ АЭРОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Новосибирск - 2014

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»).

Научный руководитель - кандидат технических наук, старший научный

сотрудник

Лапко Александр Петрович.

Официальные оппоненты: Чибуничев Александр Георгиевич,

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждении «Московский государственный университет геодезии и картографии», проректор по международной деятельности;

Серебряков Сергей Владимирович, кандидат технических наук, ЗАО «Центр инженерных изысканий и проектирования «ИнжГео», генеральный директор.

Ведущая организация - Учреждение Российской академии наук

Геофизическая служба Сибирского отделения РАН (ГС СО РАН), г. Новосибирск.

Защита состоится 10 июня 2014 г. в 15 час. на заседании диссертационного совета Д 212.251.02 при ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, ауд. 402.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «СГГА».

Материалы по защите диссертации размещены на сайте ФГБОУ ВПО «СГГА»: http://www.ssga.ru/шain/zaschita_dissertaciy.html

Учёный секретарь

диссертационного совета Середович В. А.

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 28.03.2014. Формат 60x84 1/16. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 29 Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 10. Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 10.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Современные аэрогеофизические исследования всё чаще решают локальные поисковые задачи высокой детализации с крупными масштабами съёмки, в частности 1: 10 ООО, что в значительной мере повышает требования к точности, целостности и частоте фиксации величин навигационно-геодезических параметров.

Появление цифровых съёмочных систем и методов автоматической обработки фотограмметрических измерений создало возможность их применения

для эффективного решения некоторых задач навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизики, трудно реализуемых посредством ГНСС и других методов.

Степень разработанности темы.

При работе над вопросом, связанным с определением истинной высоты путем применения аэрофотосъёмки, рассматривались работы отечественных ученых (Журкин И. Г., Гук А. П., Антипов И. Т., Кашкин В. Г., Никитин В. Н. и др.) и зарубежных ученых (Гонсалес Р., Вудс Р., Прэтт У., Шовенгердт Р. А. и

По вопросам навигационно-геодезического обеспечения геолого-геофизических работ (в частности, аэрогеофизики) посредством ГНСС-технологий опубликован ряд работ, в частности методические разработки, статьи и исследования таких ученых, как Прихода А. Г., Глаголев В. А., Тригубович Г. М., Кагтеницкий А. И., Канторович А. Э., Антонович К. М., Сурнин Ю. В., Щербаков В. В., Войтенко А. В. и др. Из зарубежных авторов, прямо или косвенно занимающихся данным вопросом, могут быть отмечены: Rizos Ch., Hofmann-Wellenhof В., Petrovski I. G., Bisnath S., Leick А. и др.

Задачи исследования:

определения превышения над земной поверхностью (истинной высоты) выносной электромагнитной платформы.

Научная новизна результатов исследований. Впервые предложен фотограмметрический способ для определения истинной высоты выносной конструкции (платформы) и устройство, реализующее его. Основной особенностью устройства является применение пары камер, синхронно экспонирующих земную поверхность под выносной платформой. Преимуществами данного способа (в частности, в сравнении с применением лазерных высотомеров) является учёт углов наклона выносной конструкции и возможность смещения определяемой точки (в случае наличия препятствий на местности) на снимках.

На защиту выносятся:

Диссертация соответствует паспорту научной специальности 25.00.34 «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по следующим областям исследований:

- № 3: «Теория, технология и технические средства сгущения по аэрокосмическим снимкам геодезических сетей, создания и обновления

топографических, землеустроительных, экологических, кадастровых и иных карт и планов»;

IV Международная конференция «Геодезия. Маркшейдерия. Аэросъёмка. На рубеже веков», г. Москва, гостиница «НовОтель», 14-15 февраля 2013 года;

IX Международный научный конгресс «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013», г. Новосибирск, СГГА, 24-26 апреля 2013 года;

VII Международный форум по спутниковой навигации, г. Москва, Экспоцентр, 24-27 апреля 2013 года.

Основные результаты исследований применялись в ООО «Аэрогеофизическая разведка» при выполнении аэрогеофизических работ на Ванкорском месторождении (инженерные изыскания) и в Курагинском районе Красноярского края (Раздольная площадь). Методика внедрена в производство ООО ГП «Сибгеотех» и в учебный процесс ФГБОУ ВПО «СГГА».

На фотограмметрические способ и устройство для определения истинной высоты выносной аэрогеофизической платформы получен патент на изобретение от 27.02.2014 (Пат. 2508525 Российская Федерация МПК51 GOIC 11/04 GOIV 3/16).

Структура диссертации. Общий объём работы составляет 180 страниц печатного текста. Диссертация состоит из введения, трёх разделов, заключения,

списка литературы, включающего 125 наименований, 2-х приложений. Работа включает 29 таблиц и 56 рисунков.

В первом разделе диссертации рассмотрены задачи навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических работ, в частности с электромагнитным комплексом с выносной платформой «Импульс-Аэро». Исследованы навигационно-геодезические параметры и предложены рекомендации по точности их определения. Указанные величины и точностные рекомендации приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Навигационные и геодезические параметры аэроэлектромагнитной съемки с использованием подвесной платформы

Группа параметров

Назначение при выполнении аэрогеофизических исследований

Параметры навигации носителя (вертолёта)

Навигационные координаты Х„. У„

Высота полёта /;„

Путевая скорость У„

Выдерживание требований технического задания на выполнение съёмки, соблюдение требований безопасности полёта

от 0,8-10 "И (м) до 1,2" 10 "3-т (м)

не хуже 10 м

от 10 до 20 км/ч

Координаты и геодезические высоты вертолёта X¡, У/, Н(

Ввод поправок за влияние фюзеляжа (определение положения системы «вертолёт-платформа») при обработке и интерпретации результатов электромагнитных исследований

Координаты и геодезические высоты ЭМ-платформы Хъ У]. Н>

Обработка результатов электромагнитных исследований; определение относительного положения системы «вертолёт-платформа»

Координаты и геодезические высоты магнитометра Хи, У,„ Н„

Обработка результатов электромагнитных исследований_

не хуже 3-5 м

Редуцированные координаты и высоты центра ЭМ-платформы на топографическую основу

В плане ЬУ

Построение отчётной карты (плана) поискового объекта

Точность применяемой карты

Истинная высота центра приёмной антенны платформы (превышение над земной поверхностью) А

Обработка результатов электромагнитных исследований

от 0,6 до 1 м

Примечание - В графе рекомендуемой точности т - знаменатель масштаба аэрогеофизической съёмки. Требования к точности указанных величин сформированы как на основе соответствующих инструкций, так и получены по результатам геофизических экспериментов._

Рассмотрены требования к детальности указанных параметров и частоте их записи и вывода. Часть из параметров (в частности, параметры навигации носителя) должны выводиться в масштабе реального времени, в то время как остальные величины могут быть получены в процессе камеральной обработки.

В настоящее время позиционирование отдельных элементов аэроэлектромагнитного комплекса производится посредством аппаратуры ГНСС. Методы позиционирования данной аппаратурой определяют два наиболее оптимальных варианта методики навигационно-геодезического обеспечения, предложенные в данной работе: метод относительного позиционирования и точного точечного позиционирования (РРР).

Не решённым до настоящего времени оставался вопрос определения истинной высоты к выносной платформы со среднеквадратической погрешностью (СКП) 1 м и выше.

До сих пор использовалось приближённое значение й, получаемое по измерениям радиовысотомера типа РВ-5 (Л,), находящегося на борту вертолёта, из которого вычиталась высота (Л/г) от фюзеляжа вертолёта до платформы. В итоге истинная высота платформы, получаемая данным способом, имела значительные погрешности за счёт низкой достоверности А1г, низкой точности определения кн посредством РВ-5 (до 5 м), а также несоответствия планового положения носителя и платформы.

Получение величины /г посредством установки на платформу лазерного высотомера также оказалось затруднительно из-за погрешностей, связанных с наличием постоянно изменяющихся углов наклона платформы и наличием препятствий.

Использование результатов измерений аппаратурой ГНСС и данных топографической карты также в большинстве случаев не обеспечивает необходимой точности определения /г.

В итоге был предложен фотограмметрический способ, описанный во втором разделе диссертации.

Второй раздел диссертации посвящен описанию способа и устройства для определения истиной высоты платформы над земной поверхностью с

использованием фотограмметрической системы из двух камер и инерциальной навигационной системы (ИНС).

Теоретической основой способа является применение пары предварительно откалиброванных неметрических фотокамер, закреплённых на выносной платформе и синхронно выполняющих съёмку земной поверхности через заданный период времени. При этом углы наклона платформы, а, следовательно, и камер, и расстояние между камерами - базис В - должны быть известны. Первое условие выполняется с помощью инерциальной навигационной системы, второе - путём выполнения предварительных замеров базиса на земле.

Рассмотрим сущность описываемого метода.

Пусть съёмка производится с двух точек пространства и (точки фотографирования фотокамер 1 и 2 соответственно), расстояние между которыми (базис) - постоянная величина В. Правые системы координат З/Х"/У"^"; и 52Х"2У"2Т2 задаются системой ИНС и ориентированы таким образом, что оси аппликат 2"[ и 2"2 вертикальны (направлены по отвесу), а оси ординат У/ и У"2 направлены на север, рисунок 1,

Пусть Бо - точка, находящаяся в центре базисной линии, соответствующая центру платформы, а точка А - проекция Бо на местность. Главной определяемой величиной для данной системы является расстояние к, равное длине вектора БоА. Величина вектора превышения /г может быть определена как:

где Ха - координата X точки А в заданной системе координат, В2- проекция базиса (вектора Б^г) на ось 2.

В формуле (1) неизвестной величиной является аппликата 2А. Для её получения, и определения искомой величины к строится свободная модель местности по левому и правому снимкам, получаемым одновременно с разных точек пространства. Началом системы координат модели может являться точка Б]. При этом углы наклона базиса приблизительно соответствуют крену и тангажу платформы, то есть измерениям ИНС.

Рисунок 1 - Определение истинной высоты платформы с использованием системы из двух синхронизированных фотокамер

На практике определить 2\ непосредственно по углам, получаемым ИНС, невозможно без вычисления значений угловых элементов внешнего ориентирования левого и правого снимков (си, соь К| и оь, а>2, к2), предварительно выполнив взаимное ориентирование снимков.

Угловые элементы внешнего ориентирования снимков могут быть получены по формулам:

А = -Дццс " Д) ■ А \

А - А ■ А ■ А"

2 ~ Л1ШС Л0 2"

где А/ и А2 - матрицы направляющих косинусов, аргументами которых являются элементы внешнего ориентирования снимков;

А1! и А"т- матрицы направляющих косинусов, определённых через элементы взаимного ориентирования левого и правого снимков базисной системе координат (БСК);

Ао - матрица направляющих косинусов, аргументами которой являются углы поворота БСК относительно плоскости платформы (зависит от углов установки фотокамер).

Далее, используя полученные угловые элементы внешнего ориентирования снимков и известные ХА,УЛ, соответствующие середине базиса, вычисляют значение ZA, например, с использованием автоматизированного алгоритма, выполняющего подбор 2А для которого участки левого и правого снимков с центрами в координатах XI у! и х2уг будут иметь максимальное значение корреляционной функции, например площадной корреляции:

X +".>"1 +т)Р2(х1 + р + п,у, +д + т)

N12-4/2 -ыи-м/г

Р= Ртъ"Ртп +1Ртп +2-Р™,; 9 = 9шт + 1.9™, +2...

где М и N - соответственно ширина и высота образца или пределы участков изображений Р/ и Р2 (образы определяемой точки) левого и правого снимка; р, с/ -значения продольного и поперечного параллаксов, рт,п и соответствуют минимальному значению перебора а ртах и дтгк - максимальному.

Координаты точек дг/ у/ и х2 у2 на левом и правом снимках, являющиеся центрами образов Му.Ы в формуле (3) - соответствующие точки модели с ХА, Ул, ХА (для различных величин ХА в процессе подбора) вычисляются по формулам:

А?ХА+Ь?УА+с?2А. а?ХА+Ъ?УА+с?2А

х = / а?\ХА-Вх) + Ь?\УА-Вг) + с?\гА-Вг).

2 "2 2 а?(ХА-Вх) + Ъ?\УА-Вг) + с«\ХА-ВгУ

а«\ХА-ВХ) + Ь?(УА ~Вг) + С"-2\2а -Вг) (5)

^ а?>(Хл-ВХ) + Ь?(УЛ-Вг) + с?\2л-Вг)"

где а,...,с," - направляющие косинусы, выраженные через угловые элементы внешнего ориентирования левого снимка (он, юь кО;

я,(21,...,Сз2> - направляющие косинусы, выраженные через угловые элементы внешнего ориентирования левого снимка (а2, а2, к2);

//> /2 - фокусные расстояния левой и правой камер;

хо1, Уо1 и хо2> Уо2 - координаты главной точки левого и правого снимков соответственно;

Вх, В у, Вг - проекции базиса на оси X, У, 2.

Формулы (3) и (4) имеют указанный вид, так как в принятой внешней системе координат начало находится в точке фотографирования левого снимка 5/, в следствие чего её кординаты (Х?/, У5/, 231) равны нулю, а координаты точки Б2 (Х$2, Ув2, 7-82) равны соответствующим проекциям базиса на оси X, У, 2.

При этом задается начальная 2?л и диапазон возможных значений величин 2Л. В случае, если X, У полученной точки не соответствуют ХА,Ул более чем на 1 м (можно задать более жёсткие требования), выполняется повторное вычисление х(У/.

Таким образом, обработка снимков осуществляется по известным из фотограмметрии зависимостям и включает:

Ввод в блок обработки данных из блока управления и снимков с фотокамер;

Вычисление составляющих Вх, Ву, В2 базиса В по углам крена (апл), тангажа (сопл) и курса (кпл) платформы во вспомогательной системе координат Б^УХ, задаваемой инерциальной навигационной системой;

Вычисление координат ХА, УА центра 50 подвижной платформы в системе координат Б ¡ХУ2\

Определение элементов взаимного ориентирования (аД кД и2", к2") снимков в базисной фотограмметрической системе координат (например,

с применением автоматических алгоритмов, основанных на применении площадных корреляторов, реализованных в современных цифровых фотограмметрических станциях);

С использованием данных инерциальной системы (апл, ш[ТЛ, кпл) осуществляют переход к вспомогательной системе 5]ХУ2 (вычисление элементов внешнего ориентирования снимков);

После чего на левом и правом снимках по координатам ХА, УА и приближенному значению высоты (ХА) полёта в системе координат 8}ХУ2

вычисляют плоские координаты точки А на обоих снимках (х/, >>/)а и (х2, уг)д доя различных значений ХА и выполняют автоматизированный подбор значения аппликаты с максимальным значением функции площадной корреляции; - по полученным величинам 2А и Вг вычисляется истинная высота /г. Альтернативным способом получения Ъа может являться автоматическое построение цифровой модели рельефа (ЦМР) на территории между точками надирами п/ и п2 па левом и правом снимках с последующим определением по ней искомой величины.

Как уже было отмечено, устройство основано на совместном применении ИНС и пары неметрических фотокамер. Для синхронизации измерений ИНС и моментов получения снимков предлагается использовать автономный кодовый ГНСС-приёмник или информацию с установленной на платформе аппаратуры ГНСС. Запись данных ИНС и блока ГНСС и подачу команды фотографирования должно выполнять устройство управления - микрокомпьютер, устанавливаемый в капсуле платформы. Таким образом, устройство, реализующее описанный способ должно включать следующие блоки:

Две цифровые неметрические фотокамеры (предварительно откалиброванные в лабораторных условиях);

Блок ИНС (трёхосевой МЕМБ-гироскоп и трёхосевой акселерометр, компенсирующий его дрейф);

Блок управления - микрокомпьютер или портативный компьютер, ведущий запись информации с блока ИНС, посылающий камерам команду съёмки (сохраняя при этом метку времени её подачи), которая выполняется посредством исполнительных механизмов;

Блок ГНСС (автономный или в виде информации с внешнего устройства) для синхронизации отсчётов времени блоков ИНС и управления;

Блок обработки - персональный компьютер или ЦФС со специальным программным обеспечением для выполнения камеральной обработки данных съёмки.

Данную систему, учитывая конструктивные особенности платформ серии «Импульс-Аэро», предлагается размещать на платформе на жёстких креплениях, в соответствии с рисунком 2.

Рисунок 2 - Размещение блоков фотографического устройства на платформе

Точность и достоверность определения к данным устройством зависела от следующих факторов (исследованных эмпирически и смоделированных теоретически): погрешности фотограмметрического метода (включающие дисторсию объективов фотокамер), погрешности блока ИНС; погрешности измерения базиса В на земле; погрешности угловой калибровки системы (наличие углов между начальным положением фотокамер и ИНС); деформации платформы; асинхронность экспонирования фотокамерами; погрешности синхронизации системы по времени с другими элементами аэроэлектроразведочного комплекса.

С использованием ряда упрощений, была получена суммарная СКП ти, равная 0,052 м. Такая точность получена для короткофокусных неметрических камер. Для её получения необходимо обеспечить СКП определения углов посредством блоков ИНС и ГНСС тинс не грубее 0°35"; точность установки камер (калибровки системы) тм не хуже 1°; погрешность измерения базиса тв на земле не должна превышать 1,5 см. При расчётах не учитывалась асинхронность срабатывания камер, деформации платформы и погрешность в идентификации соответственных точек (считалась не грубее 1 пикселя).

Для каждого из перечисленных источников погрешностей была предложена модель, позволяющая минимизировать их влияние.

Также в разделе рассмотрено создание действующего прототипа устройства, определяющего истинную высоту Н фотограмметрическим способом. Схема устройства с указанием элементной базы приведена на рисунке 3.

Корпус устройства

Блок ИНС (InvenSense MPU 6050)

MEMS-гироскоп и акселерометр

Блок ГНСС (uBlox NE06N)

Приемник ГНСС

Угловые скорости, линейные ускорения

Антенна ГНСС

Сигнал точного времени

Блок управления

Устройство управления (микрокомпьютер Raspbrerry Pi)

Команда съемки

Исполнительный механизм 1

Исполнительный механизм 2

Нажатие кнопки спуска затвора

Фотокамера 1 (Sony Nex3)

Фотокамера 2 (Sony Nex3)

Фотоснимки

Метки времени фотографирования, данные блока ИНС, данные ГНСС

Блок обработки (ПК со специальным ПО - Equilibrium, PhotoMod, Correlator)

Рисунок 3 - Схема разработанного рабочего прототипа устройства

Макет устройства выполнял все необходимые функции для получения h в процессе аэрогеофизической съёмки. Запись данных с блока ИНС (MEMS-система MPU6050 из трёхосевого гироскопа и трёхосевого акселерометра), автономного блока ГНСС (кодовый приёмник uBlox Neo6N) и подачу команд съёмки на камеры выполнял микрокомпьютер Raspberry Pi. Выполнение команд производилось механическим способом с помощью исполнительных механизмов - миниатюрных сервомашин, управляемых микроконтроллерами. Передача команды от микрокомпьютера к исполнительным механизмам выполнялось посредством 15-метровых кабелей.

Блок обработки действующего макета был представлен программами Equilibrium (разработка сотрудника ФГБОУ ВПО СГГА Никитина В. Н.), ЦФС PhotoMod 5 Lite и специально разработанная автором программа Correlator, выполняющая автоматический подбор ZA посредством площадного коррелятора.

Третий раздел диссертации посвящен экспериментальным исследованиям и практическим испытаниям разработанной методики. В силу комплексности исследований и проведённых работ, третий раздел разделялся на два больших подраздела:

Исследования ГНСС-аппаратуры и методов позиционирования;

Лабораторные исследования и практические испытания рабочего макета устройства, реализующего фотограмметрический способ определения истинной высоты.

Исследования ГНСС-аппаратуры проводились в первую очередь для выбора оптимального метода позиционирования. Особый интерес представлял метод РРР, о применении которого для навигационно-геодезического обеспечения геолого-геофизических работ публикации отсутствовали.

При проведении испытаний использовалась аппаратура NovAtel DL-V3 и Leica Viva GS-10. Обработка результатов измерений производилась в программном комплексе ГНСС NovAtel WayPoint GrafNav. Эксперименты с аппаратурой ГНСС и методами позиционирования включали наземные и лётные испытания.

По результатам наземных экспериментов для получения методом РРР координат с СКП уровня первых дециметров (0,2-0,4 м) в плане и по высоте в режиме статики, необходимая продолжительность измерений должна составлять не менее 30-60 минут. При этом разности между решениями методом РРР по быстрым («Rapid», доступны в Интернете через сутки после сеанса измерений) и окончательных («Final», доступны через 14-21 сутки) файлам точных эфемерид и поправок к часам IGS составляют единицы сантиметров, что позволяет сделать вывод о том, что обработка может производиться по быстрым файлам поправок, доступным уже через сутки после проведения измерений.

При сравнении кинематических данных, обработанных методом РРР и относительным методом отклонения СКП, составили 0,3-0,5 м в плане и до 1 м по высоте (если принять измерения, обработанные относительным методом за истину). Относительное положение антенн двух приёмников, являвшееся контрольной величиной при проведении кинематических испытаний, при обработке как относительным методом, так и РРР, сохранялось на уровне СКП 0,1-0,2 м, что позволило сделать вывод о применимости данного метода к геодезическому обеспечению аэрогеофизического комплекса.

В процессе лётных исследований были испытаны различные места установки антенн спутниковых приёмников. Разности при позиционировании платформы и вертолёта для соответствующих точек треков, полученных относительным методом и РРР, отличались между собой на 0,2-0,3 м в плане и по высоте (при базовых линиях, не превышающих 50 км).

По результатам выполненных работ были сделаны следующие выводы: -метод РРР чувствителен к срывам в наблюдении фазовых циклов, что сделало наиболее эффективным комбинирование методов относительного позиционирования (для обработки кинематических треков) и РРР (для получения координат базовой станции);

Решения, получаемые методом РРР, могут использоваться при наличии сбоев в работе базовой станции с обеспечением необходимой точности.

Следующим этапом экспериментов являлись лабораторные и лётные исследования созданного макета устройства, реализующего фотограмметрический способ получения истинной высоты.

Лабораторные исследования включали в себя определение задержек от подачи команды блоком управления на фотокамеры до выполнения экспонирования 1кам] и 1ксш2 и наземный эксперимент, имитирующий аэросъёмку.

Полученные фотографированием тестового стенда величины гкаМ1 и?ка.,2 составили 496,9 мс и 524,4 мс, однако в работе обеих камер имелась нестабильность от 50 до 100 мс, связаная с неустойчивой работой сервомашин вследствие значительного сопротивления 15-метровых кабелей связи.

Целью следующего наземного эксперимента являлась оценка точности предложенного способа фотограмметрической обработки.

При проведении эксперимента имитировались условия летных работ в статике на земле. Эксперимент подразумевал имитацию съёмки земной поверхности при различных углах наклона платформы.

По измерениям девяти замаркированных точек была получена СКП определения расстояния до них 0,024 м, что соответствовало погрешности 0,12 м в реальных условиях (без учёта асинхронности камер и деформации платформы).

Летные испытания макета устройства, реализующего фотограмметрический способ получения высоты, показали, что в целом инженерные и теоретические решения, применяемые при его создании, позволяют получать непрерывные решения с частотой до 2 с (масштаб съёмки до 1: 10 000).

Всего было исследовано восемь стереопар, полученных при разных углах наклона платформы на различных высотах полёта. Также отличалась степень залесённости участков, отображённых на снимках - от густого леса с просветами между деревьями менее 1 м до лугов с отдельно стоящими деревьями.

Наличие на местности плотного смешанного леса создавало большие трудности в идентификации соответственных точек, необходимых как для выполнения взаимного ориентирования, так и для поиска аппликаты определяемой точки. На снимках, полученных над слабозалесенной (1-П категории сложности) местностью, в специально разработанной программе, корреляция была получена достаточно надежно (рисунок 4). Так как снимки трансформированы по элементам взаимного ориентирования от 2Д (а значит и К) зависела величина только продольного параллакса р, перебор которой выполнялся по формуле (3).

Для такой территории наиболее эффективно использовать площади корреляции от 100x100 пикселей до 200x200. При наличии деревьев (50 % площади снимка и более, Ш-У категории сложности), рекомендуется использовать ручной режим обработки.

Параметры сы В (мм): 14370

Пределы (+- м):

иВводт$ек]У Ы2-Х: 2200 V. 1087

□ ВеоатМ!

N1 -X: 2200У: 1087

Площади корреляции

30x150 -!"■/ 200x200 -Г/|:

Площади корреляции

50x150 - У 200x200 -200x50

Результаты обработки фотоснимков разработанным методом в сравнении с другими, используемыми ранее, показаны в таблице 2.

Таблица 2 - Определение истинной высоты /г по выбранным стереопарам

стереопары

Истинная высота Л, м

Фотограмметрический способ

По измерениям радиовысотомера

По ГНСС-измерениям и высотам карты 1: 50000

Рисунок 4 - Автоматическое определение истинной высоты платформы и графики зависимости коэффициента корреляции от подбираемого значения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате диссертационной работы был выполнен ряд теоретических и практических задач:

Определены задачи навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований, исследованы навигационные и геодезические параметры аэрогеофизического комплекса и требования к точности их определения.

Разработан фотограмметрический способ определения истинной высоты с помощью синхронной съёмки парой неметрических фотокамер и измерений инерциальной навигационной системой. Рассмотрена математическая модель способа, предложены алгоритмы вычислений.

Предложено устройство, реализующее данный способ, выполнен предрасчёт точности, смоделированы погрешности, вносимые различными факторами, разработан алгоритм работ с данным устройством, предложены пути дальнейшего совершенствования.

Усовершенствована методика навигационно-геодезического обеспечения многометодных аэрогеофизических исследований с использованием многометодного аэроэлектромагнитного комплекса с выносной приёмно-генераторной конструкцией с использованием разработанного способа и устройства.

Получена точность порядка единиц сантиметров для статики методом РРР и первых дециметров - для кинематики (при этом результаты измерений относительным методом применялись за истинные значения), предолжено применение метода в комплексной методике.

Создан действующий макет устройства, реализующего фотограмметрический способ определения истинной высоты. Выполнены лабораторные исследования и практические испытания действующего макета разработанного устройства, в результате которых были получены истинные высоты выносной платформы.

Разработанная методика может применяться для навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований, а предложенные

способ и устройство - для определения истинной высоты подвижных объектов, в том числе электромагнитной измерительной платформы.

ДИССЕРТАЦИИ

1 Шевчук, С. О. Навигационное и геодезическое обеспечение аэроэлектромагнитных исследований с подвесной вертолётной платформой [Текст] // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. - 2012. - № 2. - С. 72-75.

2 Навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических исследований [Текст] / Г. М. Тригубович, С. О. Шевчук, А. А. Белая [и др.] // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. - 2013. - № 2. - С.61-69.

3 Кузин, В. И. Фотограмметрический способ и устройство для определения истинной высоты выносной вертолётной платформы аэрогеофизического комплекса «Импульс-Аэро» [Текст] / В. И. Кузин, С. О. Шевчук, В. Н. Никитин // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъёмка. - 2013. - № 4/С. - С. 86-92.

4 Пат. 2508525 Российская Федерация МПК51 G01C 11/04 GOIV 3/16 Фотограмметрический способ определения превышений подвижного объекта над земной поверхностью и устройство для аэрогеофизической разведки, реализующее его [Текст] С. О. Шевчук, В. Н. Никитин, С. В. Барсуков; заявители и патентообладатели: Федеральное Государственное Унитарное Предприятие «Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья», Общество с ограниченной ответственностью Геофизическое предприятие «Сибгеотех» . - 2012139733; заявл. 17.09.2012; опубл. 27.02.2014 - Бюл. № 6. - 11 с.

5 Навигационно-геодезическое обеспечение геолого-геофизических работ с использованием глобальных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS [Текст] / А. Г. Прихода, А. П. Лапко, Г. И. Мальцев, С. О. Шевчук // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. - С. 174-180.

6 Шевчук, С. О. Исследование метода точного точечного позиционирования для геодезического обеспечения геолого-геофизических работ [Текст] / С. О. Шевчук // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия»: сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). -Новосибирск: СГГА, 2012. Т.2. - С. 251-258.

7 Шевчук, С.О. Применение метода точного точечного позиционирования (РРР) для геодезического обеспечения аэроэлектроразведочных работ [Текст] / С. О. Шевчук, Н. С. Косарев // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия»: сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГТА, 2012. Т.2. - С. 239-244.

8 Шевчук, С. О. Фотограмметрический способ получения истинной высоты выносной вертолётной платформы [Текст] / С. О. Шевчук, В. Н. Никитин // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII междунар. науч. конгр. 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск: сб. молодых ученых СГГА. - Новосибирск: СГГА, 2012. -С. 96-101.

9 Шевчук, С. О. Способы определения истинной высоты аэрогеофизической вертолётной электроразведочной платформы [Текст] / С. О. Шевчук, В. Н. Никитин // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология»: сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т.1. - С. 74-82.

10 Шевчук, С. О. Факторы, влияющие на точность определения истинной высоты выносной вертолётной платформы аэрогеофизического комплекса «Импульс-Аэро» [Текст] // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. (23). - С. 34-46.

11 Шевчук, С.О [Текст] Алгоритм определения пространственных углов аэрогеофизической платформы/ С.О. Шевчук, Н.С. Косарев // Вестник СГТА -2013. - Вып. (24). - С. 37-47.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Шевчук, Станислав Олегович, Новосибирск

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

(ФГБОУ ВПО «СГГА»)

На правах рукописи

Шевчук Станислав Олегович

РАЗРАБОТКА ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОГО СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ АЭРОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

25.00.34 - «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, ст. научный сотрудник Лапко Александр Петрович

Новосибирск - 2014

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

1 НАВИГАЦИОННО-ГЕОДЕЗИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

АЭРОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................13

1.1 Задача навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических работ 13

1.1.1 Геофизические методы исследования недр. Аэрогеофизика...........................13

1.1.2 Навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических работ...........14

1.2 Методы спутниковых измерений, применяемые при навигационно-геодезическом обеспечении геофизических работ....................................................17

1.2.1 Существующие и разрабатываемые глобальные спутниковые навигационные системы...........................................................................................................................17

1.2.2 Методы спутникового позиционирования.........................................................18

1.3 Топографо-геодезическое обеспечение аэрогеофизических работ....................22

1.4 Навигационно-геодезическое обеспечение многометодного аэрогеофизического комплекса....................................................................................24

1.4.1 Аэроэлектроразведочный комплекс «Импульс-Аэро».....................................24

1.4.2 Определяемые навигационные и геодезические параметры...........................27

1.4.3 Требования к точности определения навигационных и геодезических параметров......................................................................................................................29

1.5 Способы определения навигационных и геодезических параметров аэроэлектромагнитных исследований.........................................................................37

1.5.1 Определение параметров навигации носителя..................................................37

1.5.2 Определение геодезических координат и высот вертолёта, платформы и магнитометра..................................................................................................................40

1.5.3 Получение редуцированных координат магнитометра и платформы............43

1.5.4 Определение истинной высоты (превышения над земной поверхностью) выносной платформы....................................................................................................48

2 РАЗРАБОТКА СПОСОБА И УСТРОЙСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕВЫШЕНИЙ РАЗВЕДОЧНОЙ ПЛАТФОРМЫ НАД ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ...................55

2.1 Способ получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью.................................................................................................................55

2.1.1 Теоретическое обоснование способа получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью..............................................................................55

2.1.2 Устройство, реализующее способ получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью..............................................................................65

2.1.3 Априорный расчет точности способа и устройства. Факторы, понижающие точность системы. Расчёт поправок............................................................................68

2.1.4 Алгоритм выполнения работ с использованием способа и устройства для получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью..............81

2.1.5 Преимущества, технические ограничения и пути усовершенствования описанных способа и устройства.................................................................................82

2.2 Разработка рабочего макета (прототипа) устройства, реализующего способ получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью..............84

2.2.1 Макет разрабатываемого устройства.................................................................84

2.2.2 Критерии выбора аппаратуры, входящей в состав создаваемого прототипа устройства......................................................................................................................85

2.2.3 Выбор фотокамер, используемых в разрабатываемом устройстве.................87

2.2.4 Выбор устройств для блоков ИНС и ГНСС.......................................................92

2.2.5 Разработка блока управления. Создание объединенного блока......................93

2.2.6 Организация блока обработки...........................................................................100

2.3 Методика навигационно-геодезического обеспечения аэроэлектромагнитных

исследований, включающая в себя разработанные способ и устройство.............100

3 ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ НАВИГАЦИОННО-ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

АЭРОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................102

3.1 Испытания методов ГНСС-измерений, применяемых при навигационно-геодезическом обеспечении аэроэлектроманитных исследований........................102

3.1.1 Постановка задачи испытаний методов ГНСС-измерений............................102

3.1.2 Исследуемая ГНСС-аппаратура........................................................................103

3.1.3 Наземные исследования методов позиционирования в режиме статики.....104

3.1.4 Наземные исследования методов позиционироваиия в кинематическом режиме..........................................................................................................................108

3.1.5 Лётные испытания аппаратуры и методов позиционирования.....................113

3.1.6 Выполнение навигационно-геодезического обеспечения геофизических исследований в Курагинском районе Красноярского края.....................................119

3.2 Лабораторные исследования рабочего прототипа устройства, реализующего получение истинной высоты платформы фотограмметрическим способом........128

3.2.1 Исследование синхронности камер в макете устройства..............................128

3.2.2 Точность определения расстояний макетом устройства в статике...............130

3.3 Испытания рабочего макета устройства, реализующего фотограмметрический способ получения истинной высоты платформы....................................................134

3.3.1 Подготовка испытаний......................................................................................134

3.3.2 Настройки фотокамер и устройства управления. Выполнение съёмки.......136

3.3.3 Получение истинной высоты посредством рабочего макета разрабатываемого устройства....................................................................................138

3.3.4 Выводы по выполненным испытаниям............................................................152

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................154

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................156

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ И ЗАРУБЕЖНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ И ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ ГЛОНАССЛЗР8

АППАРАТУРЫ................................................................................170

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное) ИССЛЕДУЕМЫЕ ФОТОСНИМКИ (УМЕНЬШЕННЫЕ)........................................................................... 177

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В настоящее время при геофизической разведке широко применяются методы сбора геофизической информации с использованием летательных аппаратов, позволяющие получать параметры строения различных слоев земной коры дистанционно, с меньшими экономическими затратами. Методы аэрогеофизической разведки эффективно применяются при изучении земных недр, поиске как твёрдых, так и нефтегазовых полезных ископаемых, мониторинге разработки месторождений и решении широкого круга поисково-оценочных и инженерных задач. Значительное повышение экономической эффективности данных работ достигается применением многометодных систем, выполняющих комплексные измерения различных полей Земли (электрического, магнитного, электромагнитного поля, поля силы тяжести, радиационного, теплового), в том числе одновременно.

Одной из наиболее значимых задач аэрогеофизики (наряду с проблемами обработки и интерпретации геофизической информации) является получение пространственных данных аэрогеофизической съёмки - выполнение навигационного и геодезического обеспечения, в частности - параметризация съёмки (определение необходимых навигационных и геодезических параметров).

Современные аэрогеофизические исследования всё чаще решают локальные поисковые задачи высокой детализации с крупными масштабами съёмки, в частности 1:10 ООО, что в значительной мере повышает требования к точности, целостности и частоте фиксации величин навигационно-геодезических параметров.

В настоящее время в связи с развитием технологий спутникового позиционирования, для решения задач координатного обеспечения и навигации широко используются методы, основанные на применении глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Ранее для решения данных задач применялись методы аэрофотосъёмки и радиогеодезии.

Появление цифровых съёмочных систем и методов автоматической

обработки фотограмметрических измерений создало возможность их применения для эффективного решения некоторых задач навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизики, трудно реализуемых посредством ГНСС и других методов.

При навигационно-геодезическом обеспечении аэроэлектромагнитных исследований одной из задач параметризации является точное определение истинных высот (превышений над земной поверхностью) выносных конструкций (платформ или гондол), для чего может применяться фотограмметрический метод.

Учитывая появившиеся в последнее время новые технологии и программные средства, может быть разработана комплексная методика по навигационно-геодезическому обеспечению, включающая в себя перечень работ по навигационно-геодезическому обеспечению аэрогеофизических исследований, рекомендованное программно-аппаратное обеспечение для них, а также позволяющая варьировать некоторые технологические звенья.

Разработанная методика, включающая фотограмметрический способ и устройство для определения истинной высоты выносных конструкций, может в значительной мере повысить качество выполняемых аэрогеофизических работ.

Степень разработанности темы.

По вопросам навигационно-геодезического обеспечения геолого-геофизических работ (в частности, аэрогеофизики) посредством ГНСС-технологий опубликован ряд работ, в частности методические разработки, статьи и исследования таких ученых, как Прихода А. Г., Глаголев В. А., Тригубович Г. М., Каленицкий А. И., Канторович А. Э., Антонович К. М., Сурнин Ю. В., Щербаков В. В., Войтенко А. В. и др. Из зарубежных авторов, прямо или

косвенно занимающихся данным вопросом, могут быть отмечены: Rizos Ch., Hofmann-Wellenhof В., Petrovski I. G., Bisnath S., Leick А. и др.

Целью исследования являлось усовершенствование методики навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических работ с электромагнитным разведочным комплексом с подвесной вертолётной платформой, включая решение задачи получения её высоты над земной поверхностью фотограмметрическим способом.

Применение разрабатываемой методики при проведении детальных комплексных аэрогеофизических исследований повышает точность и достоверность определения параметров физических полей Земли и, как следствие, выделения (локализации) поисковых объектов.

Задачи исследования:

Конкретизация задач навигационно-геодезического и топографического обеспечения аэрогеофизических работ и методов их решения, анализ определяемых навигационно-геодезических параметров при выполнении многометодных аэрогеофизических съёмок, исследование необходимой точности их определения;

Разработка фотограмметрического способа определения превышений выносной вертолётной платформы (приёмно-генераторной конструкции) над земной поверхностью (истинной высоты);

Разработка методики навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических работ с обоснованием выбора аппаратуры, методов измерений и программного обеспечения для навигационно-геодезического сопровождения аэрогеофизической съемки и обработки результатов спутниковых измерений;

Создание рабочего макета устройства, реализующего способ определения превышений выносной вертолётной платформы и его испытания.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования диссертационной работы является навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических работ.

Предметом исследований является методика навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований, включающая применение технологий ГНСС и разработку фотограмметрического способа и устройства для определения превышения над земной поверхностью (истинной высоты) выносной электромагнитной платформы.

Научная новнзна результатов исследований. Впервые предложен фотограмметрический способ для определения истинной высоты выносной конструкции (платформы) и устройство, реализующее его. Основной особенностью устройства является применение пары камер, синхронно экспонирующих земную поверхность под выносной платформой. Преимуществами данного способа (в частности, в сравнении с применением лазерных высотомеров) является учёт углов наклона выносной конструкции и возможность смещения определяемой точки (в случае наличия препятствий на местности) на снимках.

Усовершенствована методика навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований с использованием подвесной электромагнитной платформы, обеспечивающая параметризацию электромагнитных измерений с необходимой точностью, надежностью и частотой (периодичностью).

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанная методика, включающая определение высоты фотограмметрическим способом, обеспечивает определение навигационно-геодезических параметров аэрогеофизической съёмки с необходимой точностью и в значительной мере повышает качество и эффективность аэрогеофизических исследований.

Методология и методы исследований. Выполненные исследования базировались на анализе научной и технической литературы, нормативных документов и выполнении экспериментальных работ.

Для решения поставленных задач применялись:

Теория математической статистики;

Теория фотограмметрической обработки пары снимков;

Теория математической обработки геодезических измерений;

Методы математического моделирования.

Применялись методы фотограмметрии, геодезии, обработки данных аэрофотосъёмки, геоинформатики, спутниковой навигации.

При выполнении исследовательских и практических работ применялось следующее программное обеспечение:

Программа для обработки спутниковых измерений NovAtel WayPoint GrafNav;

Среды разработки программ Borland Delphi, IDE Lazarus, Free Pascal;

ГИС Maplnfo, Garmin MapSource;

Вычислительная среда программирования Equilibrium;

Разработанная методика была испытана на практике (на нефтепроводе Ванкорского месторождения в Ямало-Ненецком автономном округе и в Курагинском районе Красноярского края). Предложенное фотограмметрическое устройство, включающее в себя пару неметрических камер, инерциальную навигационную систему и микрокомпьютер, было представлено и испытано в лабораторных и лётных условиях в виде рабочего макета.

На защиту выносятся:

а) разработанные фотограмметрические способ и устройство обеспечивают определение истинной высоты выносной аэрогеофизической платформы с необходимой точностью;

б) предлагаемая комплексная методика навигационно-геодезического обеспечения аэроэлектромагнитных исследований с использованием выносной электромагнитной платформы решает задачу определения необходимых навигационных и геодезических параметров.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

областям исследований:

- № 3: «Теория, технология и технические средства сгущения по аэрокосмическим снимкам геодезических сетей, создания и обновления топографических, землеустроительных, экологических, кадастровых и иных карт и планов»;

- № 5: «Теория и технология получения количественных характеристик динамики природных и техногенных процессов с целью их прогноза».

Степень достоверности и апробация. Основные положения и результаты научного исследования докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и конгрессах:

VII Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2011», г. Новосибирск, СГГА, 19-29 апреля 2011 года;

VIII Международный научный конгресс «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012», г. Новосибирск, СГГА, 10-20 апреля 2012 года;

IV Международная конференция «Геодезия. Маркшейдерия. Аэросъёмка. На рубеже веков», г. М

Фотограмметрия, ее методы. Вводная лекция Учебные вопросы: 1. Предмет и методы фотограмметрии. 2. Краткий обзор развития фотограмметрии, её связь с другими дисциплинами и значение для народного хозяйства и военного дела. 3. Фотограмметрические методы создания геопространственной информации: - виды, методы и способы создания т/карт; - общее представление о современных видах геопространственной информации. - содержание курса, литература. Время: 2 часа Литература: 1. Лобанов А. Н. . Фотограмметрия. - М. : Недра, 1984. С. 4 -8. 2. Хрущ Р. М. , Волков Д. А. , Волков В. Я. , Глухов Б. А. Фотограмметрия. - М. : Воениздат, 1989. С. 3 -13. Хрущ Р. М. , Этапы становления и развития фотограмметрии в России//Геодезия и картография. -2003. - № 7. - 37. - с. 50 -58.

Введение Для того чтобы стать профессиональным катрографом следует изучить много учебных дисциплин, в том числе и тех, которые непосредственно формируют специалиста данной профессии. На кафедре ведётся обучение по четырём основным направлениям: * проектирование и составление общегеографических и тема- тически карт; * топографо-геодезические работы; * аэрокосмическое картографирование; * геоинформационные системы; Учебная дисциплина «Аэрокосмические методы» изучается, начиная со 2 -го курса.

Составные части дисциплины «Аэрокосмические методы» Аэрокосмические съёмки Дешифрирование снимков Фотограмметрия Наземная фотограмметрия

1. Фотограмметрия, ее методы. Краткий обзор развития фотограмметрии и ее современные достижения. Фотограмметрия – это научная дисциплина, изучающая методы определения форм, размеров и пространственного положения объектов по их фотографическим изображениям. Относится фотограмметрия к семейству технических дисциплин. Название «фотограмметрия» происходит от греческих слов photos – свет, gramma – запись и metreo - из- меряю. Таким образом, в буквальном переводе фотограм- метрия - это измерения по светозаписи. Можно констатиро- вать, что измерения по светозаписи, то есть по фотоснимкам (фотоизображению), является задачей фотограмметрии. Для реализации измерений при этом могут использоваться два метода: фотограмметрический и стереофотограмметрический.

Фотограмметрический метод измерения объектов основан на свойствах одиночного фотоснимка. Сущность его состоит в получении по фотоснимку модели объекта (рис. 1), как совокупности точек пересечения восстановленной связки проектирующих лучей с плоскостью Е. Масштаб модели в этом случае зависит от удаления Z плоскости Е от центра проекции S. Очевидно, что по одиночному фотоснимку можно решать измерительные задачи только для плоских объектов. На практике фотограмметрический метод используют, если отступлениями от плоскости можно пренебречь. Примером подобного решения является трансформирование фотоснимков на одну плоскость. Такое трансформиование используется для создания фотоплана, который является основой съёмочного оригинала КМ АФТС, теоретической основой которого являются формулы (1). Сущность фотограмметрического метода Z Рис. 1. (1)

Сущность Стереофотограмметрический метод стереофотограмметрического измерений основывается на свойствах метода двух перекрывающихся фотоснимков (сте- реопары). Сущность его состоит в том, что восстановленные связки проектирующих лучей двух фотоснимков (рис. 2) устанав- ливаются относительно друга в такое положение, которое они занимали в мо- менты съемки. В результате будет полу- чена модель объекта, подобная самому объекту. Масштаб модели зависит от расстоя- ния S 1 S 2 между вершинами связок. Такую модель можно измерять и выполнять любые работы, связанные с измерениями. В частности, выполнив ориентирование модели относительно планшета Е, можно составить оригинал карты. Рис. 2

Фотограмметрия тесно связана со многими науками и научными дисциплинами: физикой, химией, математикой, электронной техникой, точным приборостроением, программированием, геодезией, картографией, теорией ошибок и математической обработки измерений и т. д. Безусловно, что существует самая тесная связь фотограмметрии со многими дисциплинами кафедры картографии. Фотограмметрия изучает теоретические основы методов и технологий, применяемых для решения практических задач, а также методику и технологию многих производственных процессов.

Зарождение фотограмметрии связано с двумя аспектами: с развитием способов получения изображений в центральной проекции, то есть с теорией перспективы; С развитием способов фиксирования перспективных изображений, то есть с развитием фотографии (с историей фотографии). Начало теоретических основ перспективы заложено работами известных деятелей Возрождения: Альберти (1404 -1471), Дюрер (14711528), Дезарг (1593 -1662) и др. Первым полным и обобщенным трудом по теории перспективы была работа немецкого математика Й. Ламберта (17281777) «Свободная перспектива» (1759).

Простейшие способы получения перспективных изобра- жений известны со времен Аристотеля (350 лет до н. э.). К средним векам эти способы трансформировались в изоб- ретение камеры-обскуры (от лат. obskurus – тёмный). Световые лучи, проходя через круглое отверстие такой ка- меры, образуют на ее задней стенке изображение объекта. Это изображение можно зафиксировать графическим способом. Первое описание камеры-обскуры относится к концу ХУ 1 века (венецианец Барбаро, работа «Практика перспек- тивы»). В те времена камера-обскура была снабжена объективом (Барбаро, 1568; Порта, 1585) – трубка с плосковыпуклой линзой. Работы Кеплера (комбинированные линзы) и дальшейшие усовершенствования камерыобскуры привели к созданию переносной камеры-клары (светлой камеры).

Устроена камера-обскура очень просто. Ее без особо- го труда можно сделать само- стоятельно. Возьмите обыч- ную жестяную банку из-под консервов. В ее дне шилом проколите небольшое отвер- стие. На открытую часть банки натяните лист папиросной бумаги. Направьте отверстие банки на ярко освещенный объект и на папиросной бу- маге прступит тусклое, но вполне различимое изобра- жение. Если обвести каранда- шом контуры изображения, то мы, даже не умея рисовать, получим рисунок с натуры. Вот это и есть камера-обскура. Камера-обскура Рис. 3 В средние века камера-обску- ра была единственным устройством для фиксации неподвижных изображений (рис. 3).

Адекватным способом фикса- ции перспективных изображений стала фотография. Жозеф Нисефор Ньепс (1756 -1833) Первое устойчивое изображение с помощью света (на ас- фальтовом слое) было получено фр. изобретателем Ж. Ньепсом в 1822 г. Этот способ назван ге- лиографией. До нас дошла более поздняя гелиография, сделанная им в 1826 году. Кроме гелиографии Ж. Ньепс изобрел диафрагму – простой ме- ханизм изменения диаметра отве- рстия камеры-обскуры, позволя- ющий увеличить резкость изобра- жения. Рис. 4.

Тем не менее, изобретателем фотографии считается француз- ский художник Луи Жак Манде Дагер (1787 -1851), запатентовав- ший в 1839 г. способ получения изображения на галоидных слоях – дагеротипию. Луи Жан Дагер (1787 -1851), Официальным днём изобре- тения фотографии является 7 января 1839 г. Дагеротипное изображение по- лучали на серебряной или на посеребренной медной пластин- ке не графическим способом, а под воздействием света на свето- чувсвительном слое. Изображение получалось позитивное. Рис. 5

После съемки с помощью камеры-обскуры, на пластинке получалось слабое изображение. Его подвергали воздействию паров ртути. На местах, подвергшихся воздействию света при съемке, ртуть оседала в виде белой амальгамы. Дальше пластинка обрабатывалась тиосульфатом, под воздействием которого растворялось йодистое серебро (в местах, не подвергшихся воздействию света) и обнажалась серебреная поверхность – эти места выглядели темными. В сочетании с амальгамой ртути они создавали позитивное фотографическое изображение (см. рис. 6 и 7). Однако дагеротипное изображение не могло исполь- зоваться для измерительных целей. Это стало возможным и было связано с дальнейшим совершенствованием способа получения изображения на светочувствительном слое – мокроколлодионного процесса.

В 1851 г. английский исследователь Фредерик Скот Арчер разработал новый способ фиксирования перс- пективных изображений. Светочувствительный слой, полученный на основе коллодиона, наносился на стеклянную пластинку непо- средственно перед съемкой. Проявление пластинок, как и их экспонирование, проводилось при мокром состоянии светочувствительного слоя. Полученные снимки по своим геометрическим и физическим свойствам можно было использовать для решения измерительных задач. Поэтому первые опыты подобного применения фотографии начались почти сразу после открытия мокроколлодионного процесса. Французский военный инженер Эмме Лосседа в 1851 г. предложил их использовать при топографических съёмках. Поэтому начало 50 -х годов Х 1 Х ст. следует считать временем зарождения фотограмметрии.

Этапы развития фотограмметрии Первый этап – 1850 -х г. – рубеж Х 1 Х и ХХ ст. Это этап возникновения и эпизодического применения фотограм- метрии. Второй этап – 1901 г. – начало 1960 -х г. Этап аналоговой фотограмметрии. Третий этап – 1961 г. – середина 1980 -х г. Этап аналити- ческой фотограмметрии. Четвёртый этап – начиная примерно с середины 1980 -х г. Этап цифровой фотограмметрии. Первый этап развития фотограмметрии можно разделить на два периода: первый период 1851 -1881 гг. , второй период 1882 -1900 гг. Первый период 1 -го этапа развития фотограмметрии характеризуется отдельными случаями применения фото- графий, полученных на основе мокроколлодионного процесса, для составления топографических планов. Это период зарождения наземной фотограмметрии и её эпизодического применения.

Примерами применения наземной съемки являются ра- боты Э. Лосседы (окрестности Парижа, 1861 г.), Явари (съемка г. Гренобль, 1965), работы немецкого архитектора Мейденбауэра (1967 г. , окрестности г. Фрейбурга), в 80 -е г. съемку в Альпах производил итальянский инженер Пио Паганини. Известны и другие работы. Но это были, всетаки, отдельные случаи, а не систематические съемки. Основной трудностью, сдерживавшей применение фотограмметрии в то время, были особенности мокроколлодионного процесса: наносить светочувствительный слой необходимо было непосредственно перед съемкой, а фотографирование – на мокрую пластинку. Поэтому приходилось использовать полевую лабораторию (рис. 8). Рис. 8

Положение изменилось, ког- да англичанин Медок (1871) изобрел фотопластинки с су- хим броможелатиновым слоем. Их внедрение начинается с 1873 г. , а к 1882 г. они полностью вытеснили мокроколлодионный процесс. Подводя итог первому пе- риоду 1 -го этапа развития фо- тограмметрии, уместно привес- ти слова Н. М. Алексаольско- го: «Характерной чертой этого периода является наличие тех- нических средств, достаточ- ных для развития наземной фотограмметрии, но недоста- точных для развития аэрофо- тограмметрии» . Второй период 1 -го этапа Внедрение сухих фотоплас- тинок способствовало не только развитию наземной фотограмметри, но возникно- вению и развитию воздушно- го фотографирования. Пионером воздушного фотографирования был Фе- ликс Турнашон (1820 -1910), более известный под псев- донимом Надар (1855 г. - патент на воздушное фотог- рафирование). Первый сни- мок сносного качества он смог получить в 1859 г. Первое фотографирова- ние на сухую фотопластинку выполнил фр. архитектор Трибуле 8 июня 1979 г.

В России на этот период (2 -й период 1 -го этапа) приходится как начало применения наземной фотограмметрии, так и начало воздушного фотографирования. Первые опыты по наземной съемке принадлежат Министерству путей сообщения: 1891 г. применил при железнодорожных изысканиях наземную съемку инженер Н. О. Виллер, а затем - Р. Ю. Тиле (1843 -1911), который в 1897 г. возглавил фототопографические работы в указанном ми- нистерстве. Первые попытки воздушного фотографирования принадлежат инженерному корпусу. Генерал М. М. Бересков (начальник гальванической части инженерного корпуса), с 1884 г. возглавлявший «комиссию по применению воздухоплавания, голубиной почты и сторожевых вышек к военным целям» , в 1885 г. командируется в Париж для приемки воздушных шаров (аэростатов). Первый снимок был получен 18 мая 1886 г. (поручик А. М. Кованько, начальник воздухоплавательной команды).

Рис. 9. Генерал-лейтенант Кованько А. И. , начальник воздухоплавательной школы Рис. 10. Первый воздушный фотоснимок

Второй этап развития фотограмметрии – этап аналоговой фотограмметрии делится на четыре периода. Первый период этого этапа (1901 -1922). Наземная фото- грамметрия продолжает развиваться. Она получила в этот период технологическое завершение благодаря двум значительным событиям. Первое событие связано с предложением Штольце (Германия) применять стереоскопические измерения (1893), которое было реализовано доктором К. Пульфрихом в разработанном им стереокомпараторе (1899). Этот прибор впервые был выпущен в 1901 г. предприятием К. Цейсса, где К. Пульфрих работал как главный инженер. Второе событие связано с разработкой автостереографа (1908, Э. Орель, Австрия). Если на стереокомпараторе можно было измерять отдельные точки стереопары фотоснимков, то на автостереографе (впоследствии он назван стереоавтог- рафом) можно было составлять план местности. В России также продолжает развиваться наземная фотограмметрия, так и аэрофотограмметрия. Свидетельством тому является выход трех томов «Фототопографии в современном развитии» Р. Ю. Тиле (1908 -1909).

На воздушное фотографирование повлияло бурное развитие авиации. К значительным событиям этого периода следует отнести создание воздухоплавательных батальонов, а также достижения некоторых русских ученых и практиков. В частности, работы профессора полковника В. Ф. Найденова (книга «Измерительная фотограмметрия и применение ее в воздухоплавании» , фототрансформатор), подполковника С. А. Ульянина и полковника В. М. Потте (полуавтоматический аэрофотоаппарат, сконстроирован- ный в 1913 г. и использовавшийся до 1930 г.). Воздушное фотографирование использовалось во время русско-японской войны и более активно в первую мировую. К сожалению, Корпус военных топографов не только не был инициатором применения фотограмметрии, но и выступал против ее использования при создании топографических карт. Характерным является взгляд генерал-лейтенанта Н. Д. Артамонова, который в то время возглавлял Корпус военных топографов: «Для целей топографии фотографические перспективы не могут быть средством очень полезным. Для съемки подробностей фотография заменить мензулу не может и, можно, сказать, непригодна для нее» (Курс низшей геодезии, 1908 г.).

Второй период (1923 – 1929) характеризуется разра- боткой и внедрением КМ АФТС. Основная заслуга в этом деле принадлежит профессору Н. М. Алексапольскому. В этот же период была разработана и внедрена графическая фототриангуляция (Н. М. Алексапольский и Ф. В. Дробышев). Кстати, в 1923 г. фотограмметрию стали преподавать и в военнотопографическом училище. Третий период (1931 -1945) – широкое применение КМ АФТС, разработка и внедрение дифференцированного способа стереотопографического метода (СМ АФТС) аэрофототопографической съемки. Наиболее заметными достижениями этого периода советских фотограмметристов являются: первые работы М. М. Русинова по совершенствованию аэрофотосъемочных объективов; работы А. С. Скиридова по стереофотограмметрии; разработка Ф. В. Дробышевым (1894 -1996) фотограмметрических приборов (стереоавтограф, стереометр и др.); работы М. Д. Коншина (1906 -1987) и Г. В. Романовского (19041982); теоретические работы Н. А. Урмаева («О некоторых зада- чах фотограмметрии» , 1939 г. ; «Элементы фотограммет- рии» , 1941).

Основоположник КМ АФТС Рис. 11(а). Алексапольский Н. М. (1887 -1955). Разработчик многочисленных фотограмметрических приборов Рис. 11(б). Дробышев Ф. В. (1894 -1996)

В четвертый период (1946 -1960) 2 -го этапа направления развития определялись потребностями народного хозяйс- тва и обороны страны. Особенностью, пожалуй, было лишь то, что задачи стали более масштабными. Продолжались и наращивались работы по созданию карты масштаба 1: 100 000, что позволило уже к 1949 г. поставить вопрос о завершении картографирования территории СССР в этом масштабе. Наряду с этим Топографическая служба производила съемку в м. 1: 50 000. Для дальнейших съемок был признан основным м. 1: 25 000, а для отдельных районов – 1: 10 000. В связи с этим стали и новые задачи и перед фотограмметрией. В течение 1945 -47 гг. было восстановлено высокоточное геодезическое и фотограмметрическое приборостроение, укреплены предприятия, увеличился их приборный парк. Однако для решения новых задач потребовались новые подходы, разработка новых технологий и их технического обеспечения.

В рассматриваемый период особую значимость приоб- рели исследования вопросов обработки фотоснимков с преобразованными связками. Первая крупная работы была опубликована М. Д. Коншиным в 1944 г. Дальнейшие исследо- вания принадлежат Н. П. Лаврову, А. Н. Лобанову, Ф. В. Дробы- шеву, Г. В. Романовскому, Г. П. Жукову и др. В результате был разработан целый ряд приборов. Самыми распространенными и из них стали стереопроектор Г. В. Романовского (1954 г.); стереограф В. Ф. Дробышева, выпускающийся с 1956 г. В 1954 г. Г. П. Жуков и Е. И. Калантаров разработали дифференциальный фототрансформатор. Получили дальнейшее развитие вопросы фотограм- метрического сгущения, в том числе и на разреженном геодезическом обосновании. Применялась в основном аналоговая фототриангуляция, а затем со второй половины 50 -х годов начинает разрабатываться аналитический способ (А. Н. Лобанов). Успехи аналоговой фотограмметрии позволили решить грандиозную задачу – к середине 1950 -х годов создать топографическую карту на всю территорию СССР.

. Г. В. Романовский После Великой Отечествен- ной войны в Советском Союзе стал внедряться и быстро прог- рессировать стереотопографи- ческий метод (СМ АФТС) созда- создания топографических карт. Техническую базу этого мето- да составляют универсальные фотограмметрические приборы (УФП). В нашей стране наиболее распространёнными УФП были стереопроекторы Г. В. Романов- ского и стереографы Ф. В. Дро- бышева. Рис. 12

Третий этап – этап аналитической фототриангуляции можно разделить на два периода. Первый период (1961 -1975) характеризуется внедрением и распространением аналитической фототриангуляции, зарождением космического фотографирования и исполь- зованием его результатов. В 1956 -57 гг. на кафедре фотограмметрии ВИА им. В. В. Куйбышева под руководством проф. А. Н. Лобанова была составлена первая программа аналитической фототри- ангуляции. Производственные работы начались в 1960 г. В этом же году А. Н. Лобанов издал первое систематизи- рованное описание работ по аналитической фототриан- гуляции «Фототриангуляция с применением электронной цифровой вычислительной машины» (переиздавалась в 1967 и 1975 годах). Крупные исследования в этой области выполнили проф. И. Т. Антипов, М. Н. Булушев, В. Б. Дубиновский, И. Д. Каргопо- лов, Ф. Ф. Лысенко, Р. П. Овсянников, М. М. Машимов, В. И. Павлов и многие другие.

Основоположник аналитической фотограмметрии Основоположник аналитичесой фототриангуляции Рис. 14. Н. А. Урмаев (1895 -1959). Рис. 15. А. Н. Лобанов

Внедрение аналитической фототриангуляции обеспе- чивалось технически выпуском отечественных аватома- тизированных стереокомпараторов: СКА-18 (разработан к началу 70 -х годов), а затем СКА – ЗО и в 80 -е годы - СКА-В. Эти приборы обеспечивают точность измерений на фотоснимках 2 -3 мкм. В 1968 г. СССР был принят в Международное фотограмметрическое общество (МФО, сегодня МОФДЗ). Признанием достижений нашей фотограмметрической науки было избрание И. Т. Антипова и А. Н. Лобанова в руководящие органы МФО. Об авторитете советских фотограмметристов свидетельствует следующий факт. В 1978 г. Национальный комитет фотограмметристов СССР провел симпозиум «Проблемы повышения точности фотограмметрических измерений» . В приветствии участникам симпозиума подчеркивалось значение работы «Элементы фотограмметрии» (Н. А. Урмаев) для развития фотограмметрии. В США подобные работы появились только в 50 -х годах.

Космическое фотографирование началось со съемки обратной стороны Луны (автомат. станция «Луна-3» , 7 октября 1959 г.). Применение космических фотоснимков для топографических целей началось в 1963 г. в одной из частей ТС. В 1973 г. был образован центр «Природа» с задачей изучения природных ресурсов Земли по материалам космических съемок. Основным содержанием второго периода (1976 -1985) является внедрение аналитических УФП и комплексов. В 1977 г. принят на вооружение комплекс «Аналит» . К концу 70 -х годов началось серийное производство фототрансформатора ФТА, а затем – ФПА. С 1979 г. используется аналитический стереопроектор СПА, а с 1984 – комплекс – «Ортомат» , пришедший на смену «Аналиту» . В 60 -егоды появился новый вид информации о местности – цифровые модели и цифровые карты (ЦК). Впервые задача разработки ЦК в нашей стране была поставлена в 1973 г. К концу 70 -х была внедрена технология создания ЦКМ по картографическим материалам. Задача создания ЦК по фото- снимкам могла быть решена только с применением аналитических методов фотограмметрии.

Начало четвертого этапа отнесено к 1986 г. К этому времени были разработаны оптико-электронные съёмоч- ные системы на базе ПЗС, позволяющие получать пер- вичную информацию о местности в цифровой форме. Кроме того, были созданы первые приборы, позволя- ющие преобразовывать фотоснимки в цифровую форму, а затем эту информацию обрабатывать. К 1986 г в СССР были созданы АЦР(комплекс «Рельеф»), АЦК(комплекс «Контур), АКи. Р (комплекс «Редактор»). В настоящее время создано много средств цифровой обработки. Такие приборы назвали цифровыми фоторам- метрическими рабочими станциями (ЦФРС), а также цифровыми фотограмметрическими системами (ЦФС). Главным в этих приборах и системах является программное обеспечение. В качестве аппаратных средств могут использоваться персональные компьютеры, фотограмметрические сканеры, плоттеры, специальные устройства. Вместе с тем продолжают совершенствоваться средства воздушных и космических съемок. Созданы и ис- пользуются космические топографические комплексы. Созданы новые АФА и КФА. Для космического фото- графирования используются фотоаппараты ТК-350 и КВР 1000.

Аппаратные и программные средства цифровых технологий Фотограмметрическое рабочее место «Леграндит» Состав: стереомонитор; джойстики; очки для стерео наблюдения; УВК. Продукция: Выходными данными ФРМ является цифровая информация о рельефе местности в виде ЦМР

Фотограмметрические методы создания геопространственной информации: а) виды, методы и способы создания т/карт; Основным процессом создания топографической карты является топографическая съемка (или составление). Топо- графическая съемка – это комплекс работ с целью создания съемочного (составительского) оригинала карты. Топографическая съемка, при которой все измерения, необходимые для создания съемочного оригинала карты, выполняются непосредственно на местности, называется мензульной топографической съемкой. Теорией и практикой создания карт по фотоснимкам занимается раздел фотограмметрии – ф о т о п о г р а ф и я. Топографические съемки с применением фотоснимков называются фототопографическими. Обычно фототопо- графическая съемка включает три этапа: фотографирование местности; полевые работы; камеральные работы.

В зависимости от места, откуда выполняется фотогра- фирование, различают следующие в и д ы фототопографи- ческих съемок: наземная фототопографическая; аэрофототопографическая; комбинированная фототопографическая и космическая фототопографическая. Наземная фототопографическая съемка основана на приме- нении наземных (фототеодолитных) фотоснимков. Фотографи- рование производится с точек земной поверхности специаль- ным прибором – фототеодолитом. Поэтому съемку называют еще фототеодолитной. При аэрофототопографической съемке (АФТС) фотог- фотографирование местности производится с самолета или любого другого летательного аппарата, перемещаю- щающегося в воздушном пространстве. Если при создании съемочного оригинала карты сочетается наземная и аэрофототопографическая съемки, то такая съемка называется комбинированной фототопогра- фической съемкой. Снимки, полученные из космоса, составляют основной исходный материал для космической фототопографической съемки.

АЭРОФОТОТОПОГРАФИЧЕСКАЯ СЪЕМКА КОМБИНИРОВАННАННЫЙ МЕТОД А Ф Т С СПОСОБЫ НА ОРИЕНТИРОВАННОМ ФОТОПЛАНЕ НА НЕОРИЕНТИРОННОМ ФОТОПЛАНЕ НА ОТДЕЛЬНЫХ ФОТОСНИМКАХ СТЕРЕОТОПОГРАФИЧЕСКИЙ М Е Т О Д СПОСОБЫ ДИФЕРРЕНЦИРОВАННЫЙ универсальный

КМ АФТС основан на свой- ствах одиночного снимка. Сущ- ность его в следующем. Контур- ную часть карты получают в результате обработки фото- снимков – создают фотоплан. После дешифрирования объекты местности на фотоплане отображают условными знаками. Рельеф снимают в поле приемами мензульной съемки. Технологию КМ АФТС (на ориентированном фотоплане) нам предстоит изучить в курсе фотограмметрии. СТМ АФТС (стереотопо- графический метод аэрофо- тотопографической съёмки) основан на использовании свойств пары фотоснимков и позволяет по фотосним- кам составить не только контурную часть карты, но и рельеф. СТМ АФТС имеет свои особенности. Его мы также изучим в курсе фотограм- метрии.

б)общее представление о современных видах геопространственной информации Во второй половине прошлого века появилась, а затем быстро стала распространяться цифровая информация о местности. Вначале это были цифровые модели местности. Эти модели на первых порах содержали только информацию рельефе – это были по существу цифровые модели рельефа (ЦМР). Затем цифровая информация о рельефе была дополнена информацией о ситуации, т. е. появилась полная цифровая модель местности (ЦММ). Первые ЦМР потребовались для проектирования дорог. Но они были востребованы и в военном деле. Следующим шагом в развитии цифровой информации о местности стали цифровые карты (ЦК). ЦММ и ЦК создавались по аналоговым топографическим картам. Однако вскоре по вполне понятным причинам стали использовать фотоснимки. При этом для создания ЦММ и ЦК использовали УФП аналитического типа.

В 1980 -х годах в фотограмметрическую обработку фотоснимков стали проникать цифровые технологии. Особенность применения цифровых технологий в фотограмметрии – это использование исходной информации (первичной информации о местности) в цифровой форме, т. е. цифровых снимков. Цифровые снимки получают двумя методами: непосредственно в процессе съёмки цифровыми фотоаппаратами и сканированием аналоговых фотоснимков. Фотограмметрическая обработка в цифровых технологиях выполняется аналитическим способом, а результаты получают в цифровой форме, которые при необходимости могут быть выданы затем в графической форме (в виде карт и планов или в виде трансформированного фотоизображения). Основными аппаратными средствами реализации современных цифровых технологий являются компьютеры с соответствующими приспособлениями. При необходимости используются фотограмметрические сканеры, а также плоттеры или широкоформатные принтеры.

Развитие и применение компьютерной графики способствовало появлению нового вида геопространственной информации – электронных карт, а в последующем объёмных изображений местности – пространственных моделей, в том числе и измерительных. Вполне очевидно, что цифровая обработка невозможна без специализированного программного обеспечения. Специализированных программных комплексов в настоящее время созданы десятки. К ним относятся и программнотехнологические комплексы, разработанные в нашей стране: ФОТОМОД, Талка, Фотоплан, Панорама и др. Из зарубежных наиболее известные ЕRDAS и др. Усвоение настоящего курса является необходимым условием формирования профессиональных качеств и навыков выпускников картографической специальности.

в)Задачи и содержание курса, литература Основная задача курса – изучение теоретических основ фотограмметрии, усвоении ее методов, овладение отдельными технологическими процессами создания и топографических карт, получения цифровой информации о местности и решения других задач по фотоснимкам. Курс дисциплины изучается на протяжении 4 -х семестров. В процессе усвоения программного материала предстоит выполнить задания по практическим работам, ко-торые. Практические работы будут выполняться на приборах (стереокомпараторы и стереопроекторы) и на персональных компьютерах с использованием специализированного технологического программного обеспечения. По практическим работам составляются отчёты. По дисциплине проводится два экзамена – в 6 -м и 8 -м семестрах. Кроме того, вопросы по «Аэрокосмическим методам» входят в программу государственного экзамена.

Основной учебник: 1. Хрущ Р. М. , Волков Д. А. , Волков В. Я. , Глухов Б. А. «Фотограмметрия» (1989). , а также учебное пособие: 1. Хрущ Р. М. Сканироание фотоснимков. Учеб. пособие. СПб. : Изд-тво С. -Петерб. ун-та, 2007. 108 с. Кроме того, в настоящее время готовятся к изданию два учебных пособия: 1. Хрущ Р. М, Глухов Б. А. Аэрокосмические методы. Ч I. СПб. : Изд-тво С. -Петерб. ун-та, 200. . . , 160 с. 2. Хрущ Р. М. Аэрокосмические методы. Ч II. СПб. : Изд-тво С. -Петерб. ун-та, 200. . . , 170 с. В качестве дополнительной литературы можно использовать учебники других авторов и учебные пособия. Студентам желательно знакомиться с периодическими специальными изданиями, а именно: «Геодезия и картографии» , « Изв. Вуз. Геодезия и аэрофотосъемка» , реферативным журналом «Геодезия и аэросъемка» .

Заключение Фотограмметрия – сравнительно молодая научная дисциплина. За полторы сотни лет она прошла путь от первых примитивных опытов по использованию наземных фотоснимков для измерительных целей до космического фотографирования и получения изображений из космоса нефотографическими системами. Они находят применение при решении сложных научных, хозяйственных и военных задач. От простых графических способов обработки фотоснимков до использования строгих аналитических способов с применением самой современной электронно-вычислительной техники. От простейших инструментов до современных автоматизированных приборов и систем. От простых приемов до автоматической обработки фотоснимков. Таков путь развития фотограмметрии. Для успешного усвоения теории и практики фотограмметрии, ее методов и технологий необходимы прочные знания курса математики, основ картографии и геодезии, теории ошибок и математической обработки измерений, основ устройства компьютерной техники и программирования и других дисциплин.

Курс фотограмметрии – одна из основных дисциплин, необходимых для формирования инженера - аэрофотогеоде- зиста. В настоящее время училище перешло на новые учебные планы и программы (с 2001 г.). Поэтому состав дисциплин кафедры изменился. На кафедре изучаются девять дисциплин: геодезия-4, аэрокосмические съемки, аэрофотография, топографическое дешифрирование снимков, фотограм- метрия, фототопография, географические информацион- ные системы (ГИС), автоматизированная обработка аэрокосмической информации, основы земельного и городского кадастра.

Методы цифровой фотограмметрии

Изображения могут быть представлены, в зависимости от способа их получения, в аналоговой или цифровой форме.

Аналоговая форма изображения предполагает его получение каким-либо образом на физическом носителе – на бумаге, фотобумаге, фотопленке и др. и используется с незапамятных времен. Во многих случаях такая форма является основной, особенно там, где важна юридическая значимость изображения либо если оно необходимо для использования в нестационарных условиях.

Ц и ф р о в а я ф о р м а изображения возникла в связи с потребностью его представления в памяти электронных вычислительных машин, и в настоящее время является одной из основных. Для представления изображения в цифровой форме может использоваться две модели данных: векторная и растровая.

Векторная модель данных применяется для отображения дискретных объектов цифровой карты, плана, составительского оригинала и др. с помощью набора примитивов и их комбинаций – точек, соединяющих их линий, граней, ребер и др. Все точки векторной модели задаются в координатной системе местности.

Растровая модель данных применяется для представления непрерывных изображений с помощью элементов упорядоченного массива цифровых сигналов, интерпретирующих яркости соответствующих им элементов исходного объекта или изображения. При визуализации этот массив преобразуется в двумерную матрицу, соответствующую плоскости исходного изображения, а элементы массива – в квадратные ячейки одинакового размера, являющиеся наименьшими адресуемыми элементами. Каждый такой элемент, называемый пикселем , соответствует определенному участку исходного объекта (изображения) и характеризуется цветом, яркостью и иными параметрами. Пиксель цифрового изображения является оптически однородным, и внутри его отдельные элементы изображения не выделяются. Экспериментально установлено, что для воспроизведения на цифровом снимке компактного объекта его размер должен быть не менее четырех пикселей.

В фотограмметрии под цифровым изображением понимают его растровую форму, в которой массив цифровых сигналов формируется непосредственно в процессе съемки с помощью цифровой камеры, либо путем сканирования соответствующего аналогового изображения (аэронегатива, реже – диапозитива).

Растровое изображение строится из составляющих его пикселей, размещаемых построчно слева направо и сверху вниз, а доступ к какому-либо из них осуществляется по номеру соответствующего столбца и строки. Эти величины и используются в качестве координат пикселя в системе с началом в левом верхнем углу и осями, совмещенными с его внешними границами.

Растровые координаты пикселя относятся к его центру, хотя с помощью математического аппарата (например, при переносе со смежного снимка) они могут быть найдены с точностью до доли пикселя. В этих случаях для доступа к пикселю используется целая часть его растровых координат.

При фотограмметрической обработке цифрового изображения необходимо знать физические координаты избранной точки в линейной форме (в мм или мкм). Расчет таких координат выполняется по растровым координатам и известному размеру пикселя.

Цифровые изображения получают двумя способами, один из которых предполагает сканирование полученных в процессе аэрофотосъемки аэронегативов, а второй - непосредственно в процессе съемки, с использованием цифровых съемочных систем (сенсоров). В обоих случаях цифровое изображение формируется с помощью приборов с зарядовой связью (ПЗС) в форме ПЗС-матрицы или ПЗС-линейки с примерно одинаковыми техническими возможностями. При использовании ПЗС-матрицы кадр изображения формируется по схеме, аналогичной фотокамере, в фокальной плоскости которой вместо фотопленки располагается ПЗС-матрица. Применение ПЗС-линейки предполагает сканирование местности или изображения параллельными маршрутами.

Сканирование фотоснимков выполняется с помощью оптико-электронных приборов – сканеров различных конструкций, из которых в топографо-геодезическом производстве применяются только фотограмметрические сканеры планшетного или барабанного типа.

Фотограмметрические сканеры (рисунок 4.16) характеризуются высоким геометрическим разрешением и высокой геометрической точностью, определяемой величиной ошибки сканирования и повторяемостью (изменением ошибки в десяти сканированиях). С их помощью можно сканировать черно-белые (полутоновые) или цветные снимки.

Некоторые фотограмметрические сканеры предусматривают возможность сканирования аэронегативов непосредственно с аэрофильмов, как это и практикуется в фотограмметрическом производстве.

Важнейшим этапом технологии формирования цифрового изображения является эталонирование сканера , особенно в случае, если он не является фотограмметрическим. Сущность эталонирования заключается в сканировании контрольной сетки с нанесенными на нее горизонтальными и вертикальными штрихами, расстояния между которыми известны с точностью 1–2 мкм.

На полученном изображении измеряют растровые координаты крестов контрольной сетки в системе, преобразуют их в линейную меру с учетом заданного геометрического разрешения и сравнивают полученные значения с точными координатами, отсчитанными по контрольной сетке. По найденным разностям координат соответствующих точек строят поле искажений, характеризующее все виды геометрических погрешностей, вносимых сканером в той или иной точке поля сканирования.

В последующем полученные этим сканером изображения могут быть исправлены в соответствии с параметрами поля искажений. Как свидетельствуют публикации, таким способом искажения фотограмметрического сканера можно уменьшить до 1 мкм.

Цифровые съемочные системы (сенсоры) представляют собой кадровые аэрокамеры или линейные сканеры, ориентированные на получение снимков местности. К особенностям таких камер относится то, что каждый пиксель формируемого изображения занимает строго определенное положение, а их последовательность определяет положение координатных осей измерительной системы, что исключает необходимость «впечатывания» координатных меток и внутреннего ориентирования полученных снимков, как это имеет место при использовании аналоговых аэрокамер.

Современная технология обработки материалов аэрофототопографической съемки предполагает получение цифровых топографических или специальных карт (планов) соответствующего содержания:

Цифровая карта (план) – это карта (план) в цифровой форме, обеспечивающей возможность ее хранения, манипулирования и отображения.

Цифровая модель местности (ЦММ) –совокупность информации о положении, характеристиках объектов местности, связях между ними, а также топографической поверхности, представленные в форме, доступной для обработки на ЭВМ.

Таким образом, цифровая карта (план) – это аналоговая карта (план) в форме базы данных или файла, которые становятся картой только при выводе на экран или при создании твердой копии. При этом математическая основа цифровой карты, проекция, разграфка, точность и др. остаются такими же, как и для соответствующей ей аналоговой карты. В то же время определение ЦММ не содержит привязки ни к какому-либо масштабу, ни к системе координат, ни к разграфке, ни к точности.

Основой для получения цифровых карт (планов) является цифровая модель местности (ЦММ), в составе которой можно выделить цифровую модель ситуации (объектов контуров) ицифровую модель рельефа, которые можно определить следующим образом.

Цифровая модель ситуации (ЦМС) –совокупность информации о плановом положении, характеристиках объектов и связях между ними.

Цифровая модель рельефа (ЦМР) –информация о рельефе местности, представленная совокупностью точек с известными координатами и высотами, связей между ними и способа определения высот новых точек по их известным плановым координатам.

В составе ЦММ выделяется две составляющих:

позиционная (метрика ), формируемая в процессе векторизации и определяющая описание положения объекта, его формы и размеров с помощью набора примитивов (точек, линий, дуг и др.);

непозиционная (семантика ), создаваемая с помощью классификатора и определяющая содержание объекта, его свойства и отношения с другими объектами.

Для решения задач цифровой фотограмметрии на современном этапе развития применяются полнофункциональные цифровые фотограмметрические системы, ориентированные на решение всего комплекса задач по созданию топографических и специальных карт и планов, эксплуатируются во многих специализированных топографо-геодезических и изыскательских организациях.

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства

Руководство по применению фотограмметрических методов. Фотограмметрические работы