40 - KazNTU SANDYK

ВВЕДЕНИЕ
В результате деятельности человека, а также вследствие природных процессов
облик поверхности земли непрерывно меняется. Это приводит к тому, что
изданные карты перестают соответствовать действительности.
Обновление топографических карт производится с целью приведения их
содержания в соответствие с современным состоянием местности и
переиздания в принятой системе координат и в действующих условных
знаках.
В зависимости от количества и характера изменений, происшедших на
местности с момента создания карт, а также важности районов для развития
производительных сил и обороны страны карты должны обновляться, как
правило, со следующей периодичностью:
– на наиболее важные обжитые районы – через 6 – 8 лет;
– на прочие районы – через 10 – 15 лет.
Карты подлежат обновлению в следующих случаях:
– при изменении государственной границы;
– при появлении новых населенных пунктов;
– при изменениях в дорожной сети;
– при изменениях в гидрографии;
–
при
изменении
растительного
покрова,
затрудняющего
ориентирование на местности;
– при изменении географических названий;
– при переходе к новой системе координат;
– при введении новых условных знаков.
Карты не обновляют, если произошли изменения, которые не
затрудняют использование карты. Вот пример некоторых из них:
– появление отдельных строений;
– при изменении контуров растительного покрова, не затрудняющего
ориентирование на местности;
– при изменении положения полевых и проселочных дорог.
Решение на обновление карт принимается на основании изучения
изменения местности, которое постоянно ведется геодезическими
предприятиями на закрепленные за ними районы.
Границы районов обновления карт должны выбираться с таким
расчетом, чтобы в кротчайшие сроки можно было обновить карты всего
масштабного ряда до масштаба 1 : 200 000 включительно.
Обновленные карты по точности, содержанию и оформлению должны
удовлетворять
требованиям
основных
положений
по
созданию
топографических карт масштабов 1 : 10 000, 1 : 25 000, 1 : 50 000, 1 : 100 000 и
действующих наставлений по топографическим съемкам, а также условным
знакам для карты соответствующего масштаба.
Высота сечения рельефа при обновлении не меняется.
Обновление карт на труднодоступные районы, а также карт масштаба
1:100 000 выполняется в соответствии с особыми указаниями ГУГК.
Карты, планово – высотная основа которых по точности не
удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям, не обновляются, а
создаются заново.
На участках местности, где в результате хозяйственной деятельности
значительно изменились рельеф и контуры местности (районы поливного
земледелия, добычи полезных ископаемых открытым способом и т. п.) или где
ранее выполненная съемка по каким – либо причинам оказалась низкого
качества, также должна быть произведена новая съемка.
Необходимость новых съемок должна быть обоснована путем
тщательного изучения района работ и анализа карт этого района.
На производство работ по обновлению топографических карт
составляют технические проекты, которые рассматриваются и утверждаются
в установленном порядке.
Издание обновленных карт производится не позднее одного года после
их обновления.
Карту приходится создавать заново, если изменения настолько
значительны, что нельзя использовать старые опознаки; если произошли
значительные изменения рельефа и нельзя использовать высоты со старой
карты; если точность карты не соответствует современным требованиям.
1 Геодезия
1.1 Аэрофотосъемка
Аэрофотосъёмка – фотографирование территории с высоты от сотен метров до
десятков километров при помощи аэрофотоаппарата, установленного на
атмосферном летательном аппарате (самолёте, вертолёте, дирижабле и пр. или
их беспилотном аналоге), в соответствии с рисунком 1.
Рисунок 1. Аэрофотосъемка при помощи аэрофотоаппарата
Различают горизонтальную аэрофотосъемку при отвесном положении
оптической оси фотографического аппарата, плановую – при наклоне
оптической оси до 3° и перспективную аэрофотосъемку, при косом положении
оптической оси к плоскости горизонта. В целях получения наиболее четкого
изображения при аэрофотосъемке применяются специальные объективы,
светофильтры и различные фотопленки. В последнее время наряду с чернобелым стали применять цветное фотографирование. Особенно перспективной
является аэрофотосъемка спектрозональная.
Плоскость аэрофотоаппарата может занимать заданное горизонтальное
или наклонное положения. В отдельных случаях фотографирование
производится на цилиндрическую поверхность или вращающимся
объективом. Обычно аэрофотосъемку выполняют однообъективным
аэрофотоаппаратом, но иногда для увеличения площади, фотографируемой на
одном снимке, – многообъективным аэрофотоаппаратом, фотографирование
производят одиночными аэроснимками, по определённому направлению или
по площади.
При
прокладывании
маршрута
часть
участка
местности,
сфотографированного на одном снимке, должна фотографироваться и на
другом, в соответствии с рисунком 2.
Рисунок 2. Схема продольного перекрытия по съемочному маршруту
Отношение площади, сфотографированной на двух смежных снимках, к
площади, изображенной на каждом отдельном снимке, выраженное в
процентах, называется продольным перекрытием; его задают в соответствии с
требованиями последующей фотограмметрической обработки (обычно
продольное перекрытие 60%). При аэрофотосъемке значительного по ширине
участка фотографирование площади производят серией параллельных
маршрутов, в соответствии с рисунком 3, имеющих между собой поперечное
перекрытие (обычно 30%). При аэрофотосъемке задают высоту полёта
относительно местности, фокусное расстояние камеры аэрофотоаппарата,
сезон и время, порядок прокладывания маршрутов.
Рисунок 3. Схема покрытия площади при аэрофотосъемке
В каждый момент фотографирования центр проектирования и плоскость
аэроснимка занимают произвольное положение, в виду подвижности
основания. Величины, определяющие пространственное положение снимка
относительно принятой системы координат, называются элементами
внешнего ориентирования снимка – три линейные координаты центра
проектирования Xs, Ys, Zs, в соответствии с рисунком 4, и три угла,
определяющие поворот снимка вокруг трёх осей координат.
Рисунок 4. Элементы внешнего ориентирования снимка
Для определения по аэроснимкам пространственных координат
сфотографированных точек требуется сначала найти элементы внешнего
ориентирования снимков, что связано с нахождением координат
определённых геодезических некоторых точек, хорошо изобразившихся на
снимках. Для установления в полёте элементов внешнего ориентирования
аэрофотосъемки применяют статоскоп, фиксирующий по изменению
давления воздуха изменение высоты полёта, радиовысотомер, определяющий
высоту фотографирования относительно местности, радиогеодезические
станции, дающие возможность находить расстояния от самолёта до станций,
расположенных на земной поверхности в точках, имеющих геодезические
координаты; эти данные позволяют вычислить плановые координаты центра
проектирования. Показания гировертикали дают возможность найти углы
наклона снимка; их также можно определить обработкой снимков, на которых
сфотографированы звёздное небо, положение Солнца или линия горизонта.
Для повышения качества и точности аэроснимков при аэрофотосъемке
применяют аэрофотообъективы с высокой разрешающей способностью и
малой дисторсией и аэроплёнку с очень малой деформацией. Падение
освещённости по полю зрения должно быть наименьшим, затвор должен
обеспечить очень короткие (до 1:1000 сек) выдержки, чтобы уменьшить
нерезкость, аэроплёнка в момент фотографирования должна быть строго
выровнена в плоскость, фотографируют на плёнки: черно–белую
панхроматическую, черно–белую инфрахроматическую, в соответствие с
рисунком 5, цветную и спектрозональную, в соответствие с рисунком 6, на
которой получается изображение с преобразованной передачей цветов,
дающей возможность резче подчеркнуть различия объектов.
Рисунок 5. Аэроснимки одного и того же участка местности:
слева – обычный, справа – инфрахроматический
На рисунке 6 справа деревья четко разделены на хвойные (более тёмные)
и лиственные (светлые), тёмное пятно в центре – водоём, который на обычном
снимке сливается с общим фоном.
Рисунок 6. Аэроснимки с натуральным (цветные) и преобразованным
(спектрозональные) цветовоспроизведением местности, полученные в
летнее время
Аэроснимки одного и того же всхолмленного участка в полосе
смешанных лесов; видны небольшой населенный пункт, перелески, поля и др.
На цветном аэроснимке (слева) дома распознаются уверенно, древостои по
породам разделяются, посевы мало дифференцируются. На спектральном
аэроснимке (справа) дома распознаются не полностью, древостои разделяются
благодаря условной цветопередаче (сосняки – темно-зеленые, дубравы –
желто-коричневые), посевы дифференцируются.
Аэрофотосъемка производится не ранее, чем за один год до начала работ
по обновлению топографических карт. Полученный аэрофотосъемочный
материал должен полностью удовлетворять основным техническим
требованиям.
При составлении технических требований на аэрофотосъемку в
необходимых случаях предусматривается одновременное двухмасштабное
фотографирование (основным и вспомогательным аэрофотоаппаратами).
Масштаб залета выбирают, по возможности, более мелкий, с учетом
наиболее полного камерального дешифрирования.
На каждый завершенный участок составляет Паспорт аэрофотосъемки.
Паспорта аэрофотосъемки комплектуются по объектам с приложением
картограммы расположения съемочных участков на объекте, выписок из
формуляров аэрофотоаппаратов и специальных приборов.
Приемке подлежат аэрофотосъемочные материалы и сопроводительная
документация на завершенные объекты аэрофотосъемки.
При приемке устанавливается соответствие аэрофотосъемочных
материалов «Основным положениям» и условиям договора, дается оценка их
качества.
Акты приемки материалов аэрофотосъемки Техническим контролем
подлежат утверждению руководством предприятия – исполнителя.
Приемка аэрофотосъемочных материалов, не соответствующих
«Основным положениям по аэрофотосъемке» и условиям договора по
комплектности и качеству, запрещается.
При приемке материалов аэрофотосъемки проверяется:
1) соответствие материалов аэрофотосъемки техническому проекту,
составленному на основании договора;
2) номенклатура трапеций карт на территорию выполненной
аэрофотосъемки;
3) соблюдение требований обеспечения границ съемочных участков;
4) наличие и качество регистрации показаний радиовысотомера и
статоскопа;
5) фотограмметрическое качество аэрофотосъемочных материалов;
6) фотографическое качество аэрофильмов и контактных отпечатков;
7) качество негативов и репродукций накидных монтажей;
8) комплектность и правильность заполнения сопроводительной
документации на материалы аэрофотосъемки;
9) дополнительная документация, предусмотренная договором на
аэрофотосъемку.
Проверка номенклатуры съемочных участков, правильность нанесения
границ объектов аэрофотосъемки, рамок трапеций и обеспечение границ
съемочных участков и объектов производится путем сопоставления накидного
монтажа с топографической картой, по которой выполнено проектирование
аэрофотосъемки.
Контроль проложения маршрутов, выполненных по заданным линиям,
осуществляется по отклонениям главных точек аэрофотоснимков от заданной
линии на топографической карте.
Отклонения главных точек аэрофотоснимков от заданной линии
измеряются на аэрофотоснимке в миллиметрах и должны быть в допуске.
При проверке нумерации высотограмм и статограмм устанавливается
соответствие их нумерации аэронегативов.
На каждой статограмме проверяются постоянные статоскопа, высота
аэродрома над уровнем моря, высота полета над аэродромом, температура
воздуха на рабочей высоте и в кабине самолета; на высотограмме – высота
фотографирования.
Контроль прямолинейности маршрутов при аэрофотосъемке равнинных
районов производится по накидному монтажу съемочного участка, а горных
районов – по накидным монтажам отдельных маршрутов.
Оценка материалов аэрофотосъемки определяется для каждого
фактического съемочного участка отдельно.
1.1.1 Съемка цифровой камерой ADS–40
Цифровой сенсор ADS–40 (Airborne Digital Sensor) компании Leica Geosystems
(Швейцария) представляет собой сканерную съемочную систему,
устанавливаемую на авиационные носители в соответствии с рисунком 7.
Рисунок 7. Цифровой сенсор ADS–40
В фокальной плоскости сенсора расположено несколько линеек
детекторов, позволяющих проводить одновременную съемку в различных
спектральных диапазонах, под разными углами отклонения от надира по
тангажу, а также вдвое повышать пространственное разрешени0е путем
комбинирования снимков, полученных линейками, установленными со
смещением на половину размера детектора относительно друг друга. В
зависимости от высоты полета и режима съемки (одинарными или
сдвоенными линейками) пространственное разрешение снимков может
составлять от 5 см до 1 м. Каждая линейка содержит 12 тыс. детекторов.
Фокусное расстояние оптической системы составляет примерно 62,5 мм,
ширина поля зрения 64[4].
С точки зрения извлечения метрической информации, необходимой для
создания выходных фотограмметрических продуктов, таких как цифровые
модели рельефа (ЦМР) и ортоизображения, целесообразно рассматривать в
первую очередь линейки детекторов, предназначенные для панхроматической
съемки в направлении надира, а также вдоль направления полета вперед и
назад. Конфигурация фокальной плоскости может различаться в зависимости
от используемой камеры, но в базовом варианте угол отклонения от надира
вперед составляет 28 , назад 14 . Съемка такого триплета и расположение
соответствующих линеек детекторов (для упрощения они показаны
одинарными) в фокальной плоскости сенсора изображены на рисунке 8.
Рисунок 8. Съемка панхроматического триплета и расположение
панхроматических линеек в фокальной плоскости
Таким образом, в отличие от снимков, получаемых аэрофотоаппаратами,
результаты съемки представляют собой протяженные панхроматические
триплеты и мультиспектральные изображения; ширина растра определяется
числом детекторов линейки или сдвоенных линеек, а число строк может
достигать сотен тысяч.
Вследствие того, что ADS–40 является сканерной съемочной системой,
геометрия получаемых изображений существенно отличается от центральной
проекции; каждая строка снимка имеет собственные элементы внешнего
ориентирования (ЭВО), поэтому к этим снимкам неприменимы методы
классической фотограмметрии. Более того, возникают проблемы и при
использовании методов обработки сканерных космических снимков, так как
перемещение центра масс и изменение ориентации спутников происходят
плавно и предсказуемо, чего нельзя сказать о сенсоре, установленном на
авиационной платформе. На рисунке 9 показаны графики изменения ЭВО
сенсора ADS–40, построенные с помощью утилиты ADSOriPlot компании
Leica Geosystems. Характер изменения ЭВО, особенно угловых, существенно
ограничивает возможности их интерполирования.
Рисунок 9. Изменение элементов внешнего ориентирования строк
снимка
Вследствие указанного характера изменения ЭВО геометрически не
преобразованные снимки (в терминологии компании Leica Geosystems
изображения уровня Level 0) содержат существенные геометрические
искажения (рисунок 10, слева). Поэтому перед выполнением
фотограмметрических процессов изображения Level 0 преобразуются в так
называемые изображения уровня Level 1, лишенные упомянутых недостатков
(рисунок 10, справа), для чего предназначено программное обеспечение GPro,
которое входит в комплект поставки съемочного комплекса ADS–40.
Рисунок 10. Изображения Level 0 (слева) и Level 1 (справа)
Создание изображений Level 1 заключается в проектировании снимков
уровня Level 0 на некоторую плоскость постоянной высоты, называемую
плоскостью ректификации, в соответствии с рисунком 11; при этом
используются ЭВО, измеренные в полете с помощью системы спутникового
позиционирования и инерциальной системы.
Рисунок 11. Создание изображения Level 1
Плоскость ректификации представляет собой плоскость постоянной
высоты (Z = const) в так называемой системе координат LSR (Local Space
Rectangular), которая представляет собой правую топоцентрическую
горизонтную систему координат с началом отсчета, расположенным
приблизительно в центре отснятого участка; координаты начала отсчета
включаются в состав метаданных снимка.
Координаты X, Y (в системе координат LSR) проекции точки местности
на плоскость ректификации аффинно связаны с пиксельными координатами
этой точки на изображении Level 1.
1.1.2 Предварительная обработка данных ADS–40
Построение выходных фотограмметрических продуктов, таких как ЦМР
и ортоизображения, может проводиться в цифровой фотограмметрической
системе PHOTOMOD, разработанной компанией «Ракурс», однако перед этим
необходимо выполнить предварительную обработку снимков ADS–40.
После аэросъемочного залета снимки и траекторные данные
подвергаются первичной обработке: программой GPro при переносе данных
из бортового накопителя информации на рабочие станции создаются
изображения Level 0, с помощью специализированного программного
обеспечения (в зависимости от модификации сенсора это может быть POSPac
компании Applanix или IPAS Pro компании Leica Geosystems) выполняется
постобработка измерений системы спутникового позиционирования и
инерциальной системы, а затем создаются изображения Level 1.
Далее выполняется автоматическое измерение связующих точек и
ориентирование блока снимков с привлечением опорных точек или без них.
Ориентирование блока снимков ADS–40 рекомендуется выполнять с
помощью соответствующей версии программы ORIMA (L. Hinsken), также
входящей в комплект поставки съемочного комплекса, в соответствие с
рисунком 12.
Рисунок 12. Предварительная обработка данных ADS–40
С
точки
зрения
программной
реализации,
основой
фотограмметрической обработки является решение прямой и обратной
фотограмметрических засечек.
Задачу прямой фотограмметрической засечки можно сформулировать
следующим образом: по заданным координатам l1, p1 и l2, p2 изображений
некоторой точки M местности на снимках стереопары необходимо вычислить
координаты X, Y, Z точки M на местности. Прямая фотограмметрическая
засечка решается, например, при создании ЦМР.
Решение обратной фотограмметрической засечки заключается в
следующем: по заданным координатам X, Y, Z некоторой точки M в системе
координат местности необходимо вычислить координаты l, p ее изображения
на снимке. Обратная фотограмметрическая засечка решается при выполнении
ортотрансформирования снимков.
При решении фотограмметрических засечек по снимкам ADS–40
необходимо учитывать следующие обстоятельства. Во–первых, в проект
вводятся снимки уровня Level 1, которые являются геометрически
преобразованными. Для использования элементов внешнего и внутреннего
ориентирования при решении засечек необходимо осуществлять пересчеты
между координатами точки на изображениях уровней Level 0 и Level 1. Во–
вторых, изображения уровня Level 1 создаются без учета результатов
уравнивания, поэтому воспроизведение тех пересчетов, которые выполнялись
при создании изображений уровня Level 1