Дистанционное зондирование и фотограмметрия
advertisement
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «УТВЕРЖДАЮ»: Проректор по учебной работе ___________ Волосникова Л.М. __________ _____________ 2011г. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ И ФОТОГРАММЕТРИЯ Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 022000.62 «Экология и природопользование» очной формы обучения, профиль «Природопользование» «ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»: Авторы работы _____________ Пупырев М.А. «______»___________2011 г. Рассмотрено на заседании кафедры картографии и ГИС от «______»___________ 2011г. протокол № _______ Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению. «РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»: Объем _________стр. Зав. кафедрой ________ Новохатин В.В. «______»___________ 2011г. Рассмотрено на заседании УМК института математики, естественных наук и информационных технологий от ______ 2011г. протокол № _____ Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы. «СОГЛАСОВАНО»: Председатель УМК _________ Столярова О.А.. «______»_____________2011г. «СОГЛАСОВАНО»: Зав. методическим отделом УМУ________ Федорова С.А. «______»_____________2011 г. РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Институт математики, естественных наук и информационных технологий Кафедра картографии и геоинформационных систем Пупырев М.А. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ И ФОТОГРАММЕТРИЯ Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 022000.62 «Экология и природопользование» очной формы обучения, профиль «Природопользование» Тюменский государственный университет 2011 2 Пупырев М.А. Дистанционное зондирование и фотограмметрия. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 022000.62 «Экология и природопользование» очной формы обучения, профиль «Природопользование». Тюмень, 2011г., 39 стр. Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки. Рабочая программа дисциплины опубликована на сайте ТюмГУ: Дистанционное зондирование и фотограмметрия [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.umk3.utmn.ru., свободный. Рекомендовано к изданию кафедрой картографии и геоинформационных систем. Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного университета. ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующий кафедрой картографии и геоинформационных систем, д.т.н. Новохатин В.В. © Тюменский государственный университет, 2011. © Пупырев М.А., 2011. 3 1. Пояснительная записка 1.1 Цель и задачи освоения дисциплины Цель дисциплины «Дистанционное зондирование и фотограмметрия», как одного из основных курсов в системе подготовки по направлению бакалавриата «Природопользование», состоит в том, чтобы дать общие и специальные знания о аэрокосмическом зондировании Земли и фотограмметрической обработке полученных при этом материалов, возможностях применения их для решения прикладных географических задач, выработать методические и практические навыки камеральной обработки космических снимков и аэрофотоснимков. Задачи дисциплины: - познакомить студентов с теоретическими основами аналитической и цифровой фотограмметрической обработки данных дистанционного зондирования; - познакомить студентов с применением фотограмметрической обработки данных дистанционного зондирования, в тематической картографии и при решении прикладных географических задач; - научить конкретным практическим приемам фотограмметрической обработки изображений; - познакомить студентов с программными комплексами по цифровой фотограмметрической обработке данных дистанционного зондирования. - научить студентов использовать аэрокосмические снимки для создания и обновления топографических и тематических карт. 1.2 Место дисциплины в структуре ООП Дисциплина «Дистанционное зондирование и фотограмметрия» 4 является базовой в общей профессиональной подготовке специалистов в области экологии и природопользования. Понимание общих положений, владение навыками технологий обработки и интерпретации, данных аэрокосмического зондирования необходимо будущим специалистам для выполнения комплекса научно-исследовательских картосоставительских работ по разработке и и актуализации топографических и тематических карт, формированию картографических баз данных и специализированных геоинформационных продуктов, решению прикладных географических и экологических задач. Дисциплина дает фундаментальные знания и умения по геометрически и географически корректной интерпретации данных аэрокосмического зондирования. Курс является одним из ведущих в подготовке картографов в современных условиях. Для освоения материала дисциплины необходимы знания основ географии, физики и математики, топографии, владение информационными технологиями. Освоение дисциплины «Дистанционное зондирование и фотограмметрия» необходимо в качестве предшествующих для всех дисциплин, оперирующих данными дистанционного зондирования Земли, курсов географического картографирования, а также для прохождения учебных и производственных практик. 1.3 Компетенции выпускника ООП бакалавриата, формируемые в результате освоения данной ООП ВПО Процесс изучения дисциплин модуля направлен на формирование следующих компетенций в соответствии с ФГОС ВПО: - иметь базовые знания в области информатики и современных геоинформационных технологий, владеть навыками использования 5 программных средств и работы в компьютерных сетях, умением создавать базы данных и использовать ресурсы Интернета, владеть ГИС-технологиями; уметь работать с информацией из различных источников для решения профессиональных и социальных задач (ОК-6); * в части использования Интернет-ресурсов для создания цифровых фотограмметрических моделей местности, поиска и выбора снимков по Интернет каталогам и электронным библиотекам. - владеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-13); * бакалавр должен владеть программными продуктами для обработки данных дистанционного зондирования. - знать основы картографии, владеть картографическим и аэрокосмическим методами в географических исследованиях (ПК-6) * в результате освоения модуля бакалавр должен сформировать навыки владения аэрокосмическими методами. - знать основы учения об атмосфере, о гидросфере, о биосфере и ландшафтоведении (ПК-5); * в результате освоения модуля бакалавр должен компетентно ориентироваться в важнейших знаниях о современном состоянии и природной среды и ее изменениях. - иметь профессионально профилированные знания и практические навыки в общей геологии, теоретической и практической географии, общего почвоведения и обладать способностью их использовать в области экологии и природопользования (ПК-3); * бакалавр должен уметь использовать аэрокосмические снимки для создания и обновления топографических и тематических карт, владеть основными технологическими схемами. 6 * квалифицированно выбирать дистанционные материалы для информационного обеспечения проектов по созданию карт, геоинформационных систем и по географическому моделированию на разных территориальных уровнях. В результате освоения дисциплин модуля обучающийся должен: Знать: * основные технологии получения данных дистанционного зондирования; * теоретические основы фотограмметрической аналитической обработки данных и цифровой дистанционного зондирования; * основные свойства аэрокосмических снимков и факторы, их определяющие, дешифровочные признаки объектов, существующие методические приемы дешифрирования и оценки надежности результатов; * материалы мирового фонда космических снимков и характеристики основных типов снимков. Уметь: * создавать цифровые фотограмметрические модели местности и использовать их для создания и обновления топографических и тематических карт; * выбирать распознавать наиболее на подходящие снимках съемочные географические материалы, объекты по их дешифровочным признакам, оценивать надежность результатов дешифрирования; * взаимодействовать с организациями – поставщиками космических снимков по их заказу и получению; уметь найти и получить необходимые снимки через Интернет. 7 Владеть: * навыками аналитической обработки материалов дистанционного зондирования и стереофотограмметрических измерений; * методическими приемами визуального и компьютерного дешифрирования снимков; * методами оценки пригодности снимков для решения конкретных проектных задач. 2. Структура и трудоёмкость дисциплины Дисциплина преподаётся в 6 семестре. Форма аттестации – экзамен (6 семестр). Общая трудоёмкость дисциплины составляет 5 зачётных единиц 180 часов. 8 3. Тематический план Таблица 1. N п/ п Раздел дисциплины 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Модуль 1 Введение. Физические основы получения изображений земной поверхности. Виды и технологии наземной, аэро- и космической съемок. Одиночные и взаимно перекрывающиеся снимки Всего Модуль 2 Фотограмметрия и области ее применения. Основы аналитической обработки материалов аэрокосмического зондирования Всего Модуль 3 Фотограмметрические методы создания геометрической модели местности. Цифровые С е м е с т р Н е д е л я с е м е с т р а Виды учебной работы, включая самостоятельную работу и трудоёмкость (в часах) Л Лаб. СР ОТ Из них в интерак тивных формах, час. Итого коли честв о балл ов 5 1 2 - 2 4 2 0-2 5 2-3 4 4 8 16 4 0-6 5 4-5 6 4 8 18 4 0-7 5 6-7 6 8 8 22 2 0-5 7 18 16 26 60 12 0 - 20 5 8-9 6 4 12 22 4 0 - 10 5 1012 8 10 12 30 6 0 - 20 5 14 14 24 52 10 0 - 30 5 1315 10 6 10 26 4 0 - 15 5 16- 10 6 10 26 4 0 - 25 9 9. фотограмметрические модели местности. Программные средства обработки цифровых изображений. Всего Итого 17 5 5 18 12 4 10 24 2 0 - 10 6 32 16 30 76 10 0 - 50 18 64 46 70 180 32 0 -100 8 18 6 Из них в интерактивной форме 32 Таблица 2. Виды и формы отдельных оценочных средств в период текущего контроля № темы Модуль 1 1. Введение. 2.Физически е основы получения изображени й земной поверхности 3. Виды и технологии наземной, аэро- и космической съемок. 4.Одиночны е и взаимно перекрываю щиеся снимки Всего Модуль 2 5.Фотограм Устный опрос Технические формы контроля Письменные работы н о м е н к л а т у р а с о б е с е д о в а н и е к о л л о к в и у м ла бо ра то рн ая ра бо та ко нт ро ль на я ра бо та те ст ре ф ер ат эс се прог рамм ы комп ьюте рног отес тиро вани я комп лекс ные ситу ацио нные зада ния - 0-2 - - - - - - - 0-1 - 0-2 - 0-2 - - 0-1 0-1 0-1 - - 0-1 - 0-1 0-2 0-1 - - Информаци онные системы и технологии электрон ные практику м Ито гоко лич ест воб алл ов - 0-2 - 0-5 0-1 - 0-6 - 0-1 0-1 0-7 - 0-1 0-1 0-2 0-4 0-2 0-5 0-1 0-2 0-1 - 0-2 0-1 0 - 20 - 0-4 - 0-2 0-1 0-1 0-2 0-1 0-1 - 0 - 12 10 метрия и области ее применения. 6.Основы аналитическ ой обработки материалов аэрокосмиче ского зондирован ия Всего Модуль 3 7.Фотограм метрические методы создания геометричес кой модели местности. 8.Цифровые фотограмме трические модели местности. 9.Программ ные средства обработки цифровых изображени й. Всего Итого 0-2 0-4 - 0-2 0-2 0-4 - 0-2 0-2 - 0 - 18 0-2 0-8 - 0-4 0-3 0-5 0-2 0-3 0-3 - 0 - 30 - 0-2 0-2 0-2 0-1 0-1 0-1 0-1 0-2 0-2 0 - 15 0-2 0-4 0-2 0-4 0-2 0-2 0-2 0-2 0-2 0-3 0 - 25 0-2 0-2 0-1 0-2 0-2 0-1 0-1 - - - 0 - 10 0-4 0-8 0-5 0-8 0-5 0-4 0-4 0-3 0-4 0-5 0 - 50 0-8 0-2 0 0-7 0-17 0-9 0-11 0-7 0-6 0-9 0-6 0 -100 Таблица 3. Планирование самостоятельной работы студентов Виды СРС № Модули и темы обязательны дополнител е ьные Недел я семес тра Объе Кол-в м о часо балл в ов Модуль 1 1. Введение. собеседован ие 11 подготовка сообщений к докладу 1 2 0-1 Физические основы получения 2. изображений земной поверхности. Виды и технологии 3. наземной, аэрои космической съемок. Одиночные и взаимно 4. перекрывающиеся снимки Всего по модулю 1: расчётно-гра фическая реферат расчётно-гра фическая решение задач подготовка сообщений к докладу решение примеров 2-3 6 0-2 4-5 6 0-2 6-7 6 0-2 44 0-7 Модуль 2 Фотограмметрия и области ее применения. Основы аналитической обработки материалов 6. аэрокосмического зондирования. Всего по модулю 2: 5. расчётно-гра фическая составлени е схем 8-9 4 0-2 расчётно-гра фическая составлени е схем съёмок 10-12 4 0-3 8 0-5 Модуль 3 Фотограмметрические методы создания геометрической модели местности. реферат исследоват ельская работа 13 6 0-2 реферат подготовка сообщений к докладу 14-15 6 0-2 реферат подготовка сообщений 16 6 0-2 Всего по модулю 3: 18 0-6 ИТОГО: 70 0-18 7. 8. 9. Цифровые фотограмметрические модели местности. Программные средства обработки цифровых изображений. 12 4. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами Таблица 4 № Наименование Темы дисциплины необходимые для изучения обеспечиваемых обеспечиваемых (последующих) дисциплин п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (последующих) дисциплины 1. Основы + + + + + + + геоинформатики 2. Математическая + + + картография 3. Геодезические + + + + + + + основы карт 4. Создание + + + + + + геоинформационны + х систем 5. Основы + + + + спутникового позиционирования 6. Математико-картог + + + + + рафическое моделирование 7. Оформление + + + + компьютерных и электронных карт 8. Базы + + + + + + пространственных геоданных 9. Дешифрирование + + + + + + + аэрокосмических снимков 10. Тематическое + + + + картографирование 13 5. Структура и содержание дисциплины Модуль 1. 1. ВВЕДЕНИЕ. Термины и определения, цель и задачи курса, связь с другими дисциплинами картографического профиля, основные направления использования современных материалов дистанционного зондирования. 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ. Спектр электромагнитных колебаний, особенности получения изображений в отдельных его диапазонах. Основные параметры космической съемки земной поверхности. Особенности орбит: форма, высота, наклонение, период обращения, положение относительно Солнца. Влияние атмосферы: экранирующее влияние облачности; поглощение лучей атмосферой и окна прозрачности; рассеивание лучей атмосферой. Влияние прецессий орбит и других особенностей орбитальной съемки на картографо-фотограмметрические свойства снимков Земли. 3. ВИДЫ И ТЕХНОЛОГИИ НАЗЕМНОЙ, АЭРО- И КОСМИЧЕСКОЙ СЪЕМОК. Современная съемочная аппаратура. Классификация съемочных методов и средств. Фотографическая съемка: черно-белая, цветная, спектрозональная. Разрешающая способность фотоснимка и разрешение на земной поверхности. Принцип цифровой съемки. Сканерная съемка. Оптико-механический и оптико-электронный 14 способ съемки. Микроволновая радиометрическая съемка. Радиолокационная съемка. Лазерное сканирование. Многозональная и гиперспектральная съемка. 4. ОДИНОЧНЫЕ И ВЗАИМНО ПЕРЕКРЫВАЮЩИЕСЯ СНИМКИ. Система координат и элементы ориентирования аэрофотоснимка. Масштаб аэрофотоснимка и его изменения под влиянием угла наклона снимка, рельефа местности, кривизны Земли, атмосферной рефракции и других факторов. Трансформирование аэро- и космических фотоснимков. Стереоскопическая пара аэрофотоснимков и ее элементы ориентирования. Стереомодель местности, условия ее построения, наблюдения и измерения. Общие принципы, способы и точность стереофотограмметрических измерений. Модуль 2. 5. ФОТОГРАММЕТРИЯ И ОБЛАСТИ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ. Теоретические основы фотограмметрии, основные понятия, области применения. Краткий обзор истории фотограмметрии. Роль российских ученых и инженеров в развитии фотограмметрии. 6. ОСНОВЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ. Сущность аналитического способа определения элементов внешнего ориентирования аэро- и космических фотоснимков (их координирование и пространственная географическая привязка). Понятие об элементах взаимного равенства и абсолютного масштабов, ориентирования. пространственное Условное фототриангулирование. Особенности геометрии мелко- и крупномасштабных 15 уравнение орбитальных фотоснимков. Основные фотограмметрические принципы использования в целях картографирования взаимно перекрывающихся фотоснимков орбитальной стереофотосъемки земной поверхности (на примере современных отечественных и зарубежных космических фотосъемочных экспериментов). Модуль 3. 7. ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МЕСТНОСТИ. Аналоговые, аналитические и цифровые фотограмметрические методы создания геометрической модели местности. Средства моделей: универсальные стереокартосоставительские создания приборы и приборах с цифровые фотограмметрические станции. Особенности обработки снимков на универсальных подобными преобразованными связками проектирующих лучей. Способы взаимного ориентирования снимков. Приемы внешнего ориентирования модели. Получение составительского оригинала карты. 8. ЦИФРОВЫЕ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ МЕСТНОСТИ. Типы и форматы фотограмметрических решении цифровых моделей данных. местности, географо-картографических задач. Создание их цифровых использование Технологии при обработки цифровых изображений. 9. ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ. Совершенствование методов создания и обновления карт, расширения диапазона их информативного содержания на основе использования 16 современных материалов дистанционного зондирования, методов и средств аналитической и цифровой фотограмметрии. 17 6. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ТЕМА: ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 Электромагнитный спектр ЗАДАНИЕ 1. Рассмотреть технологии обработки данных ДЗЗ с помощью программного комплекса Envi 4.2 в видимом, инфракрасном и микроволновом диапазонах электромагнитного спектра. ТЕМА: ВИДЫ И ТЕХНОЛОГИИ НАЗЕМНОЙ, АЭРО- И КОСМИЧЕСКОЙ СЪЕМОК ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 Расчет аэрофотосъемочного залета и подготовка аэрофотоснимков для создания топографической карты в масштабе 1 : 10 000. ЗАДАНИЕ 1. Научиться рассчитывать аэрофотосъемочный залет для создания топографической карты масштаба 1: 10000 одним из методов аэрофототопографической съемки. ЗАДАНИЕ 2. Узнать основные требования, предъявляемые к аэрофотосъемке, в зависимости от масштаба и технологии создаваемой карты, а также для конкретного района картографирования. Исходные данные: 18 1. Топографическая карта масштаба 1: 50 000 на картографируемую территорию. 2. Картографируемые трапеции У-41-96-А-б (1, 2, 3, 4). При выполнении аэрофотосъемки – метод, выбор масштаба съемки, тип АФА, продольное и поперечное перекрытие – выбираем, соответственно характеру картографируемой местности, требованиями действующей инструкции и согласно с требованиями Заказчика. При создании топографической карты масштаба 1: 10 000, высоту сечения рельефа, основу создаваемой карты и другие параметры – определяем соответственно требованиям инструкции. По согласованию с Заказчиком принимаем следующие параметры аэрофотосъемки: фокусное расстояние fк = 70,25 мм масштаб аэрофотосъемки 1:m = 1:14200 продольное перекрытие P% = 61% поперечное перекрытие Q% = 32% Аср = 154,0 м. h = 14 м. Ааэр = 141,0 м. Расчет количества аэроснимков По карте масштаба 1:50000 определены длина и ширина участка: L1 = 16,2 см и L2 = 18,6 см. При данном масштабе в 1 см = 500 м. Тогда, найдем длину и ширину участка на местности: L1*M = 8100 м и L2*M = 9300 м 1) Вычисляем базис фотографирования: В = bсн*m = lx * (100 – Pрасч) * m/100 = 180 мм * (100 – 61,55%) * 14200 мм /100 = 982,8 м 19 2) Вычисляем количество аэроснимков в маршруте: n = L1/B +3 = 8100 м/982,8 м + 3 = 11,24 снимка При округлении в большую сторону получаем 12 снимков. 3) Вычисляем расстояние между маршрутами: Д = d*m = ly * (100 – Qрасч) * m/100 = 180 мм * (100 – 32,95) * 14200 мм/ 100 = 1713,8 м 4) Вычисляем количество маршрутов на участке съемки: K = L2/Д + 1 = 9300 м/1713,8 м + 1 = 6,43, т.е. 7 маршрутов. 5) Вычисляем общее количество снимков на весь участок: N = n*к = 12*7 = 84 снимка. ТЕМА: ОДИНОЧНЫЕ И ВЗАИМНО ПЕРЕКРЫВАЮЩИЕСЯ СНИМКИ. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 Теория пары снимков ЗАДАНИЕ 1. Определение элементов взаимного ориентирования. ЗАДАНИЕ 2. Раскрыть условие, уравнения и элементы взаимного ориентирования снимков. Определить координаты точек местности по стереопаре снимков методом двойной обратной фотограмметрической засечки. Рисунок 1. 20 Положение снимка в момент фотографирования определяют три элемента внутреннего ориентирования – фокусное расстояние фотокамеры f, координаты x0, y0 главной точки о (рис. 1) и шесть элементов внешнего ориентирования – координаты центра проекции S – XS, YS, ZS, продольный и поперечный углы наклона снимка а и w и угол поворота c. Между координатами точки объекта и её изображения на снимке существует связь: (1) где X, Y, Z и XS, YS, ZS – координаты точек М и S в системе OXYZ; X’, Y’, Z’ – координаты точки m в системе SXYZ, вычисляемые по плоским координатам х и у: . (2) Здесь a1 = cos cos c- sin sin sinc a2 = - cos sinc- sin sin cos a3 = - sincos b1 = cos sinc b2 = cos cosc b3 = -sin c1 = sin cosc+ cos sin sinc, c2 = - sincosc+ cos sin cosc, c3 = cos cos – направляющие косинусы. 21 параллельной OXYZ, Рисунок 2. Формулы связи между координатами точки М объекта (рис. 2) и координатами её изображений m1 и m2 на стереопаре P1 – P2 имеют вид: , (4) где , (5) BX, BY и BZ – проекции базиса В на оси координат. Если элементы внешнего ориентирования стереопары известны, то координаты точки объекта можно определить по формуле (4) (метод прямой засечки). По одиночному снимку положение точки объекта можно найти в частном случае, когда объект плоский, например равнинная местность (Z = const). Координаты х и у точек снимков измеряются на монокомпараторе. Элементы внутреннего ориентирования известны из результатов калибровки фотоаппарата, а элементы внешнего ориентирования можно определить при фотографировании объекта или в процессе фототриангуляции. Если элементы внешнего ориентирования снимков неизвестны, то координаты точки объекта находят с использованием опорных точек (метод обратной засечки). Опорная точка – опознанная на снимке контурная точка объекта, координаты которой получены в результате геодезических измерений или из фототриангуляции. 22 ТЕМА: ФОТОГРАММЕТРИЯ И ОБЛАСТИ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 Дать определения основным понятиям цифровой фотограмметрии, коротко раскрыть суть ряда фотограмметрических процессов, включая: - фототриангуляцию; - создание модели рельефа или местности (DEM/DTM); - составление элементов ситуации; - ортофотоскопию; - картографические и репродукционные задачи. ТЕМА: ОСНОВЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 По материалам ДЗ поставить тематическое определение задачи: - предметная область решаемой задачи, - тематический раздел решаемой задачи, - тема, - наименование задачи; - определение картографического результата решения: - тематическая карта (схема), - векторный слой тематической карты, - уровень (масштаб) решаемой задачи; - определяются наиболее оптимальные параметры съёмочной системы в зависимости от типа поставленной задачи: - диапазон электромагнитного спектра, 23 - разрешение (пространственное, спектральное, радиометрическое), - точность координатной привязки без опорных точек (в плане, по высоте), - полоса обзора, - возможность получения стереосъёмки, - период повторной съёмки. Связь между тематическим определением задачи и параметрами съёмочной системы систематизации осуществляется свойств объектов на основе интереса, обобщения и подлежащих картографированию – спектральная излучательная способность (как в области отражённого, так и собственного излучения), размер и форма объекта и т.д. ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МЕСТНОСТИ. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 ИЗГОТОВЛЕНИЕ ФОТОПЛАНОВ 1. Фотопланы изготавливаются: - как самостоятельный вид топографической продукции (фотоплан, ортофотоплан, фотокарта, ортофотокарта); - как основа для сбора по ней цифровой векторной информации. Для изготовления фотопланов используются два метода трансформирования снимков: аналоговый (оптико-механический) и цифровой. Предпочтение следует отдавать цифровому трансформированию, как наиболее точному и производительному. Оптико-механический метод может применяться только в случае 24 отсутствия соответствующих аппаратно-программных средств цифрового трансформирования. Для трансформирования должны использоваться черно-белые, цветные или спектрозональные снимки, полученные, как правило, узкоугольными и нормальноугольными съемочными камерам, для снимков которых меньше влияние рельефа на смещения изображений точек. 2. Процесс получения цифрового фотоплана включает следующие основные этапы: - расчет элемента разрешения для сканирования снимков; - ориентирование снимков; - получение информации о рельефе; - выбор фрагментов для трансформирования (ортотрансформирования); - ортотрансформирование или простое трансформирование по фрагментам; - сшивка фрагментов мозаик с выравниванием тона, коррекции изображения; - получение трансформированного изображения в пределах заданной трапеции или границ; - оформление. 3. Расчет элемента разрешения PP (в мкм) для сканирования снимков выполняется, исходя из коэффициента К, задающего отношение требуемого масштаба фотоплана 1:Mk к масштабу используемых фотоснимков 1:Mc, PP = 70 К. В этой формуле постоянная величина 70 мкм принята, исходя из графических требований к фотоплану. Если потребитель в качестве конечной продукции использует фотоплан только в цифровом виде, то 25 этот коэффициент может иметь другое значение, определяемое с учетом характеристик используемого фотограмметрического сканера и разрешающей способности исходных снимков. 4. Значения параметров внешнего ориентирования цифровых снимков, необходимые для выполнения процессов цифрового трансформирования, могут быть получены в результате предварительного построения сетей пространственной аналитической фототриангуляции или путем непосредственной фотограмметрической обработки стереопар и одиночных снимков на цифровых фотограмметрических приборах. 5. Информация о рельефе, необходимая для цифрового трансформирования снимков, может быть получена в результате стереофотограмметрической обработки снимков или по цифровым моделям рельефа для существующих топографических карт и планов. ТЕМА: ЦИФРОВЫЕ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ МЕСТНОСТИ. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7 1. При получение цифровой модели рельефа на цифровом фотограмметрическом приборе могут использоваться автоматический или ручной режим сбора информации о ЦМР, либо их комбинация. В зависимости от характера рельефа шаг регулярной сетки ЦМР может меняться в пределах участка работ и стереопары. Мелкие элементы рельефа (промоины, небольшие перегибы скатов, канавы и т. п.) в пределах допустимых Δhпред не принимаются во внимание, а в населенных пунктах марка совмещается с поверхностью земли. Для получения информации о рельефе могут использоваться цифровые карты смежных масштабов. При этом точность такой 26 информации должна быть вдвое меньше величины Δhпред, рассчитанной для высот элементарных участков. 2.Трансформирование снимков следует проводить в пределах полезной площади, ограниченной линиями, проведенными через середину продольного и поперечного перекрытия смежных снимков. Размер элементарного участка трансформирования на местности, как правило, выбирается равным величине Δ = Mc • PP , где Mc - знаменатель масштаба снимка; PP - размер элементарного участка исходного цифрового снимка. В случае если цифровой фотоплан требуется изготовить в виде твердой копии, размер элементарного участка на местности не должен быть больше Δ = 0,07 • Mc , где 0,07 (в мм) – графическое разрешение, соответствующее фотографической разрешающей способности изображения не менее 7 л/мм. 3. Формирование цифрового фотоплана производят из смежных цифровых трансформированных снимков с одинаковыми размерами элементарных участков по выбранным границам фрагментов («линиям порезов»), полученным со смежных снимков. Границы «порезов», как правило, выбирают по середине зон перекрытий снимков. Линия «пореза» не должна пересекать высотные объекты и объекты, служащие ориентирами, а также не должна проходить вдоль границ объектов разного тона. При наличии таких линейных объектов, как дороги, реки и т.п. линию «пореза» следует проводить по середине объектов. При 27 пересечении линейных объектов и четких контуров линию «пореза» следует проводить под прямым углом к этим объектам. Для выравнивания фототона фрагментов в пределах фотоплана наиболее целесообразно использовать автоматический метод. 4. Цифровые фотопланы могут создаваться в пределах границ планшетов или в произвольно заданных границах (населенный пункт, промышленный объект и др.). На фотоплан должны быть нанесены все опорные геодезические пункты. Их следует отобразить на фотоплане условными знаками. Кроме этого должны быть нанесены рамка листа карты, координатная сетка и выполнено зарамочное оформление фотоплана. Для получения на основе изготовленного цифрового фотоплана цифровой фотокарты (ортофотоизображение) на растровое накладывается фотоизображение векторная цифровая информация. Эта информация может включать условные знаки, линии различных типов, толщин и цветов, заливки, штриховки, подписи и т.п. Цифровая векторная информация может включать в себя не все, а только часть слоев, например, горизонтали, гидрографию, дорожную сеть и т.д. 5. Точность созданных цифровых фотопланов оценивается по опорным и контрольным фотограмметрическим точкам, по линиям соединения фрагментов («порезам»), полученным со смежных снимков, и сводкам со смежными фотопланами. Контроль планового положения опорных и контрольных фотограмметрических точек выполняется по разности плановых координат изображений этих точек на фотоплане и их значений, выбранных из соответствующих каталогов. Средние величины погрешностей в плановом положении опорных и контрольных точек не должны превышать в масштабе создаваемого 28 фотоплана 0,5 мм в равнинных и всхолмленных районах и 0,7 мм - в горных. ТЕМА: ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9 Задание 1. Рассмотреть современные программные продукты для обработки материалов дистанционного зондирования (ERDAS IMAGINE 8.2, ER Mapper 6.0, ENVI 4.2, PHOTOMOD). Задание 2. Отработать технологию привязки материалов ДЗ в необходимую систему координат, а также технологию создания мозаики из привязанных космоснимков в программных продуктах ENVI 4.2, ERDAS IMAGINE, PHOTOMOD. В качестве источника для создания базы данных использовать поисковую систему Google Earth 8.3 и ArcView GIS версии 3.2. 29 7. Учебно - методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины. 7.1 ТЕМЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНЫХ ЗАНЯТИЙ СТУДЕНТОВ 1. Картографирование городских территорий по снимкам Quickbird с разрешением 60 см для создания топографических и тематических карт городских территорий масштаба 1:10 000. 2. Высокоточное автоматическое ортотрансформирование и создание мозаики данных дистанционного зондирования в современных программных продуктах. 3. Методы создания и обновления карт по аэрокосмическим снимкам. Технологии фотограмметрических работ по созданию и обновлению карт на аналитических и цифровых фотограмметрических системах. 7.2 ТЕМЫ ДОКЛАДОВ И РЕФЕРАТОВ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ 1. История развития аэрокосмических съемок. 2. Задачи и проблемы аэрокосмического картографирования. 3. Съемочные системы и специальные виды аэрокосмических съемок. 4. Сканерная съемка. Технология получения и особенности обработки изображений. 5. Специфика ПЗС-съемки. История развития и особенности изображений. 30 6. Спектральные характеристики компонентов природной среды (по выбору). Особенности дешифрирования. 7. Искажения снимков. Виды искажений. 8. Роль аэрокосмических снимков в геоэкологических исследованиях. 9. Дистанционные исследования динамики атмосферы. 10. Дистанционные исследования динамики вод океанов. 11. Исследования динамики дельт рек по космическим снимкам. 12. Дистанционные исследования изменений ледового покрова Земли. 13. Исследование и картографирование динамики лесов по космическим снимкам. 14. Аэрокосмические исследования динамики использования земель. 15. Теория одиночного снимка. Теория Пары снимков. 16. Пространственная аналитическая фототриангуляция. 17. Программные средства цифровой фотограмметрии. 7.3 ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ 1. Фотограмметрия. Определение, предмет и метод. 2. Физические основы дистанционного зондирования. 3. Длины волн спектра электромагнитных колебаний, используемых при аэро- и космических съемках. 4. Ограничения при использовании видимой области спектра при аэро- и космических съемках. 5. Классификация съемочных методов и средств. 31 6. Параметры орбит ИСЗ. 7. Долготное смещение трассы полета. Маршруты космических съемок. 8. Геостационарные и геосинхронные орбиты. 9. Влияние прецессий орбиты на условия освещенности при фотографировании Земли из космоса: солнечно синхронные орбиты. 10. Черно-белая, цветная и спектрозональная фотосъемка. 11. Разрешающая способность орбитальных фотоснимков. 12. Связь разрешающей способности фотоснимка с разрешением на земной поверхности. 13. Продольное перекрытие космических фотоснимков: орбитальная стереопара. 14. Многозональная съемка. 15. Теория получения синтезированных изображений. 16. Основные параметры сканерной съемки. Разрешающая способность сканирующих систем. 17. Особенности картометрии сканерных изображений Земли. 18. Основные геометрические искажения сканерных изображений оптико-электронных систем. Требования к путевой скорости носителя. 19. Аналитические и технологические принципы тематического картографирования с использованием сканерных изображений Земли. 20. Принцип радиолокационной съемки. 21. Суть лазерного сканирования. 22. Одиночный снимок. Особенности его обработки. 23. Взаимно перекрывающиеся снимки. 24. Внутреннее ориентирование фотоснимков. 25. Внешнее ориентирование фотоснимков. 26. Условное уравнение коллинеарности. 32 фотограмметрической 27. Следствие из условных уравнений коллинеарности - формулы трансформирования координат. 28. Определение элементов внешнего ориентирования аэро- и космических фотоснимков аналитическим способом. 29. Аналитическая пространственная географическая привязка азро- и космических фотоснимков. 30. Условное уравнение компланарности. 31. Элементы абсолютного и взаимного ориентирования стереопары аэрофотоснимков. 32. Назначение и принципы классификации универсальных стереокартосоставительских фотограмметрических приборов. 33. Сущность геометрической засечки «треугольник+параллелограмм». 34. Сущность преобразования связок проектирующих лучей. 35. Принцип стереонаблюдений и стероизмерений. 36. Геометрические и физиологические особенности стерео зрения. 37. Определение превышений по стереопаре аэрофотоснимков, построение профиля по заданному направлению. 38. Методы построения цифровых фотограмметрических моделей рельефа. 33 8. Образовательные технологии Тема 1. Введение. История развития аэрокосмического зондирования и фотограмметрии. Диспут на тему: этапы развития аэрокосмического зондирования и фотограмметрии, роль отечественных исследователей в развитии этих отраслей знаний. Тема 2. Физические основы получения изображений земной поверхности. Выполнение индивидуальных творческих работ: по применению в дешифрировании спектральных характеристик и коэффициентов яркости природных и антропогенных объектов. Тема 3. Виды и технологии наземной, аэро- и космической съемок. Ролевые игры: «АФС и КС – достоинства и недостатки в решении народно-хозяйственных задач», «Расчет стоимости приобретения материалов наземной, аэро- и космической съемки» Тема 4. Одиночные и взаимно перекрывающиеся снимки. Разбор конкретных ситуаций монтажа одиночных и взаимно перекрывающихся снимков Тема 5. Фотограмметрия и области ее применения. Обсуждение в рамках круглого стола: области применения и эффективности фотограмметрической обработки материалов ДЗЗ Тема 6. Основы аналитической обработки материалов аэрокосмического зондирования. 34 Работа в группах по обработке материалов аэрокосмического зондирования Тема 7. Фотограмметрические методы создания геометрической модели местности. Работа в группах по созданию геометрических моделей местности (с использованием фотограмметрических методов) Тема 8. Цифровые фотограмметрические модели местности. Обсуждение в рамках круглого стола: эффективности геометрического моделирования местности (с использованием фотограмметрических методов). Выявление «плюсов» и «минусов» каждой модели. Тема 9. Программные средства обработки цифровых изображений. Выполнение индивидуальных творческих работ по использованию различных программных продуктов по обработке цифровых изображений. 35 9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины 9.1 ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И., Тутубалина О.В. Аэрокосмические методы географических исследований: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. - М.: изд. центр «Академия», 2004. - 336 с. 2. Кравцова В.И. Космические методы картографирования, - М.: изд. МГУ, 1995. - 240 с. 3. Кравцова В.И. Космические методы исследования природной среды. Современный фонд космических снимков. - М.: изд-во МГУ, 1992. 105 с. 4. Лабутина И.А. Дешифрирование аэрокосмических снимков: Учебное пособие. - М.: Аспект Пресс, 2004. - 184 с. 5. Новаковский Б.А. Фотограмметрия и дистанционные методы изучения Земли: картографо-фотограмметрическое моделирование. - М.: изд-во Моск. ун-та, 1997. – 205 с. 6. Дешифрирование многозональных аэрокосмических снимков. М.: Наука-Берлин: Академи Ферлаг. Т.1. 1982. Т.2,1988 7. Космические методы геоэкологии / Под ред. В.И. Кравцовой. - М.: Географ. ф-т МГУ, 1998, - 108 л. 8. One planet - many people / Atlas of our changing environment. - UNEP, 2005. – 322 p. 9.2 ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Аэрокосмические методы в социально-экономической географии. 36 - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1983. 2. Книжников Ю.Ф. Аэрокосмическое зондирование. Методология, принципы, проблемы. - М: изд. Моск. ун-та.1997. - 128 с. 3. Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И. Аэрокосмические исследования динамики географических явлений. - М.: изд. Моск. ун-та, 1991.- 205 с. 4. Кравцова В.И. Космические методы исследования почв. Учебное пособие. М.: Аспект Пресс, 2005. 5. Краснопевцев Б.В. Фотограмметрия. - М: УПП «Репрография» МИИГАиК, 2008. - 160 с. 6. Кронберг П. Дистанционное изучение Земли. - М.: Мир, 1988. - 349 с. 7. Лурье И.К., Косиков А.Г. Теория и практика цифровой обработки изображений. Учебное пособие. - М.: Научный мир, 2003. 8. Рис У.Г. Основы дистанционного зондирования. Второе издание. М.: Техносфера. 2006. 9. Савиных В.П., Малинников В.А., Сладкопевцев С.А., Цыпина Э.М. География из космоса; Учебно-методическое пособие. - М.: изд-во МИИГАиК, 2000. 10. Тутубалина О.В. Компьютерный практикум по курсу «Космические методы исследования почв». - М.: Географический факультет МГУ, 2009. 9.3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ Программе обеспечение - PHOTOMOD, Ракурс. Лицензионный продукт для обработки аэрокосмических материалов и оформления результатов. 37 - ERDAS Imagine, ESRI. Лицензионный продукт для обработки аэрокосмических материалов и оформления результатов - MultiSpec. Purdue Research Foundation, свободно http://cobweb.ecn.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/ распространяемый программный пакет для and Water Ink. обработки растровых изображений - ILWIS (Integrated Land свободно http://52north.org/downloads/ilwis Information System) распространяемый программный пакет для обработки растровых изображений и создания векторных карт - Графические программы (CorelDraw, Adobe Illustrator и т.п.) Интернет-ресурсы - Каталог Геологической службы США (http://earthexplorer.usgs.gov), - Каталог портал центров НАСА (https://wist.echo.nasa.gov/~wist/api/imswelcome/) - Каталог Совзонда (http://www.sovzond.ru) - Генеральный каталог российского Научного центра оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ) (http://sun.ntsomz.ru/data_new/) - Геопортал GoogleEarth (http://www.googleearth.com) - Геопортал Космоснимки (http://www.kosmosnimki,ru) 38 10. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины - Учебная аудитория с мультимедийным проектором для проведения лекционных занятий. - Компьютерный класс с доступом в Интернет. - Учебная аудитория, оснащенная оборудованием для ведения компьютерных практикумов, включая работу в стереорежиме. - Компьютеры: ОЗУ не менее 1 Гб, объем жесткого диска от 100 Гб, экран монитора с минимальным размером 17" и разрешением от 1024x768. - Лицензионные программы и материалы на электронных носителях информации; - Комплект аэро- и космических снимков на территорию Российской Федерации и мира разного пространственного охвата и разрешения. - Комплект средне- и мелкомасштабных географических карт для территориальной привязки снимков. - Комплект стереоскопических пар аэрофотоснимков. - Стереоскопы. Стереокомпараторы. - Банк цифровых снимков, пополняемый и обновляемый по мере появления материалов новых съемочных экспериментов. 39
