Определение, предмет, методы и задачи фотограмметрии и дистанционного зондирования. Цель курса и его связь с другими дисциплинами

Лекция №1.2020 ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ПРЕДМЕТ, МЕТОДЫ И ЗАДАЧИ ФОТОГРАММЕТРИИ И ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ. ЦЕЛЬ КУРСА И ЕГО СВЯЗЬ С ДРУГИМИ ДИСЦИПЛИНАМИ Основные вопросы: 1. Определение, предмет, методы и задачи фотограмметрии и дистанционного зондирования. Цель курса и его связь с другими дисциплинами. 2. Информационные модели и их классификация. Краткий обзор развития фотограмметрии. Фотограмметрия – техническая наука о методах определения метрических характеристик объектов и их положения в двух- или трехмерном пространстве по снимкам, полученным с помощью специальных съемочных систем. Такими системами могут быть традиционные фотографические камеры, а также системы, использующие иные законы построения изображения и иные (кроме фотографических слоев) регистраторы электромагнитных излучений. Основная задача фотограмметрии – топографическое картографирование, а также создание специальных инженерных планов и карт, например кадастровых. Фотограмметрические методы позволяют также экономично и достаточно точно решать непосредственно по снимкам некоторые прикладные задачи, например измерять площади участков местности, определять их уклоны, получать количественные характеристики эрозионных процессов, выполнять вертикальную планировку с определением объема земляных работ и др. Это направление метрической обработки снимков принято называть прикладной фотограмметрией. Аэрокосмическое зондирование – комплекс дистанционных методов исследования, используемых в инженерно-экологических изысканиях, включающий многозональную и спектрозональную аэрофотосъемку, тепловую инфракрасную аэросъемку, перспективную аэрофотосъемку в сочетании с материалами космических фото-, сканерной, телевизионной, радиолокационной, инфракрасной и других видов съемок, осуществляемых с искусственных спутников Земли, орбитальных станций и пилотируемых космических кораблей. В практике инженерно-экологических изысканий наиболее широко используются фото- и сканерные съемки. Остальные виды съемок рассматриваются как вспомогательные для решения узкого круга специальных задач. В двадцатые годы прошлого столетия были сделаны попытки использования аэрофотоснимков для специализированного изучения лесов, а в начале тридцатых годов для изучения почв. Создание космических летательных аппаратов и съемочных систем, работающих в более широком диапазоне электромагнитных излучений с оперативной доставкой по радиоканалам результатов съемки на пункты приема, активизировало развитие дистанционного зондирования. Дистанционное зондирование – неконтактное изучение Земли (планет, спутников), ее поверхности, близ поверхностного пространства и недр, отдельных объектов, динамических процессов и явлений путем регистрации и анализа их собственного или отраженного электромагнитного излучения. Регистрацию можно выполнять с помощью технических средств, установленных на аэро- и космических летательных аппаратах, а также, в частных случаях, на земной поверхности, например при исследовании динамики эрозионных и оползневых процессов, в гляциологии и др. Известные методы исследования недр Земли – сейсморазведку, гравиразведку, сканирующую эхолоцию дна водоемов, можно также отнести к дистанционному зондированию. Материалы дистанционного зондирования (ДЗ) являются частью большой системы сбора, переработки, регистрации и использования данных. Правильно организованная система дистанционных исследований должна быть ориентирована на решение конкретных геологических задач, обусловливающих выбор орбит космических носителей, набор датчиков, характер сбора, переработки и передачи на наземные комплексы первичных данных и тип представляемых пользователю материалов. Система сбора, переработки и регистрации информации представлена на рис.1. Дистанционное зондирование, интенсивно развиваясь, выделилось в самостоятельное направление использования снимков. Международное фотограмметрическое общество (МФО), в которое входил СССР и входит ныне Россия, в 1980 г. преобразовано в Международное общество фотограмметрии и дистанционного зондирования (МОФ и ДЗ). 7 Рис. 1. Система сбора, переработки и регистрации информации Взаимосвязь основных направлений использования снимков и наименований направлений Дешифрирование снимка – процесс отбора подлежащих нанесению на изготавливаемые планы и карты объектов, которые опознают на анализируемых изображениях, определяют их качественные и количественные характеристики, положение границ и выражают полученные данные условными знаками. Дешифрирование (интерпретация) технологически входит одновременно в обе части названии дисциплины. В дистанционном зондировании роль дешифрирования превалирующая. Дешифрирование аэроснимка изображено на рис. 2. Рис. 2. Дешифрирование аэроснимка В настоящее время нет удобной для использования специальной терминологии в картографировании при решении задач формирования баз земельно-кадастровых данных. Например, планы поселений в масштабе 1:2000 и крупнее официально называют «базовыми планами состояния и использования земель». А планы межселенных земель, в масштабе 1:10000 – «базовыми картами состояния и использования земель». В практике принято планы и карты называть однословно, например топографические, почвенные, геоботанические и т.п. вторы полагают, что в учебнике, где длинные названия планов и карт используются многократно, необходимо их сокращение. Планы и карты данного назначения можно было бы назвать кадастровыми. Этот термин уже используется в публикациях. Без кратного названия осталось и дешифрование. Его в данном случае можно наименовать также кадастровым (рис. 3). Рис. 3. Кадастровый план территории Знания, приобретенные при изучении данной дисциплины, позволяют специалистам, работающим в области землеустройства, формирования кадастра недвижимости, мониторинга землепользования и охраны окружающей среды, получать или квалифицированно заказывать и использовать цифровые кадастровые планы и карты, а также получать сопутствующие специальные карты. Фрагмент публичной кадастровой карты изображен на рис. 4. Рис. 4. Фрагмент публичной кадастровой карты Информационные модели и их классификация. Краткий обзор развития фотограмметрии Технической основой формирования фотограмметрии явилось изобретение в 1839 г. французом Даггеромом фотографии. В 1851–1859 гг. француз Э. Ласседа разрабатывает графический вариант фотограмметрического составления планов сооружений по их наземным фотографиям. Первый фотопортрет в мире представлен на рис.5. Первая фотография в мире, сделанная в 1826 году, показана на рис. 6. Рис. 5. Первый фотопортрет в мире, 1839 г. Рис.6. .Первая фотография в мире, 1826 г. Создание средств воздухоплавания предоставило возможность перейти от наземной инженерной фотосъемки к аэрофотосъемке. В 1858 г. французом Ф. Надаром получены первые фотоснимки с воздушного шара (рис. 7). Это был важный шаг в развитии фотограмметрии – аэрофотоснимков по своей геометрии приблизился к плану местности. Первые аэрофотоснимки с воздушного шара в России были получены 18 мая 1886 г. A.M. Кованько. Город Петербург снимали аэрофотоаппаратом В.Н. Срезневского с высот 800, 1200 и 1350 м. Рис. 7. Получение фотоснимка с воздушного шара В 1910 г. Гельгар получил первые в России фотоснимки с самолета. Первое время аэрофотосъемку применяли в основном в целях военной разведки. Эти действия относятся к направлению, которое в 1960 г., назовут дистанционным зондированием (рис. 8). Рис. 8. Дистанционное зондирование В 1922 г. нашей стране была предпринята попытка решения гражданских задач с помощью аэрофотосъемки – исследовали возможность выполнения лесотаксационных работ по снимкам. Опыт оказался удачным. В 1924 г. Н.М. Алексапольский (рис. 9), П.П. Соколов, B.C. ЦветКолядинский и другие ученые под руководством М.Д. Бонч-Бруевича (рис. 10) создали и организовали работу государственного технического бюро «Аэросъемка». Через год бюро выполнило аэрофотосъемку в Можайском районе Московской области. В результате было доказано, что создание контурных планов и карт в масштабе 1:2000 – 1:50000 имеет преимущество перед наземной съемкой в производительности, детальности и универсальности получаемых материалов. С 1926 г. начали производственные аэросъемки для картографирования территории в различных регионах страны под руководством Н.Н. Веселовского, В.Ф. Дейнеко, Н.Н. Степанова и др. В 1931 г. было организовано технико-производственное предприятие «Сельхозаэрофотосьемка» для артографирования сельскохозяйственных территорий РСФСР. Позже аналогичные предприятия были созданы и в других республиках. В 1932 г. все они объединились в единый центр Все союзную контору «Сельхозаэрофотосъемка». С 1970 г. она преобразуется во Всесоюзный институт сельскохозяйственных аэрогеодезических изысканий (ВИСХАГИ). В 1994 г. эта организация преобразована в Российский проектно-изыскательский институт земельно-кадастровых съемок – «Росземкадастрсъемка»; с 1996 г. – «Госземкадастрсъемка». В сороковые пятидесятые годы были созданы (и их широко использовали в нашей стране) так называемые универсальные стереофотограмметрические приборы – стереографы Ф.В. Дробышева (СД) и стереопроекторы Г.В. Романовского. (СПР). Принцип работы их заключается в построении и измерении геометрической модели местности по снимкам. Схема построения геометрической модели местности представлена на рис. 11. Рис. 11. Схема построения геометрической модели местности. Возникновение и развитие электронно-вычислительной техники существенно повлияло на технологию фотограмметрической обработки снимков. Разрабатывают и широко применяют способы пространственной аналитической фототриангуляции (А.Н. Лобанов, Ф.Ф. Лысенко, Б.К. Малявский, И.Ф. Антипов и др.). Наступает период создания и использования аналитических стереофотограмметрических приборов. Трансформационные функции в них выполняют компьютеры. В нашей стране создан прибор этого класса – стереоанаграф (Г.А. Зотов и др.). Этот период (шестидесятые-восьмидесятые годы) – переходный к этапу цифровой фотограмметрии. Стереоанаграф показан на рис. 12. Рис. 12. Стереоанаграф Освоение космического пространства послужило мощным катализатором в развитии съемочной техники и технологий обработки получаемых анных в интересах картографирования и, главным образом, дистанционного зондирования. 7 ноября 1959 Г. отечественная автоматическая станция «Луна-3» сфотографировала и передала по телевизионному каналу на Землю снимки обратной стороны Луны. 6 августа 1961 г. Космонавт Г. Титов с борта космического корабля «Восток-2» впервые в мире произвел фотокиносъемку земной поверхности. Далее космические съемки в интересах различных ведомств стали выполнять регулярно с обитаемых и необитаемых космических летательных аппаратов. Одновременно расширялся спектр специальных аэрофотосъемок для решения дистанционным методом различных задач, в том числе и сельскохозяйственного назначения. Контрольные вопросы 1. Что такое фотограмметрия? 2. Назовите основную задачу фотограмметрии. 3. На знание каких дисциплин опирается изучение дисциплины «Фотограмметрия и дистанционное зондирование»? 4. Что такое дистанционное зондирование? 5. Дайте определение понятию дешифрирование снимка. 6. В каком году были сделаны первые фотоснимки с воздушного шара в России? Лекция № 2 2020 АЭРО-, КОСМИЧЕСКИЕ СЪЕМОЧНЫЕ СИСТЕМЫ Основные вопросы:1. Схема получения и обработки первичной видеоинформации. 2. Физические основы аэро- и космических съемок .Оптические характеристики элементов ландшафта. 3. Понятие о спектрометрировании. Съемочная система. Классификация съемочных систем. Схема получения и обработки первичной видеоинформации Аэро- и космические съемки (АКС) – первые технические этапы при решении фотограмметрических задач и дистанционного зондирования. При этом выполняют измерение (регистрацию) отраженного или собственного электромагнитного излучения. Измеряют и регистрируют излучение с некоторого расстояния от изучаемого объекта с помощью различных датчиков или съемочных систем. Под съемочной системой понимают технические средства, с помощью которых регистрируют электромагнитное излучение. В зависимости от места установки съемочной системы измеряют и регистрируют излучение в наземных условиях, с воздушного (аэро-) или космического летательного аппарата (носителя). При получении информации о земной поверхности большой протяженности аэро- и космические методы наиболее эффективны и оперативны. Для изучения локальных явлений или относительно небольших по размерам объектов, например, при определении объемов земляных работ, деформации зданий и построек, мониторинге ледников, оползней и др., выполняют наземные съемки с помощью фототеодолитов, цифровых съемочных устройств или лазерных сканеров. В зависимости от типа съемочной аппаратуры информация может быть представлена в различном виде. Например, в виде двумерной аналоговой записи на фотографическом носителе (фотоснимки) или поэлементной цифровой записи на магнитном носителе. Некоторые съемочные системы позволяют получать трехмерное изображение, элемент которого имеет все три пространственные координаты, например лазерные системы. С летательных аппаратов можно измерять электромагнитное излучение над объектом в дискретных точках, при этом определяют его различные характеристики, например при спектрометрировании – оптические свойства объектов, а при исследованиях загрязнений территорий – количество и распределение определенных химических соединений, радионуклидов, тяжелых металлов и др. Рассмотрим общую схему получения первичной видеоинформации при проведении аэро- и космических съемок земной поверхности (рис.13). Рис. 13. Схема получения и обработки данных ДЗЗ Аэро- и космические съемки Земли разделяют на пассивные и активные. При пассивной съемке информацию получают двумя способами: первый – путем регистрации отраженного от объекта солнечного светового потока; второй – измерением радиационного потока, излучаемого самим объектом (собственное излучение). При активной съемке поверхность исследуемого объекта облучается с борта аэро- или космического летательного аппарата с помощью искусственного облучателя (лазера -оптического генератора, радиогенератора), а отраженное излучение регистрируют соответствующие бортовые приемные устройства. Аэро- и космические съемки представляют собой сложный комплекс инженерных, технических и организационных мероприятий, в состав которых входят работы по наземному обеспечению получения и последующей предварительной обработке изображений (снимков). При съемке в отраженных лучах радиационный поток проходит путь от источника излучения до объекта через атмосферу, где происходят его энергетические изменения. В результате взаимодействия с объектом часть радиационного потока отражается в пространство и имеет иной спектральный состав, поляризацию и энергию. Характер изменений зависит от химических и физических свойств снимаемых объектов. Поэтому отраженный поток электромагнитного излучения несет сведения о свойствах изучаемых объектов. На пути от объекта до приемника съемочного устройства отраженное излучение объекта подвергается искажению под воздействием различных компонентов, входящих в состав атмосферы. При регистрации собственного излучения оно также подвергается воздействию атмосферы. Излучение радиодиапазона искажается помехами, вызванными в основном радиомагнитным полем Земли, ионосферным и тропосферным влиянием атмосферы на флуктуации прохождения радиосигнала. Рис. 14. Процесс съемки В качестве приемников излучения в съемочных системах служат фотографические пленки (рис.15), фотоэлектрические и термоэлектрические элементы (рис. 16). Если съемку выполняют с помощью радиосъемочной аппаратуры, то для приема радиоизлучения, отраженного от объекта, используют антенны (рис. 17). Рис. 15. Фотографические пленки Рис. 16. Антенны Рис. 17. Фотоэлектрические и термоэлектрические элементы. Схема построения модели местности представлена на рис. 18. Рис. 18. Построение модели местности Физические основы аэро- и космических съемок. Оптические ха- рактеристики элементов ландшафта. Космической съёмкой называют съёмку поверхности Земли с космических летательных аппаратов, это с высоты 140–150 км. Высота съёмки ограничивается целесообразностью масштаба изображения поверхности Земли. Процесс космической съемки изображен на рис. 19. Рис. 19. Космическая съемка Для съёмки используются различные летательные аппараты, в основном это искусственные спутники Земли. Иногда выборочные съёмки отдельных территорий или объектов выполняются с пилотируемых космических кораблей, или долговременных орбитальных станций. Первый снимок Земли из космоса представлен на рис. 20. Рис. 20. Первый снимок Земли из космоса К особенностям космического зондирования Земли относятся перемещение (КЛА) по орбитам по законам небесной механики и аэродинамики, быстрое изменение по трассе полёта условий освещённости, влияние толщины атмосферы на качество изображения большое разнообразие ландшафтов, которые могут иметь различное сезонное состояние. На рис.21 показано изображение Земли ночью. Рис. 21. Изображение Земли ночью, составленное из большого числа отдельных снимков Аэрофотосъёмка производится с самолётов, вертолётов при небольшой высоте, и сразу снимки получаются в крупном масштабе, они являются центральной проекцией местности, и их можно использовать для дешифрирования (рис. 22). Рис. 22. Современные самолёты и вертолёты, с которых производится аэрофотосъёмка(СТАРЬЕ))…. Космические снимки требуют специальной обработки, и только после этого их можно использовать, но они не дают большой информации, мала детализация признаков дешифрирования. Космическую съёмку можно делать чаще и наблюдать изменения, аэрофотосъёмка таких возможностей не имеет. В обеих видах съёмки используются физические основы – восприятие отражённого излучения от предметов светочувствительным материалом. На рис. 23 представлена спутниковая съемка сельской местности. Рис. 23. Спутниковая съемка сельской местности Понятие о спектрометрировании. Съемочная система. Классификация съемочных систем Определение критериев отражательной способности, исследование их динамики выполняют в результате проведения комплекса работ, называемого спектрометрированием. С помощью приборов (спектрометров) (рис. 24) по определенной методике измеряют яркости объектов и эталонной поверхности. Спектрометрирование выполняют в лабораториях и полевых условиях: находясь на поверхности объекта или с воздушных и космических летательных аппаратов. Спектрометрирование в лаборатории позволяет с высокой точностью и в необходимом качестве измерять образцы почв, растительности и иных материалов (рис. 25). Рис. 24. Спектрометр Рис. 25. Спектрометрирование в лабораторных условиях Полевое наземное спектрометрирование проводят при непосредственном нахождении на объекте исследования. Спектрометры устанавливают на высокие штативы, мачты или механические подъемники (автовышки). Классифицировать съемочные системы можно по различным критериям. Съемочные системы разделяют на: 1. На воздушные и космические; 2. Пассивные и активные; 3. Работающие в оптическом или радиодиапазоне 4. Однозональные и многозональные 5. Фотографические и нефотографические съемочные системы. Фотографические можно выполнять на черно-белых или цветных фотоматериалах. Цвет изображения может быть натуральным или псевдоцветным. 6. Оперативные и неоперативные в зависимости от способа и сроков доставки видеоинформации. Классификация может быть продолжена, исходя из многообразия конструкций и технических характеристик съемочных систем. Основные критерии съемочных систем Основные критерии, применяемые для оценки информационных возможностей съемочных систем:  линейная разрешающая способность;  спектральная разрешающая способность;  фотограмметрическая точность;  фотометрическая точность. Спектральная разрешающая способность съемочной системы – это минимальная ширина спектральной зоны, в которой проводят съемку. Ширина спектральной зоны определяется возможностью используемого сенсора воспринимать интегральный сигнал (уровень излучения), создаваемый в данной зоне. Для фотографических систем она приблизительно равна 40...50 нм, для нефотографических систем – 10...20 нм и менее. Фотограмметрическая точность съемочных систем – критерий геометрического искажения получаемого снимка. Степень геометрического искажения определяется позиционной точностью построения оптического изображения и последующей деформацией данного оптического изображения приемником излучения. Существуют топографические и нетопографические съемочные системы. Под топографическими понимают такие системы, геометрические искажения в которых минимальны и практически не влияют на точность фотограмметрических преобразований. К этому же классу можно отнести съемочные системы, имеющие значительные искажения геометрии построения изображения, но с известным законом (моделью) деформации. Используя модель деформации можно учесть геометрические искажения снимка при цифровой фотограмметрической обработке снимков. Для нетопографических съемочных систем главным является получение изображения с высокими изобразительными свойствами. Съемочные системы, обеспечивающие достаточную точность передачи пропорций яркостей снимаемых объектов по полю изображения, относят к фотометрическим. Причинами, снижающими фотометрическую точность, могут быть: оптический тракт съемочной системы, нестабильность работы ее электронной цепи, непропорциональность регистрации сигналов сенсором и др. В качестве одного из критериев фотометрической точности может быть использовано отношение сигнал/шум – критерий, определяющий отношение основного сигнала, несущего информацию, к величине сигнала шума (помехи). Чем больше отношение сигнал/ шум, тем выше фотометрическая точность системы. При конструировании таких систем учитывают возможные изменения пропорций регистрируемых сигналов по полю изображения. Для повышения фотометричности съемочных систем оптимизируют угол захвата съемочных систем, уменьшают шумы оптического и электронного тракта, формирующего изображение, и т. п. Рассмотренные критерии можно считать основными и общими при оценке и сравнении различных съемочных систем. Для отдельных типов съемочных систем могут быть определены специфические критерии. Контрольные вопросы 1. Дайте определение аэро- и космической съемки (АКС). 2. Что такое космическая съемка? 3. Какова классификация съемочных систем? 4. Какие критерии применяют для оценки съемочных систем? 5. Какие съемочные системы относят к фотометрическим?__