Фотограмметрия и дистанционное зондирование Подготовил: Содержание курса • • • • • • • • • • Ведение. Применение фотограмметрии и дистанционного зондирования местности для землеустройства и формирования земельного кадастра. Общие понятия о фотограмметрии и дистанционном зондировании. Геометрические основы фотограмметрии. Свойства аэрофотоснимков. Дешифрирование аэроснимков. Трансформирование аэроснимков Фотограмметрическая обработка аэроснимков. Планово-высотное обоснование аэроснимков. Применение электронной геодезической техники и спутниковые методы геодезических измерений. Методы цифровой фотограмметрии. Методы дистанционного зондирования местности. Введение 1. Применение фотограмметрии и дистанционного зондирования местности для землеустройства и формирования земельного кадастра. В различные периоды решаются следующие задачи: В период проектирования землеустройства: 1. Сбор исходной картографической информации для решения принципиального вопроса о размещении на местности объектов землеустройства; 2. Съемочные работы (мониторинг) в крупном масштабе для детального проектирования землеустройства и иных действий земельного права. В период выноса на местность землеустроительного проекта: 1. Вынос и закрепление на местности границ землепользования поселений (городской черты); 2. Контроль планового положений элементов проекта землеустройства. В период формирования и эксплуатации земельного кадастра: 1. Исполнительная съемка по межевым знакам, закрепляющим на местности границы землепользования (положение городской черты). Контроль правильности ее положения и выявления отступлений от проекта; 2. Формирование земельного кадастра территории. Юридическое оформление документов земельного права. 2. Общие понятия о фотограмметрии и дистанционном зондировании Фотограмметрия – научная дисциплина, изучающая способы определения формы, размеры и пространственное положение объектов земной поверхности по их фотографическим и иным изображениям в заданной системе координат. Фотограмметрия – греческий : PHOTOGRAMMETRIE: photos – свет; gramma – запись; metrio – измерение. Дословный перевод означает “измерение светозаписи”. Методом фотограмметрии изучаются изображения, полученные с помощью: 1. Аналоговых аэрофотоаппаратов (АФА); 2. Цифровых аэрофотоаппаратов (ЦАФА); 3. Лазерных сканеров (ЛС); Фотографирование (сканирование) осуществляется: c самолетов, вертолетов, аэростатов, а также с искусственных спутников Земли (ИСЗ) Общие понятия фотограмметрии Методы построения и преобразования аналоговых и цифровых изображений, основанные на использовании одиночного аэроснимка называют фотограмметрическими b c d a S dº aº cº bº A D C B Общие понятия о фотограмметрии L cL R оL aL cR оR aR Методы построения и преобразования аналоговых и цифровых изображений основанные на использовании пары аэроснимков B SL SR А О2 О1 Перекрытие изображений C называют стереофотограмметрическими Обратимость фотоизображения B b SR SL2 SL1 AR B C R R L2 L AL BL CL AL2 BL2 CL2 A2 B2 C2 A1 B1 C1 R Классификация видов съемочных работ для создания планов и карт Фототопографическая съемка Наземная Фототопографическая съемка Аэрофототопографическая съемка Стереофототопографический метод Дифференцированный способ Комбинированный метод Универсальный способ Понятие об аэрофотосъемке Аэрофотосъемка – процесс получения изображений местности с целью их преобразования в карту или план местности. Процесс включает: 1. Летно-съемочные работы: разработка полетного задания, проекта съемки и ее выполнение. 2. Полевые фотолабораторные работы (использование аналоговых АФА): фотохимическая обработка аэрофильма (негативов), изготовление (печать) аэрофотоснимков. 3. Полевые фотограмметрические работы: регистрация, приемка и оценка качества аналоговых снимков; формирование синтезированных (композитных) панхроматических и цветных изображений. Принцип аэрофотосъемки Маршрутн ая съемка а) P B б) Q Площадная съемка в) Съемка по криволинейном у маршруту Схема маршрутной аэросъемки (1) fk S1 S2 Вх1 S3 Вх2 Hф Р1 Р2 Направление полета Принцип аналоговой и цифровой аэрофотосъемки a) Плановая б) Перспективная S α ≤ 3° S α > 3° Характеристика аналоговых снимков Эмульсия 480 520 560 Голубой Зеленый Желтый 440 Синий 400 Фиолетовый Цвет 280-360 Ультрафиолетовый Длина волны, нм Глаз человека 600 640 680 720 Инфракрасный • • Красный • Зернистость – видимая прерывистость изображения в зависимости от размеров светочувствительных зерен; Разрешающая способность – максимальное число линий на снимке, раздельно изображенных на расстоянии одного миллиметра: эмульсии - Rэ = 0,25Δ – 0,33Δ. в сумме ; Контрастность – способность изображения передавать различия в яркости объектов; Цветопередача – цветовая чувствительность или избирательное поглощение цветовых излучений Оранжевый • 760 Датчики цифрового изображения Из физики (квантовой механики) известно, что в структуре атома любого элемента выделяют три зоны: • валентную зону, где размещаются электроны обладающие энергией и связанные с ядром атома; • зону проводимости, где размещаются свободные электроны (отрицательный заряд) и перемещающиеся в произвольном направлении под действием электрического поля; • запрещенную зону, которая свободна от электронов и является энергетическим барьером. Датчики цифрового изображения ПЗС-элемент – прибор с зарядовой связью Фотоны Микролинза Светофильтр Электрод Оксид кремния Канал n-типа Потенциальная яма Подложка p-типа Характеристики датчиков цифрового изображения • квантовая эффективность – отношение числа зарегистрированных носителей заряда к числу фотонов, попавших в светочувствительную область; • светочувствительность датчика ПЗС; • светочувствительность матрицы ПЗС – способность реагировать на оптическое излучение; • порог светочувствительности – минимальная величина регистрируемого светового сигнала; • диапазон динамический – способность потенциальной ямы удерживать заряд определенного значения или отношение максимального выходного сигнала к уровню собственного шума; • размер матрицы светочувствительных элементов в мегапикселах. Дистанционное зондирование или лазерное сканирование Аэрофотоаппарат АФА Результаты аэросъемочных работ Облако точек воздушного сканирования Аэроснимок Фрагмент цифрового топографического плана Дистанционное зондирование или лазерное сканирование Leica Geosystems Фильм. Земельный кадастр Часть 1: Основы; Часть 2: Как это работает; Часть 3: Примеры проектов. Свойства аэроснимков Схема центральной проекции АФА Картинная поверхность, P-негатив a′ b′ o′ c′ fk S с о (3) в а Картинная поверхность, Pпозитив H0 Поверхность Земли Предметная поверхность C O B A Свойства аэроснимков Основные точки центральной проекции в теории перспективы i S α P αc o o0 P0 c αc/2 n αc/2 90 - αc V O 90 - αc/2 C α N v0 J Свойства аэроснимков • • • • • • • • • • • • • • • P – картинная плоскость, в которой строится изображение объектов (плоскость аэроснимка); S – центр проекции (узловая точка объектива); v0 – главная точка основания картины; i – главная точка схода; v0 i – главная вертикаль; v0 V – проекция главной вертикали; J – главная точка схода предметной плоскости, точка пересечения линии картинного горизонта с плоскостью главного вертикала; So – главная оптическая ось съемочной камеры, проходящая через центр проекции перпендикулярно картинной плоскости (фокусное расстояние фотокамеры); o – главная точка картинной плоскости (аэроснимка), точка пересечения оптической оси с картинной плоскостью; O – проекция главной точки картинной плоскости (аэроснимка), точка пересечения оптической оси с предметной плоскостью; n – точка надира, точка пересечения картинной плоскости с отвесной линией опущенной из центра проекции; N – проекция точки надира, точка пересечения предметной плоскости с отвесной линией, опущенной из центра проекции (SN – высота фотографирования); αc – угол наклона картинной плоскости (продольный угол наклона снимка), угол отсчитываемый от оптической оси So до отвесной линии SN; c – точка нулевых искажений, точка пересечения главной вертикали с биссектрисой угла наклона картинной плоскости, отсчитываемого в точке S; C – проекция точки нулевых искажений на картинную плоскость (точка пересечения проекции главной вертикали с биссектрисой продольного угла наклона аэроснимка. Свойства аэроснимков Завиимости геометрических характеристик в теории перспективы • So = Soo = f • • • • • • on = f tg αc oi = f ctg αc SN = H ON = H tg αc SN = f/Cos αc iv0 = H/ Sin αc Расстояние от центра проекции S до главной точки схода i Расстояние от главной точки картины o до точки нулевых искажений с Расстояние от центра проекции S до точки схода предметной поверхности J Расстояние от точки нулевых искажений с до точки основания картины v0 Свойства аэроснимков Зависимость координат точек местности и координат точек снимка y xa ya o (4) x fk a S Y A Hф YA X O XA (5) Свойства аэроснимков Влияние рельефа на масштаб изображения a b c o S (6) HB HO HC HA А B C O PA PB PC PO (7) Влияние рельефа на масштаб изображения ax δh (8) ao o S fk A (9) HO h O AO r AX Δh Влияние продольного угла наклона на масштаб изображения а α o fk δα S о о′ а α Hф A O a φ r Направление полета α Элементы ориентирования снимков Направление полета Z Y Z XSЛ, YSЛ, HSЛ, αл, ωл, ηл XSП, YSП, HSП, αп, ωп, ηп SП B Z SЛ Y BХ BZ γв γг (12) XSЛ, YSЛ, HSЛ, αл, ωл, ηл, BY X ΔX, ΔY, ΔH, Δα, Δω, Δη, (13) где ΔX = Bx = B Cos γв Cos γг X ΔY = By = B Cos γв Sin γг ΔH = Bz = B Sin γв (14) Определение элементов ориентирования снимков (15) Стандартное расположение точек стереопары y L (16) y *3 *4 *1 *2 *5 *6 *3 x *1 *5 *4 *2 Δα = αЛ - αП R x (17) (18) *6 (19) 3. Дешифрирование аэроснимков 4. Фотограмметрическая обработка аэроснимков Схема бинокулярного зрения С J γС γ0 γА > γ 0 > γС рj = 0, А γА рА = J1а1 – J2а2, + S2 в S1 с1 J1 а1 + с2 а2 J2 рС = J1c1 – J2c2 Аэронивелирование (2) Траектория полета самолета Изобарическая поверхность S2 ΔH бH S1 H2 H1 Поверхность земли 2 h 1 А1 Уровень моря А2 Фотограмметрическая обработка аэроснимков Определение превышений B S1 fk o1 Направление полета S2 a1 a2 a0 o2 a0' H A Территория местности h O1 A2 A0 A1 O2 Т (20) Определение превышений по аэроснимкам (20) В = А0 О1 + А0О2 = (a0 o1 + a0'o2) = (хло – хпо) = P0 Р0 = хло – хпо = B A1A2 = A0A2 + A0A1 = (xла – хпа – хло + хпо) Ра = xла – хпа (21) Принцип измерения параллаксов и превышений Левый глаз ал вл вп В Sл L oл ал вл А ап Sп ап вп оп γA Правый глаз R γB В А-В - стереомодель Принцип измерения параллаксов и превышений Винт продольных параллаксов *а L ол -хап Y хал оп* b Винт совместного перемещения кареток вдоль оси Х. *а R оп *ол хоп Ра = хал – хaп х Р0 = х о л - х о п = b ΔР = Ра – Р0 Нивелирование по аэроснимкам №1 №2 №3 y y x №4 y x y x x Журнал нивелирования по аэроснимкам №№ ПП Пикет ПК + Отсчеты по винту параллаксов, мм Р1 Р2 Рср Разность паралла ксов Превышения Отметки ΔР = Pср(i) - Pср(ц), мм h, м А, м Стереопара: снимки №_____, ______; b = 61,0 мм; Н = 1156 м; Ац = 145.31 м. Центр правого снимка 61,1 60,8 60,95 0,0 1 ПК 0 62,3 62,4 62,35 +1,40 +25.9 2 ПК 1 62,7 62,9 62,8 +1,85 +34.0 3 ПК 2 62,5 62,8 62,65 +1,70 +31.3 Исходный Pср = (P1 + P2)/2 ΔР = Pср(i) - Pср(ц), Ai = Aц + h Трансформирование аэроснимков Трансформирование - преобразование центральной перспективной (α > 3°) проекции снимков в их плановое положение (α = 0°) • Способы nрансформирования: 1. Аналитический: по формулам при измерении координат и параллаксов на стереокомпараторе; 2. Фотомеханический: на приборах – фототрансформаторах с получением трансформированных снимков; 3. Оптико-графический: на приборах – фототрансформаторах с перерисовкой изображений в ручном режиме; 4. Дифференциальный: (фотомеханический) с учетом высоты рельефа; 5. Цифровой: комбинация аналитического и фотомеханического способов при использовании компьютерной техники. Трансформирование аэроснимков • Аналитическое трансформирование по формулам при измерении координат и параллаксов на стереокомпараторе: (22) Определение направляющих косинусов В формулах (22) коэффициенты α1, α2, α3, b1, b2, b3, c1, c2, c3 называют направляющими косинусами. Вычисляют по формулам: (23) где α, , η – угловые элементы ориентирования снимков. Устанавливают по формулам (15) – (19). Трансформирование аэроснимков 2. Фотомеханический: на приборах – фототрансформаторах с получением трансформированных снимков; 2.1. Оптическое условие трансформирования α c b d 2.2. Геометрическое условие трансформирования: Соответствие координат картинной и предметной плоскостей d0 b0 c0 α0 xa ≡ Xa0; ya ≡ Ya0 xb ≡ Xb0; yb ≡ Yb0 xc ≡ Xc0; yc ≡ Yc0 xd ≡ Xd0; yd ≡ Yd0 Трансформирование аэроснимков 3. Оптико-графический: на приборах – фототрансформаторах с перерисовкой изображений в ручном режиме; 4. Дифференциальный: (фотомеханический) с учетом высоты рельефа; 5. Цифровой: комбинация аналитического и фотомеханического способов при использовании компьютерной техники. 5. Планово-высотное обоснование или привязка аэроснимков Выбор на местности местоположения опознаков y Направление маршрутной съемки *3 *4 *1 *2 *5 *6 y *3 *4 x x *1 *2 *5 *6 Промежуточный маршрут y *3 *4 Заключительный маршрут *1 *2 *5 *6 x Конструкция опознаков Вид с самолета Вид в разрезе На снимке 0,2 мм На снимке 0,2 мм На снимке 0,2 мм 5 – 10 м На снимке 0,2 мм Скважина Обсадная труба, d 100-150 мм Труба d = 50–70 мм Материковый грунт Бетонный башмак Направление на север Теодолитные хода повышенной точности (полигонометрия) X D X 3 В βB dB1 β1 d3n d23 1 β3 d12 2 n dnC β2 А ΔXi = di*Cos βi ΔYi = di*Sin βi βn С β C Xi+1 = Xi + ΔXi Yi+1 = Yi + ΔYi Нивелирование опознаков hB1 ВА AB = AH 3 1 h12 h23 h3n 2 hnC n Ai+1 = Ai + hi СА AC = AK Направление на север А Триангуляция (трилатерация) или аналитические сети X X В dB1 βB2 β12 βB1 d dAB βA1 1 dA2 B2 β21 1 2 β22 β1 d13 β23 2 Для треугольника 1 3 β1 β3 d14 d12 βn 5 d4n 4 β4 βD 7 dnC β4 4 βn βC 6 β4 D dnD n βn β3 β4 3 d24 d3n βC d4C С Y Триангуляция (трилатерация) или аналитические сети Уравнивание углов в треугольниках Вычисление приращений координат Вычисление координат ΔXi = di*Cos βi Xi+1 = Xi + ΔXi ΔYi = di*Sin βi Yi+1 = Yi + ΔYi Уравнивание приращений координат Обратная засечка DXY γB γА С γD ВXY АXY Фототриангуляция №1 №2 y y *41 *31 *11 *21 *51 *61 *32 x y *42 *12 *22 *52 *62 №4 №3 *43 x y *33 x *23 *13 *63 *53 XSЛ, YSЛ, HSЛ, αл, ωл, ηл, ΔX, ΔY, ΔH, Δα, Δω, Δη, Y x (13) где Z X ΔX = Bx = B Cos γв Cos γг ΔY = By = B Cos γв Sin γг ΔH = Bz = B Sin γв (14) Фототриангуляция (15) (16) Δα = αЛ - αП (17) (18) (19) 6. Применение электронной геодезической техники и спутниковые методы геодезических измерений Привязка снимков электронным теодолитом Режим прямой геодезической задачи С di = Di Cos νi; αi+1 = αi + βправ – 180°; Xi+1 = Xi + di * Cos αi+1; Yi+1 = Yi + di * Sin αi+1; Hi+1 = Hi + Di*Sin νi + ii – li+1, С D В(x,y) αн А 2 βВ d23 dB1 d 12 1 β1 αк n β2 d3n dnC 3 βn β3 C(x,y) βC Привязка снимков электронным теодолитом 1. Угловая невязка:: fβ = αk - αCD , если , то “недопустимая угловая невязка”; если ,то βi = βi +(- fβ/n), αi+1 = αi + βi – 180°; 2. Линейная невязка: fx = Xk - XС, fy = Yk - YC , если fабс/∑d ≥ 0.0005, то “недопустимая линейная невязка” если fабс/∑d ≤ 0.0005, то Xi+1 = Xi + di * Cos αi + ; Yi+1 = Xi + di * Sin αi + 3. Высотная невязка: fH = Hk - HC ; если fH ≥ , то“недопустимая высотная невязка” если fH ≤ , то Hi+1 = Hi + Di*Sin νi + ii – li + ; Спутниковые методы привязки снимков 1. ГЛОНАСС – ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система; 2. NAVSTAR – GPS – NAVigation Sistem with Time And Rangiring – Global Positioning System (Навигационная система определения расстояний и времени – глобальная позиционирования система). Состоят из трех сегментов: космического, контроля и управления, сегмент пользователя Космический сегмент ГЛОНАСС – ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система 24 спутника на 3-х орбитальных плоскостях. Расстояние от поверхности Земли 20 180 км; От центра Земли 26 600 км Космический сегмент NAVSTAR – GPS – NAVigation Sistem with Time And Rangiring – Global Positioning System (Навигационная система определения расстояний и времени – глобальная позиционирования система). 21 рабочий и 3 запасных спутника на 6-и орбитальных плоскостях. Расстояние от поверхности Земли 20 180 км; От центра Земли 26 600 км 2 7 12 5 15 18 4 19 10 16 21 20 8 9 3 17 14 1 6 11 13 Сегмент контроля и управления • ГЛОНАСС – ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система • • • • • • • ЦУС - центр управления системой; ЦС – центральный синхронизатор; КС – контрольная станция; СКФ – система контроля фаз; КОС – квантово-оптическая станция; АКП – аппаратура контроля параметров; КСС – контрольная станция слежения. • NAVSTAR – GPS – NAVigation Sistem with Time And Rangiring – Global Positioning System Станции слежения; Главные станции контроля; Kwaiatein Наземные антены. • • • ПетропавловскКамчатский С.-Петербург Воркута Москва Енисейск Якутск Улан-Уде Уссурийск Kolorado Springs Hawait Ascencton Diego Garsia Сегмент контроля и управления Станция слежения Главная станция контроля Контроль траектории движения и часов спутника Прогноз эфемерид и ухода часов спутника, формирование навигационного сообщения Наземная передающая антена Передача навигационного сообщения на спутник Сегмент пользователя Структурная схема приемника 4 1. Антенна и предусилитель Кодовое разделение сигналов 5. Кварцевый генератор 8. Блок питания 6. 3. Частотное разделение сигналов Микропроцессор Сигнальный процессор Память 2 Дисплей и панель управления 7. Внешний накопитель информации Сегмент пользователя Структурная схема приемника 1. Антена с предусилителем; 2. Идентификатор сигралов и распределение частот по каналам; 3. Микропроцессор для управления работой приемника; 4. Расшифровка принятой информации, вычисление абсолютных координат и поправок в часы приемника, выполнение фазовых измерений; 5. Стабильный кварцевый генератор; 6. Дисплей и панель управления; 7. Блок памяти для записи и хранения информации; 8. Блок питания. Сегмент пользователя • Классификация приемников по кодировке сигнала: C/A код; C/A код + фазовые измерения на частоте L1; C/A код + фазовые измерения на частотах L1 и L2; C/A код + P-код + фазовые измерения на частотах L1 и L2; • Определение расстояний и координат приемника Псевдодальность равна D' = (TП – ТС) v ; Расстояние между спутником и приемником равно: D + δtv = (TП – ТС) v; ИЛИ Сегмент пользователя • Режимы наблюдений: • • • • • Статика; Быстрая статика; Кинематика; Кинематика “в полете”; Кинематика в реальном времени. • Преобразование координат: XR = Xr(1+μ) – Zrωy + Yr ωz + ΔX0; YR = Yr(1+μ) – Zrωx + Xr ωz + ΔY0; ZR = Zr(1+μ) – Yrωx + Xr ωy + ΔZ0; Лазерный сканер Leica ScanStation P20 Литература • • • • • • • Основная Назаров, А.С. Фотограмметрия: пособие для студентов вузов / А.С. Назаров. – 2-е изд., перераб. и доп. – Минск : ТетраСистемс, 2010. 400 с. Назаров, А.С. Фотограмметрия. Минск : ТетраСистемс, 2006. 330 с. Назаров, А.С. Средства получения цифровых снимков и методы их фотограмметрической обработки. Минск : ТетраСистемс, 2009. 99 с. Глухов, А.Т. Дороги, улицы и транспорт города: мониторинг, экология, землеустройство: учебное пособие // А.Т. Глухов, А.Н. Васильев, О.А. Гусева; ФГОУ ВПО “Саратовский ГТУ им. Ю.А. Гагарина”. – Саратов, 2015. – 320 с. Дополнительная Новаковский, Б.А. Фотограмметрия и дистанционные методы изучения Земли. М., МГУ, 1997. 204 с. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. ГКИНП (ГНТА)–02-036-02. — М.: ЦНИИГАиК, 2002. —49 с. Интернет- ресурс Михелев Д.Ш. Инженерная геодезия: учебник /Е.Б. Клюшин [и др.]; под ред. Д.Ш.Михелева, - 9-е изд. стер. – Электронные текстовые данные –М.: ИЦ «Академия», 2008.
