Сканирующие съемочные системы

Концепция съемки с помощью сканирующих систем была предложена доктором Отто Хофманом еще в 1970-е годы и использовалась немецким аэрокосмическим центром DLR (Deutsches Zentrum fur Luft- and Raumfahrt) при разработке цифровых съемочных систем космического базирования. В соответствии с ней линейный сканер оснащается тремя ПЗС-линейками, установленными так, что одна из них формирует строку шириной в один пиксел, содержащую изображение соответствующей полосы местности по направлению «вперед», другая – «в надир», а третья – «назад» (рисунок 4.9).

Совокупность строк, создаваемых одной ПЗС-линейкой по мере перемещения носителя, формирует изображение полосы местности произвольной длины, называемое ковром; три линейки ПЗС формируют три полосы (ковра).

Полученные с помощью линейного сканера изображения местности обладают весьма специфическими геометрическими и фотометрическими свойствами, а их обработка связана с использованием своеобразной математической модели и специального программного обеспечения. Кроме того, получение таких изображений требует согласования навигационных параметров полета (скорости, высоты полета, пространственного разрешения снимков и пр.) с масштабом аэроснимка, а также применения оборудования высокой точности.

В настоящее время имеется ряд камер авиационного базирования с линейными датчиками изображения: ADS (Leica GeoSystems), JAS 150 (Jena Optronik), 3-DAS-l и 3-OC-l (Werhli and Associates, Геосистема), HRSC-A, AX, -AXW (DLR) и др., из которых наибольшей известностью пользуется семейство камер ADS (Airborne Digital System).

Система ADS включает головную часть (рисунок 4.10), устройство управления, блок памяти, интерфейс оператора и программное обеспечение.

Головная часть защищена кожухом, закрывающим его компоненты, основными из которых являются объектив с телецентрической оптикой, фокальная плоскость с линейками ПЗС, система охлаждения, инерциальный измерительный блок IMU и др.

Объектив с постоянным относительным отверстием и полем зрения 64° характеризуется разрешением порядка 130 линий/мм и телецентрическими свойствами, благодаря которым световые лучи пересекаются с фокальной плоскостью под прямыми углами.

Фокальная плоскость содержит три группы линеек ПЗС, установленных так, что попадающие на них световые лучи создают изображения полос местности по направлениям «назад», «в надир» и «вперед». Установленное перед фокальной плоскостью трихроичное устройство выполняет расщепление светового потока на три (красный, синий, зеленый) или четыре (красный, синий, зеленый и инфракрасный) составляющих. При этом панхроматические каналы представлены парами ПЗС-линеек, установленными перпендикулярно направлению полета и сдвинутыми одна относительно другой на половину пикселя (3,25 мкм) для увеличения детальности создаваемого изображения.

Для фиксации углов отклонения фокальной плоскости от горизон­тального положения используется жестко связанный с ней измерительный блок IMU инерциальной системы POS AV.

Устройство управления представляет собой компьютер, работающий в операционной среде Microsoft Windows и связанный с другими компонентами ADS с помощью оптических кабелей; поступающая по ним информация направляется в блок памяти для длительного хранения и используется для управления полетом и оборудованием. Кроме того, в его составе имеется двухсистемный (GPS и ГЛОНАСС) спутниковый приемник и вычислительный блок инерциальной системы POS.

Блок памяти представляет собой герметичный съемный блок повышенной прочности, устанавливаемый на устройство управления и жестко с ним связанный. Он предназначен для концентрации полученной во время полета информации, и в нем может разместиться информация объемом от 540 (ММ40) до 900 (ММ50) Гб и более. Данные в MMS хранятся в специальном формате, блоками с синхронно полученными строками, чередующимися от разных датчиков.

Программное обеспечение ADS представлено несколькими сегментами, используемыми на этапе предполетной подготовки и планирования аэрофотосъемки, управления полетом (FCMS) и послеполетной обработки (GPro для камеры ADS40 и ХРrо для ADS80). Аппаратура ADS общей массой 193–197 кг (в зависимости от массы измерительного блока IMU) может эксплуатироваться на высотах до 7,6 км при температуре от –20 до +55 °С и влажности менее 95 %.

Виды аэрофотосъемки

Аэрофотосъемку можно классифицировать по нескольким критериям – по величине угла наклона, масштабу, способу прокладки аэросъемочных маршрутов и др.

В зависимости от величины угла наклона между главной оптической осью съемочной камеры и отвесной прямой аэрофотосъемку подразделяют на плановую (угол < 3°) и перспективную (угол > 3°). Для целей картографирования применяется только плановая аэрофотосъемка, хотя современные технологии фотограмметрической обработки аэроснимков такого ограничения не накладывают.

В зависимости от поставленной задачи и размеров фотографируемого участка местности различают:

– одинарную аэрофотосъемку, когда объект фотографирования размещен на одном-двух снимках;

– маршрутную аэрофотосъемку, когда выполняется фотографирование узкой полосы местности (реки, дороги, береговые линии и др.);

– площадную или многомаршрутную аэрофотосъемку, когда снимаемый участок по своим размерам не может быть изображен на снимках одного маршрута, и для его фотографирования необходимо несколько параллельных маршрутов на определенном расстоянии один от другого.

В зависимости от масштаба фотографирования аэрофотосъемку подразделяют на мелкомасштабную (масштаб аэроснимка 1:50000 и мельче), среднемасштабную (1:10000–1:50000) и крупномасштабную (1:10000 и крупнее).

В зависимости от целей и поставленных задач аэрофотосъемка выполняется в границах топографических планшетов, административно-территориальной единицы или объекта съемки.

В некоторых случаях при выполнении площадной аэрофотосъемки прокладываются дополнительные аэросъемочные маршруты, пересекающие основные. Такие маршруты размещаются, как правило, в начале и конце основных маршрутов и называются каркасными.

Понятие о трансформировании

Трансформированием называется преобразование центральной проекции, которую представляет собой аэронегатив (аэроснимок), полученный при наклонном положении главного оптического луча, в другую центральную проекцию, соответствующую его отвесному положению, с одновременным приведением его к заданному масштабу.

Трансформирование выполняют путем «обратного проектирования» изображения с наклонной картинной плоскости на предметную плоскость, соответствующую ортогональной проекции. В процессе трансформирования полностью исключаются все виды перспективных искажений аэроснимка, вызванных влиянием угла наклона, и разномасштабность смежных снимков, которая является следствием изменения высоты фотографирования. Названные искажения подчиняются определенным законам, потому их учет не вызывает затруднений.

Смещения точек снимка, вызванные влиянием рельефа местности, соответствуют изменениям его форм, поэтому их учет является одной из наиболее трудных задач фотограмметрии, строгое решение которой связано с разложением изображения на отдельные точки (зоны) и раздельным их трансформированием по известным высотам. Для учета влияния рельефа местности применяют несколько методов или технологических приемов, различающихся размерами таких зон и обеспечивающих устранение искажений с требуемой точностью. Рассматриваемые преобразования требуют наличия данных, по­зволяющих прямо или косвенно найти элементы внешнего ориентирования снимков. Поэтому методы трансформирования делятся на две основных, принципиально и технически различных группы – трансформирование по опорным точкам и элементам ориентирования.

Для трансформирования аналоговых аэроснимков применяют несколько способов, различающихся используемыми техническими средствами: аналитический, фотомеханический, оптико-графический, дифференциальный и др. Часть этих способов устарела и не используется.

Аналитический способ трансформирования основан на использовании зависимостей между координатами соответственных точек аэроснимка и местности.

Фотомеханический способ трансформирования основан на использовании специальных приборов – фототрансфораторов (рисунок 4.11).Эти приборы реализуют первую систему элементов трансформирования и предназначены для трансформирования плановых и перспективных снимков с преобразованными связками проектирующих лучей по опорным точкам или установочным данным.

Рисунок 4.11 – Автоматизированные фототрансформаторы ФТА и «Пеленг» :

1 – осветитель; 2 – кассета; 3 – пульт управления; 4 – счетчики коррекционных механизмов; 5 – экран; 6 – подвижная щель; 7 – объектив

Кассета рассчитана на установку в снимкодержатель как отдельного аэроснимка, так и целого аэрофильма длиной до 60 м. Закрепление фотоматериала на экране выполняется с помощью магнитных грузиков, а его выравнивание в плоскость – вакуумным присосом.

Оба прибора снабжены вычислительными устройствами для автоматического выполнения оптических и геометрических условий; значение децентрации вводится автоматически или вручную. Оба прибора оснащены щелевой установкой, позволяющей выполнять аффинное преобразование изображения путем его поперечного сдвига и продольного сжатия (растяжения). Ширина щели, через которую выполняется проектирование фрагмента снимка, регулируется в зависимости от параметров аэрофотосъемки.

Соответствующими рабочими движениями основные части фототрансформатора приводят в положение, при котором проекция снимка (негатива) на экран соответствует горизонтальному снимку, и фиксируют изображение на фотобумаге. Трансформированный фотоснимок получается в результате химической обработки экспонированной фотобумаги. Этот способ до недавнего времени был основным.

Оптико-графический способ трансформирования предполагает применение специальных малоформатных приборов– проекторов. Полученное с их помощью трансформированное изображение проектируют на лист бумаги, обводят карандашом и оформляют принятыми условными знаками. В настоящее время способ находит ограниченное применение при обновлении топографических или иных карт.

Дифференциальный способ трансформирования основан на преобразовании отдельных фрагментов исходного изображения с учетом высот их центров над средней плоскостью снимка и элементов внешнего ориентирования. Способ реализуется на приборах универсального типа либо на ЭВМ, а результатом обработки является ортофотоснимок (ортофотоплан).

Термин «дифференциальное трансформирование» (иногда– «щелевое трансформирование») в фотограмметрии применяется в случаях, когда ортофотоснимок создается с помощью прибора универсального типа. Для его получения выполняется сканирование одного из снимков стереопары вдоль оси Y с постоянным изменением высоты проектирования в соответствии с профилем местности и проектирование изображения на фотографический слой через щель ромбической или трапециевидной формы.

В настоящее время широко используется цифровое трансформирование, или ортотрансформирование снимков, базирующееся на использовании персональных ЭВМ и заключающееся в трансформировании каждого пикселя исходного цифрового изображения в соответствии с его высотой, определяемой по цифровой модели рельефа, и связи координат точек аэроснимка и местности.

Полученные в результате трансформированные снимки используют для монтажа фотоплана. Фотопланом называют фотографическое изображение местности, удовлетворяющее по точности требованиям, предъявляемым к плану.

В зависимости от целевого назначения фотопланы делят на топографические, составляемые в общегосударственной разграфке с соблюдением требований действующих инструкций и наставлений по топографической съемке, и специальные, изготавливаемые, как правило, в произвольной разграфке и с соблюдением ведомственных требований по точности и оформлению.

Существенным преимуществом фотоплана по сравнению с топографическим планом является высокая информационная емкость и наглядность. В то же время фотографическое изображение контуров отличается от условного их изображения на карте. Его оформление зачастую ограничивается подписью номенклатуры и выходов километровой сетки, что до некоторой степени затрудняет измерение по нему координат точек.

Для улучшения читаемости фотоплана на нем часто показывают соответствующими условными знаками некоторые объекты (населенные пункты, основные дороги и др.), наносят координатную сетку и проводят горизонтали. Такой документ, сочетающий в себе преимущества фотоплана и топографической карты, называют фотокартой.

Дешифрирование

Все элементы местности при одинаковой их освещенности обладают различными оптическими характеристиками, благодаря чему их изображения на аэрофотоснимках различаются по фототону, структуре рисунка и пр. Кроме того, на снимках в известной степени сохраняется подобие и соотношение размеров объектов, неизменность их взаимного расположения и т. п. Фотоизображение местности, таким образом, обладает ценными изобразительными свойствами, выделяющими данный объект среди других.

Распознавание по фотоизображению объектов местности, необходимых для составления плана или других целей, и выявление их содержания с обозначением в условных знаках качественных и количественных характеристик называется дешифрированием (рисунок 4.12).

Возможность распознавания изображения объекта определяется наличием граничных линий со смежными объектами, тоновой и цветовой контраст которых лежит в пределах зрительного восприятия. Увеличение такого контраста является обязательным условием аэрофотографирования.

В общем комплексе работ по созданию топографической основы дешифрирование занимает важное место и является весьма ответственным и трудоемким процессом. От точности определения по фотоизображению положения объектов местности, достоверности и полноты их характеристик в значительной степени зависит и качество изготавливаемого плана.

В зависимости от назначения дешифрирование подразделяют на топографическое и специальное, причем ко второму относят распознавание объектов по их фотоизображениям в интересах сельского хозяйства, геологии, гидрологии и т. п.

Универсальность материалов аэрофотосъемки позволяет в каждом случае дешифрирования выявлять те особенности и детали местности, которые требуются для решения соответствующих научных, инженерных, хозяйственных и иных задач.

При топографическом дешифрировании выявляют и показывают условными знаками элементы местности, необходимые для создания топографической карты в заданном масштабе: населенные пункты и от­дельные постройки; закрепленные на местности опорные геодезические пункты; гидрографическую и дорожную сети, линии связи с характеризующими их данными и относящимися к ним сооружениями; естественный и культурный растительный покров и грунты; рельеф местности и др.

При специальном дешифрировании, выполняемом в интересах зем­леустроительной, архитектурно-градостроительной, лесной или иной службы, выявляют в первую очередь интересующие их объекты местности – административно-территориальные или хозяйственные границы, породы леса и др. с характеризующими их данными. При этом другие элементы местности – пути сообщения, элементы гидрографии, леса, болота и т. п. – дешифрируют с обобщением и сокращением их характеристик в части, не имеющей непосредственного отношения к соответствующей службе.

В з ависимости от техники исполнения дешифрирование делят на камеральное, полевое, комбинированное и аэровизуальное.

Камеральное дешифрирование основано на использовании изобра­зительных свойств фотоснимков и изучении различных вспомогательных материалов. В ряде случаев, таких, как военное дело, изучение небесных тел и др., оно является единственно возможным.

Полевое дешифрирование, выполняемое непосредственно на местности, носит сезонный характер. Оно основано на сличении фотоизображения с натурой, чем и обеспечивается требуемая полнота, точность и достоверность результатов на момент дешифрирования.

Комбинированное дешифрирование сочетает достоинства и недостатки полевого и камерального дешифрирования. Как правило, в зимний период выполняют камеральное дешифрирование, а в летний – полевую проверку и уточнение полученных зимой результатов.

Аэровизуальное дешифрирование производят непосредственно с борта летательного аппарата (самолета, вертолета) и применяют для ускорения процесса дешифрирования больших однородных массивов с малым числом контуров – лесов, болот и др.

Дешифрированию объектов местности способствуют изобразительные свойства фотоснимков, складывающиеся из прямых и косвенных дешифровочных признаков.

Прямые дешифровочные признаки присущи практически всем объектам местности, изображающимся на снимках данного масштаба. Они характеризуют объект непосредственно и включают форму, размер, тон, цвет, тень, структуру и др.

Косвенные дешифровочные признаки возникают из закономерностей взаимного расположения объектов местности в силу их назначения, природных условий, хозяйственного использования и т. д.