Производство аэрокосмической съёмки.Расчет параметров аэросъемки. Устройство аэрофотоаппарата.Оценка качества аэрофотосъемки

Лекция № 3 ПРОИЗВОДСТВО АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ СЪЁМКИ. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ АЭРОСЪЕМКИ. УСТРОЙСТВО АЭРОФОТОАППАРАТА. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА АЭРОФОТОСЪЕМКИ Основные вопросы: 1. Основные сведения о аэро- и космических съемках. Принцип фотографирования. Виды съемок. 2. Устройство аэрофотоаппарата и классификация съемочных камер. Объективы и их основные характеристики. 3. Расчет параметров аэросъемки. 4. Оценка качества аэрофотосъемки. Основные сведения о аэро- и космических съемках. Принцип фотографирования. Виды съемок Аэрокосмические съемки принято делить на ряд классов и видов в зависимости от назначения, используемых носителей, съемочной аппаратуры, технологии выполнения съемки, формы представления результатов. На рис. 26 показаны кадры аэрокосмической съемки. Аэрофотосъемка. Существуют несколько разновидностей съемок с самолета: аэрофотографическая (рис. 27), тепловая инфракрасная (рис. 28), радиолокационная (рис. 29) и др. Кроме того, традиционные аэрометоды включают ряд так называемых геофизических съемок – аэромагнитную, аэрорадиометрическую, аэроспектрометрическую, в результате выполнения которых получают не снимки, а цифровую информацию об исследуемых объектах. Из всех съемок наиболее распространенной является аэрофотографическая съемка. В зависимости от направления оптической оси аэрофотоаппарата различают плановую и перспективную аэрофотосъемку. Плановой называют аэрофотосъемку, выполняемую при вертикальном положении оптической оси, при этом угол отклонения допускается до 3 градусов. Использование гиростабилизирующих аэрофотоустановок при фотографировании местности позволяет получить снимки с углом наклона 7–10 мин (предельное значение угла 40 мин). При создании планов и карт крупного масштаба применяют снимки, полученные в результате проведения плановой аэрофотосъемки. Схема проведения плановой аэрофотосъемки изображена на рис. 30. При перспективной съемке угол отклонения оптической оси от вертикали может достигать 45 градусов. Ее выполняют для увеличения зоны захвата снимаемой местности при обзорных или рекогносцировочных работах. На рис. 31 показана схема проведения перспективной съемки. При планово-перспективной съемке используют несколько аэрофотоаппаратов одновременно – одним АФА проводят плановую съемку, другими перспективную. Это позволяет фотографировать полосу местности до горизонта. По количеству и расположению снимков различают однокадровую (одинарную), маршрутную и многомаршрутную(площадную) аэрофотосъемку. При однокадровой фотосъемке получают одиночные снимки участков земной поверхности. При маршрутной фотосъемке изображение полосы местности представляется в виде некоторого количества снимков, полученных по направлению (маршруту) полета летательного аппарата. Маршрут полета может быть прямолинейным, криволинейным или ломаным. Это зависит от вида фотографируемого объекта и целей съемки. Например, при обследовании или проектировании линейных объектов (дорог, трубопроводов, линий электропередачи, каналов и т.п.) съемку проводят по криволинейным или ломаным маршрутам (рис. 32). Многомаршрутная (площадная)фотосъемка представляет собой получение снимков местности с нескольких параллельных маршрутов. Маршруты прокладываются чаще всего по направлениям восток – запад – восток или север – юг – север. Площадную аэрофотосъемку применяют при картографировании или обследовании больших территорий (рис. 33). Одномаршрутную и многомаршрутную аэрофотосъемку, проводимую с помощью кадровых АФА, выполняют с перекрытиями соседних снимков. Перекрытиями называют части аэроснимков, на которых изображена одна и та же местность. Значения перекрытий выражают в процентах от длины стороны снимков. Перекрытия аэроснимков в процентах представлено на рис. 34. Продольное перекрытие снимков рассчитывают или задают, исходя из технологии фотограмметрической обработки снимков (или иных соображений). Величина его может быть 60, 70, 80, 90 %. Перекрытие двух смежных снимков называют двойным. Зона перекрытия трех снимков – тройное перекрытие и т.д. Для каждого стандартного значения продольного перекрытия определяют минимальные и максимальные пределы. Продольное перекрытие обеспечивается частотой (временным интервалом) включения АФА, которое зависит от высоты фотографирования и путевой скорости летательного аппарата. Расстояние между соседними точками фотографирования в маршруте называют базисом фотографирования и обозначают Вх. Поперечное перекрытие ру – это перекрытие снимков соседних маршрутов. Поперечное перекрытие рассчитывают по формуле pv = (lу – 100 %)/l, где lу – размер перекрывающейся части снимков двух смежных маршрутов. Минимальное поперечное перекрытие допускается 20 %. Расстояние между маршрутами рассчитывают по формуле В=lут (100 % – ру) /100% Продольные и поперечные перекрытия позволяют определить центральную часть снимка, где его геометрические и фотометрические от величины продольного перекрытия обязательно используют крайние снимки маршрутов. Укладывают снимки так, чтобы номера снимков были видны на накидном монтаже. Снимки размещают на щите так, чтобы их номера располагались горизонтально. Номер может быть в правом верхнем углу или на южной (нижней) стороне снимка. Первый закрепленный снимок укладывают на второй из данного маршрута так, чтобы максимально точно совместить изображения их перекрывающихся частей. Совмещают изображения способом «мельканий». Суть этого способа заключается в том, что на предыдущий снимок укладывают последующий так, чтобы изображения их перекрывающихся частей примерно совпали. Затем верхний снимок многократно в быстром темпе отгибают и прижимают к нижнему (рис. 36). При неточном совмещении снимков наблюдаемые изображения объекта будут перемещаться. Возникает эффект мультипликации. Для устранения перемещения положение верхнего снимка уточняют, сдвигая в нужном направлении. После закрепления второго снимка аналогично укладывают остальные снимки маршрута. Снимки второго и последующих маршрутов укладывают также способом «мельканий», добиваясь совмещения изображений как в зонах продольных, так и поперечных перекрытий. При 30 %-м поперечном перекрытии монтируют все маршруты, при 60 %-м – через маршрут. При значительной территории съемочного участка составляют несколько накидных монтажей, каждый из которых, как правило, покрывает четыре смежных трапеции. Космическая съемка, т.е. съемка с высоты более 150 км, выполняется со спутника, который в соответствии с законами небесной механики перемещается по строго установленной орбите. Поэтому возможности его маневрирования по сравнению с самолетом весьма ограничены (рис. 37). Любой спутник-съемщик (рис. 38) всегда должен рассматриваться с учетом параметров его орбиты. Орбиты спутников. С точки зрения космических съемок земной поверхности важны следующие параметры орбит: форма, наклонение, высота, положение её плоскости по отношению к Солнцу. Форма орбиты определяет постоянство высоты съемки на разных участках орбиты. Предпочтительны круговые орбиты, у которых высоты перигея и апогея одинаковы и, следовательно, одинакова высота съемки земной поверхности, а для одной и той же аппаратуры – одинаковы охват, масштаб и разрешение снимков. Съемка земной поверхности изображена на рис. 39. Устройство аэрофотоаппарата и классификация съемочных камер. Объктивы и их основные характеристики Аэрокосмические снимки получают с помощью специальной аппаратуры – съемочных систем многократного действия. Существуют десятки различных съемочных систем, отличающихся по принципу действия, конструкции, назначению; среди них выделяют основные – фотографические, оптико-электронные и радиоэлектронные. В свою очередь, каждая из этих систем состоит из целого ряда взаимосвязанных приборов и устройств, но главными из них соответственно являются фотокамеры, сканеры и радиолокаторы. Неотъемлемой частью съемочных систем служит бортовой компьютер, управляющий их автоматической работой. Съемочная аппаратура дополняется комплексом приборов для точного определения во время полета пространственных координат и углов наклона носителя – радиовысотомерами, ГЛOHACC/GPS-приемниками, инерциальными системами. Работа электронных съемочных систем тесно связана с бортовыми средствами передачи видеоинформации на Землю и наземными пунктами приема этой информации. Применяются два режима передачи: синхронно с выполнением съемки (в зоне прямой видимости) с предварительной записью снятой видеоинформации на запоминающие устройства на борту носителя и быстрым ее сбросом во время пролета над пунктом приема. Все съемочные системы, предназначенные для получения аэрокосмических снимков, не только регистрируют необходимую видеоинформацию, но, к сожалению, вносят в нее неизбежные аппаратные искажения. Аэрофотоаппара – оптико-электромеханическое устройство, предназначенное для фотографирования земной поверхности с различных летательных аппаратов (рис. 40). Фокусным расстоянием объектива или главным фокусным расстоянием называют расстояние от задней узловой точки объектива до главного фокуса. Через главный фокус перпендикулярно оптической оси проходит плоскость, в которой строится изображение и где распологается аэрофотопленка. Аэрофотопленка – часть фотографической съемочной системы. С ее помощью регистрируются оптическое изображение. От свойств аэрофотопленки зависит метрическое и изобразительное качество аэроснимков, т.е. качество характеристики объектива. Разрешающая способность фотоматериала определяет способность фотоэмульсионного слоя раздельно воспроизводить мелкие близкорасположенные детали фотографируемого объекта. Разрешающая способность зависит от размера зерна фотоэмульсионного слоя. Современные аэропленки имеют разрешающую способность 60–250 мм–1. Кассета (съемочная часть аэрокамеры) предназначена для размещения аэропленки, ее перемотки и отмеривания по размеру, а также для выравнивания пленки в плоскость. Аэрофотообъектив – оптико-механическое устройство, состоящее из оптической и механической частей. Затвор – это устройство, регулирующее время (выдержку), в течение которого происходит экспонирование аэрофотопленки. Оценка качества материалов аэрофотосъемки После выполнения аэросъемочных работ оценивают качество материалов аэрофотосъемки. Оценку качества материалов съемки выполняют с целью выявления соответствия реально получаемых результатов требованиям технического задания и существующим нормативам, значения которых определены инструкциями и наставлениями по производству аэрофотосъемок. Оценивают фотографическое качество аэрофотоснимков и фотограмметрическое качество материалов аэрофотосъемки. Фотографическое качество зависит от состояния атмосферы, освещения объекта съемки, технических условий проведения аэрофотографирования, фотохимической обработки. При визуальной оценке на аэрофотонегативах не должно быть обнаружено механических повреждений, изображений облаков, теней от них, бликов, ореолов. Изображение на снимках должно быть резким, с хорошей проработкой деталей в светлых и темных участках. Оптическая плотность (тон) и контрастность должны соответствовать нормативам. При визуальном способе для сравнения можно использовать снимки- эталоны, т.е. снимки, фотографическое качество которых оценено высококвалифицированными специалистами- экспертами. Применение приборов позволяет более точно и объективно оценить фотографическое качество аэрофотоизображений. Фотограмметрическое качество материалов аэрофотосъемки оценивают по следующим критериям: 1. Определение продольных и поперечных перекрытий. 2. Определение непрямолинейности аэрофотосъемочного маршрута. 3. Разворот снимка относительно направления маршрута «елочка». 4. Определение углов наклона снимков. 5. Определение фактической высоты фотографирования над средней плоскостью съемочного участка. 6. Обеспеченность границ участка съемки и проверка наличия аэрофотоснимков. Требования к фотографическому качеству материалов аэрофотосъёмки 1. Для аэрофотографирования применяются черно-белые, цветные и спектрозональные аэропленки, выпускаемые промышленностью. Выбор типа аэропленки производится заказчиком. На рис. 41 показаны аэроснимки с цветным и спектрозональным цветовоспроизведением местности. 2. Аэрофотосъемка должна производиться при отсутствии облачности и высоте солнца над горизонтом не менее 20° при фотографировании на черно-белую фотопленку и не менее 25° – на цветную и спектрозональную. Эти ограничения могут быть сняты при заключении договора. 3. Аэрофотосъемка должна производиться с использованием светофильтров, имеющихся в комплекте аэрофотоаппарата, в зависимости от высоты полета самолета, интенсивности воздушной дымки и применяемых аэропленок. 4. Сенситометрические и градационные характеристики аэронегативов должны удовлетворять нормам. 5. Химико-фотографическая обработка аэрофильмов и фильмов с показаниями спецприборов должна обеспечивать их долговременное хранение. 6. Дефекты аэронегативов (заломы, царапины, пятна, полосы и т.п.), а также изображения облаков, производственных дымов и теней от них, блики, ореолы («глория») и другие не должны мешать выполнению фотограмметрических работ и дешифрированию аэрофотоснимков. На рис. 42 изображен снимок ландшафта над облаками. 7. Если на аэронегативах изобразились «глория» или производственные дымы, то по согласованию с заказчиком выполняется повторная аэрофотосъемка в период времени, когда «глория» не возникает, а производственные дымы и тени от них имеют другое местоположение. 8. Применение аэропленок с истекшим гарантийным сроком хранения допускается после проведения сенситометрических испытаний или при соответствии характеристик аэронегативов контрольной аэрофотосъемки данным. 9. Аэронегативы и контактные отпечатки с них должны иметь резкое и хорошо проработанное изображение по всему полю. 10. Качество репродукции накидного монтажа должно обеспечивать хорошую читаемость основных контуров местности, а также номеров аэрофотоснимков. Облако на аэрофотоснимке изображено на рис. 43. Контрольные вопросы 1. Какие разновидности съемок с самолета существуют? 2. Что называется плановой аэрофотосъемкой? 3. Аэрофотосъемки бывают? 4. Что называют продольным перекрытием? 5. Что называют поперечным перекрытием? 6. Как устроен аэрофотоаппарат? 7. Что называют фокусным расстоянием? Лекция №4 ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЭРОСНИМКА Основные вопросы: 1. Геометрия снимков полученных при помощи кадровых фотограмметрических съемочных систем. 2. Центральная проекция. 3. Система координат и элементы внутреннего ориентирования снимков. При картографировании земной поверхности используют различные законы построения изображения этой поверхности в масштабе – картографические проекции. Задачи организации территорий, кадастра, инженерных изысканий удобнее решать по планам, созданным по законам ортогонального проецирования, – точки элементов ситуации при этом проецируют на горизонтальную плоскость отвесными линиями с одновременным масштабированием результатов. На рис. 45 представлены картографические проекции. На снимках, полученных с помощью кадровых съемочных систем, изображение строится по законам центрального проецирования. Проецирующие лучи здесь представляют собой пучок линий, проходящих через единую точку- центр проекции. Основные элементы центральной проекции следующие:  S – центр проекции, в фотограмметрии – задняя узловая точка объектива съемочной камеры;  Р' – картинная плоскость(негативная) – фокальная плоскость объектива съемочной камеры;  Р – картинная плоскость позитивная. Основные элементы центральной проекции Е – предметная плоскость – горизонтальная секущая плоскость снимаемого участка местности; о(о') – главная точка картины – главная точка снимка, получаемая при пересечении главного луча(оптической оси) объектива съемочной камеры S0 с плоскостью картины; W – плоскость главного вертикала, проходящая через точку S перпендикулярно плоскостям Р(Р') и Е; vov(v'ov') – глaвнaя вертикаль – след пересечения плоскостей Р(Р') и W; voV – проекция главной вертикали; n(n') – точка надира – точка пересечения плоскости Р(Р') с отвесным лучом; N – проекция точки надира – точка пересечения плоскости Е отвесным лучом, проходящим через точку S; р – угол наклона картины (снимка) – угол между плоскостями Р(Р') и Е или лучами SO и SN; с(с') – точка нулевых искажений – точка пересечения плоскости Р(Р') биссектрисой угла р; С – проекция точки нулевых искажений; hпhп (h'пh'п) – горизонталь, проходящая через точку n(n'), – линия в плоскости Р(Р'), перпендикулярная \/0\/(у'0\/'). Горизонтали могут проходить через любую точку картины, например через точку о – hоhо или точку с – hсhс. В одной из систем координат снимка главную вертикаль VoV принимают за ось абсцисс, а любую из горизонталей – за ось ординат. Точки о, n, с располагаются на главной вертикали, а точка О, С, N – на её проекции. Отстояния точек n и с от точки о определяют по формулам: оп = ftgp и ос = ftgр/2. Эти точки, в общем случае, близки друг к другу. Например, на плановых снимках при р=2° и f=100 мм оn = 3,5 мм и ос = 1,8 мм, а на снимках, полученных с использованием гиростабилизированной АФУ, при р=20' оn = 0,6мм и ос = 0,3 мм. Это положение неоднократно будем использовать в дальнейшем при анализе метрических свойств снимков и описании технологии их применения. Расстояние оS – главное расстояние, и обозначают его буквой f. В фотограмметрии этот отрезок называется фокусным расстоянием съемочной камеры. Расстояние SН=Н называют высотой съемки. В фотограмметрии обычно используют следующие системы координат. Для определения положения точки на снимке применяют правую плоскую прямоугольную систему координат снимка о'ху. Началом системы координат является точка о' – точка пересечения прямых, соединяющих координатные метки снимка 1-2 и 3-4. Ось х совпадает с прямой 1-2, а её положительное направление – с направлением полёта. Ось у перпендикулярна оси х и проходит через о'. Координаты точек (х, у), измеренные в системе координат снимка, называют плоскими координатами (рис. 47). Для определения положения центра проекции S относительно снимка используют пространственную систему координат снимка о'хуz. В этом случае начало системы координат и оси х и у те же, что и в плоской системе координат снимка. Ось о‘z перпендикулярна плоскости снимка и дополняет систему до правой (рис. 48). Взаимное положение точек местности определяют в пространственной фотограмметрической системе координат. Это правая система координат. Начало системы и направления координатных осей выбирают произвольно. Часто начало системы координат совмещают с центром проекции S-ХУ или с какой-либо точкой местности М-МХУZ. Плоскость ХУ принимают горизонтальной или параллельной плоскости снимка (рис. 49). Положение точек местности определяют в левой геодезической системе прямоугольных координат Гаусса – ОГХГУГ1Г. Начало геодезической системы координат ОГ находится в точке пересечения осевого меридиана данной зоны и экватора. Плоскость ХГУГ – горизонтальная. Ось УГ направлена на восток, ось ХГ – на север. Условная геодезическая система координат может иметь началом любую точку местности, а её оси сонаправлены соответствующим осям системы координат Гаусса (рис. 50). Различают элементы внутреннего и внешнего ориентирования снимка. Элементы внутреннего ориентирования определяют положение центра проекции S относительно снимка. Ими являются координаты точки S в пространственной системе координат снимка. Поскольку проекцией точки Б на плоскости снимка является главная точка O, то их плановые координаты х и у в системе координат снимка совпадают, аппликатой точки S является расстояние S0, т.е. фокусное расстояние АФА f". Таким образом, элементами внутреннего ориентирования снимка являются координаты главной точки снимка х0, Уо и фокусное расстояние АФА f. Это элементы почти всегда известны с высокой точностью и записаны в паспорте АФА. Например, f = 100,020 мм; xo= –0,012 мм; уо = +0,023 мм. Элементы внутреннего ориентирования снимка формируют связку проектирующих лучей, существовавшую при съемке (рис. 51). На рис. 52 показаны элементы внешнего ориентирования снимка. Контрольные вопросы 1. По каким законам строится изображение на снимках, полученных при помощи кадастровых съемочных систем? 2. Назовите основные элементы центральной проекции. 3. Какие системы координат различают в фотограмметрии?