Загрузил Ігор Колб

Гук П.Д., Прудников В.В., Быченок В.А. Фототопография. 2008

Реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»
П.Д. Гук
В.В. Прудников
В.А. Быченок
ФОТОТОПОГРАФИЯ
Рекомендовано УМО по образованию в области геодезии и фотограмметрии
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки 120200 «Фотограмметрия и
дистанционное зондирование» специальности 120202 «Аэрофотогеодезия»
Новосибирск
СГГА
2008
УДК 528
Г939
Рецензенты:
Кандидат технических наук, профессор
Сибирской государственной геодезической академии
Т.А. Широкова
Главный инженер ФГУП «ПО Инжгеодезия»
П.Н. Шитиков
Гук, П.Д.
Г939 Фототопография [Текст] : учеб. пособие / П.Д. Гук, В.В. Прудников,
В.А. Быченок. – Новосибирск: СГГА, 2008. – 79 с.
ISBN 978-5-87693-264-8
Учебное пособие составлено сотрудниками кафедры фотограмметрии и
дистанционного зондирования к.т.н, профессором П.Д. Гуком, к.т.н, доцентом
В.В. Прудниковым, доцентом В.А. Быченком, рекомендовано к изданию научнометодическим советом ИДЗиП СГГА.
Пособие написано в соответствии с Государственным образовательным
стандартом и предназначено для студентов, обучающихся по специальности
120202 «Аэрофотогеодезия», направления 120200 «Фотограмметрия и
дистанционное зондирование».
Печатается по решению редакционно-издательского совета СГГА
УДК 528
ISBN 978-5-87693-264-8
© ГОУ ВПО «Сибирская государственная
геодезическая академия (СГГА)», 2008
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ............................................................................................................... 5
1. Основные положения по топографическим съемкам .............................. 6
1.1. Назначение и методы создания топографических карт и планов в
масштабах 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000, 1:10000, 1:25000 .............. 6
1.2. Проекции и системы координат ........................................................... 7
1.3. Разграфка и номенклатура топографических карт и планов ............ 8
1.4. Выбор масштаба съемки и высоты сечения рельефа ...................... 10
1.5. Требования к точности создания топографических карт и планов 10
1.6. Основные этапы создания карт и планов .......................................... 11
2. Общая характеристика фототопографических технологий................... 14
2.1. Идея и сущность фототопографических технологий ...................... 14
2.2. Стереотопографический и комбинированный способы создания
карт и планов ....................................................................................... 15
2.3. Технологические варианты аэрофототопографических съемок .... 16
3. Проектирование технологических процессов ........................................ 21
3.1. Факторы, влияющие на качество конечной продукции ................... 21
3.2. Аэрофотосъемка .................................................................................. 21
3.2.1. Расчет параметров аэрофотосъемки ........................................... 21
3.2.2. Расчет продольного и поперечного перекрытий
аэрофотоснимков........................................................................... 24
3.2.3. Обоснование выбора летательного аппарата ............................. 25
3.2.4. Обоснование выбора аэрофотоаппарата..................................... 26
3.3. Составление проекта планово-высотного обоснования.................. 26
3.4. Использование физических измерений............................................. 28
3.5. Планово-высотное обоснование аэрофотоснимков ......................... 30
3.6. Дешифрирование снимков ................................................................. 32
3.7. Фотограмметрическое сгущение съемочного обоснования ........... 33
3.8. Технологии фотограмметрических способов съемки ситуации и
рельефа при создании карт и планов ................................................ 37
3.8.1. Выбор фотограмметрического способа съемки ......................... 37
3.8.2. Универсальный метод создания карт и планов .......................... 38
3.8.3. Съѐмка ситуации с помощью фотопланов ................................. 43
3.8.4. Дифференциальное трансформирование ................................... 47
3.8.5. Цифровое трансформирование .................................................... 49
3.9. Наземная стереосъѐмка....................................................................... 53
4. Технология обновления топографических карт и планов ..................... 56
4.1. Общие положения ............................................................................... 56
4.2. Обновление карт по материалам аэрофотосъемки .......................... 58
4.3. Технология обновления карт по материалам космических съемок 60
4.4. Цифровые технологии обновления карт по аэроснимкам .............. 62
4.5. Цифровые технологии обновления карт и планов по космическим
снимкам высокого разрешения .......................................................... 64
4.5.1. Особенности дешифрирования космических снимков при
обновлении топографических планов в масштабах 1:2000–
1:5000.............................................................................................. 67
4.5.2. Камеральное исправление электронной карты в пакете ERDAS
Imagine............................................................................................ 68
4.5.3. Редакционные работы при обновлении топографических карт и
планов ............................................................................................. 69
Заключение......................................................................................................... 73
Библиографический список ............................................................................. 74
ВВЕДЕНИЕ
В процессе обучения по специальностям «Аэрофотогеодезия» (120202) и
«Исследование природных ресурсов аэрокосмическими методами» (120201)
студенты получают достаточно глубокие теоретические знания и овладевают
практическими навыками по всем процессам фотограмметрических
технологий, включая и геодезические работы, сопутствующие этим
технологиям.
Однако знание по формированию оптимальной технологии в целом по
созданию определенного вида продукции у них не сформировано, поскольку в
учебниках этот вопрос не освещен.
Цель настоящего пособия – дать представление о различных
фотограмметрических технологиях, их структурах и способах формирования
оптимального варианта выполнения совокупности работ по созданию
конкретного вида продукции.
Одним из важнейших аспектов, реализованных в пособии, является
приведение в систему знаний, полученных при изучении разных дисциплин:
фотограмметрии, аэрокосмических методов съемки, аэрофотографии,
дешифрирования, геодезии, космической и цифровой фотограмметрии.
В пособии авторами изложены технологические методы создания и
обновления карт с учетом современного состояния технического оснащения
аэрогеодезического производства, соответствующего уровню внедрения
передовых технологий и технических средств и эффективности их внедрения в
сравнении с мировым уровнем.
В новый учебный план специальности «Аэрофотогеодезия» введена новая
дисциплина «Фототопография», содержание которой и предусматривает
изучение указанных выше вопросов.
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ТОПОГРАФИЧЕСКИМ СЪЕМКАМ
1.1. Назначение и методы создания топографических карт и планов в
масштабах 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000, 1:10000, 1:25000
Топографические съемки в масштабах 1 : 25 000, 1 : 10 000, 1: 5 000,
1 : 2 000, 1 : 1 000, 1 : 500 выполняются с целью создания государственных
топографических карт и планов, необходимых для изучения, использования и
охраны природных ресурсов, для различных изысканий и выполнения других
работ по экономическому развитию страны, а также для обеспечения обороны
страны.
Топографические съемки служат основой земельного, городского, лесного
кадастра.
Топографические карты в масштабе 1 : 50 000 и более мелких масштабах,
как правило, создаются методами картосоставления.
В настоящее время съемки выполняются следующими методами:
стереотопографическим;
комбинированным;
наземным фототопографическим;
тахеометрическим;
горизонтально-вертикальным методом.
Основной объем топографических съемок в стране выполняется
стереотопографическим методом. Комбинированный метод применяется тогда,
когда стереотопографический метод не обеспечивает точность отображения
рельефа. Тахеометрическая съемка используется на небольших участках, когда
применение аэрофотосъемки не выгодно экономически.
Горизонтально-вертикальная съемка выполняется на территориях с
капитальной застройкой в масштабах 1 : 500, 1 : 1 000.
Наземная фототопографическая съемка применяется в высокогорной и
горной открытой местности со сложным рельефом.
Цифровое картографирование – наиболее перспективный метод,
основанный на сборе, обработке и хранении топографической информации в
цифровом виде.
Результаты топографических съемок представляются в виде:
- обычных (бумажных) топографических карт;
- топографических планов;
- фотокарт и ортофотопланов;
- цифровых карт и планов.
Все работы по созданию карт регламентируются следующими
нормативными документами:
- основными положениями;
- инструкциями;
- наставлениями и руководствами;
- руководящими техническими материалами;
- стандартами;
- условными знаками.
1.2. Проекции и системы координат
Топографические съемки в Российской Федерации выполняются в
равноугольной шестиградусной поперечно-цилиндрической проекции Гаусса,
вычисленной по элементам референц-эллипсоида Красовского в системе
координат 1942 г. и Балтийской системе высот 1977 г.
Постановлением Правительства РФ от 28.07.2000 г. введены Единая
государственная система геодезических координат СК-95 для использования в
геодезических и картографических работах и параметры Земли ПЗ-90 для
геодезического обеспечения орбитальных полетов.
С 1.07.2002 г. Государственная геодезическая сеть (ГГС) представляет
собой совокупность геодезических пунктов, равномерно расположенных по
всей территории РФ и республик бывшего СССР. Она включает в себя
астрономо-геодезическую сеть (АГС) – 164 306 пунктов, Государственные сети
сгущения – около 300 тыс. пунктов, Космическую геодезическую сеть (КГС) –
26 пунктов и Доплеровскую геодезическую сеть (ДГС) – 131 пункт.
В результате введения в стране СК-95 повысилась точность, оперативность
и экономическая эффективность решения задач геодезического обеспечения
экономики страны, науки и обороны государства.
Система СК-95 была введена взамен системы координат 1942 г. и получена
по результатам двух этапов уравнивания.
На первом этапе после совместного уравнивания АГС, ДГС, КГС была
определена сеть из 134 пунктов, среднее расстояние между которыми составило
400–500 км.
Полученная на первом этапе уравнивания сеть послужила опорой для
уравнивания всей остальной части геодезических сетей.
При этом необходимо отметить следующее. Введенная в 1963 г. система
координат СК-63 с целью широкого обеспечения народного хозяйства
топографическими картами в 1987 г. была отменена.
Крупномасштабные съемки в городах и других населенных пунктах в
масштабах 1 : 5 000–1 : 500 выполняются в местных системах координат.
При выборе местной системы координат применяются трехградусные зоны
проекции Гаусса и произвольный осевой меридиан, проходящий по
центральной части или вблизи участка с таким расчетом, чтобы поправки за
редуцирование линий и углов на плоскость были в 3 раза меньше погрешности
измерений линий и меньше графической точности топопланов.
Как известно, редукционная поправка в измеренные линии при переходе со
сферы на какую-либо уровенную поверхность и на проекцию Гаусса включает в
себя две поправки (рис. 1): поправку за удаление от осевого меридиана и
поправку за высоту линии над уровенной поверхностью.
Рис. 1. Редукционная поправка в измеренные линии
Поправки вычисляются по следующим формулам:
Sред.
Sу
SН,
(1)
Sy = ОМ ОМ' = Sизм ( Y 2 2R ),
(2)
S
SН = изм H 1 H 2 ,
(3)
R
2
где Sред. – редукционная поправка в измеренные линии, м;
Sу – поправка в измеренную линию за удаление ее от осевого меридиана, м;
SН – поправка за высоту линии над уровенной поверхностью, м;
R – радиус кривизны Земли, равный 6 370 км;
Sизм – измеренная линия, м;
Н1, Н2 – высоты начальной и конечной точек измеренной линии над
уровенной поверхностью, м;
Y – удаление линии от осевого меридиана, м.
Если не вводить поправки в местные системы координат по
вышеизложенному принципу, то редукционная поправка может достигать 2–3
м, что для крупномасштабных съемок недопустимо.
1.3. Разграфка и номенклатура топографических карт и планов
Разграфка и организация номенклатур топографических карт определяется
в соответствии с общепринятой международной системой.
За основу разграфки топографических карт в масштабах 1 : 25 000,
1 : 10 000, 1 : 5 000, 1 : 2 000 принимается лист карты масштаба 1 : 100 000.
Последние получают делением листа карты масштаба 1 : 1 000 000 на
144 листа (12 × 12). Лист карты масштаба 1 : 1 000 000 имеет размеры 4о по
широте (В) и 6о по долготе (L) и обозначается заглавной латинской буквой пояса
(от экватора) и номером колонны (арабскими цифрами).
Размеры трапеций различных масштабов приведены в табл. 1.
Таблица 1. Размеры рамок трапеций и планов
Размеры рамок
Масштаб
по долготе L
по широте B
1 : 25 000
7,5′
5,0′
1 : 10 000
3,75′
2,5′
1 : 5 000
1′52,5″
1′15,0″
1 : 2 000
37,5″
25,0″
1 : 1 000
1 : 500
-
-
линейные размеры, cм
Определяются
по таблицам
Определяются
по таблицам
Определяются
по таблицам или
40 × 40
Определяются
по таблицам или
50 × 50
50 × 50
50 × 50
Для топографических планов, создаваемых в местной системе координат,
всегда применяется прямоугольная разграфка с размерами рамок 40 × 40 см для
планов масштаба 1 : 5 000 и 50 × 50 см для планов масштабов 1 : 2 000,
1 : 1 000, 1 : 500.
В этом случае за основу разграфки принимается лист плана масштаба
1 : 5 000.
Разграфка топографических планов, созданных в местной системе
координат, организуется следующим образом:
топографические планы в масштабе 1 : 5 000 обозначаются арабскими
цифрами 1, 2, 3, 4, … и т. д.;
номенклатура листа масштаба 1 : 2 000 складывается из номенклатуры
листа плана 1 : 5 000 с добавлением заглавной арабской буквы, 4-Б (рис. 2,а);
номенклатура листа масштаба 1 : 1 000 складывается из номенклатуры
листа плана 1 : 2 000 с добавлением латинской цифры, 4-Б-II (рис. 2,б);
Номенклатура листа масштаба 1 : 500 складывается из номенклатуры листа
плана 1 : 2 000 с добавлением арабской цифры, 4-Б-8 (рис. 2,в).
Рис. 2. Номенклатура листов планов масштабов 1 : 2 000, 1 : 1 000, 1 : 500
Необходимо отметить, что иногда номенклатура листов планов масштабов
1 : 2 000, 1 : 1 000, 1 : 500 задается значением линий километровой сетки югозападного угла плана того или иного масштаба.
1.4. Выбор масштаба съемки и высоты сечения рельефа
Масштаб топографических съемок выбирается с учетом следующих
факторов:
природных и техногенных (рельеф местности, характер застройки и
т. д.);
технических (графическая точность, обеспеченность геодезическими
инструментами и фотограмметрическим оборудованием и т.д.);
производственных стадий проектирования.
Масштаб создаваемой карты или плана можно определить по формуле:
1 l min
,
(4)
M a min
где lmin – минимальный размер топографического элемента на карте;
a min – линейное расстояние между топографическими объектами.
В зависимости от стадии проектирования значения l и a приведены в
табл. 2.
Таблица 2. Минимальные размеры топографических элементов и расстояние
между ними
Стадия проектирования
amin , м
lmin , мм
1. Составление генплана
2. Составление проекта детальной планировки
3. Составление технического проекта
4. Составление рабочих чертежей
10
2
0,5
0,1
0,3–0,5
0,2–0,3
0,1–0,2
0,1–0,2
Высоту сечения рельефа h принято вычислять по формулам:
h = a tgi M
или
h lср iср M,
где а – горизонтальное заложение;
M – знаменатель масштаба создаваемой карты;
i – угол наклона местности;
lср – среднее расстояние между горизонталями;
iср – средний угол наклона местности.
1.5. Требования к точности создания топографических карт и планов
Точность топографических карт и планов принято оценивать средними
ошибками или среднеквадратическими погрешностями m. Связь между ними
в соответствии с теорией математической обработки следующая: m = 1,25 .
Предельные ошибки равны удвоенным значениям соответственно средним
и среднеквадратическим ошибкам.
Средние ошибки положения контуров на карте или плане относительно
съемочного обоснования независимо от масштаба карты или плана не должны
превышать:
0,5 мм – при углах наклона местности до 6о;
0,7 мм – в горных и залесенных районах.
Предельная ошибка взаимного положения контуров в капитальной
застройке не должна превышать 0,4 мм.
Средние ошибки положения точек съемочного обоснования относительно
ближайших пунктов геодезического обоснования не должны превышать 0,1 мм
в плане и 0,1 высоты сечения рельефа.
Если съемочное обоснование создается методом фотограмметрического
сгущения, то средние ошибки положения точек сети фототриангуляции не
должны превышать 0,3 мм в плане и 1/5 высоты сечения рельефа.
Средние ошибки съемки рельефа (ошибки в положении горизонталей по
высоте) относительно ближайших точек съемочного обоснования не должны
превышать 1/3 высоты сечения рельефа и 1/4 высоты сечения рельефа для
территорий с искусственным покрытием и для территорий с уклоном до 2 о.
Предельные ошибки как в плане, так и по высоте не должны превышать
удвоенных допустимых ошибок, а их число не должно превышать более 10 %
от общего числа контрольных точек.
Точность топографических карт при стереотопографическом методе их
создания определяется по плановым и высотным
контрольным
фотограмметрическим точкам, а также по сводкам смежных стереопар.
При других методах создания карт их точность определяется по
контрольным геодезическим измерениям.
При создании цифровых топографических карт и планов требования к
точности определения координат объектов в плане и по высоте должны быть не
ниже точности, предъявляемой к графическим оригиналам.
1.6. Основные этапы создания карт и планов
Независимо от способа создания карт весь технологический процесс
можно представить в виде следующей схемы (рис. 3):
Рис. 3. Основные этапы создания карт
Главная геодезическая основа предназначена для обеспечения требуемой
точности создания карт в единой системе координат.
Главная плановая основа создается методом развития триангуляции,
полигонометрии 1–4 класса и сетей сгущения 1–2 разряда.
Плотность главной геодезической основы зависит от масштаба
создаваемой карты, метода еѐ создания, а также инженерных требований. В
настоящее время нормативными документами [3, 4, 5] установлена следующая
минимальная плотность геодезической основы, представленная в табл. 3.
Таблица 3. Требования к плотности главной геодезической сети
Вид геодезической
основы
Главная плановая
геодезическая основа
Застроенная
территория
Главная высотная
геодезическая основа
1 : 25 000
1 пункт на
50–60 км2
1 пункт на
50–60 км2
1 пункт на
50–60 км2
Средняя площадь обслуживания одним пунктом
1 : 10 000 1 : 5 000 1 : 2 000 1 : 1 000
1 : 500
1 пункт на 1 пункт на 1 пункт на 1 пункт на 1 пункт
50–60 км2 20–30 км2 5–15 км2 1 км2
на 1 км2
1 пункт на 1 пункт на 1 пункт на 4 пункта 4 пункта
50–60 км2 5 км2
5 км2
на 1 км2 на 1 км2
1 пункт на 1 пункт на 1 пункт на 4 пункта 4 пункта
50–60 км2 10–15 км2 5–7 км2
на 1 км2 на 1 км2
Кроме того, плотность размещения пунктов государственных
геодезических, нивелирных и гравиметрических сетей на территории
Российской Федерации регламентируется Постановлением Правительства РФ
от 16.08.2002 г. № 608 (табл. 4).
Таблица 4 . Плотность размещения пунктов государственных геодезических,
нивелирных и гравиметрических сетей
Территория
Городские, сельские
поселения и другие
муниципальные
образования
Иные экономически
освоенные территории,
территории повышенного
типа возникновения
чрезвычайных ситуаций
природного и техногенного
характера
Районы Крайнего Севера
и приравненные к ним
районы
Геодезичес Геодезическ Для спутниковых
ких сетей
их сетей дифференциальны
всех
сгущения
х определений
классов
геодезических
координат
1 пункт
7–8 пунктов 1 пункт
на
на 1 км2
на
50 км2
50 км2
1 пункт на
4 км2
1 пункт
на
30 км2
1 пункт 1 пункт
на
на
20 км2 500 км2
1 пункт
на
13 км2
1 пункт
на
1 000 км2
20 пунктов 10 пунктов 1 пункт
на
на 1 000 км2 на
1 000 км2
10 000 км2
Нивелир Гравимет
ных рических
сетей
сетей
1 пункт 1 пункт
на
на
100 км2 5 000 км
2
Главной высотной геодезической основой являются марки и реперы
нивелирования I, II, III и IV классов, а также пункты триангуляции,
полигонометрии и съемочных сетей, высоты которых определены
геометрическим нивелированием.
При топографических съемках в масштабах 1 : 10 000 и 1 : 25 000 с
сечением рельефа 5 и 10 м в качестве главной высотной основы могут служить
пункты триангуляции и полигонометрии, высоты которых определены из
геодезического (тригонометрического) нивелирования.
В настоящее время сгущение главной геодезической основы до
необходимой плотности может выполняться спутниковыми системами, которые
обеспечивают требуемую точность.
Дальнейшее сгущение плановой и высотной геодезической основы
производится развитием съемочной сети, обеспечивающей выполнение
топографической съемки с заданной точностью. Съемочная сеть подразделяется
на основную и рабочую.
Точки основного съемочного обоснования служат опорными для развития
рабочего съемочного обоснования. С точек рабочего съемочного обоснования
производится
непосредственная
съемка
рельефа
и
контуров.
В
стереотопографическом методе съемки точками основного съемочного
обоснования являются планово-высотные опознаки, которые служат опорными
для построения сети аналитической фототриангуляции.
Рабочим съемочным обоснованием в этом методе будут точки, полученные
из фотограмметрического сгущения теодолитной сети. Эти точки являются
опорой при съемке контуров и рельефа на цифровых, аналитических и оптикомеханических универсальных фотограмметрических приборах.
Точность съемки контуров и рельефа будет зависеть от точности основного
и рабочего съемочного обоснования, точности съемки рельефа и контуров на
фотограмметрических приборах.
Суммарные средние квадратические погрешности топографической съемки
применительно к фотограмметрическому методу выражаются формулой:
m2 = m2сго + m2пвп + m2фгс + m2пр,
(5)
2
где m сго – ср. кв. погрешность главного геодезического обоснования;
m2пвп – ср. кв. погрешность определения координат и высот планововысотных опознаков;
m2фгс – ср. кв. погрешность определения координат и высот точек из
фотограмметрического сгущения геодезической сети;
m2пр – ср. кв. погрешность съемки рельефа и контуров на
фотограмметрическом приборе.
Заключительный этап создания карт и планов включает в себя съемку
ситуации, рельефа, редактирования и оформления продукции в цифровом или
графическом виде.
Съемка ситуации и рельефа может быть выполнена на аналоговых или
аналитических универсальных приборах или цифровых фотограмметрических
станциях. Съемка ситуации может быть получена с помощью фотопланов с
использованием фототрансформаторов или цифрового трансформирования.
2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФОТОТОПОГРАФИЧЕСКИХ
ТЕХНОЛОГИЙ
2.1. Идея и сущность фототопографических технологий
Фотограмметрия занимается изучением формы, размеров, положения в
пространстве объектов и определением их характеристик по трехмерным
моделям, построенным по снимкам объекта, полученным с двух точек
пространства по законам центральной проекции.
Если характеристики объектов определяют в двухмерном пространстве, то
используют одиночные изображения (снимки), полученные любым способом.
Построение модели местности по снимкам может быть выполнено
аналоговым, аналитическим или цифровым методом.
Фотограмметрические методы могут использоваться для изучения любых
объектов (от микромира до макромира) в любой отрасли науки, техники и
производства.
Наиболее широкое применение эти методы находят при изучении
поверхности Земли для решения различных производственных и научных задач
в лесном и сельском хозяйстве, землеустройстве, в геологии, гидрологии,
океанологии, при изучении экологии, окружающей среды и т. д.
Результаты применения фотограмметрических технологий для указанных
целей выдаются в виде топографической продукции, под которой
подразумевают качественные и количественные характеристики участков или
регионов Земли, представленные в графическом или цифровом виде (карты,
планы, цифровые модели). Карты и планы могут быть топографическими или
специальными. Продукция может быть представлена также в виде базы данных
геоинформационных систем различного назначения. Если требуется
характеристика объекта только в двухмерном пространстве (в плоскости ху, хz
или уz), то продукция выдается в виде ортопланов, ортофотопланов, цифровых
моделей объекта, цифровых или графических фронтальных или горизонтальных
планов и т. п.
Фотограмметрические технологии независимо от целевого назначения и
вида продукции включают в себя следующие укрупненные процессы:
1) аэрокосмические съемки, наземные фотосъемки;
2) определение координат опорных точек (опознаков) наземными
геодезическими методами в заданной системе координат, обеспечивающих
ориентирование, масштабирование и исключение деформации трехмерной или
двухмерной маршрутной, блочной или одиночной модели объекта;
3) дешифрирование изображений (снимков);
4) построение маршрутных или многомаршрутных (блочных) моделей
(сети фототриангуляции) с целью определения координат точек, необходимых
для построения одиночных моделей или решения ряда других задач, связанных
с получением требуемой продукции в заданной системе координат, например,
для определения объема, площадей, проектных трасс и т. п.;
5) построение трехмерных одиночных моделей (по стереопарам) или
двухмерных моделей (по одиночным снимкам) для получения количественных
и качественных характеристик объектов; для получения последних
осуществляется дешифрирование;
6) приведение продукции к виду, заданному инструкцией или заказчиком.
Наибольшее применение находит продукция фотограмметрических
технологий в виде карт, планов, цифровых моделей и цифровых карт, поэтому в
пособии основное внимание уделено технологиям изготовления видов
продукции с учетом их целевого назначения.
Геодезические определения на местности выполняются, как правило, в
Единой государственной системе координат и высот. Поэтому геодезические и
фотограмметрические измерения должны быть приведены к государственной
геодезической системе координат, которая на местности представлена в виде
пунктов главной плановой и высотной геодезической основы.
Наиболее широкое применение находят стереотопографический и
комбинированный способы создания карт и планов и их модификации.
2.2. Стереотопографический и комбинированный способы создания карт
и планов
Аэрофототопографическая съемка в зависимости от характера снимаемой
территории, имеющегося фотограмметрического оборудования, сроков
выполнения работ может выполняться стереотопографическим или
комбинированным методами. Выбор метода определяется характером рельефа,
видом застройки, масштабом и площадью съемки, а также техникоэкономическими расчетами. На практике оба варианта могут сочетаться.
Главное отличие комбинированного метода от стереотопографического
заключается в том, что при комбинированном методе аэрофотосъемка
используется только для составления контурной части планов. Это вызвано тем,
что требования к аэрофотосъемке, используемой для рисовки рельефа и
составления контуров, различны. При комбинированном методе важно
уменьшить смещение точек на фотоплане rh, вызванное рельефом местности,
которое, как известно, определяется по формулам:
r h
rh
(6)
H
или
r h
rh
,
(6а)
m f
где h – превышение точки местности над начальной горизонтальной
плоскостью;
m – знаменатель масштаба аэросъемки;
r – радиус-вектор, соединяющий точку снимка с точкой надира;
f – фокусное расстояние фотокамеры;
H – высота фотографирования;
Из формул (6) и (6а) следует, что смещение точки на снимке (фотоплане)
тем меньше, чем больше фокусное расстояние аэрофотоаппарата (АФА) и
высота фотографирования, а превышения точек незначительны. При
стереотопографическом
методе
материалы
аэрофотосъемки
должны
обеспечивать заданную точность определения высот точек, которая может быть
определена по формулам:
H
h
p
(7)
b
или
m f
p
h
,
(7а)
р
где b – базис фотографирования;
p – средняя погрешность определения разности продольных параллаксов;
∆h – средняя погрешность, допустимая при определении высот;
р – продольный параллакс.
Анализируя формулы (7), (7а) и сопоставляя их с формулами (6), (6а),
видим, что точность определения высот тем выше, чем меньше высота
фотографирования и фокусное расстояние АФА, т. е. требования к выбору
масштаба
аэросъемки
и
фокусному
расстоянию
АФА
для
стереотопографического и комбинированного методов находятся в
противоречии.
На практике выполнить аэросъемку, удовлетворяющую точность
определения точек как в плане, так и по высоте, особенно в крупных
масштабах, не всегда представляется возможным. Поэтому в этих случаях
приходится выполнять две аэрофотосъемки с различными параметрами. Одна
из них используется для изготовления фотоплана, другая – для рисовки
рельефа.
При проектировании технологий создания карт и планов основными
критериями являются экономичность и точность. В свою очередь,
экономичность зависит от параметров аэрофотосъемки: чем мельче масштаб
залета по отношению к масштабу создаваемой карты, тем меньше будут затраты
средств и труда на ее создание. Однако при определенном соотношении
масштаба аэросъемки и создаваемой карты наступает момент, когда обеспечить
нормативную точность создания карт для данных условий не представляется
возможным. Отсюда возникает необходимость детальной проработки проектов
технологий создания карт с учетом всех факторов.
2.3. Технологические варианты аэрофототопографических съемок
Технологическое проектирование создания карт осуществляется в два
этапа (стадии). На первом этапе выполняется техническое проектирование, т. е.
разрабатывается общая технология создания карты, определяются основные
параметры аэросъемки, метод съемки, объемы работ по укрупненным
процессам. Следующая стадия проектирования – рабочее проектирование
отдельных процессов. При рабочем проектировании детализируется технология
по всем этапам и процессам создания карт.
В настоящее время получили распространение технологические варианты
аэрофототопографических съемок, приведенные на рис. 4.
Рис. 4. Классификация аэрофототопографических съемок
Как правило, при технологическом проектировании на первом этапе
выбирается один из ниже приведенных вариантов технологии, а уже затем
рассчитываются параметры аэросъемки и проектируются полевые и
камеральные процессы. На заключительном этапе должен быть выполнен
предрасчет точности создания карты по разработанной технологии.
Основным способом создания карт является стереотопографический метод,
который, в свою очередь, подразделяется на два варианта: создание карт на
чистой основе и стереотопографическая съемка на фотоплане. Технологическая
схема методов приведена на рис. 5 и 6.
Технология, представленная на рис. 5, применяется на территориях с
равнинным, всхолмленным и горным рельефом со средней или малой
контурностью.
Технология, приведенная на рис. 6, используется при создании карт с
открытым равнинным рельефом со значительным количеством контуров
(территории городов и населенных пунктов).
Рис. 5. Стереотопографический метод создания карт на чистой основе
Рис. 6. Стереотопографическая съемка на фотопланах
При большой контурности и сложности рисовки контуров на
стереоприборах применяют комбинированный метод, технологические схемы
которого приведены ниже (рис. 7, 8).
Рис. 7. Комбинированный метод создания карт на фотопланах
Рис. 8. Комбинированный метод создания карт на чистой основе
Технология, указанная на рис. 7, часто используется при создании
крупномасштабных планов масштабов 1 : 500–1 : 2 000 на застроенные
территории с равнинным или плоско-наклонным рельефом.
Технология, представленная на рис. 8, применяется при съемке в крупных
масштабах 1 : 1 000–1 : 5 000 (малоконтурная нагрузка) с горным рельефом.
Приведенные технологические варианты являются основными и на
практике могут сочетаться.
Технология, представленная на рис. 9, может применяться при создании
карт практически любого масштаба и на любые территории.
Рис. 9. Технология создания цифровых карт на аналитических
стереообрабатывающих приборах
Технология,
представленная
на
рис.
10,
применяется
при
картографировании территорий со значительным количеством контуров (кроме
территорий с многоэтажной застройкой).
Приведенные технологические варианты создания карт и планов являются
основными.
Рис. 10. Создание цифровых карт на базе цифровых фотограмметрических
станций
В технических проектах, кроме разработки технологий, выполняется
расчет затрат труда и средств на выполнение работ, а в необходимых случаях
проектируются работы по сгущению геодезического обоснования.
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
3.1. Факторы, влияющие на качество конечной продукции
Количественные и качественные характеристики объектов получают с
помощью трехмерных или двухмерных фотограмметрических моделей.
Очевидно, что качество полученных результатов (точность и подробность
информации) будет зависеть от масштаба и качества моделей, которое в первую
очередь зависит от качества аэрофотосъемочных или космических снимков и
параметров съемки.
Основными показателями качества снимков являются: разрешающая
способность,
дисторсия
объектива,
деформация
фотоматериала,
невыравнивание пленки в плоскость; параметры съемки: высота
фотографирования, фокусное расстояние съемочной камеры и перекрытия
снимков.
Ориентация модели в пространстве также сказывается на точности
определения координат конечной продукции. Следовательно, точность
определения координат опорных точек должна обеспечивать точность
продукции.
Определение качественных характеристик поверхностей объектов зависит
от изобразительных свойств и масштаба снимков.
Все эти факторы должны учитываться при проектировании процессов во
взаимосвязи. Следует иметь в виду, что при выборе оптимальных значений
приведенных факторов значительно возрастают затраты. Поэтому для
повышения экономической эффективности следует ориентироваться на
средства, материалы и приборы, требующие минимальных затрат.
3.2. Аэрофотосъемка
3.2.1. Расчет параметров аэрофотосъемки
Основными параметрами аэрофотосъѐмки являются: знаменатель
масштаба фотографирования m, высота фотографирования НФ, фокусное
расстояние аэрофотоаппарата f, а также продольное и поперечное перекрытия
аэрофотоснимков Px и Py. Первые три параметра связаны соотношением:
1
f
.
(8)
m Hф
Подход к выбору параметров при стереотопографическом и
комбинированном методах съѐмки различаются.
При стереотопографическом методе съѐмки параметры должны
устанавливаться с учѐтом обеспечения необходимой точности отображения
рельефа. Как известно, средняя квадратическая погрешность определения
высот точек одиночной модели выражается формулой:
Hф
(9)
mh
m p ,
b
где b – базис фотографирования;
m p o – средняя квадратическая ошибка трансформированных значений
продольных параллаксов.
Кроме того, при выборе параметров следует учитывать возможности
приборов, на которых предусматривается создавать карту, в отношении
максимально возможного коэффициента редуцирования:
m
R
,
(10)
M
где m – масштаб аэрофотосъемки;
M – масштаб создаваемой карты.
Расчет параметров производится в таком порядке. Сначала рассчитывается
по формуле (11) теоретическая максимальная высота фотографирования, при
которой ошибки определения высот не превысят допустимых значений,
определенных инструкцией:
mh b
.
(11)
H ф max
mp 
Среднюю высоту фотографирования вычислим по формуле:
Amax Amin
Hф
H ф max
H,
(12)
ср
2
где Amax и Amin – соответственно максимальная и минимальная высоты
точек в маршруте (определяются по карте);
H – точность выдерживания высоты полета согласно «Основным
положениям по аэрофотосъемке».
Далее определяется предварительное значение фокусного расстояния при
условии, что обработка снимков будет выполняться с максимально возможным
коэффициентом редуцирования R:
hmax b
f min
,
(13)
Pmax M R
где hmax – максимальное превышение точек местности;
P – разность продольных параллаксов, при которой стереоэффект
достаточно устойчив. При Р > 15 мм стереоэффект неустойчив.
Рассчитанное таким образом минимальное фокусное расстояние не
совпадет со стандартным значением фокусного расстояния. Теперь, зная
величину f min , для дальнейших уточнений расчетов определяется ближайшее
стандартное значение f , по которому уточняем сначала коэффициент
редуцирования R, а затем масштаб аэрофотосъемки m.
При этом следует отметить следующее.
1. Если окажется, что Hф 5 ( H max H min ), то необходимо для каждого
маршрута или части маршрутов рассчитывать свою высоту фотографирования.
2. Масштаб аэрофотосъемки, рассчитанный по вышеизложенной методике,
не должен быть мельче предельно мелкого масштаба, определенного по
критерию дешифрируемости. Критерий дешифрируемости установлен на
основе производственного опыта и для различных масштабов приведен в
табл. 5.
Таблица 5. Предельно мелкие масштабы по критерию дешифрируемости
Масштаб карты, плана
1 : 25 000
1 : 10 000
1 : 5 000
1 : 2 000
1 : 1 000
1 : 500
Предельно мелкий масштаб
аэрофотосъемки
1 : 40 000
1 : 25 000
1 : 20 000
1 : 12 000
1 : 10 000
1 : 6 000
Коэффициент
редуцирования
1,6
2,5
4
6
10
12
Для крупномасштабных съемок следует определить, обеспечивают ли
выбранные параметры аэрофотосъемки точность карты в плане. Расчет
выполняют по известной формуле:
H
m XY K XY
m xy ,
(14)
f
где K XY – численный коэффициент, определяемый отношением
mx 0 y 0
и зависит от фотограмметрического прибора, на котором строят
K XY
m xy
модели;
m x 0 y 0 и m xy – средние квадратические ошибки соответственно
измеренных и трансформированных координат.
При комбинированном методе съемки рисовка рельефа выполняется в
полевых условиях на фотоплане геодезическим методом, а не
фотограмметрическим. Поэтому главным критерием, определяющим
параметры, является не высота фотографирования, а масштаб аэрофотосъемки.
Очевидно, чем мельче масштаб аэрофотосъемки, тем выше экономическая
эффективность. Предельное значение масштаба определяется требованиями
дешифрирования.
При изготовлении фотопланов важное значение имеет смещение точек на
снимке за рельеф, а также перспективные искажения высоких объектов.
Поэтому целесообразно использовать узкоугольные аэрофотоаппараты (f = 300
или 500 мм), так как в этом случае указанные выше искажения будут
минимальны.
При использовании различных способов трансформирования и
соответственно разных приборов можно устанавливать разные пределы
коэффициентов увеличения. Это также следует учитывать при выборе масштаба
аэрофотоснимков. Для расчета фокусного расстояния можно использовать
формулу:
h r
f min
,
(15)
rh M K t
где h – максимальное превышение точек местности в пределах полезной
площади снимков;
r – максимальный радиус-вектор крайних точек в пределах полезной
площади снимков;
rh – допустимое значение смещения точки за рельеф (0,3 мм) на
фотоплане;
M – масштаб фотоплана;
K t – коэффициент трансформирования (увеличения).
Выбор фокусного расстояния АФА fстандарт > fmin позволит избежать
ортотрансформирования снимков, рассчитанного по формуле (15).
При больших колебаниях рельефа расчетное фокусное расстояние
превышает максимальное стандартное фокусное расстояние, тогда следует
использовать ортотрансформирование снимков.
Очень часто используется иной подход к выбору параметров
аэрофотосъемки. Технологически целесообразно, чтобы один аэрофотоснимок
покрывал территорию одной съемочной трапеции.
При формате кадра 18 18 см рабочая площадь снимка будет равна 15 15
см, а так как размер крупномасштабных планов составляет 50 50 см, то
коэффициент трансформирования будет равен K t = 50/15 = 3,5.
Далее определяют масштаб аэрофотосъемки по формуле m M K t .
Фокусное расстояние выбирают наибольшее из имеющихся АФА.
При таких параметрах аэрофотосъемки применяют трансформирование
снимков по принципу «снимок-фотоплан».
3.2.2. Расчет продольного и поперечного перекрытий аэрофотоснимков
Продольные и поперечные перекрытия снимков, определяются в
соответствии с «Основными положениями по аэрофотосъемке», выполняемой
для создания и обновления карт.
Продольное перекрытие определяется в соответствии с табл. 6.
Таблица 6. Таблица расчета продольного перекрытия снимков
Заданное Рх,
проценты
60
80
90
Минимальное Р0,
проценты
56
78
89
Максимальное Рx, проценты
h : H < 0,2
h : H > 0,2
66
70
83
85
92
93
Продольное перекрытие снимков рассчитывается по формуле:
PX = P0 + Ph + PH,
(16)
где P0 – минимальное заданное продольное перекрытие снимков;
Ph – поправка за рельеф местности, в свою очередь, вычисляется по
формуле:
h
(17)
Ph
100 P0 ,
HФ
где h – наибольшее превышение точек местности над средней плоскостью
съемочного участка;
PH – навигационная поправка, которая согласно «Основным положениям
по аэрофотосъемке» составляет 4–6 % и зависит от масштаба аэрофотосъемки.
Поперечное перекрытие снимков определяется по табл. 7.
Таблица 7. Таблица расчета поперечного перекрытия снимков
Масштаб
аэрофотосъемки
Поперечное перекрытие, проценты
Расчетное
Минимальное
Максимальное
h
20
+10
HФ
h
35 + 65
1 : 25 000–1 : 10 000
20
+15
HФ
h
40 + 60
Крупнее 1 : 10 000
20
+20
HФ
Расчет базиса фотографирования на местности производится по формуле:
Px H Ф
BX l x (1
)
,
(18)
100 f
Расчет расстояния между осями маршрутов осуществляется по формуле:
Py HФ
,
(19)
BY l y (1
)
100 f
где l x , l y – формат кадра в миллиметрах.
При этом следует иметь в виду следующее.
1. Продольное перекрытие в горных районах задается 80 % или 90 %, что
позволяет избегать возникновения мертвых зон, вызванных перспективными
искажениями.
2. При аэрофотосъемке, выполняемой для создания фотопланов, также
может задаваться продольное перекрытие в пределах 80–90 % для исключения
возникновения мертвых зон на территориях с многоэтажной застройкой. Кроме
того, это позволяет применять технологию «снимок-фотоплан».
Мельче 1 : 25 000
30 + 70
3.2.3. Обоснование выбора летательного аппарата
Летательный аппарат, применяемый при аэрофотосъемке должен:
1) обладать высокой продольной, поперечной и курсовой устойчивостью;
2) быть оснащенным современной высокоточной навигационной
аппаратурой;
3) иметь широкий скоростной диапазон, большую дальность полета;
4) иметь систему автопилотирования, систему автоматизации захода с
маршрута на маршрут;
5) обладать большой обзорностью для летно-съемочного экипажа и
комфортабельностью.
Всем вышеперечисленным требованиям удовлетворяет специально
разработанный для аэрофотосъемок самолет АН-30. Он обладает высокой
крейсерской скоростью (350–400 км/ч), большой дальностью полета (2 360 км)
при высоте полета – 6 000 м и скорости – 310 км/ч, «потолком» – 8 000 м и
оснащен современной навигационной аппаратурой.
Однако для крупномасштабных съемок (крупнее масштаба 1 : 5 000)
следует применять летательные аппараты с низкой крейсерской скоростью и
высотой полета до 200 м. Таким условиям отвечает самолет АН-2. Съемка
может выполняться и с легких летательных аппаратов, например с
дельтапланов.
3.2.4. Обоснование выбора аэрофотоаппарата
Аэрофотоаппарат (АФА) должен обеспечивать высокие метрические и
изобразительные качества аэроснимков, надежную и устойчивую работу, иметь
минимальные габариты, вес и стоимость.
При выборе АФА необходимо учитывать:
качество оптической системы (разрешающая способность, дисторсия);
диапазон выдержек;
способ выравнивания;
возможность установления светофильтров;
цикл работы.
При аэрофотосъемке для создания карт в масштабах 1 : 10 000 и 1 : 25 000
практически можно использовать любые имеющиеся в распоряжении АФА.
Для крупномасштабных съемок (крупнее масштаба 1 : 5 000) следует
использовать современные аэрофотоаппараты высокого качества и при выборе
АФА основное внимание обратить на следующее:
разрешающая способность объективов должна быть не менее
50 лин./мм;
1
затвор должен иметь выдержку
с;
1000
прижимное стекло должно иметь сетку крестов;
максимальный цикл работы в пределах трех секунд.
При использовании легких летательных аппаратов рабочий цикл может
быть увеличен.
3.3. Составление проекта планово-высотного обоснования
Густота точек плановой, планово-высотной и высотной подготовки
снимков, т. е. расстояние между парами опознаков вдоль маршрута в базисах
фотографирования, определяется нормативными документами. Однако
повышение метрических свойств снимков, применение высокоточных
фотограмметрических приборов и ряд других факторов создают реальные
возможности сокращения трудоемких работ по планово-высотной подготовке
аэрофотоснимков. Поэтому в каждом конкретном проекте целесообразно
обосновать оптимальные схемы размещения опознаков. Расчет густоты
планово-высотного обоснования приближенно выполняют по формулам
ожидаемой точности сетей фототриангуляции:
HФ
m p,q n 3 19n 48
(20)
b
H
в плане: mL K xy m x, y n 3 20n ,
(21)
f
где mh, mL – допустимые средние квадратические погрешности
определения высот и плановых координат точек из фотограмметрического
сгущения;
mx,y, mр,q – средние квадратические погрешности измерения плоских
координат и параллаксов, которые зависят от типов используемых
фотограмметрических приборов и разрешающей способности снимков; для
расчетов, как правило, их принимают: mр,q = 0,01 мм; mx,y = 0,02 мм;
Kz, Kx,y – коэффициенты, зависящие от способа уравнивания и исключения
систематических ошибок в сетях фототриангуляции. Значения коэффициентов
приведены в табл. 8.
по высоте: mh
Kz
Таблица 8. Таблица значений коэффициентов Kz и Kx,y
Характеристика пространственной фототриангуляции
Блочная фототриангуляция с Px = 60 %, Py = 30 %
Блочная фототриангуляция с Px = 60 %, Py = 60 %
При использовании способа самокалибровки
Маршрутная фототриангуляция
Kz
0,08
0,07
0,06
0,12
Kx,y
0,25
0,20
0,17
0,30
По приведенным формулам (20) и (21) рассчитывают количество базисов
между плановыми nL и высотными опознаками nh. При этом вычисления
выполняются до целых значений n и округляют всегда в меньшую сторону. Если
полученные величины nL и nh отличаются между собой незначительно, то
возможно совмещение рядов плановых и высотных опознаков. Если получено
значение nh меньше значения nL в полтора и более раза, то необходимо близкие
ряды плановых и высотных опознаков совместить, а между ними
запроектировать ряды высотных опознаков.
Если при расчетах получим nh < 2, то проектируется сплошная высотная
подготовка снимков.
Проект размещения опознаков составляется на топографической карте в
условных обозначениях. На схеме должны быть показаны: границы объектов,
оси маршрутов, центры фотографирования, пункты главной геодезической сети,
зоны размещения опознаков и контрольные опознаки.
Каждый блок или маршрут должны быть обеспечены контрольными
опознаками из расчета: один опознак – на четыре трапеции создаваемой карты.
Контрольные опознаки, как правило, совмещают с пунктами геодезической сети.
При топографической съемке в масштабе 1 : 25 000 в труднодоступных
районах с целью сокращения полевых работ могут проектироваться каркасные
маршруты, которые прокладывают перпендикулярно основным аэросъемочным
маршрутам через число базисов n, вычисленных по формуле (20).
Масштаб аэросъемки каркасных маршрутов устанавливается такой же, что
и для основной аэросъемки.
Приведенные формулы априорной оценки точности пространственной
фототриангуляции (20) и (21) для расчета количества базисов между опорными
точками не учитывают многих факторов. Поэтому по ним можно получить
только приближенные значения nl и nh. До последнего времени их уточнение
производилось по статистическим производственным данным, имеющимся на
аналогичные объекты. В настоящее время для этих целей д. т. н. И.Т.
Антиповым предложен способ реального моделирования. Сущность его
заключается в следующем. Вначале по программе, включенной в комплекс
«Фотоком-32», создаются макетные снимки с параметрами аэрофотосъемки,
полученными в процессе проектирования. При этом также задаются разрешающая
способность и дисторсия реального АФА, которым будет выполнена
аэрофотосъемка. Затем по этим макетным снимкам выполняется
фототриангулирование с использованием комплекса программ «Фотоком-32» и
оценка точности полученных результатов. Затем расстояние между плановыми
и высотными опознаками, рассчитанное по формулам (20) и (21),
корректируется по результатам оценки точности построения сети.
3.4. Использование физических измерений
Аэрофотосъемка может выполняться как с применением спецприборов,
обеспечивающих физические измерения в полете, так и без них. Посредством
физических измерений определяют элементы внешнего ориентирования
снимков.
Физические измерения могут выполняться различными приборами и
системами, а именно:
радиодальномерами;
радиогеодезическими системами;
радиовысотомерами;
статоскопами;
спутниковыми глобальными системами (GPS, ГЛОНАСС) и
инерциальными системами.
Физические измерения позволяют определять элементы взаимного и
внешнего ориентирования в полете без фотограмметрических построений.
Использование физических измерений позволяет исключать систематическое
накопление ошибок в сетях фототриангуляции и соответственно разредить
планово-высотное обоснование.
Вопрос возможности использования физических измерений решается
путем сопоставления точности физических измерений mфиз и точности
фотограмметрических определений mфот.
Если mфиз < 2mфот в одиночной модели, то использование физических
измерений оправдано. Если mфиз < mфот в середине сети фототриангуляции, то
применение физических измерений возможно при условии экономической
эффективности. Точность физических измерений характеризуется следующими
величинами:
для статоскопа – mhs =±0,5–1,0 м;
для лазерного высотомера – mH = ±0,07 м;
для радиовысотомера – mLH = 1–5 м;
для спутниковых систем – ms
0,1 м;
для инерциальных систем – m = 0,5'.
Точность фотограмметрических определений
характеризуется следующими величинами:
mH
H
m p0 ;
b
в
одиночной
модели
(22)
H
mq ;
(23)
Y
H
mYs B m 1,9
mq ,
(24)
f
а в середине сети фототриангуляции:
H
n
;
(25)
mH
m p0
b
5
1 H
mhs
mq n 3 2 n ;
(26)
7 b
H
mL 0,3
mq n 3 ,
(27)
f
где H – высота фотографирования;
b – базис фотографирования в масштабе снимка;
f – фокусное расстояние;
m0 – средняя квадратическая погрешность измерения поперечных
параллаксов;
m p 0 – средняя квадратическая погрешность измерения продольных
параллаксов;
m – средняя квадратическая погрешность определения угла поворота
базиса фотографирования;
mv – средняя квадратическая погрешность определения угла наклона
базиса;
mH , mX , mY , mL – средние квадратические погрешности определения
координат точек фотографирования;
mhS – средняя квадратическая погрешность определения разности высот
точек фотографирования;
n – число стереопар между опознаками.
Сопоставляя рассчитанные по формулам (22)–(27) значения погрешностей
фотограмметрических определений с ошибками физических измерений,
делается вывод о целесообразности их использования.
Следует
отметить,
что
радиовысотомеры
РВТД,
статоскопы,
радиогеодезические системы и радиодальномеры имеют низкую точность и
могут быть использованы при создании карт мельче масштаба 1 : 25 000 и при
обновлении карт. Для крупномасштабного картографирования в масштабе
1 : 10 000 и крупнее они непригодны.
mhs
B mv
Спутниковые глобальные системы (GPS, ГЛОНАСС) дают высокую
точность
определения
координат
точек
фотографирования
(
mX S mYS mZ S 0,1 м ), поэтому они пригодны для создания карт любого
масштаба. Кроме того, спутниковые системы используют для автоматизации
аэрофотосъемочного процесса.
Проектирование планово-высотного обоснования при использовании
спутниковых систем следует выполнять с использованием блока-аналога
И.Т. Антипова.
Появление инерциальных систем, определяющих углы наклона спутников
с точностью до 0,5', позволяет в корне изменить фототопографические
технологии при использовании их совместно с GPS-технологиями.
3.5. Планово-высотное обоснование аэрофотоснимков
Определение координат и высот опознаков проектируют в дополнение к
пунктам геодезической основы для обеспечения фототриангуляции
необходимым планово-высотным обоснованием.
В зависимости от принятой технологии создания карт планово-высотная
подготовка снимков выполняется по трем вариантам.
При комбинированном методе создания карт создается только плановое
обоснование.
При стереотопографическом способе съемки, когда контурную часть
предусматривается создать в виде фотоплана и когда выполнены два
аэросъемочных залета, плановая подготовка снимков выполняется по залету с
фокусным расстоянием f = 350 мм, а высотная подготовка снимков по залету – с
фокусным расстоянием f = 70–100 мм.
При стереотопографическом способе съемки, когда для составления
контурной части и рисовки рельефа предусматривается использовать
универсальные или аналитические приборы, выполняется планово-высотная
подготовка снимков одного залета, который должен обеспечивать требуемую
точность создания карт.
Плановая привязка аэроснимков выполняется методом проложения
дальномерно-теодолитных ходов, засечками и другими геодезическими
построениями.
Средние погрешности определения координат плановых опознаков (с
учетом погрешности опознавания) относительно пунктов главной
геодезической основы не должны превышать 0,1 мм в масштабе создаваемой
карты.
В настоящее время для определения координат опознаков используют
спутниковые приемники GPS, которые позволяют определить координаты с
точностью от 1 до 5 см.
Спутниковые системы позволяют обеспечить точность планово-высотного
обоснования для создания карт любого масштаба. Однако этот метод не всегда
приемлем. Когда точка стояния станции закрыта с одной или с двух сторон,
образуются помехи приема сигналов от спутников. В результате снижается
точность определения координат, а иногда задача вообще не имеет решения. В
этом случае GPS-технологии сочетают с традиционными геодезическими
методами. Когда используется этот вариант, то сгущение главного
геодезического обоснования до нормативного может также выполняться с
помощью средств GPS.
Высотная привязка опознаков выполняется путем проложения ходов
нивелирования (технического или тригонометрического).
Невязки в высотных ходах не должны превышать следующих значений (в
сантиметрах):
Vh
5 L – при техническом нивелировании;
Vh
10 L – при нивелировании горизонтальным лучом теодолита;
Vh
20 L – при нивелировании наклонным лучом.
В этих формулах L – длина высотного хода в километрах.
Допустимые длины высотных ходов должны задаваться, исходя из того,
что высоты опознаков необходимо определять с точностью не грубее 0,1
высоты сечения рельефа.
При использовании данных спутниковых систем следует иметь в виду, что
они отнесены к общим земным эллипсоидам WGS-84 (для GPS), или ПЗ-90 (для
ГЛОНАСС). Топографические работы в России выполняются в системе
координат конформной поперечно – цилиндрической проекции, рассчитанной
на референц-эллипсоиде Красовского (в системах координат СК-42 или СК-95)
Из-за различия параметров названных эллипсоидов возникает необходимость
корректировки данных GPS и ГЛОНАСС с помощью специальных
программных средств.
В районах с большим количеством контуров точки съемочного
обоснования намечаются на естественных контурах. Контуры должны быть
четкими и обеспечивать опознавание их на снимках с ошибкой не более 0,1 мм
в масштабе карты.
В районах, где не может быть обеспечено надежное опознавание точек
местности на аэрофотоснимках, планируют маркировку точек планового или
планово-высотного обоснования. При выборе способа маркировки следует
стремиться к тому, чтобы затраты на сооружение маркировочного знака были
минимальными. Для этого необходимо, чтобы форма знака отличалась от
естественных контуров, а материал знака резко контрастировал с окружающей
поверхностью. Размер знака должен быть минимальным, но обеспечивающим
его надежное опознавание. Если возможно, то следует использовать подручные
материалы.
При крупномасштабной съемке в обжитых залесенных районах лес рубить
нельзя, поэтому рационально сооружать в качестве маркировочного знака на
деревьях со спиленной верхушкой «крест» или «квадрат» из досок. Надземные
знаки следует делать также на незакрепленных песках и в сильно увлажненных
районах. На задернованных местах знак можно сделать снятием дерна или
накаткой колеи автомашины. В благоустроенных лесах разрешается выполнять
расчистку площадки в форме квадрата на поляне или на вырубке.
В результате выполнения полевых работ по планово-высотной привязке
снимков к сдаче предъявляются следующие документы:
схема планово-высотного обоснования на репродукции накидного
монтажа;
снимки с наколами опознаков и абрисами;
каталоги координат;
журнал полевых измерений.
3.6. Дешифрирование снимков
Дешифрирование при создании карт фототопографическими методами
может выполняться на фотопланах, фотосхемах или увеличенных
аэрофотоснимках. При дешифрировании выявляют, распознают изображения
топографических объектов, а затем вычерчивают их соответствующими
условными знаками. Кроме того, при дешифрировании определяются
качественные характеристики объектов, уточняются и согласуются границы
административно-территориального деления. При разработке технологии
создания карт учитывается, что дешифрирование может выполняться
камеральным или полевым способом. Предпочтение должно отдаваться
камеральным методам, так как они менее трудоемки.
Однако при картографировании в крупных масштабах застроенных
территорий из-за большого количества объектов, подлежащих отображению
(люки, столбы ЛЭП и т. д.), которые трудно распознаются на аэроснимках,
применяется сплошное полевое дешифрирование.
Наиболее распространенным способом дешифрирования является
сочетание камерального и полевого методов дешифрирования. При данном
способе сначала выполняется стереоскопическое изучение снимков с
использованием различных дополнительных картографических материалов.
В процессе камерального дешифрирования, наряду с отображением
уверенно распознаваемых объектов, отмечают участки, по которым потребуется
доработка дешифрирования на местности.
При дешифрировании непосредственно на аналитических универсальных
приборах и цифровых станциях рекомендуется в пределах каждой стереопары
вначале отображать гидрографию и контуры, а затем рисовать рельеф. Такая
последовательность в случае сложной ситуации дает возможность обнаружить
пропуски в дешифрировании. В процессе дешифрирования протяженные
линейные объекты следует отрабатывать сразу по всей стереопаре.
На качество дешифрирования космических изображений существенно
влияют особенности их получения, методы обработки, полнота и тщательность
подготовительных работ, применяемая технология и квалификация
исполнителей.
К основным особенностям космических снимков, влияющим на качество
дешифрирования, относятся:
увеличенное количество связей между объектами местности и,
следовательно, большее число дешифровочных признаков за счет уменьшения
масштаба снимков;
искажение или утрата изображений некоторых объектов, а также
дешифровочных признаков вследствие мелкого масштаба изображения, наличия
«полос нерезкости» между объектами и окружающим их фоном;
появление значительных (более 5о) углов наклона снимков;
отображение на снимках облаков, производственных дымов и
атмосферной дымки, затрудняющих процесс дешифрирования;
снижение в ряде случаев изобразительного качества снимков,
обусловленного резкими изменениями освещенности и отражательной
способности ландшафта, а также состоянием атмосферы.
Отметим
некоторые
особенности
дешифрирования
цифровых
изображений.
Оцифрованное фотоизображение имеет пониженную разрешающую
способность по сравнению с аналоговым (исходным) оригиналом. В таком
случае с целью повышения эффективности камерального дешифрирования
целесообразно для мелких трудночитаемых топографических объектов
использовать традиционное инструментальное дешифрирование.
Важным преимуществом цифровых изображений являются широкие
возможности их корректировки в отношении изменения яркости, контраста и
других свойств по всему снимку. Такие возможности позволяют выделять
топографические объекты даже на тех участках изображений, на которых на
исходном снимке эти объекты не дешифрируются.
Для автоматизации дешифрирования цифровых изображений можно
использовать различные программные средства идентификации по фототону и
структуре изображения площадных объектов, почвенно-растительного покрова
и некоторых других типов объектов.
3.7. Фотограмметрическое сгущение съемочного обоснования
При технологическом проектировании в случае разреженного полевого
геодезического
обоснования
необходимо
выбрать
метод
его
фотограмметрического сгущения (метод фототриангуляции).
В настоящее время на производстве используются в основном
аналитические методы и реже аналоговые. Аналоговый метод используется
лишь тогда, когда выполнить аналитическое сгущение не представляется
возможным по техническим причинам, а также на незначительной территории.
Современные отечественные программные комплексы аналитической
фототриангуляции по реализованным в них принципам и потенциальным
возможностям отвечают мировому уровню развития фотограмметрии.
Как правило, комплексы программ фототриангуляции организованы по
модульному принципу и позволяют решать различные функциональные задачи,
основными из которых являются следующие:
построение и уравнивание одномаршрутной фототриангуляции;
построение и уравнивание многомаршрутных фототриангуляционных
блоков;
вычисление установочных элементов;
печать каталогов координат точек уравненного фототриангуляционного
блока;
математическое моделирование местности и оценка точности
построения сети фототриангуляции при заданных параметрах.
В настоящее время на производстве получил широкое распространение
комплекс программ «Фотоком-32», разработанный по заказу Федеральной
службы геодезии и картографии России и предназначенный для
технологической
вычислительной
обработки
фотограмметрических
стереоизмерений на ПЭВМ типа IBM РС при создании и обновлении
топографических, специализированных карт и планов, а также при
координировании точек местности по аэро- и космическим фотоснимкам.
Комплекс программ «Фотоком-32» состоит из программных компонентов,
перечисленных в табл. 9.
Таблица 9. Таблица программных компонентов Фотоком-32
Программный
компонент
ПРОЕКЦИЯ
ИСАФА
ИССК
ОДМАР
УРБЛОК
ВСТАВКА
СЕРВИС
МЕНЕДЖЕР
ИССЛЕД
Назначение компонента
Расчет параметров геодезической проекции и создание библиотеки
проекций
Калибровка АФА по снимкам испытательного полигона с планововысотными опорными точками
Исследование стереокомпараторов и создание библиотеки паспортов
СК
Одномаршрутная фототриангуляция
Блочная фототриангуляция
Вставка дополнительных точек в фототриангуляционную сеть
Сервисные функции:
- формирование и выдача каталога координат точек сети;
- подготовка файла для автоматического вычерчивания основы;
- расчет установочных элементов фотограмметрических приборов
Оболочки комплекса «Фотоком»
Моделирование входных данных для отладки основных компонентов
комплекса и выполнения технологических исследований
Связь и использование основных компонентов «Фотоком-32» в процессе
обработки фотограмметрических измерений выглядит следующим образом
(рис. 11).
Рис. 11. основных компонентов «Фотоком-32»
Кроме семи выше представленных компонентов «Фотоком-32» имеет два
вспомогательных компонента – «Менеджер» и «ИССЛЕД».
«Менеджер» – это программная оболочка «Фотоком-32».
«ИССЛЕД» – это компонент, позволяющий создавать цифровые макеты
калибровочных полигонов с планово-высотными точками, а также цифровые
макеты местности, результатов фотограмметрических измерений и т. д.
«Фотоком-32» рассчитан на обработку данных для двух видов конформных
геодезических проекций: а) поперечно-цилиндрической; б) конической на
эллипсоидах:
Красовского (1942 г.);
Бесселя;
Хейфорда;
Кларки (1880 г.);
WGS-84.
Фототриангулирование выполняется в три этапа:
1) построение маршрутных сетей;
2) построение блочной сети;
3) строгое уравнивание блочной сети.
На этапе построения свободных сетей стереоизмерения подвергаются
предварительной обработке: с учетом типа стереокомпаратора выполняется
переход от отсчетов к координатам снимка; осуществляется замена ошибочных
измерений, затем поиск связующих точек и усреднение их плоских координат,
полученных из измерений в соседних стереопарах.
Свободная маршрутная сеть строится в масштабе первой стереопары. В
результате совместного уравнивания всей совокупности фотограмметрических
измерений находятся поправки к элементам предварительно построенной
свободной сети по методу наименьших квадратов. Контроль качества
построения и уравнивания свободной маршрутной сети выполняется решением
обратной фотограмметрической засечки с выдачей остаточных расхождений по
условию коллинеарности на точках снимков.
Если какой-то маршрут не обеспечен опорными точками, то процесс
завершается построением свободной сети. Геодезическое ориентирование с
уравниванием свободной сети выполняется с учетом вида уравнивания,
задаваемого пользователем.
В программном комплексе «Фотоком-32» предусмотрено полиномное,
мультиплексное и строгое уравнивание.
При полиномном и мультиплексном методах элементом уравнивания
служит свободная сеть, а определяемыми величинами являются параметры
полиномов, выражающие ее деформацию, обусловленную накоплением
случайных погрешностей измерений и влиянием неучтенной части
систематических погрешностей фотоизображения.
В полиномном методе на указанные параметры деформации не
накладываются какие-либо ограничения. В мультиплексном методе величины
параметров деформации ограничиваются дополнительными требованиями,
согласно которым внутренние фотограмметрические связи, выражающиеся
условиями коллинеарности, в уравненной сети должны сохраняться.
При строгом методе элементом уравнивания служит связка
проектирующих лучей, а определяемыми величинами – элементы внешнего
ориентирования снимков, параметры самокалибровки, т. е. параметры
полиномов, описывающих деформацию снимков, и координаты точек сгущения.
Таким образом, в полиномном и мультиплексном методах по результатам
решения нормальных уравнений исправляются координаты точек свободной
маршрутной сети, а при строгом уравнивании – измеренные координаты точек
снимков, используемые затем для вычисления координат точек
пространственной, геодезически ориентированной маршрутной сети.
Для полиномного и мультиплексного методов уравнивания задаются тип
полинома (обобщенный, конформный или ортогональный) и его степень. Также
может быть задан критерий браковки опознаков.
Полиномное уравнивание всегда предшествует мультиплексному, а
мультиплексное – строгому. Каждый из последующих видов уравнивания
учитывает результаты предыдущего, что позволяет в итоге достаточно надежно
выявлять недоброкачественные исходные данные.
Построение и строгое уравнивание блочной сети выполняется с
использованием программ компонента УРБЛОК.
Основным требованием для построения блочной сети является наличие
общих точек перекрывающихся маршрутов. Блок может быть построен путем:
простого усреднения координат общих точек геодезически
ориентированных маршрутных сетей;
совместного полиномного или мультиплексного уравнивания
маршрутных сетей;
строгого уравнивания блока.
Порядок системы нормальных уравнений на блок при полиномном и
мультиплексном уравнивании равен сумме параметров деформации всех
маршрутных сетей. Обычно он не превосходит двух сотен. При строгом
уравнивании порядок системы нормальных уравнений, равный сумме
следующих составляяющих: количество снимков, входящих в блок,
умноженное на шесть; утроенное число определяемых точек местности; число
параметров самокалибровки, – может выражаться многими сотнями и даже
тысячами.
Поэтому строгий метод уравнивания блока более трудоемок, и прибегать к
нему
целесообразно
при
хорошо
выверенных
геодезических
и
фотограмметрических данных. Кроме того, не следует стремиться к
формированию очень крупного блока, по возможности ограничивая его 120–150
снимками.
В настоящее время все большее распространение получает цифровая
фототриангуляция.
Алгоритмы построения маршрутных и блочных сетей фототриангуляции в
цифровой фототриангуляции те же, что и в аналитической. Отличие
заключается только в измерениях координат точек снимков. Если в
аналитической фототриангуляции измерения производят на стереокомпараторах,
то в цифровой – по изображению, выведенному на экран дисплея. Если сканер
позволяет реализовать полностью разрешающую способность снимков, то
точность цифровой фототриангуляции не ниже аналитической. Кроме того, в
цифровой фототриангуляции можно полностью или частично автоматизировать
измерения, а также производить геометрическую и фотометрическую
коррекцию изображения.
На отечественном производстве наибольшее распространение для
цифровой фототриангуляции получили комплексы программ «Талка»,
«Фотомод» и последняя модификация комплекса «Фотоком-32а».
3.8. Технологии фотограмметрических способов съемки ситуации и
рельефа при создании карт и планов
3.8.1. Выбор фотограмметрического способа съемки
Известно, что для создания карт и планов необходимо выполнить съемку
ситуации и рельефа в соответствии с требованиями, предъявляемыми к данному
масштабу инструкциями и условными знаками. Съемка может производиться
геодезическим, фотограмметрическим и комбинированным методами.
В геодезии в основном применяется тахеометрическая съемка.
В фотограмметрии используются два способа съемки ситуации: на
универсальных приборах и с помощью фотопланов. Съемка рельефа
производится либо на универсальных приборах, либо геодезическими
методами.
Таким образом, на универсальных приборах можно выполнять и съемку
контуров, и рисовку рельефа. Этот способ применяется во всех случаях, если он
обеспечивает точность и является экономичнее других способов.
Для съемки контуров при насыщенной ситуации объекта более
производителен способ съемки с помощью фотопланов. Следует отметить, что в
этом способе исключаются личные ошибки оператора при отображении
контуров. Отсюда следует, что при большом количестве контуров съемку
ситуации предпочтительнее выполнить с помощью фотопланов, а съемку
рельефа – на универсальных приборах. В остальных случаях съемка и рельефа,
и контуров выполняется на универсальных приборах.
Если универсальный метод не обеспечивает точность по высоте, то съемка
рельефа производится с помощью тахеометра, а контурную часть получают с
помощью фотопланов либо с помощью универсальных приборов.
Конкретная фотограмметрическая технология съемки рельефа и контуров
определяется в первую очередь требованиями к точности создаваемой карты
(плана), а затем имеющимися приборами и характером картографируемой
местности. Так, например, в высокогорных районах при высоких требованиях к
точности отображения рельефа высотная часть создается тахеометром, а съемка
ситуации – на универсальных приборах.
Создание фотопланов для таких районов связано с большими трудностями
и недостаточной точностью при сложных формах рельефа. Возможен также
вариант съемки рельефа и контуров по снимкам наземной съемки.
3.8.2. Универсальный метод создания карт и планов
Как отмечалось ранее, в основе фототопографических технологий лежит
изучение и сбор информации об объектах по их двухмерным или трехмерным
моделям, построенным по изображениям объекта.
Наиболее эффективно эта задача решается по трехмерным моделям,
построенным на универсальных приборах (аналоговых, аналитических и
цифровых).
В 1980–90 гг. отечественное фотограмметрическое производство было
оснащено аналоговыми универсальными приборами (стереопроекторы СПР-2,
СПР-3, стереографы СД-3, СЦ, стереометрографы и топокарт-ортофот).
Стереографы и стереопроекторы – универсальные приборы механического типа
с преобразованными связками проектирующих лучей. Это приборы
отечественного производства с инструментальной точностью mZ / Z = 1 / 10 000,
они были предназначены для обработки плановых аэрофотоснимков.
Стереометрограф и топокарт-ортофот – приборы механического типа с
подобными связками производства фирмы «Karl Zeizz» (ГДР) служили также
для обработки плановых аэрофотоснимков и наземных снимков нормального и
параллельного случаев съемки. Инструментальная точность этих приборов
mZ / Z = 1 / 20 000.
Топокарт-ортофот
имеет
устройство
для
дифференциального
трансформирования. Это устройство позволяет получать ортофотоснимки на
районы с любым рельефом.
Аналоговые универсальные приборы обеспечивают точность создания карт
и планов в масштабах 1 : 5 000, 1 : 10 000, 1 : 25 000 и мельче.
Исходные материалы для построения модели на универсальном приборе во
всех случаях одинаковые: аэронегативы (диапозитивы), элементы внутреннего
ориентирования снимков (x0, y0, f), координаты опорных точек (снимки с
опознаками, каталог их координат), материалы дешифрирования, параметры
аэрофотосъемки (H, f), планшет с координатной сеткой и рамкой трапеции.
Модель можно строить по установочным элементам или по условию
компланарности (через взаимное ориентирование снимков).
На аналоговых приборах предпочтение отдают второму способу, так как на
этих приборах элементы внутреннего и внешнего ориентирования снимков
устанавливаются с недостаточной точностью.
По условию компланарности построение модели включает следующие
процессы:
внутреннее и взаимное ориентирование снимков;
горизонтирование и масштабирование модели местности.
После этого производится съемка контуров и рельефа.
Оценка точности и контроль качества построения модели производится по
остаточным поперечным параллаксам и расхождениям координат на опорных
точках, а также по связям смежных моделей.
В настоящее время аналоговые универсальные приборы практически
вытеснены аналитическими и цифровыми стереоплоттерами.
Аналитические универсальные приборы (АУП) имеют значительные
преимущества перед аналоговыми. Главные из них:
высокая точность (1–2 мкм) за счет уменьшения инструментальных
ошибок (благодаря использованию высокоточной оптико-механической
системы), за счет учета всех видов систематических ошибок и использования
избыточных измерений;
не накладывается никаких ограничений на элементы внутреннего и
внешнего ориентирования снимков;
большая часть процессов автоматизирована;
можно решать любые фотограмметрические задачи.
Учитывая достоинства АУП, производственные предприятия стремятся
заменить аналоговые универсальные приборы аналитическими, несмотря на их
высокую стоимость. Эти приборы используют в основном для
крупномасштабных съемок. АУП незаменимы при обработке космических
снимков. На предприятиях Российской Федерации в основном используют
следующие аналитические приборы: Стереоанаграф-4, SD-2000, SD-20,
TRASTER, ASP, Дикомат. Технические характеристики этих приборов
приведены в табл. 10.
Таблица 10. Основные технические характеристики аналитических
стереоплоттеров
Технические
характеристики
Формат снимка, см
Увеличение
наблюдательной
системы, крат
Фокусное расстояние
снимков, мм
Отношение масштаба
составляемого плана к
масштабу снимка
Углы наклона снимка
SD 20
(Щвейцария
– РФ)
24 × 24
3–18
TRASTER
MATRA
(Франция)
24 × 24
10–27
не
ограничено
до 1 : 20
не
ограничено
1 : 20
не
50–1 000
ограничено
1 : 20
1 : 20
не
ограничено
1 : 20
не
ограничено
2
не
ограничено
1–2
не
не
ограничено ограничено
1
2–3
не
ограничено
2–3
1 : 15 000–
1 : 25 000
1 : 15 000– 1 : 10 000–
1 : 25 000 1 : 12 000
1 : 10 000
Инструментальная
точность измерения
координат, мкм
Точность определения 1 : 10 000
превышений точек
местности
ASP 2000
(США)
Стереоанаграф-4 Дикомат
(СНГ)
(Германия)
24 × 24
8
до 23 × 23
9, 12, 16
24 × 24
8,14,24
В России наиболее широкое применение получили приборы SD-20,
выпускаемые оптико-механическим заводом Роскартографии по лицензии
фирмы «Лейка». Прибор предназначен для обработки аэрокосмических снимков
с целью создания картографических оригиналов или цифровых карт и планов
местности. Он позволяет выполнять сбор данных для аналитического
фототриангулирования, создания банков данных земельного и городского
кадастров. Проверка технических возможностей SD-20, проведенная
ЦНИИГАиК и предприятиями «Роскартографии» показала, что при
крупномасштабной съемке относительные ошибки определения высот
составляют 1 : 10 000–1 : 12 000, ошибки положения контурных точек – 9–10
мкм. Полученные результаты свидетельствуют о возможности применения
данного прибора для картографирования (вплоть до масштаба 1 : 500) и
создания баз данных городского кадастра.
Принципиальная схема различных аналитических плоттеров одинакова.
Все они включают следующие блоки и системы:
оптико-механическую систему, представляющую собой прецизионный
автоматизированный стереокомпаратор;
компьютер;
блок управления;
система
датчиков
стереокомпаратора,
передающих
линейные
перемещения по направлениям x, y кареток снимков и объективов через интерфейс
на ЭВМ;
штурвалы координатно-измерительной системы (X,Y,Z), вращения
которых через датчики и интерфейс передаются на ЭВМ. В численном виде эти
значения соответствуют координатам точек модели;
сервомоторы, перемещающие каретки снимков и объективы
наблюдательной системы по значениям координат x1, y1, x2, y2, вычисленным
ЭВМ.
Аналитические универсальные приборы (плоттеры) работают в двух
режимах: в режиме стереокомпаратора (прямой) и режиме универсального
прибора (обратный). В первом режиме выполняются операции внутреннего и
взаимного ориентирования снимков. Оператор наводит марки на координатные
метки для внутреннего ориентирования и на стандартные точки для взаимного
ориентирования. Результаты измерения координат точек снимка передаются в
ЭВМ, где по ним вычисляются параметры преобразования координат из
системы координат прибора в системы координат снимков. Затем вычисляются
преобразованные и исправленные за влияние систематических ошибок
координаты стандартных точек. В заключение решаются уравнения взаимного
ориентирования снимков. Контроль решения выполняется по остаточным
поперечным параллаксам.
После этого включается режим универсального прибора (режим обратной
связи). В этом режиме с помощью штурвалов X, Y, Z и датчиков задаются
координаты точек модели в виде цифровых сигналов, которые в интерфейсе
преобразуются в цифровой код и передаются в ЭВМ. Используя формулы связи
координат точек местности и снимка (условие коллинеарности), вычисляются
координаты точек на левом и правом снимках соответствующих точек модели.
Для внешнего ориентирования модели штурвалами X, Y, Z наводят марку на
опорные точки и определяют их фотограмметрические координаты. Измеряют
X, Y, Z не менее чем четырех опорных точек. После этого ЭВМ решает задачу
определения элементов внешнего ориентирования модели известным
аналитическим способом.
Оценка точности и контроль качества определения элементов внешнего
ориентирования модели выполняется по расхождениям координат опорных точек.
В заключение вычисляют элементы внешнего ориентирования снимков по
элементам взаимного ориентирования снимков и внешнего ориентирования
модели. Элементы ориентирования снимков определяют в геодезической или
другой заданной системе координат, и соответственно в этой системе будет
осуществляться обратная засечка на точки модели.
После этого оператор переходит к работе с моделью и осуществляет
съемку рельефа и контуров либо в графическом, либо в цифровом виде.
Для определения точности построения модели измеряют координаты
контрольных точек, выбирая их по возможности в различных частях модели.
Средние погрешности координат контрольных точек в плане не должны
превышать 0,3 мм в масштабе карты, а по высоте 0,3 высоты сечения рельефа.
Для сбора топографической информации на SD-20 производится запуск
программы Micro Station с блоком PRO 600, предназначенным для
стереоскопического сбора информации.
Сбор информации о контурах выполняется стереоскопически с
одновременным дешифрированием и кодированием объектов. Цифровая
информация о контурах собирается по слоям. В процессе сбора объекты,
вызывающие сомнения в отношении конфигурации и характеристик,
фиксируют на контрольной и графической копиях для последующей полевой
доработки. Одновременно со сбором метрической информации должно
выполняться систематическое кодирование объектов. Для этой цели используют
классификатор топографических объектов на соответствующий масштабный
ряд топографических карт (планов). Собранная топографическая информация
хранится в базе данных по слоям.
У многих аналитических плоттеров имеется возможность первичного
редактирования полученных данных, в том числе изменение форм или создание
нового объекта из имеющихся фрагментов. Для этого собираемая
топографическая информация визуализируется в реальном времени на экране
монитора.
Перед рисовкой рельефа определяют отметки характерных точек, которые
должны быть подписаны на карте с густотой 8–10 точек на 1 дм² карты. Отметки,
подписываемые на карте, определяют как среднее из двух приемов измерений.
Горизонтали получают в результате стереоскопического трассирования
поверхности стереомодели измерительной маркой, установленной на высоту
горизонтали. Программное обеспечение визуализирует на экране монитора
положение горизонталей. Одновременно со стереоскопической рисовкой
горизонталей определяют численные характеристики элементов рельефа
(высоты обрывов, насыпей и др.).
Составленный оригинал карты должен быть сведен со смежными листами
карты. Расхождения в положении контуров с четкими очертаниями не должны
превышать: 1,0 мм – в равнинных и всхолмленных районах; 1,5 мм – в горных и
высокогорных районах.
Расхождения в положении горизонталей на смежных листах карты не
должны превышать полуторной точности отображения рельефа.
В последнее время более перспективными для съемки контуров и рельефа
являются цифровые фотограмметрические станции (ЦФС), которые имеют все
достоинства аналитических плоттеров, при этом они дешевле и не требуют
специального обслуживания. Кроме того, в ЦФС можно автоматизировать
процессы внутреннего и взаимного ориентирования снимков, построения
цифровой модели рельефа.
Построение модели на ЦФС выполняется аналогично аналитическим
плоттерам и по тому же алгоритму. Отличие заключается в том, что в АУП
измерения выполняют по реальным фотоснимкам, а на ЦФС – по цифровым
изображениям на экране дисплея. Для преобразования фотоизображения в
цифровое должны использоваться сканеры, обеспечивающие высокое
метрическое и фотометрическое качество.
По существу ЦФС представляет собой компьютер с высоким уровнем
быстродействия,
снабженный
пакетом
программ,
обеспечивающих
аналитическое построение модели по снимкам, преобразование изображения и
выполнение операций по формированию конечной продукции. Кроме того, у
ЦФС должна быть обязательно система, обеспечивающая стереоизмерения.
Она может быть реализована способом миганий, поляроидов, анаглифов или
оптическим способом.
Так как измерения в ЦФС производятся на экране дисплея в цифровом коде
(в пикселях) и управление изображением производится компьютером, то в ЦФС
не требуется оптико-механической системы (стереокомпаратор), датчиков
интерфейса и электромоторов, которые являются главной составляющей
системы аналитических плоттеров.
Характеристика ЦФС определяется классом компьютера, типом сканера и
пакетом программ для решения фотограмметрических задач.
На российских предприятиях в основном используют ЦФС «Фотомод»,
«Талка», «ЦНИИГАиК», «ERDAS», «SDS».
Технология создания карт и планов на ЦФС складывается из следующих
процессов:
сканирование фотоснимков для преобразования их в цифровую форму;
ввод в компьютер цифровых изображений стереопары снимков;
ввод элементов внутреннего ориентирования снимков (x0, y0, f),
координат сетки крестов или расстояний между координатными метками (lx,
ly), данных дисторсии АФА, параметров аэрофотосъемки, координат опорных
точек;
внутреннее и взаимное ориентирование снимков;
определение элементов внешнего ориентирования модели;
определение элементов внешнего ориентирования снимков в
автоматическом режиме;
съемка
ситуации
и
рельефа
(векторизация,
кодирование,
редактирование).
Из изложенного следует, что для крупномасштабных съемок (1 : 2 000 и
крупнее) следует использовать аналитические плоттеры, для съемок в
масштабах 1 : 10 000 и 1 : 25 000 можно применять аналоговые универсальные
приборы. Во всех остальных случаях рекомендуется применять цифровые
фотограмметрические станции, так как сегодня предпочтение отдается
цифровым картам. Карты и планы, созданные на аналоговых приборах, могут
быть преобразованы в цифровую форму, однако это связано с большими
дополнительными трудозатратами.
Следует заметить, что при создании карт на аналитических плоттерах и
ЦФС предпочтение отдают способу построения моделей по условию
компланарности, хотя способ построения моделей по установочным элементам
требует меньше затрат в решении и дает более высокую точность. Однако
следует учитывать, что высокая точность будет получена при условии, когда
элементы внутреннего ориентирования известны с высокой точностью (
mx0 m y0 0,01 мкм
мм), либо должно быть выполнено согласование элементов
внутреннего и внешнего ориентирования. Последнее достигается путем
определения установочных элементов из обратной или двойной обратной
засечки.
3.8.3. Съѐмка ситуации с помощью фотопланов
Небольшие участки местности в проекции Гаусса можно считать
подобными ортогональной проекции.
Известно, что изображение на горизонтальном аэрофотоснимке плоской
горизонтальной местности подобно ортогональной проекции. Следовательно,
из указанных аэрофотоснимков можно изготовить план или карту, выполнив
монтаж таких снимков в пределах трапеции и дешифрирование.
На реальных снимках имеется смещение точек за влияние угла наклона
снимка и рельефа.
Очевидно, что для создания фотоплана надо исправить снимки за влияние
указанных факторов и привести их к масштабу карты (плана).
Для этого выполняется трансформирование, заключающееся в
преобразовании
наклонного
снимка
в
горизонтальный,
или
ортофототрансформирование, когда производится исправление изображения за
влияние угла наклона снимка и рельефа.
Фотопланы имеют преимущества перед съѐмкой ситуации на
универсальных приборах, которые заключаются в объективности отображения
ситуации и высокой информативности.
Эти качества фотопланов имеют большое значение для решения задач в
сельском и лесном хозяйствах, при исследовании и охране природных ресурсов.
Следует учитывать, что изготовление карт и планов на универсальных
приборах повышает стоимость конечной продукции, однако при большой
контурной нагрузке использование фотопланов выгодно и повышает качество
карт и планов.
Простое
цифровое
трансформирование
снимков
(без
ортофототрансформирования) требует небольших затрат, поэтому цифровые
фотопланы рационально применять более широко.
В фотограмметрии существовало и существует несколько способов
трансформирования снимков:
1) трансформирование по опорным точкам;
2) фототрансформирование по установочным элементам;
3) ортофототрансформирование по зонам;
4) дифференциальное трансформирование;
5) цифровое трансформирование и ортотрансформирование.
Для осуществления первых трех способов трансформирования снимков
в отечественном производстве используют фототрансформаторы «Seg 5»,
«Seg 6», «Rectimat B» и «Rectimat C».
Принципиальное устройство всех фототрансформаторов одинаковое. Все
они включают в себя следующие системы и механизмы:
проектирующую систему (кассета для негатива, осветитель, объектив и
экран);
механизмы установки углов между негативом и экраном, механизм
линейных перемещений (по вертикали) объектива и негатива;
устройства для автоматической коррекции резкости изображения
(перспективный и масштабный инверсоры);
систему децентраций.
Наиболее совершенные фототрансформаторы оснащены счетнорешающими устройствами для автоматической установки элементов
трансформирования.
Фототрансформаторы «Seg 5» и «Rectimat B» управляются вручную. В
трансформаторах «Seg 6» и «Rectimat C» основные установочные движения
автоматизированы и осуществляются с пульта управления.
Сущность дифференциального и цифрового трансформирования изложена
в следующих разделах.
На первых этапах развития фотограмметрии (1920–30 гг.) в основном
использовалось
фототрансформирование
и
дифференциальное
трансформирование снимков.
С конца ХХ в. эти способы вытесняются почти полностью
автоматизированными
цифровым
трансформированием
и
ортотрансформированием. Однако фототрансформирование при больших
увеличениях (5–6 крат) обеспечивает лучшее качество, чем цифровое.
Дифференциальное трансформирование дает более высокую точность, чем
цифровое ортотрансформирование в горных районах со сложным рельефом.
Трансформирование снимков по опорным точкам является простейшим
способом и может выполняться на любом фототрансформаторе. Исходными
материалами для этого способа являются негативы с наколами пяти опорных
точек и основа с координатной сеткой, рамками трапеции и опорными точками,
нанесенными по координатам, полученным из фототриангуляции.
Трансформирование снимков по опорным точкам складывается из
следующих процессов:
укладки негатива в кассету и центрирования его;
укладки трансформационной основы с опорными точками на экран;
операции трансформирования, заключающейся в последовательном
изменении наклона экрана и высоты проектирования с одновременной
установкой децентрации до тех пор, пока не будет достигнуто совмещение
опорных точек, проектируемых с негатива, с точками на основе;
экспонирования изображения на фотобумагу и фотохимической
обработки.
Из полученных трансформированных снимков монтируется фотоплан
путем совмещения опорных точек на снимках с точками на основе. Части
снимков за пределами полезной площади обрезают и снимки наклеивают на
основу.
Оценку точности и контроль качества фотоплана выполняют по
расхождениям в положении опорных точек (не более 0,5 мм) и контуров на
стыке снимков (не более 0,7 мм). Этот способ отличается простотой исполнения
всех операций, однако он малопроизводителен и имеет низкую точность при
увеличении снимков более 3 крат.
Фототрансформирование по установочным элементам отличается от
изложенного способа тем, что углы наклона экрана, высота проектирования и
децентрации устанавливаются сразу на шкалах прибора по элементам
внутреннего и внешнего ориентирования снимка (x0, y0, f, XS, YS, ZS, , , ) и
значению фокусного расстояния фототрансформатора.
На фототрансформаторах Seg 6 и Rectimat C установочные элементы
определяются
счетно-решающим
устройством
и
устанавливаются
автоматически.
Все остальные операции трансформирования и монтаж фотоплана
осуществляются так, как было изложено выше.
Элементы внешнего ориентирования снимков могут быть получены из
решения обратной фотограмметрической засечки по опорным точкам либо из
фототриангуляции.
Если смещение точек на снимке за влияние рельефа больше 0,3 мм в
масштабе фотоплана, то выполняется трансформирование по зонам. Сущность
этого способа заключается в следующем.
При простом трансформировании на одну горизонтальную плоскость для
получения изображения в заданном масштабе устанавливают высоту
проектирования
на
фототрансформаторе
пропорционально
высоте
фотографирования.
При наличии рельефа высота фотографирования над каждой точкой
местности будет своя. Следовательно, теоретически при трансформировании
снимков высота проектирования над каждой точкой должна соответствовать
высоте фотографирования. Практически это сделать невозможно. Поэтому
высоту проектирования устанавливают либо для зоны, либо для элементарных
участков, в пределах которых остаточная ошибка за рельеф не превышает
0,3 мм. Первый вариант называют трансформированием по зонам, второй –
дифференциальным трансформированием.
Сущность первого способа заключается в том, что аэроснимок
трансформируется не на одну, а на несколько взаимно параллельных
плоскостей, причем каждой плоскости соответствует своя зона, где искажения
за рельеф не превышают допуска. Высоту одной зоны (в метрах) вычисляют по
формуле:
2 f m rhдоп
hзоны
r
.
(28)
Число зон определяется из формулы:
Amax Amin
n
hзоны
,
где Аmах, Аmin – соответственно максимальная и минимальная отметки
высот точек в пределах рабочей площади аэроснимка.
Высоту средних плоскостей трансформирования зон определяют по
формуле:
1
Ai Amin hзоны i
2 ,
где i – порядковый номер зоны (нижнюю зону считают за первую).
Кроме расчета зон, вычисляют поправки за рельеф в положения опорных
точек по формуле:
r h
rh
H ,
где h – превышение опорной точки над начальной плоскостью;
H – высота фотографирования над начальной плоскостью;
r – радиус-вектор опорной точки.
После введения поправок за рельеф выполняется обычное
трансформирование по опорным точкам или по установочным элементам,
экспонируется первый снимок. Далее, для каждой зоны устанавливается своя
высота проектирования, и экспонируются снимки. Монтаж фотоплана
производится так же, как обычно, только каждый снимок монтируется из
отпечатков нескольких зон.
Оформление фотоплана заключается в вычерчивании сторон рамок
трапеций и выходов линий километровой сетки. За рамкой трапеции
подписывают: над северной стороной рамки – номенклатуру трапеции, систему
координат, под южной стороной рамки – численный масштаб, теоретические
размеры трапеций, наименование организации, изготовившей фотоплан.
Точность монтажа фотоплана проверяют по опорным точкам, порезам и
сводкам со смежными фотопланами.
С изготовленного по такой технологии фотоплана на производстве
изготавливают фотокопии на матовой фотобумаге, наклеенной на алюминий,
который служит для последующего дешифрирования.
3.8.4. Дифференциальное трансформирование
Трансформирование снимков по зонам практически возможно, если число
зон не превышает пяти для плавных форм рельефа и более трех – для сложных
форм.
Для районов с большим перепадом высот этот способ не годится, и в этом
случае применяется дифференциальное трансформирование. Сущность этого
способа аналогична трансформированию по зонам, только проектирование
выполняется элементарными участками, ограниченными щелевой диафрагмой в
несколько миллиметров. Перемещать диафрагму по экрану и для каждого
элементарного участка устанавливать вручную высоту проектирования
невозможно, поэтому для дифференциального трансформирования используют
специальные автоматизированные устройства, встроенные в универсальные
приборы. Такими устройствами являются ортофотопроектор Ф.В. Дробышева
(ОФПД), встроенный в стереограф, и ортофот Цейса, встроенный в топокарт.
Прибор для дифференциального трансформирования включает в себя
универсальный прибор, проектирующую систему со щелевой диафрагмой и
сканирующее устройство (рис. 12)
Собственно трансформирование осуществляется проектирующей системой
и сканирующим устройством.
Универсальный прибор необходим только для автоматической установки
высоты проектирования над каждым элементарным участком.
Проектирующая система (пс) представляет собой оптическую систему,
обеспечивающую проектирование изображения диапозитива, заложенного в
правую кассету (кс) универсального прибора, на фотоматериал (негатив),
который располагается в кассете (к), скрепленной с основанием базисной
каретки. Над кареткой снимка установлен осветитель (ос). Над кассетой
расположена неподвижная щелевая диафрагма (щд), ограничивающая размер
элементарного участка. При перемещении базисной каретки вдоль осей XX и
YY кассета перемещается вместе с ней относительно щелевой диафрагмы.
Таким образом осуществляется последовательное сканирование снимка
(рис. 12).
Перемещение базисной каретки вместе с кассетой (негативом)
осуществляется сканирующим устройством, которое представляет собой два
электромотора, обеспечивающих вращение ходовых винтов координатной
системы. Протяжной мотор (эмY) обеспечивает вращение ходового винта (xвY),
шаговый мотор обеспечивает вращение винта (хвХ). При включении
электромоторов базисная каретка вместе с кассетой (к) перемещается вдоль оси
YY протяжным мотором от края до края снимка. На краю снимка включается
шаговый мотор, который перемещает базисную каретку и кассету на ширину
щелевой диафрагмы. После этого снова включается реверсивный протяжной
мотор.
Таким образом, происходит последовательное экспонирование всего
снимка (рис. 13).
Рис. 12. Схема ОФПД
Рис. 13. Схема экспонирования снимка щелевой диафрагмой
Размеры щелевой диафрагмы рассчитывают по формулам:
rx 2 f
r tgix
,
(29)
ry f
u
r tgi y
где rx – смещение за рельеф;
ry – смаз изображения;
r – максимальный радиус-вектор точки;
f – фокусное расстояние АФА;
i – угол наклона снимка по осям X и Y.
Работа по дифференциальному трансформированию складывается из
следующих процессов:
- построение модели на универсальном приборе обычным способом;
- расчет и установка размеров щелевой диафрагмы;
- установка скорости протяжного механизма;
- включение сканирующего устройства.
В процессе сканирования оператор видит модель и движущуюся марку по
линии сканирования (см. рис. 12).
Вращая штурвал Z, оператор удерживает марку на поверхности модели.
Этим задается величина ZП для каждой точки профиля, которая передается на
проектирующее устройство.
После сканирования отэкспонированные снимки проявляют и затем путем
проекционной печати получают ортофотоснимки, из которых монтируют
ортофотоплан так же, как обычный фотоплан.
Оценка точности производится по трансформационным точкам, по порезам
и контрольным точкам.
l
3.8.5. Цифровое трансформирование
Цифровое изображение – это матрица чисел, выражающих яркость а
элементарных участков (пикселей).
a11 a11
a12 a12
a13 a13
  a1n a1n
   
   
M nnM nn
(30)
   
   
an1 aan1n 2 ana2n3 a
n3  a nn a nn
Размеры пикселей задаются при сканировании фотоснимка и могут быть от
5 до 100 мкм.
От размера пикселя зависит точность цифрового изображения,
соответствующая разрешающей способности фотоснимка.
При выборе размера пикселя желательно сохранить разрешающую
способность фотоснимка. Однако точность фотоплана может быть обеспечена
при размере пикселя порядка 20–25 мкм. Это выгодно, так как уменьшается
информационная емкость изображения и, следовательно, повышается скорость
обработки снимков, а значит, можно обойтись компьютером меньшей мощности
(200 Мб/мин).
Цифровое трансформирование заключается в преобразовании матрицы
цифрового изображения наклонного снимка в матрицу горизонтального
(трансформированного) снимка, т. е положение пикселей а11, а12, ... на
наклонном снимке необходимо переместить в положение, соответствующее
горизонтальному снимку. Для этого используют формулы, выражающие связь
координат наклонного и горизонтального снимков:
a ( x x0 ) a2 ( y y0 ) a3 f
x0
f 1
,
(31)
c1( x x0 ) c2 ( y y0 ) c3 f
b ( x x0 ) b2 ( y y0 ) b3 f
y0
f 1
,
(32)
c1( x x0 ) c2 ( y y0 ) c3 f
где f, x0, y0 – элементы внутреннего ориентирования снимка;
a, b, c – направляющие косинусы, выражающиеся через угловые элементы
внешнего ориентирования снимка , , ;
x0, y0 – трансформированные координаты точек снимка;
x, y – координаты точек наклонного снимка.
Рассмотренный способ называют прямым трансформированием. Он имеет
существенные недостатки, которые заключаются в том, что на
трансформированном изображении происходит либо наложение пикселей, либо
разрыв между ними.
Поэтому в практике предпочитают обратное трансформирование.
Сущность его заключается в том, что задается матрица трансформированного
снимка (без яркостей), а затем определяются пиксели на наклонном снимке,
которые соответствуют пикселям на горизонтальном снимке, и яркость этих
пикселей присваивается пикселям матрицы трансформированного изображения.
Этим исключается недостаток прямого трансформирования.
При обратном трансформировании используют формулы перехода от
трансформированных координат к координатам точек наклонного снимка:
a x 0 b1 y 0 c1 f
x x0 f 1
,
(33)
a3 x 0 b3 y 0 c3 f
a x 0 b2 y 0 c2 f
f 2
.
(34)
a3 x 0 b3 y 0 c3 f
Технология цифрового трансформирования проста и складывается из
следующих процессов:
сканирование исходных аэрофотоснимков;
ввод в ЭВМ цифрового изображения, элементов внутреннего и
внешнего ориентирования снимка;
включение программы трансформирования;
вывод трансформированного изображения;
монтаж фотоплана.
Цифровое трансформирование, безусловно, имеет большое преимущество
перед фототрансформированием, так как процесс почти полностью
y
y0
автоматизирован, кроме того, возможна любая геометрическая и
фотометрическая коррекция изображения.
Однако следует отметить, что в ряде случаев, когда требуется твердая
копия трансформированных снимков большого формата, оптико-механическое
трансформирование на прецизионных фототрансформаторах предпочтительнее
цифрового, так как оно более производительнее и дешевле. Особенно это важно
при создании крупномасштабных фотопланов способом снимок-трапеция.
Если смещение точек на снимке за рельеф более 0,3 мм в масштабе
фотоплана, то так же, как и при фототрансформировании выполняется
цифровое ортотрансформирование, которое заключается в том, что, кроме
преобразования матрицы исходного цифрового изображения за влияние угла
наклона, необходимо сместить пиксели на величины поправок за влияние
рельефа. Для определения этих поправок необходимо знать высоты точек,
которые определяют с помощью цифровых моделей рельефа (ЦМР),
представляющих собой набор координат и высот точек модели, равномерно
расположенных по площади стереопары снимков с приложением
математического алгоритма, позволяющего по имеющимся исходным точкам с
известными высотами определить высоту любой точки в пределах снимка.
Получить высоты исходных точек ЦМР можно с помощью моделей,
построенных на ЦФС, или с помощью карты.
Цифровое ортотрансформирование аналогично дифференциальному
трансформированию. Отличие заключается только в том, что при цифровом
ортотрансформировании все операции выполняются аналитически. В связи
с этим высоты проектирования определяются не на аналоговых универсальных
приборах, а с помощью цифровых моделей рельефа.
Кроме того, при цифровом трансформировании не выполняется
сканирование, поэтому размер элементарных участков трансформирования
одинаков вдоль осей X и Y. Это является отрицательным фактором цифрового
трансформирования, так как с меньшей объективностью учитываются
смещения точек за влияние рельефа.
В
практике
применяются
разные
алгоритмы
цифрового
ортотрансформирования, однако всем им присущи одинаковые основные
принципы, которые заключаются в следующем.
Во всех случаях основой для исправления положения точек снимка за
влияние рельефа являются цифровые модели рельефа. Хотя способы
построения ЦМР могут быть разными, отличие может касаться как способа
набора высот исходных точек для построения ЦМР, так и математического
аппарата определения высот текущих точек модели.
Определение высот точек для построения ЦМР может выполняться по
регулярной сетке или по нерегулярной сетке. В первом варианте точки
определяют в узлах сетки квадратов, размеры которых зависят от характера
рельефа. Чем сложнее формы рельефа, тем гуще сетка квадратов.
Оценить оптимальность сетки квадратов можно только по контрольным
точкам. Достоинством первого варианта является то, что этот процесс можно
полностью автоматизировать.
Во втором варианте точки для ЦМР выбирают на характерных местах
рельефа. В этом случае ЦМР более объективна, однако в данном варианте можно
осуществить только частичную автоматизацию процесса набора точек для ЦМР.
Основным процессом цифрового ортотрансформирования является
установление функциональной зависимости между матрицей пикселей
трансформированного и исходного снимков.
Здесь может быть два варианта. В первом варианте вначале находят
зависимость между матрицей трансформированных координат за угол наклона
и исходным снимком, а затем вводят поправки за рельеф. Во втором варианте
вначале определяют высоты точек на элементарных участках ЦМР, размеры
которых LXY определяют по формулам:
2 rh H
L XY
,
r tgi
hmax
tgi
,
Dmin
hmax – максимальное превышение точек местности в пределах
где
снимка;
Dmin – расстояние между ближайшими точками с максимальной и
минимальной отметками.
Далее, по координатам центральных точек элементарных участков ЦМР
определяют трансформированные координаты x0и y0 (за угол наклона и рельеф)
точек по формулам:
X XS
X XS
xh0 f
,
(35)
Z нач . Z S
m
Y YS
Y YS
y h0 f
,
(36)
Z нач . Z S
m
где X, Y определяются размерами LX, LY.
После этого находят координаты исходного снимка, соответствующие
координатам центральных точек элементарных участков ЦМР по формулам:
X*
x x0
f
,
(37)
Z*
Y*
y y0
f
,
(38)
Z*
где x0, y0, f – элементы внутреннего ориентирования;
x , y – координаты точек на исходном снимке;
Величины X*, Y*, Z* определяются по формулам:
X * a1( X X S ) b1( Y YS ) c1( Z Z S );
Y*
a2 ( X
X S ) b2 ( Y
Z*
a3 ( X
X S ) b3 ( Y
YS ) c2 ( Z
YS ) c3 ( Z
Z S );
Z S ).
(39)
В последних выражениях (39) a, b, c – направляющие косинусы,
вычисленные
через
элементы
внешнего
ориентирования
снимка
, , , X S , YS , Z S и координаты точек ЦМР.
Количество и расположение исходных точек для построения ЦМР зависит
от характера рельефа и перепада высот. Очевидно, что чем сложнее формы
рельефа и больше перепад высот, тем больше должно быть исходных точек для
моделирования рельефа.
Контроль ортофотоснимка производится по контрольным точкам (точкам с
известными координатами, опознанным на снимках) и по стыку изображений
элементарных участков.
Большие ошибки в положении контрольных точек говорят о
необъективности цифровой модели рельефа (мало точек). Расхождение по
стыку элементарных участков больше допуска (0,3 мм) свидетельствует о том,
что размер элементарного участка рассчитан неправильно.
Технология цифрового ортотрансформирования складывается из
следующих процессов:
подбор и оценка качества материалов (аэронегативы, снимки с
наколами опорных точек и каталог координат, паспортные данные
аэрофотоаппарата);
расчет элемента разрешения РР (в мкм) для сканирования и
непосредственно сканирование снимков. Разрешение определяется требованием
к графической точности фотоплана (70 мкм) и коэффициентом k,
характеризующим отношение масштаба фотоплана 1 : М к масштабу
аэрофотоснимка 1 : m, по формуле: PP 70 k ;
расчет размера элементарного участка;
построение ЦМР;
ортотрансформирование;
оценка точности и контроль качества ортофотоснимков;
монтаж цифрового ортофотоплана.
3.9. Наземная стереосъѐмка
Наземная стереосъемка (НСС) имеет некоторые преимущества перед
аэрокосмической съемкой.
При наземной съемке стационарных объектов экспозиция может иметь
любые значения, следовательно, можно применять съемочные камеры с
объективами малой светосилы, которые имеют высокое разрешение при
незначительной дисторсии, т. е. наземные снимки имеют более высокие
метрические характеристики, чем аэрофотоснимки. Кроме этого, при НСС
линейные элементы внешнего ориентирования снимков могут быть получены с
любой точностью. Если для съемки используют фототеодолиты, то
устанавливаются с достаточной точностью угловые элементы ориентирования
снимков. Все это позволяет получить количественные характеристики объектов
с точностью более чем в 1,5 раза выше, чем по аэрофотоснимкам.
Недостатком НСС является низкая производительность. Однако при
создании крупномасштабных карт и планов на горные районы при наличии
отвесных скал и ущелий, когда при аэрофотосъемке возникают мертвые зоны,
наземная стереосъемка незаменима. Так, например, при строительстве
Токтогульской и Нурекской ГЭС САО Гидропроект использовал только
наземную стереосъемку.
Технология НСС складывается из следующих процессов:
рекогносцировка (выбор точек фотографирования, обеспечивающих
наилучший съемочный кадр);
расчет базиса фотографирования, обеспечивающего требуемую
точность и оптимальный стереоэффект;
геодезические
работы
по
определению
координат
точек
фотографирования, координат контрольных точек, длины, угла наклона и
дирекционного угла базиса фотографирования;
горизонтирование и ориентирование фотокамеры (или цифровой камеры);
фотосъемка или цифровая съемка.
Технология обработки наземных снимков с целью создания карт и планов
аналогична технологиям, применяемым для аэроснимков, и осуществляется на
тех же фотограмметрических приборах (кроме аналоговых приборов с
преобразованными связками).
При обработке снимков наземной съемки следует учитывать, что
направление осей фотограмметрической системы координат по отношению к
снимку отличается от направления осей фотограмметрической системы,
применяемой для аэрофотоснимков. Это объясняется тем, что в наземной
стереосъемке снимки занимают отвесное положение (или близкое к нему), а в
аэрофотосъемке – положение, близкое к горизонтальному. Направление осей
фотограмметрической системы, как правило, задают параллельно осям левого
снимка стереопары.
В том и другом случаях направление осей фотограмметрической системы
параллельно осям снимка. В связи с этим при обработке снимков НСС на
аналоговых универсальных приборах надо переключить на координатографе
ось YY на ось ZZ координатно-измерительной системы прибора. При обработке
снимков на аналитических и цифровых стереоплоттерах необходимо в
алгоритме аналитического решения задачи учесть изменение направления осей
координат и значений направляющих косинусов.
Ошибки внутреннего ориентирования снимков НСС оказывают
существенное влияние на точность построения модели, поэтому калибровку
съемочных камер необходимо выполнять перед каждой съемкой. Особенно это
важно при использовании цифровых камер, не предназначенных для
фотограмметрических целей, и неметрических фотокамер. Применение таких
камер желательно только в порядке исключения, хотя цифровые камеры
позволяют избежать фотохимических процессов и автоматизировать обработку
снимков.
Применение специальных метрических цифровых камер, безусловно,
обеспечит высокий экономический и качественный эффект НСС. При наличии
таких камер использование классических фотокамер нерационально.
Лазеры и лазерные сканеры применяются в разных областях науки и
техники, в том числе и в фотограмметрии. Однако их применение в
фотограмметрических технологиях за последние 10 лет не давало
существенного эффекта.
В новом столетии появились наземные лазерные сканерные системы,
которые позволяют выполнить сканирование любого объекта через интервал,
заданный элементом разрешения. В результате сканирования для каждой точки
(элемента) объекта определяют расстояние от центра сканирования,
направление (угол) луча по горизонтали и вертикали и яркость. По этим данным
можно построить объемную модель объекта и определить по ней любые
количественные характеристики объекта. В дальнейшем наземные лазерные
сканеры могут вытеснить наземную стереосъемку с помощью фотокамер.
Однако стоимость этих сканеров очень высокая и может окупиться только при
их массовой постоянной эксплуатации. Таких потребностей пока нет.
4. ТЕХНОЛОГИЯ ОБНОВЛЕНИЯ ТОПОГРАФИЧЕСКИХ КАРТ И ПЛАНОВ
4.1. Общие положения
Топографические карты с течением времени постепенно перестают
соответствовать местности, вследствие ее изменений, возникающих главным
образом под влиянием деятельности человека.
Задачей обновления карт является приведение их содержания в
соответствие с современным состоянием местности.
При обновлении, как правило, производится переиздание карт в принятой
системе координат и в действующих условных знаках. В связи с тем, что с
1.01.2003 г. введена новая система координат СК-95, то все обновляемые карты
подлежат переизданию в СК-95.
Карты необходимо обновлять, если:
изменились государственные границы;
возникли новые населенные пункты или существенно изменились старые;
построены новые промышленные предприятия, железные и шоссейные
дороги;
созданы водохранилища.
Обновление карт может выполняться:
а) инструментально (на небольших территориях в крупных масштабах);
б) по материалам более поздних крупномасштабных съемок;
в) по материалам аэрофотосъемки (1 : 2 000–1 : 50 000);
г) по материалам космической съемки (1 : 25 000 и мельче).
Обновление по срокам выполнения подразделяется на непрерывное
обновление и периодическое обновление.
Периодическое обновление выполняется в сроки, указанные в табл. 11.
Таблица 11. Сроки обновления карт (год)
Категория
территории
Обжитая
Необжитая
1 : 2 000
3–5
5–7
1 : 5 000
4–5
6–7
Масштаб карты
1 : 10 000
1 : 25 000
5–7
7–18
7–10
10–12
1 : 50 000
8–10
10–20
Кроме периодического обновления на районы интенсивного развития, где
быстро происходит изменение местности, производится непрерывное
обновление. Непрерывное обновление производится путем точного и
детального нанесения изменений (по мере их возникновения) на дежурные
карты масштаба 1 : 25 000 или 1 : 10 000.
На прочие районы детальное дежурство за всеми изменениями местности
выполняется по картам масштаба 1 : 100 000.
Внесение изменений и нанесение их на карты производится по
картографическим материалам различных организаций.
Дежурство за изменениями на местности ведут, как правило, окружные и
межрегиональные управления и комитеты геодезии и картографии.
Таблица 12. Периодичность обновления топографических карт и планов
Территории
Государственные топографические карты
и планы масштабов
1 : 2 000
1 : 10 000
1 : 50 000
и 1 : 5 000
и 1 : 25 000
и более
Городские и сельские поселения, другие
1–5
муниципальные образования
Иные экономически освоенные
территории, территории повышенного
риска возникновения чрезвычайных
–
ситуаций природного и техногенного
характера,
а также приграничные территории
Районы Крайнего Севера и приравненные
–
к ним районы
5–10
5–10
5–20
15–20
15–20
15–20
При обновлении карт по материалам аэрофотосъемки используют, как
правило, имеющуюся геодезическую основу, а также съемочное обоснование
(опознаки) и данные дешифрирования аэрофотоснимков, полученные при
создании обновляемой карты. Также используют все картографические
материалы, полученные после создания обновляемой карты.
Решение об обновлении карты принимается на основе анализа ее точности
и количества происшедших изменений.
Анализ точности обновляемой карты производят по техническим отчетам о
выполненной топосъемке путем ее сравнения с материалами более поздних
съемок более крупного масштаба, нанесением геодезических пунктов, реперов,
полученных после создания карты или по контрольным точкам, полученным из
фотограмметрического сгущения по новому аэросъемочному залету.
Карта считается удовлетворяющей требованиям точности, если средние
расхождения в плановом положении точек фотограмметрических сетей и
соответствующих точек на карте на превышают 0,6 мм в равнинной местности
и 0,9 мм – в горной. Средние расхождения высот не должны превышать 1/2
высоты сечения рельефа.
Участки карт, в пределах которых ошибки взаимного положения контуров в
плане и по высоте превышают указанные допуски, подлежат съемке заново.
При выборе способа обновления карты (плана) принимается во внимание
следующая информация:
материалы, определяющие точность карты (плана). Анализ точности
выполняется по техническим отчетам, более поздним съемкам более крупных
масштабов, по материалам новых геодезических работ;
степень современности карты, которая определяется по дежурной карте
или материалам новой аэрофотосъемки;
характеристика территории (плотность застройки, многоэтажность,
рельеф, растительность) для определения целесообразности изготовления
фотопланов;
наличие приборного парка и программных средств;
наличие
свежих
ведомственных
топографо-геодезических,
картографических, аэрофотосъемочных материалов и космических снимков.
4.2. Обновление карт по материалам аэрофотосъемки
В зависимости от рельефа местности, насыщенности контурами,
количества и характера изменений местности, применяют три основных
способа обновления топографических карт по материалам аэрофотосъемки.
1. Обновление карты на основе нового фотоплана. Изготавливается новый
фотоплан по обычной технологии. После этого изготавливается светокопия с
фотоплана с впечатанным рельефом. Затем выполняется камеральное
дешифрирование на фотоплане и вычерчивание всей ситуации. Этот способ
применяется в равнинной местности при изменении контурной нагрузки более
30 %.
Технологическая схема первого способа обновления карт приведена на рис. 14.
Рис. 14. Технология обновления карт на основе нового фотоплана
2. Обновление карты по аэрофотоснимкам и копии оригинала карты на
прозрачном пластике. Способ применяется, когда количество изменений на
местности менее 30 % и когда вычерчивание на копии карты новых элементов и
удаление утраченных менее трудоемко, чем вычерчивание всей ситуации на
новом фотоплане.
При
втором
способе
обновления
карт
изготавливаются
трансформированные аэроснимки по технологии, представленной на рис. 15.
Рис. 15. Технология обновления карт на прозрачной основе
3. Обновление карт по модели, построенной на универсальном
стереофотограмметрическом приборе. Этот способ применяется при
обновлении карт на горные территории. Для внешнего ориентирования модели
используются неизменившиеся четкие контуры обновляемой карты. В этом
случае модель строят обычным способом, по которой и выполняется
обновление карты.
Полная технология третьего способа обновления карт представлена на
рис. 16.
Рис. 16. Технология обновления карт по модели местности на универсальных
приборах
4.3. Технология обновления карт по материалам космических съемок
Технология создания и обновления карт по материалам космических
съемок имеет некоторые отличия от аэрофотограмметрических технологий. Это
вызвано условиями получения космических снимков, а также особенностями их
фотограмметрической обработки: во-первых, у космических снимков высоты
фотографирования колеблются от сотен до нескольких тысяч километров; вовторых, не всегда удается выдерживать заданное продольное и поперечное
перекрытие снимков, так как съемочные аппараты движутся по эллиптическим
орбитам; в-третьих, космические снимки охватывают значительную площадь
поверхности, и поэтому необходимо учитывать кривизну Земли.
Смещение точек на кадровом космическом снимке, как видно из рис. 17,
зависит от высоты фотографирования, фокусного расстояния, положения точек
на снимке и может быть выражено формулой:
Hr 3
,
(40)
δrk
2Rf 2
P
f
rk
H
N
h
φ
R
O
Рис. 17. Влияние кривизны
Земли на положение точек
на космическом снимке
где r – радиус вектор, определяющий
положение точки на снимке;
Н – высота фотографирования;
R – радиус кривизны Земли (R = 6 340 м);
f – фокусное расстояние космического
съемочного аппарата.
Например, если космическая съемка
производилась при Н = 100 км и f = 200 мм,
на краю снимка формата 30 × 30 см величина
rk составит 0,4 мм. Если технологией
обновления предусматривается изготовление
фотопланов, то смещение rk увеличится на
величину
соотношения
масштаба
космической
съемки
к
масштабу
обновляемой карты. В данном случае при
обновлении карт в масштабе 1 : 50 000 rk
составит 4,0 мм при допустимом значении
5 мм.
Поэтому при создании и обновлении
карт приходится космический снимок или
стереопару разбивать на участки, в пределах
которых искажения в плане и по высоте не
превышают допустимых значений.
Размеры участка рабочей зоны, как правило, определяются центральным
углом и вычисляют по формулам:
24 rk M
3
;
(41)
X ,Y
R
8 rZ доп
.
(42)
Z
R
Отсюда вытекает ряд особенностей использования космических снимков.
Так, при обработке космических снимков для изготовления фотопланов
необходимо снимок разбить на зоны, размер которых определяется по формуле
(41). Каждую зону трансформируют отдельно, используя в качестве
ориентировочных точек ее угловые точки, координаты которых определяют из
фотограмметрического сгущения. В результате для каждого космического
снимка получают несколько отпечатков, из которых и может быть смонтирован
фотоплан.
Аналоговые приборы можно использовать для обработки космических
снимков, если стереопары разделены на зоны, размеры которых рассчитывают
также по формулам (41), (42).
Выполнив внутреннее и взаимное ориентирование космических снимков
по обычной методике, внешнее ориентирование, съемку рельефа, контуров,
обновление выполняют для каждой зоны отдельно.
Если космическая съемка выполняется фотоаппаратом со шторно-щелевым
затвором, то на первоначальном этапе обработки снимков должны быть
исправлены искажения, возникающие из-за неоднородности построения кадра.
Технология обновления карт по космическим снимкам представлена на
рис. 18.
Рис. 18. Технологическая схема обновления карт по космическим снимкам
4.4. Цифровые технологии обновления карт по аэроснимкам
До 1990-х гг. процесс составления и обновления карт выполнялся ручными
или полуавтоматическими способами и полностью зависел от опыта и
квалификации фотограмметристов и картографов. В настоящее время
завершается переход на цифровые методы составления и обновления карт.
Процесс обновления карт по традиционной технологии делится на три этапа:
подготовительные работы;
собственно обновление карт;
воспроизведение обновленной карты.
Применение цифровых методов сохраняет трехэтапность процесса
обновления. На первом этапе создается топографическая основа по материалам
новой аэрофотосъемки в виде цифрового ортофотоплана.
На
втором
этапе
производится
наложение
предварительно
отсканированной и векторизованной карты на растровое фотоизображение
фотоплана. На этом этапе обновления осуществляется векторизация по
растровому изображению фотоплана вновь появившихся объектов,
корректировка сохранившихся и выявление утраченных объектов.
На заключительном этапе выполняется окончательное нанесение
обновляемых объектов и удаление утраченных объектов с обновляемой карты.
Современные цифровые технологии обновления карт базируются на тех же
технических средствах, что использовались и для их создания, которые были
описаны ранее.
Наиболее общая схема цифровой технологии обновления карт в
современном топографо-геодезическом производстве представлена на рис. 19.
Рис. 19. Технологическая схема цифрового обновления карт и планов
Данная технология обновления предусматривает перевод графических
оригиналов обновляемых карт в цифровой вид. Для этого производится
сканирование оригиналов и векторизация карт.
Обновление цифровой топографической карты выполняется по
стереопарам снимков, одиночным снимкам, ортофотопланам.
В процессе обновления контурная часть карты приводится в полное
соответствие со снимками нового залета. Процесс обновления сводится к трем
видам работ:
исключение из базы данных отсутствующих на снимках объектов;
включение в базу вновь появившихся объектов;
внесение изменений в семантику.
В процессе редактирования выполняется сводка контуров и горизонталей,
изменение семантических кодов, присвоение объектам необходимых
характеристик, условных знаков. При редактировании используются различные
вспомогательные функции: просмотр по слоям, копирование или удаление
объектов, автоматическая стыковка объектов с разных цифровых фотопланов,
выделение оригинала и т. д.
Оформление номенклатурного листа цифровой карты или плана включает
вставку в него координатной сетки, внутренней и внешней рамок и зарамочного
оформления. Для тиражирования оформленного листа цифровой карты он
может быть представлен также в виде растрового файла в формате BMP.
Рассмотренная технология в конкретных условиях может видоизменяться в
зависимости
от
характера
произошедших
изменений,
наличия
фотограмметрических приборов, программных продуктов и др.
Преимуществом цифровых технологий обновления карт и планов перед
традиционными является высокий уровень автоматизации всех этапов
обновления, высокая производительность.
4.5. Цифровые технологии обновления карт и планов по космическим
снимкам высокого разрешения
С начала ХХI в. стал быстро развиваться рынок космических снимков
высокого разрешения (менее 1 м), полученных с коммерческих спутников.
Изображения космических снимков высокого разрешения во многих странах
стали применяться в различных областях при ведении мониторинга различного
назначения, в земельном кадастре, градостроительстве, природопользовании и
других отраслях, включая фототопографию.
Возникли различные компании, которые поставляют космическую
информацию на территории многих государств. На российском рынке такой
компанией является ООО «Прайм груп», на американском – Digital Globe. Эти
компании занимаются распространением космических изображений,
полученных с коммерческого спутника Quick Bird («Быстрая птица»). Размер
элемента изображения (разрешение для космических снимков Quick Bird)
составляет – 0,61 м для панхроматического изображения и 2,44 м для
многозонального. Высота орбиты 450 км. Размер кадра 16 × 16 см. Стоимость
1 км2 изображения составляет порядка 25 долларов.
Благодаря высокой разрешающей способности и информативности,
космические снимки находят применение и в фототопографии, в частности, при
обновлении топографических карт в различных масштабах. С учетом
специфики получения и обработки космических изображений наиболее
эффективно с их помощью решается задача обновления контурной части карты,
т. е. когда изменениями в рельефе можно пренебречь. Рассмотрим технологию
обновления электронной карты по снимкам высокого разрешения, которая
предусматривает выполнение следующих укрупненных процессов:
1) анализ характера изменений обновляемой карты по космическим
изображениям;
2) сгущение опорной сети для трансформирования снимков и анализа
точности космических снимков;
3) трансформирование космических снимков по опорным геодезическим
точкам;
4) дешифрирование
космических
снимков
при
обновлении
топографических планов масштаба 1 : 2 000–1 : 5 000;
5) полевое обследование;
6) перенос изменений с космических снимков на электронную карту;
7) редактирование и оформление составительского оригинала.
Общая технологическая схема обновления карт по космическим снимкам
высокого разрешения представлена на рис. 20.
Для трансформирования космических снимков должна быть развита сеть
опорных пунктов на всю территорию, покрытую космической съемкой. Все
опорные пункты выбираются на цифровом изображении космических снимков,
а их координаты определяются с помощью спутниковых приемников GPS в
системе WGS 84 и перевычисляются в систему координат СК-42. В качестве
опорных точек должны быть использованы хорошо опознаваемые на снимках
контуры, на которых отсутствуют помехи для приема спутниковых сигналов.
Средняя плотность таких пунктов должна быть не ниже 1 пункта на 5 км 2.
Космические снимки, полученные со спутника Quick Bird, поступают в
формате файлов Geotiff, содержащего информацию о картографической
проекции (ИТМ, Zone 44, WGS 84). Но изначальные данные содержат
искажения:
за кривизну Земли;
сенсора при сканировании;
за элементы внутреннего ориентирования сенсора.
Полученные данные содержат также информацию в отдельных файлах:
о самом изображении (размер по пикселам);
о дате съемки;
RPB file содержат информацию о параметрах внутреннего и внешнего
ориентирования для каждой строки формируемого изображения, параметры
орбиты.
Рис. 20. Блок-схема обновления электронной карты по космическим снимкам
высокого разрешения
Изготовление цифровых фотопланов по космическим снимкам
производится следующим образом.
1. Снимки обрабатываются с использованием файлов RPC за искажения,
вызванные ошибками внутреннего и внешнего ориентирования.
2. Привязка к местной системе координат осуществляется по опорным
точкам, координаты которых определены с помощью GPS-технологий. На
каждый снимок должно приходиться в среднем 20–30 точек. Для привязки
космических снимков к местной системе координат используется
аппроксимирующий полином 2 степени. Геопривязка может быть выполнена с
использованием пакета ERDAS Imagine методом билинейной интерполяции.
3. После привязки-трансформирования в местную систему координат
снимки необходимо сформировать в единую схему.
Так как снимки получены по различным маршрутам съемки,
соответственно яркость по каждому маршруту будет различна, поэтому ее
необходимо выровнять.
В ERDAS Imagine существует возможность яркостной коррекции
изображений с использованием функции выравнивания гистограмм: Histogram
Matching – в автоматическом или ручном режиме.
4. Для формирования общего файла изображения используется
инструмент ERDAS Imagine – Mosaic Tool. Линия сшивки задается вручную по
изображениям в области перекрытия.
4.5.1. Особенности дешифрирования космических снимков при
обновлении топографических планов в масштабах 1:2000–1:5000
Для мелкомасштабных космических снимков по сравнению с
аэрофотоснимками характерны следующие особенности, которые необходимо
учитывать при дешифрировании:
естественная генерализация изображения;
получение изображения в условиях быстрых изменений освещенности,
приводящих к отступлению от нормальной экспозиции;
влияние атмосферы на яркостные характеристики многозональных
изображений;
различия яркостных характеристик соседних маршрутов съемки.
Общими принципами камерального дешифрирования космических
снимков являются:
широкое использование косвенных дешифровочных признаков;
использование специальных эталонов дешифрирования;
использование снимков специальных видов съемки: цветных,
спектрозональных, многозональных;
использование материалов аэрофотосъемок и картографических
материалов на дешифрируемую территорию.
При производстве обновления топографических планов масштабов
1 : 2 000–1 : 5 000 предусматривается дешифрирование выполнять в следующем
порядке.
1. В качестве основы для дешифрирования использовать распечатку
изображения космического снимка на отдельный участок (на один планшет или
квартал) с наложенным векторным изображением существующей электронной
карты на мягкой основе.
2. Сначала выполнять камеральное дешифрирование всех изменений,
несоответствий и разночтений растрового и векторного изображений.
3. Затем производить полевое дешифрирование, при котором уточнить все
изменения, характеристики вновь появившихся объектов и т. д.
4. При дешифрировании растительности необходимо использовать
цветные распечатки многозональных снимков.
При обновлении электронной карты дешифрирование целесообразно
выполнять камерально на фрагментах наложения векторной электронной карты
на растровое изображение космического снимка с последующим полевым
обследованием. Перед началом работ по камеральному дешифрированию
должны быть выполнены подготовительные работы, которые включают в себя
следующее:
изучение редакционных указаний;
анализ имеющихся картографических материалов на район работ;
нанесение границ рабочих площадей.
При изучении редакционных указаний каждый исполнитель должен четко
уяснить поставленную перед ним задачу и получить необходимые сведения об
особенностях отображения объектов местности, о видах объектов, подлежащих
дешифрированию, установить последовательность дешифрирования.
В результате изучения и анализа картографических материалов
определяется возможность его использования.
Рабочие площади на распечатках фрагментов наносятся с таким расчетом,
чтобы между ними не возникали перекрытия или разрывы. Границы рабочих
площадей вычерчиваются на фрагментах красной гелевой ручкой.
Камеральное дешифрирование выполняется путем сличения обновляемой
электронной карты с космическим снимком и другими имеющимися
материалами. Вычерчиваются только изменившиеся и вновь появившиеся
объекты местности.
Вычерчивание выполняется упрощенными условными знаками в цветах,
обеспечивающих читаемость отдешифрированных объектов.
При невозможности опознать отдельные элементы содержания
обновляемой карты намечаются места, где требуется полевое дешифрирование.
Полевому обследованию подвергаются все участки, определенные для
обновления. Обновление производится на распечатках фрагментов
совмещенных панхроматических изображений космических снимков и
электронной карты. При обновлении на распечатку наносятся все вновь
появившиеся объекты, а исчезнувшие зачеркиваются.
Результаты полевого дешифрирования также вычерчиваются тушью в
цвете и передаются для исправления обновляемой карты.
4.5.2. Камеральное исправление электронной карты в пакете ERDAS
Imagine
В связи с тем, что изображение объекта получают единым общим файлом в
ERDAS Imagine размером – 11,3 Гб, для передачи в другой программный
продукт его необходимо делить на отдельные фрагменты и проводить привязку
в MapInfo,что вносит определенную ошибку в определение координат. Кроме
того, передача данных из ERDAS Imagine в формат tiff вносит искажения в
растровое изображение, полученное в специальном формате Geotiff.
В ERDAS Imagine существует полный набор инструментов, необходимых
для векторизации, исправления ошибок и удаления ненужных линий, с
помощью которых выполняется:
векторизация линейных и площадных объектов;
корректировка полученных линий (перемещение, добавление и
удаление узлов);
удаление объектов недоведений и пересечений;
использование топологических характеристик объектов;
топологическая чистка пересечений линий и пр.;
сглаживание линий и кривых.
С целью получения прямоугольных контуров (зданий) существует
возможность импортирования в Auto CAD в формате DXF.
Полученную информацию можно импортировать в MapInfo, причем после
построения топологических отношений контуры замкнутых объектов
представляют собой целые области – замкнутые полигоны.
Кроме того, существует возможность импортирования в Arc View из
формата Arc Coverage в Shapefile.
В Arc View возможно создание композиции карты с легендой и подписями
и оформлением в цветном красочном виде.
4.5.3. Редакционные работы при обновлении топографических карт и
планов
Целью редактирования карт и планов является обеспечение условий, при
которых они наиболее полно отвечали бы своему назначению по содержанию и
точности в соответствии с предъявляемыми нормативными документами к
данному масштабу карт и планов, достоверно и однородно передавали элементы
ситуации и рельефа, в том числе объекты, важные как ориентиры, и
предусматривали применение наиболее эффективных технологий.
Редактирование осуществляется на всех этапах создания и обновления карт
и планов и включает:
редакционно-подготовительные работы;
редактирование в процессе работы;
проверку и приѐмку законченных видов работ и готовой продукции.
Для определения необходимости и возможности обновления карт и планов
используются материалы геодезической, топографической и картографической
изученности, а также материалы аэрокосмических съемок.
При первой категории изменившихся объектов (государственная граница,
промышленные и административные центры, крупные объекты и дороги,
водохранилища и каналы) и современности около 100 % – карты обновляются,
при современности менее 50 % – пересоставляются или создаются заново.
При второй категории изменившихся объектов (границы республик и
административные границы первого порядка, города, крупные контуры) и
современности 80 % – листы карт не обновляются, при современности 80–50 %
– исправляются, менее 50 % – планируется новая съѐмка. При третьей
категории изменившихся объектов листы не обновляются.
В начале работ определяется степень современности карты.
Для определения современности обновляемой карты по дежурной карте
масштаба 1 : 100 000 на 3–4 характерных листах выбирают оценочные квадраты
со стороной 6 см, наиболее полно представляющие основные элементы
содержания карты. Заранее выявляют изменения на оценочных квадратах.
Накладывая на эти участки палетки со сторонами квадратов 2 мм,
подсчитывают количество квадратов n, содержащих изменения. Степень
современности карты Р (в процентах) вычисляют по формуле:
Р = 100 – n : 9 (для каждого участка и листа).
При наличии материалов «свежей» аэрофотосъемки или космической
съемки современность определяют не по дежурной карте в масштабе
1 : 100 000, а по этим материалам. Но следует отдавать предпочтение данным
дежурной карты.
Степень современности в совокупности с ранее названными критериями и
определяют необходимость обновления карты.
Критерием,
определяющим
возможность
исправления
листов
топографической карты, является еѐ точность, характеризующаяся ошибками
положения пунктов и точек геодезической основы, а также средними ошибками
планового и высотного положения объектов и точек местности на карте.
Оценка точности карты выполняется изучением по техническим отчѐтам еѐ
точностных характеристик; сравнением с более поздними и более
крупномасштабными съѐмками; путѐм нанесения геодезических пунктов,
опознаков, реперов, полученных после создания карты, а в случае отсутствия
или недостаточности для анализа таких данных – путѐм построения сетей
фототриангуляции или измерения одиночных стереопар на универсальных
приборах.
При оценке точности топографических карт по техническим отчѐтам в
первую очередь проверяется, удовлетворяет ли карта требованиям
действующих НТА.
В связи с изменением схем районирования по характеру рельефа
необходимо проверить, соответствует ли сечение, принятое на карте,
действующей схеме районирования, и решить вопрос о необходимости
изменения сечения. Важно также определить технологию обновления карты. В
случае
отсутствия
в отчѐте каких-либо данных по соответствующим разделам формуляров карт
проверяют точностные характеристики этих этапов создания карты
(применяемые инструменты, точность по невязкам, средним и предельным
ошибкам как по полевым, так и по камеральным работам
(фотограмметрическому сгущению, изготовлению фотопланов, рисовке рельефа
и составлению, выбору параметров аэрофотосъѐмки и др.).
Для оценки точности по более поздним крупномасштабным съѐмкам
необходимо привести материалы обеих съѐмок к одному масштабу и провести
анализ при накладывании их одной на другую. Точность в плане проверяется по
пунктам геодезической сети и твѐрдым неизменившимся контурам, по высоте –
по пунктам геодезической и нивелирной сети, по отметкам высот, подписанным
на характерных местах, и по положению одноименных горизонталей. Также
выполняется оценка по геодезическим пунктам, опознакам, реперам,
определѐнных в работах, выполненных после создания карты.
При отсутствии достоверных и полных сведений о съѐмке, а также
материалов более поздних крупномасштабных съѐмок, геодезических работ
проверка точности производится с помощью построения фотограмметрических
сетей или измерениями по отдельным стереопарам. В этом случае средние
расхождения в плановом положении точек фотограмметрической сети и
соответствующих точек карты не должны превышать 0,6 мм (в горных и
высокогорных районах – 1 мм), а по высоте – согласно таблицам «Основных
положений...».
Правильность изображения рельефа, отсутствие пропусков проверяется
рассматриванием стереоскопически по аэрофотоснимкам и сопоставлением
форм рельефа с изображѐнным на обновляемой карте.
В случае использования при фотограмметрическом сгущении контурных
точек обновляемой карты полевой проверке в плане и по высоте подвергается
5–10 % точек, полученных в результате фотограммсгущения. Проверка
выполняется промерами и засечками с пунктов ГГС, полигонометрическими и
нивелирными ходами.
После определения необходимости обновления карт (по современности
и другим критериям) и предварительной оценки еѐ точности приступают к
редакционно-подготовительным работам.
В ходе редакционно-подготовительных работ завершается сбор и
систематизация материалов картографического значения, полученных после
создания обновляемой карты, более детальный анализ картографических
материалов и изменений местности применительно к каждому листу карты.
В качестве основных используются следующие материалы:
издательские (составительские) оригиналы с формулярами и тиражные
оттиски обновляемых карт;
материалы аэрофотосъемки, выполненной для обновления;
каталоги координат и высот геодезических пунктов, марок и реперов
нивелирования, точек съѐмочной сети;
исходные материалы, по которым составлялась обновляемая карта;
карты и планы топографических съѐмок, выполненных после создания
обновляемой карты;
дежурная карта.
В
качестве
дополнительных
используются
топографические,
аэрофотосъѐмочные и картографические материалы различных ведомств,
дежурные планы застройки, планы землеустройства, лесонасаждений,
торфяных месторождений, газо- и нефтепромыслов, маркшейдерские планы,
геологические, мелиоративные и почвенные карты, навигационные и
лоцманские карты рек, озѐр водохранилищ и каналов, планы гидротехнических
сооружений, продольные профили железных дорог и планы станций, линейные
графики автомобильных дорог, схематические карты линий связи и
электропередачи, карты и схемы административных границ и др.
Кроме того, используются различные справочные и описательные
материалы: списки населѐнных пунктов, данные о числе жилых домов и
количестве жителей, о размещении РС, СС, таблицы роста лесообразующих
пород деревьев. Таблицы среднегодовых изменений магнитного склонения,
каталоги навигационной обстановки, данные о водомерных постах и др.
Необходимость, возможность и степень использования перечисленных
выше материалов определяет ответственный редактор карты.
После тщательного сбора и изучения района картографирования
ответственный редактор приступает к написанию редакционных указаний.
Одновременно с этим, а иногда перед этим процессом разрабатывается рабочий
проект камеральных и полевых работ.
Рабочий проект составляется в развитие и уточнение положений
технического проекта с целью определения наиболее технологичных и
экономически обоснованных способов обновления на каждый лист карты.
Кроме названных материалов, обязательно получают все имеющиеся
снимки с наколами пунктов геодезической основы и опознаков выполненных
ранее работ, изучается возможность их переколки на новые аэрофотоснимки.
Уточняются сведения о выполненных после составления техпроекта
геодезических и картографических работах, внесении их в формуляр карты и
нанесении на оригиналы или использовании при обновлении карт.
Редакционные (или редакционно-технические) указания содержат:
краткую характеристику района картографирования или обновления
с освещением в ней основных черт и характерных особенностей местности,
определяющих содержание создаваемой карты;
характеристику исходных материалов с приведением оценки и вывода
о степени использования каждого материала;
рекомендации по обследованию и показу пунктов ГГС и ГНС;
технологию обновления карты;
особенности изображения на карте отдельных элементов и объектов
местности;
особенности применения условных знаков и шрифтов для подписей;
указания по сбору и написанию собственных названий географических
объектов;
порядок сводки листов карты по границам района обновления;
технологию подготовки листов карты к изданию, выходные форматы
для цифровых карт.
Один из основных разделов редакционных указаний отражает особенности
изображения на карте отдельных элементов и объектов местности в том
порядке, в котором они представлены в условных знаках.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В пособии даны сведения о современных технологических вариантах
создания и обновления карт и планов с применением материалов
аэрофотосъемок и космических съемок. Рассмотрены технологические
варианты создания и обновления цифровых карт и планов, основанных на
применении современных фотограмметрических приборов и программных
продуктов. Содержание учебного материала изложено с учетом современных
требований, предъявляемых инструкциями и постановлениями Правительства
РФ к созданию карт и планов, в том числе и создаваемых в цифровом виде. В
учебном пособии достаточно подробно описаны отдельные полевые и
камеральные технологические процессы, условия их выполнения, применяемые
приборы, а также даны требования к точности выполнения отдельных
процессов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Основные положения по созданию и обновлению топографических
карт масштабов 1 : 10 000, 1 : 25 000, 1 : 50 000, 1 : 100 000, 1 : 200 000,
1 : 500 000, 1 : 1 000 000. – М.: РИО ВТС, 1984. – 52 с.
2. Основные положения по созданию топографических планов масштабов
1 : 5 000, 1 : 2 000, 1 : 1 000, 1 : 500. – М.: ГУГК, 1979. – 18 с.
3. Инструкция по топографическим съемкам в масштабе 1 : 10 000–
1 : 25 000. – М.: Недра, 1978. – 80 с.
4. Инструкция по топографической съемке в масштабах 1 : 5 000–1 : 500.
– М.: Недра, 1982. – 160 с.
5. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании
топографических карт и планов. – М.: Недра, 1974. – 80 с.
6. Основные положения по аэрофотосъемке, выполняемой для создания и
обновления топографических карт и планов. – М.: Недра, 1982. – 16 с.
7. Инструкция по обновлению топографических карт в масштабах
1 : 10 000 и 1 : 25 000. –М.: РИО ВТС, 1969. – 60 с.
8. Руководство по обновлению топографических карт. – М.: Недра, 1978. –
64 с.
9. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых
топографических карт и планов. – М.: ЦНИИГАиК, 2002. – 100 с.
10. Егоров, В.Б. Развитие цифровых методов топографического
картографирования (зарубежный опыт): обзор. информ. / В.Б. Егоров, М.К.
Гонецкая. – М.: ЦНИИГАиК, 1990. – 64 с.
11. Лобанов, А.Н. Фотограмметрия / А.Н. Лобанов. – М.: Недра, 1984. –
308 с.
12. Соколова,
И.А.
Технология
крупномасштабных
аэрофототопографических съемок / И.А. Соколова. – М.: Недра, 1973. – 189 с.
13. Гук, П.Д. Технология создания карт фототопографическими методами:
учеб. пособие / П.Д. Гук. – Новосибирск: НИИГАиК, 1990. – 69 с.
14. Мороз, В.А. Трансформирование снимков / В.А. Мороз, Л.И.
Яблонский. – М.: Недра, 1991. – 244 с.
15. Техника, технология и организация работ по обновлению
топографических карт на современном этапе. Обзор. информ. – М.:
ЦНИИГАиК, 1995.
16. Фототопография: учебник для военных курсантов. – М.: Министерство
обороны, 1981.
17. Чекалин, В.Ф. Ортотрансформирование фотоснимков / В.Ф. Чекалин. –
М.: Недра, 1986. – 168 с.
18. О введении системы координат СК-95 // Геодезия и картография. –
2002. – № 9. – С. 1–4.
19. Прудников, В.В. Совершенствование технологии крупномасштабного
картографирования застроенных территорий аэрофототопографическим
методом в масштабах 1 : 500, 1 : 1 000: дис. на соиск. учен. степ. канд. техн.
наук / В.В. Прудников. – Новосибирск, 1996. – 132 с.
20. Нехин, С.С. Современные технологии ЦНИИГАиК для создания и
обновления карт и пленов / С.С. Нехин // Геодезия и картография. – 2003. – № 11.
– С. 44–51.
21. Логинова, Е.М. Производственный опыт создания цифровых планов на
цифровой фотограмметрической станции: дис. на соиск. учен. степ. канд. техн.
наук / Е.М. Логинова.
Скачать