Технологии фототопографических съемок
Основные технологические схемы
Прежде всего, заметим, что при топографическом обеспечении горных работ в основном имеют дело с планами (масштабы 1:500 – 1:5 000), поэтому о картографировании только в этих масштабах и пойдет далее речь. Существующие технологии составления планов по фотоснимкам можно представить в виде схемы (рис. 63).
Как ранее упоминалось, из представленных на рисунке технологий НФС применяется только в горной местности, когда объекты расположенные ближе к камере не перекрывают картографируемый участок местности. Ее имеет смысл применять при маркшейдерском обслуживании открытых горных работ, если экономически невыгодна или невозможна аэрофототопографическая съемка. Комбинированную АФС применяют, при возникновении проблем с отображением по фотоснимкам рельефа местности, например, в случаях, когда местность равнинная, или она закрыта (застроена, покрыта высокой и плотной растительностью), а также, если повышены требования к точности отображения рельефа. Комбинированную АФС по возможности пытаются избегать из-за большого объема полевых работ, а значит высокой их стоимости и низкой производительности.
Стереотопографический метод АФС является основным, и его не применяют только по причинам, которые были обозначены выше. Таким образом, есть веские основания начать изучение АФС с рассмотрения технологии стереофототопографической съемки.
Стереотопографический метод АФС
Технологически схемы
Сущность метода заключается в том, что в камеральных условиях по фотоснимкам получают и контурную часть плана, и изображение рельефа. Полевые работа необходимы только для определения плановых координат (высот) опознаков и дешифрирования снимков.
Теоретической основой метода является решение двойной обратной пространственной фотограмметрической засечки. Но характер и последовательность выполнения основных процессов зависит в основном от двух факторов: применяемого для обработки снимков оборудования, и необходимости составления фотоплана (ортофотоплана).
Заметим, что в процессе развития стереофототопографического метода, было предложено 4 разных концепции использования пары снимков для составления по ним планов и карт. Первая связана с расчленением технологии на отдельные: процессы. Вторая предполагала физическое построение с помощью аэро или наземных снимков точных пространственных моделей (геометрически подобных уменьшенных копий того, что имело место в процессе фотографирования местности). Решение двойной обратной пространственной засечки обходилось в этом случае без значительных математических расчетов. В третьей было реализовано аналитическое решение основных процессов указанной выше засечки: восстановление связок проектирующих лучей (внутреннее ориентирование снимков), взаимное ориентирование (построение модели), внешнее ориентирование модели, определение координат точек местности. Четвертая основана на цифровой обработке информации современными средствами вычислительной техники.
На основе первых двух концепций появились в свое время (в рамках стереотопографической съемки местности) два метода картографирования по снимкам дифференцированный и универсальный.
В дифференцированном методе картографирования, каждый процесс выполнялся по своей технологии только для него предназначенными средствами. При этом элементы взаимного ориентирования снимков определялись по результатам измерений координат и параллаксов соответственных точек на стереокомпараторах. Изображение рельефа местности осуществлялось путем измерения пары плановых снимков на стереометре, который в 30x годах сконструирован Ф.В. Дробышевым. Трансформирование снимков производилось на фототрансформаторах. Несмотря на то, что указанная технология имела выдающееся значение при картографировании территории СССР в масштабе 1:25 000 и 1:100 000, на ней не стоит останавливаться, так как она теперь имеет только историческое значение. Приборы, предназначенные для реализации универсального метода стереотопографической съемки, и назвали универсальными аналоговыми приборами. А поскольку оператор выполнял на них стереоизмерения, то полное их название – универсальные аналоговые стереофотограмметрические приборы. Следует отметить, что эра и этих приборов близка к закату. Их уже не производят и из производственного процесса постепенно исключают, так как возможности этих приборов значительно ограничены и по производительности и по параметрам обрабатываемых снимков, и по учету различных искажений снимков (кривизны Земли и рефракции, деформации эмульсионного слоя, дисторсии объектива и проч.).
На смену моделирующим приборам пришли аналитические стереоприборы, у которых таких ограничений нет. Их предшественники стереокомпаратор и вычислительная машина. И именно отсутствие соответствующих средств вычислений долгое время сдерживало развитие аналитической фотограмметрии. В настоящее время на производстве имеется парк универсальных аналитических стереофотограмметрических приборов. Но и их век весьма ограничен, так как выяснилось, что высокоточные измерения, причем с элементами автоматизации, можно выполнять и на экране монитора.
К цифровым методам обработки снимков привело бурное развитие вычислительной техники. За ними не только будущее, но, пожалуй, уже и настоящее. На первый взгляд цифровые и аналитические методы это одно и тоже. Но это не так. В аналитических методах основным источником информации является фотоснимок, который и измеряется оператором для определения координат и параллаксов. Значит аналитический прибор, как обрабатывающая система обязательно имеет той или иной конструкции стереокомпаратор. Цифровые методы имеют дело с цифровым снимком на магнитном носителе, который получают как результат сканирования фотоизображений или путем фотографирования цифровыми камерами. Часть информации может быть получена в процессе дигитализации существующих картографических материалов. Все это обрабатывается синтетически на компьютере. Результат обработки контролируется на экране дисплея, в том числе и в трехмерном виде.
Фотопланы (ортофотопланы) как основу топографического плана есть смысл составлять, если снимаемая территория (незастроенная, с рассредоточенной и малоэтажной застройкой) характеризуется большим количеством контуров. В соответствии с рекомендациями инструкции [9], при съемке в масштабе 1:5 000 фотопланы используют как основу при любом характере застройки. Но при съемке участков с многоэтажной застройкой земной поверхности в масштабах 1:2 000 и крупнее фотопланы не составляют.
С учетом всего сказанного, последовательность выполнения технологических процессов в стереотопографическом методе съемки можно представить так, как это сделано на рис. 64.
 |
Летносъемочный процесс
Как указывалось выше, целью лётно-съёмочных работ является получение аэрофотоснимков местности определенного качества. Аэрофотосъёмка для картографических целей производится АФА, как правило, с пилотируемых самолётов, пролетающих над местностью по заранее намеченным на карте маршрутам (маршрут - ряд перекрывающихся снимков одного направления). Прокладывают их так, чтобы снимки без разрывов покрывали всю картографируемую территорию. Для этого планируют и поперечные перекрытия Q между снимками смежных маршрутов. Для того чтобы получить снимки заданного качества, перед фотографированием местности выполняют расчет параметров аэрофотосъемки и составляют полетную карту на топографической основе, как правило, более мелкого масштаба, чем масштаб аэрофотосъёмки.
Для расчета необходимо знать размеры съёмочного участка, масштаб составляемого плана, фокусное расстояние аэрофотоаппарата, масштаб фотографирования и характеристику местности (в частности, его рельефа).
Съёмочный участок наносят на полетную карту. Обычно его границами служат рамки трапеций. При съёмках с целью создания карт и планов в масштабах 1:25 000, 1:10 000, 1:5 000, 1:2 000 минимальный размер съёмочного участка ограничивается рамками трапеций в масштабе на один ряд более мелком, чем масштаб фотографирования. Например, при съёмке с целью создания карты в масштабе 1:25 000 минимальный съёмочный участок ограничивается рамками трапеции масштаба 1:50 000. Если создаются топографические планы в масштабах 1:1 000 и 1:500, площадь съёмочного участка не должна быть менее 1 км2.
Для стереотопографического метода съемки важно учитывать, что точность определения высот точек по результатам измерения продольных параллаксов обратно пропорциональна высоте фотографирования. Значит, при заданном масштабе фотографирования, чтобы лететь пониже, необходимо использовать короткофокусные АФА (f = 70 – 100мм). Если технологией предусмотрено составление фотоплана, то возникает противоречие, так как для уменьшения смещения точек за рельеф следует лететь повыше (Это не относится к цифровой технологии, если предполагается процесс ортофототрансформирования снимков). В такой ситуации фотографирование местности выполняют двумя коротко и длиннофокусными АФА, при соотношении масштабов фотографирования 1:2. При этом фотографирование в одном направлении осуществляют двумя камерами, в обратном – только длиннофокусным АФА. В процессе составления плана снимки с мелким масштабом используют для стереоскопической рисовки рельефа, крупномасштабные снимки – для составления фотопланов и дешифрирования.
Масштаб фотографирования зависит от масштаба составляемого плана, высоты сечения рельефа, а также от возможного соотношения между масштабами снимка и составляемого плана (то есть от характеристик используемого фотограмметрического оборудования). В инструкции [9, табл. 16 и 17] приведены соответствующие рекомендации. В цифровой фотограмметрии, где пределов на увеличение практически нет, указанное выше соотношение не следует выбирать более 10 (имея в виду, предельную графическая точность, равную 0.1 мм, и точность измерения снимков на мониторе компьютера не выше 0.01 мм).
После выбора m и f.рассчитывают высоту фотографирования Н над средней плоскостью съёмочного участка H = mf.
Величины продольного Р и поперечного Q перекрытий регламентированы основными положениями [7], но в любом случае для обработки стереопар Р не должно быть меньше 50 %. Поперечные перекрытия Q ограничивают 20-40 %.
Значения Р (заданное) и Q (расчетное) регламентируют длину базиса фотографирования В и расстояние между осями смежных маршрутов D. Они вычисляются по формулам:
 ,  , | (145) |
где lx и ly – длины сторон снимка, расположенные соответственно вдоль и поперёк маршрута.
Протяжённости съёмочного участка по направлению полёта Lx и в поперечном направлении Ly измеряются по карте. Имея значения Lx и Ly, можно установить число маршрутов N и число снимков n в каждом маршруте.
 ,  . | (146) |
Два снимка и один маршрут добавляют для обеспечения границ съёмочного участка, а каждую из дробей при вычислении округляют в сторону большего целого числа. Общее число снимков k = Nn.
Чтобы выполнить съёмку с заданным продольным перекрытием, рассчитывается интервал τ между экспозициями в секундах, по формуле:
 , | (147) |
где В – базис фотографирования в км, а W - путевая скорость самолета в км/час.
Поскольку самолет в момент экспозиции летит, точки на снимке изображаются отрезками (изображение смазывается). В соответствии с основными положениями [7]допустимая величина δ «смаза» равна 0.05 мм. Добиваются удовлетворения этого требования либо применением в АФА компенсатора сдвига изображения, либо расчетом предельно допустимой экспозиции t по формуле:
 | (148) |
Используя результаты выше приведенных расчетов, для каждого съёмочного участка на полетную карту наносят оси маршрутов. На каждом маршруте выбирают ориентиры и указывают их магнитные путевые углы.
Фотографирование каждого съёмочного участка выполняется непрерывными маршрутами одним и тем же аэрофотоаппаратом, при одних и тех же перекрытиях и неизменной высоте полета по отношению к его средней плоскости. Аэрофотосъёмка может выполняться с использованием гиростабилизирующей системы и специальных приборов. Производится она в основном в безоблачную погоду при высоте Солнца над горизонтом не менее 20°.
В процессе производства аэрофотосъёмки одновременно с получением фотоснимков фиксируются превышения и высоты точек фотографирования. В процессе съёмки могут быть определены также и их координаты.
Аэрокамера ориентируется в аэрофотоустановке так, чтобы сторона снимка была параллельна направлению полёта носителя. Если это условие не выполняется, то снимки перекрывающимися частями накладываются друг на друга уступом (образуется «ёлочка») и, как следствие, уменьшается площадь перекрытий.
Если картографируемый участок беден контурами, фотографированию может предшествовать маркировка точек местности. Это, как правило, знак на местности в форме креста, со свободным пространством в центре. Длина и ширина каждого луча должна быть не менее 0.15 и 0.05мм соответственно в масштабе снимка, а расстояние луча от центра знака – 0.05мм. Цвет знаков должен быть контрастным по отношению к окружающему фону.
После производства лётно-съёмочных работ, фотографической обработки экспонированных плёнок, нумерации негативов местности, плёнок статоскопа и радиовысотомера, на фотобумаге изготавливают контактные отпечатки (снимки) и составляют из них накидной монтаж – фотографическое изображение местности, полученное путём совмещения контактных отпечатков перекрывающимися частями.
Качество материалов аэрофотосъёмки оценивается по фотографическим и фотограмметрическим показателям. Фотографическое качество проверяется сличением аэрофильма с эталоном или посредством фотометрических определений плотностей. Проверяется также качество изображения координатных меток, часов и уровня, отсутствие механических повреждений эмульсии и т.д.
Фотограмметрическое качество оценивается с целью определения соответствия параметров полученных снимков заданным параметрам фотографирования. По измерениям на накидном монтаже проверяют: соответствие перекрытий снимков; прямолинейности маршрутов аэрофотосъёмки и параллельности базисов фотографирования сторонам снимка («ёлочки») допустимым значениям. По измерениям снимков устанавливают также соответствие фактической высоты фотографирования заданному значению; оценивают предельные углы наклона снимков и выравнивание фильма в плоскость.
Методика оценки, а также качественные и количественные характеристики допустимых показателей излагаются в нормативных документах или в специальных технических условиях, например в основных положениях [7].
В результате выполнения лётно-съёмочных работ для последующей фотограмметрической обработки получают аэронегативы, контактные отпечатки, репродукции накидного монтажа и их негативы, негативы показаний спецприборов, паспорт аэрофотосъёмки. В паспорте аэрофотосъёмки указываются: тип самолёта, на котором установлена аппаратура; фокусное расстояние аэрофотоаппарата и постоянные статоскопа; расстояние между координатными метками прикладной рамки или координаты оптических меток; величина фотограмметрической дисторсии по осям и зонам; координаты главной точки.
В заключение этого параграфа отметим, что выбор технологии обработки снимков (аналоговый она или цифровой) мало влияет на характер летносъемочных работ. Дальше этот фактор становится принципиальным. Но ряд процессов являются общими для любой технологии. К ним можно отнести трансформирование снимков, сгущение сети (фототриангуляцию) и дешифрирование. Поэтому на них и остановим пока свое внимание.
6.2.3 Трансформирование снимков и составление фотоплана
Общие положения
Из рис. 52 следует, что некоторые технологические варианты стереотопографической АФС предусматривают составление фотопланов или ортофотопланов. Фотоплан (ортофотоплан) это фотографическое изображение местности составленное из трансформированных снимков (ортофотоснимков) одного масштаба. Как правило, их составляют на полную трапецию, и выполняют зарамочное оформление, как у плана. По точности они должны соответствовать плану. Фотографическое изображение местности, составленное из плановых снимков, называется фотосхемой. Их точность ниже точности фотопланов, поэтому они используются для приближенных количественных оценок в лесоустройстве, землеустройстве и т.д. Фотосхемы бывают одномаршрутные и многомаршрутные.
Трансформирование снимка в широком смысле это целенаправленное изменение его геометрических свойств с целью преобразования в заданную проекцию. Каждое преобразование изменяет одни геометрические свойства исходного изображения и сохраняет другие. Те свойства, которые не изменяются, называются инвариантами относительно данного геометрического преобразования.
В фотограмметрии чаще всего используются перспективное и афинное преобразования, ортофототрансформирование и масштабирование.
Трансформированным называется снимок, полученный путем перспективного преобразования наклонного снимка и имеющий допустимые величины смещений точек от их горизонтальной проекции. Отметим, что оно не меняет проекции. Трансформированный снимок тоже построен по законам центральной проекции. Поэтому искажения за рельеф остаются. Доводят их до допустимых значений путем соответствующего выбора плоскости трансформирования, относительно которой превышения точек местности не превосходят установленных значений. Если же местность холмистая, снимок трансформируют по частям (зонам), выбирая для каждой зоны свою плоскость трансформирования. При числе зон больше 3 возникают трудности в процессе составлении фотоплана, поэтому вместо перспективного трансформирования применяют ортофототрансформирование.
Ортофотоснимок построен в ортогональной проекции, то есть при ортофототрансформировании происходит переход от центральной проекции исходного снимка к ортогональной проекции снимка, полученного после трансформирования. Искажений за рельеф у таких снимков нет. Но выполнить ортофототрансформирование можно только после построения геометрической модели местности по паре снимков. Поэтому оно будет рассмотрено позже.