021300.62 Описание лабораторных работx

Методические указания к лабораторным работам по АКМЗиФ.
Лабораторная работа №1.
Тема: Расчет освещенности земной поверхности в заданном оптическом
диапазоне электромагнитного излучения.
Освещенность земной поверхности
Основной характеристикой светового режима фотографируемого
ландшафта при съемке из космоса или с самолета (аэрофотографирование)
является освещенность горизонтальной поверхности. Она создается прямой
(направленной)
солнечной
радиацией
и
рассеянной
радиацией,
обусловленной рассеивающими
свойствами атмосферы и объектов
аэроландшафта /4/.
Под прямой солнечной радиацией понимают лучистую энергию,
испускаемую Солнцем и проникающую в атмосферу Земли. Спектр
электромагнитных излучений Солнца в верхней границе атмосферы,имеет
длины волн от 0.17 (0.20) до 4.0 (4.5) мкм /4/.
Цветовая температура солнечного излучения колеблется в пределах от
5744 до 6136 К. При среднем значении температуры внешней оболочки
солнца около 6000 К энергетическая светимость его составляет 6.2 103 Вт/
м 2 . Так как Земля удалена от Солнца
на расстояние 149 000 000 км, то
энергетическая освещенность на
границе атмосферы в соответствии с
законом квадратов
расстояний, на площадке, перпендикулярной к
направлению распространения излучения будет равна 1320 (1350) Вт/ м2 . Эту
величину принято называть солнечной постоянной E .
Величину спектральной солнечной постоянной для некоторого диапазона
длин волн [  1 ,  2 ] можно найти используя выражение:
2
 E(  , T)d
E (  )  E
1

.
(1)
 E(  , T)d
0
В выражении (1) второй сомножитель определяет ту часть
от
интегральной
интенсивности излучения Солнца, которая приходится
на участок спектра в диапазоне длин волн [  1 ,  2 ] Распределении энергии
солнечного излучения в оптическом диапазоне подчинено закону Планка,
поскольку Солнце как источник энергии можно отожествлять с абсолютно
черным телом с цветовой температурой около 6000 К.
Имеем:
E(  , T) 
2 hc 2
5

1
,
 hc 
exp
 1
 kT 
 Bт 

.
 2

 м м kм
(2)
Здесь Е( ,Т) - спектральная поверхностная плотность потока излучения,
испускаемого единицей поверхности черного тела в единичном интервале
длин волн;
h = 6.626176 1034 Дж·с - постоянная Планка;
k = 1.38062· 1023 Дж/k - постоянная Больцмана;
с = 2.9979258· 108 м/с - скорость света;
Т - температура абсолютно черного тела в кельвинах (Т=6000 К).
Подынтегральная функция Е(  ,Т) (см. (1)) такова, что интеграл в
аналитическом виде не берется. Для вычисления интеграла от этой функции
необходимо воспользоваться одним из численных методов. С учетом того,
что 99,9 % энергии Солнца заключено в спектральном интервале от 0.2 до
4.5 мкм бесконечный предел интегрирования в выражении (1) можно
заменить на конечный.
Полученную величину E    для конкретного диапазона длин волн [
 1 ,  2 ] можно рассматривать как солнечную постоянную, но уже
приведенную к интересующему нас интервалу длин волн, в котором
осуществляется съемка.
С учетом сказанного запишем:
2
 E , Td
E     E
1
l2
,
(3)
 E , Td
l1
l1 =0.2 мкм, l 2 =4.5 мкм.
При съемке с больших высот суммарная освещенность (во всем
оптическом диапазоне) земной горизонтальной поверхности при
безоблачном небе рассчитывается по формуле:


1  e  
 1  e    cosech    ,
E c  E sin h  e   cosech 


2


(4)
где E - солнечная постоянная на верхней границе атмосферы;
h - высота Солнца над местным горизонтом;
  - оптическая толщина всего слоя атмосферы.
Как видно из формулы (4) освещенность зависит от высоты Солнца h и
оптической толщины всего слоя атмосферы. Рассмотрим эти величины.
Оптическая толщина атмосферы
характеризует прозрачность

атмосферы, как количественная оценка наряду с метеорологической
дальностью видимости S  и коэффициентом прозрачности Т.
Связь между Т и   определяется формулой:
T  e   .
(5)
Оптическая толщина атмосферы характеризует показатель поглощения и
рассеяния солнечной радиации в атмосфере.
Величина
 зависит от длины волны
 и состояния атмосферы.
Состояние атмосферы или степень её прозрачности в метеорологии принято
характеризовать метеорологической дальностью видимости S  в км.
Метеорологической дальностью видимости S называется предельно большое
расстояние, начиная с которого при данной прозрачности атмосферы в
светлое время суток абсолютно черный предмет с угловыми размерами,
превышающими 0.009 радиан, сливается с фоном у горизонта и становиться
невидимым /Кучко, стр. 20 /.
В табл.1 приведены типы атмосферы и соответствующие им значения S  и
  для опорной длины волны   = 0.55 мкм.
Таблица 1
№ Тип атмосферы
Критерии
прозрачности
 0.55
1
Молекулярная
0.10
2
Слабо
замутненная
Средне
замутненная
Повышенно
замутненная
0.25
3
4
0.30
0.40
Визуальная
оценка
S  ,км
100
50
и более
20
10
Исключительная
видимость
Хорошая
видимость
Удовлетворитель
ная видимость
Весьма
посредственная
видимость
5
Сильно
замутненная
5
Плохая
и менее видимость
0.50
и более
В табл. 2 приведены значения оптической толщи атмосферы для различных
длин волн.
Таблица 2
№ Тип атмосферы
0.40 0.45
1
Молекулярная 0.38 0.22
2
Слабо
замутненная
Средне
замутненная
Повышенно
замутненная
Сильно
замутненная
3
4
5
0.55 0.40
0.62 0.46
0.76 0.59
0.90 0.71
Длина волны , мкм
0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.7
5
0.15 0.10 0.07 0.06 0.04 0.0
3
0.31 0.25 0.21 0.18 0.16 0.1
4
0.36 0.30 0.25 0.22 0.20 0.1
8
0.47 0.40 0.34 0.30 0.28 0.2
5
0.58 0.50 0.44 0.39 0.35 0.3
2
Для того, чтобы использовать формулу (4)
земной поверхности в диапазоне длин волн
среднее значение оптической толщи атмосферы
 1 ,  2 ] по формуле:
1
     

0.80
0.02
0.13
0.16
0.23
0.30
вычисления освещенности
[  1 ,  2 ], необходимо найти
для конкретного интервала [
2
      d
,
(6)
1
где  - ширина используемого диапазона длин волн;
    - оптическая толщина слоя атмосферы для заданного значения .
С учетом изложенного, формула для подсчета освещенности земной
горизонтальной поверхности при безоблачном небе в любом диапазоне
оптического спектра может быть представлен в виде:

    
   cosec h 1  e 
Ec     E    sin h e   


2

(7)
Величина h определяется формулой:


      cosec h  
1

e

 .



sin h   sin  sin    cos  cos   cos t  ,
(8)
где  - астрономическая широта объекта съемки. В данном случае заменяется
геодезической широтой т.е.   В;
  - склонение Солнца;
t - часовой угол Солнца в момент времени Т (см. Рис.1).
Рис.1. Небесная сфера и экваториальная система координат.
Характеристика программы "ЕS1" вычисления освещенности
земной поверхности в заданном оптическом диапазоне
электромагнитного излучения.
Блок - схема программы
Начало
Ввод исходных
данных
Порядковый номер года,
месяц, число, время (час.,мин.),
широта и долгота места
(градусы, минуты).
Выбор типа
атмосферы
от 1 до 5
Ввод спектрального
1 
2 
Hc
Е i ( ,Т)
i = 1,n
2
 E , Td
диапазона длин волн
в интервале [0.4-0.8] мкм
Подпрограмма вычисления
высоты Солнца h
Вычисление значений функции Планка
в общем диапазоне 0.2-4.5 мкм
Подпрограмма вычисления интеграла
1
Е i ( ,Т)
i = 1,n
2
 E , Td
Вычисление значений функции Планка
в заданном спектральном диапазоне
Подпрограмма вычисления интеграла
1
E   
Вычисление солнечной постоянной
Подпрограмма вычисления оптической
    
E c   
Вывод
результатов
толщины всего слоя атмосферы
для заданного спектрального диапазона
Вычисление освещенности
земной поверхности
Con - дисплей;
Prn - принтер;
c:\[раздел]\ filename - запись на диск С:
Да
Еще?
Нет
Конец
Программа "ES1" написана на языке программирования "Турбо
Паскаль" версии 7.0 в операционной системе DOS для PC.
Исходные данные к программе:
- порядковый номер года;
- порядковый номер месяца;
- число;
- местное время: часы и минуты;
- широта места: градусы и минуты;
- долгота места: градусы и минуты;
- Тип атмосферы (от 1 до 5 );
- Спектральный диапазон длин волн -  1 ,  2 .
На печать (экран) выдаются следующие результаты:
- введенные исходные данные;
- солнечная постоянная
- освещенность в спектральном диапазоне
- высота Солнца над местным горизонтом в градусах, минутах и
секундах.
Образец выдачи результатов программы ES1:
год
1991
месяц
11
число
1
время
12 час. 00 мин.
широта 5500
долгота 8315
Высота Солнца над горизонтом 204131
Общий оптический диапазон длин волн (мкм) 0.40 - 3.00
Тип атмосферы - 2
Спектральный диапазон длин волн (мкм) 0.70 - 0.80
Солнечная постоянная (Вт/ м 2 ) 1.4375428230Е+02
Оптическая толща атмосферы 0.243
Освещенность земной поверхности (Вт/ м 2 ) 3.5002399753Е+01
Образец выдачи результатов счета по программе LACs.exe:
Вычисление координат Солнца
год
1991
месяц
7
число
1
время
12 час. 00 мин.
широта 5500
долгота 8315
Истинная долгота Солнца 985546
Часовой угол Солнца
3523417
Прямое восхождение
994304
Склонение Солнца
230822
Высота Солнца над горизонтом 573944
Азимут Солнца
167.158
Лабораторная работа № 2.
Тема: Знакомство с аэрофотосъёмочным оборудованием и аэро – и
космическими снимками.
Изучить устройство АФА на примере имеющегося оборудования.
Зарисовать общую схему АФА.
Выписать основные технические характеристики АФА и их определения:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Фокусное расстояние объектива.
Разрешающую способность объектива.
Угол поля зрения.
Дисторсия.
Формат снимка.
Тип затвора.
Способы выравнивания фотопленки.
Лабораторная работа № 3.
Тема: Работа с аэрофотоснимком и картой.
Аэрофотоснимок, полученный топографическим АФА, является
центральной проекцией.
Записать определения центральной проекции, элементов внутреннего
ориентирования. Зарисовать систему координат снимка.
К элементам внутреннего ориентирования снимка относятся: фокусное
расстояние f и координаты главной точки o. Они служат для восстановления
связки проецирующих лучей (рис. 1 и 3).
Рисунок 1 – Центральная проекция.
Координатные метки на снимке задают систему координат снимка oxy.
Рисунок 2 – Прикладная рамка АФА с координатными метками.
Рисунок 3 – Элементы внутреннего ориентирования снимка.
Привязать снимок к карте, значит сориентировать снимок по общим
контурам на снимке a,b,c,d и карте A,B,C,D (рис.4).
Рисунок 4 – Измерение отрезков на аэрофотоснимке и карте для
определения масштаба снимка.
Для вычисления масштаба снимка необходимо измерить длины двух
отрезков между идентичными точками на снимке и на карте. Например,
точки A, B и a,b. Вычислить масштаб дважды с использованием длин двух
отрезков по формуле:
1
𝑚
=
𝑙сн
𝑙𝑘 ∗𝑀
,
где m – знаменатель масштаба аэроснимка; M – знаменатель масштаба карты;
𝑙сн - отрезок на снимке; 𝑙к - отрезок на карте. Затем, из двух значений
масштабов взять среднее значение.
Лабораторная работа № 4.
Темы: Элементы центральной проекции аэроснимка.
Зарисовать элементы центральной проекции (рис.1) и их определения.
Рисунок 1 – Элементы центральной проекции.
Далее, на аэроснимке, каждый студент показывает элементы
центральной проекции. Для этого необходимо вычислить отрезок on по
формуле:
𝑜𝑛 = 𝑓 tan 𝛼.
Последовательность работы:
1. На аэрофотоснимке начертить систему координат xy.
2. По координатам нанести главную точку снимка о.
3. С учетом угла ψ, начертить главную вертикаль снимка vv (угол ψ
отсчитывается от оси x против часовой стрелки).
4. Вычислить on.
5. Нанести точку n, которая лежит на главной вертикали.
6. Вычислить масштаб аэрофотоснимка по формуле:
1
𝑚
=
𝑓
𝐻
.
Исходные данные:
- фокусное расстояние снимка f;
- координаты главной точки снимка;
- угол наклона снимка α;
- угол ψ;
- высота фотографирования H.
Рисунок 2 – Элементы центральной проекции на аэрофотоснимке.
Искажения, вызванные углом наклона снимка.
Рисунок 3 – Наклонный и горизонтальный снимок.
Лабораторная работа № 5.
Тема: Работа с цифровым одиночным аэроснимком на ЦФС SDS.
Последовательность действий:
1. Освоить назначение и интерфейс программы стерео SDS (основное
меню работы с одиночным снимком).
2. Получить элементы внутреннего ориентирования снимка и каталог
координат опорных точек, контактный отпечаток снимка.
3. Заполнить сертификат снимка и каталог координат опорных точек на
ЦФС.
4. Выполнить внутреннее ориентирование снимка на ЦФС.
5. Выполнить внешнее ориентирование снимка на ЦФС.
6. Выписать элементы внешнего ориентирования аэроснимка.
7. Ознакомиться с интерфейсом программы Ортофото SDS.
8. Заполнить сертификат снимка.
9. Выполнить внутреннее ориентирование снимка в Ортофото SDS.
10. Выполнить трансформирование снимка.
Лабораторная работа № 6.
Тема: Построение геометрической модели местности на ЦФС OrtoPhoto SDS.
1. Ознакомиться с интерфейсом ЦФС для построения геометрической
модели местности по стереопаре аэроснимков.
2. Получить исходные материалы.
3. Выполнить внутреннее ориентирование каждого снимка стереопары.
4. Выполнить взаимное ориентирование снимков.
5. Выполнить внешнее ориентирование модели по опорным точкам.
6. Выполнить трансформирование одного из снимков.