«А.Г Карманов ФОТОГРАММЕТРИЯ Санкт-Петербург 2012 1 Учебное пособие посвящено методам и способам обработки фотографических данных полученных посредством дистанционного зондирования, в том числе с использованием ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

А.Г Карманов

ФОТОГРАММЕТРИЯ

Санкт-Петербург

2012 1 Учебное пособие посвящено методам и способам обработки фотографических данных полученных посредством дистанционного зондирования, в том числе с использованием автоматизированных средств фотограмметрии, применением методов фотограмметрии для решения практических задач в рамках геоинформационных систем.

Учебное пособие рекомендовано для магистров направления подготовки 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», магистерская программа 210700.68.02 «Геоинформационные системы».

Целью освоения дисциплины является получение студентами знаний о наземной фотограмметрии, аэрофотограмметрии, космической фотограмметрии, видах и методах фотограмметрии, принципиальных схемах построения изображений в целях проведения исследований и решения прикладных задач картографии, оптических основах центрального проектирования, принципах наблюдения и измерения снимков, моделях объектов, видах и методах фототопографической съёмки, пространственной фототриангуляции, геометрическом анализе космической информации, принципиальных схемах построения изображений, связи между геодезическими и фотограмметрическими координатами, разрешающей способности снимка, влиянии атмосферной рефракции.

В результате изучения дисциплины студенты должны обладать рядом специализированных умений, в том числе выполнения камеральных работ, проведения первичного экспресс анализа полученных аэрофотоснимков, анализа и оценивания координаты точки объекта и её изображение на снимках, определения элементов ориентирования снимка по опорным точкам, определения координат ориентиров и целей, определения параметров динамических процессов, студенты должны уметь составлять фотосхемы и определять их точность, обрабатывать данные ДЗЗ с беспилотных летательных аппаратов.

Также изучение дисциплины предполагает получение студентами навыков владения методами исключения деформации модели и учётом систематических ошибок, способами трансформирования снимков, технологическими схемами методов комбинированного создания карт, методами и средствами обработки информации полученной по результатам дистанционного зондирования Земли с применением автоматизированных систем, формированием требований к производству аэрофотосъёмочных работ для изготовления ортофотопланов, топографических карт, а также задач воздушного мониторинга, методами расчета и инструментального контроля качества информации полученной по результатам дистанционного зондирования земли.

Дисциплина нацелена на формирование общекультурных компетенций ОК.СЛ.1 (способен совершенствовать и повышать свой интеллектуальный и общекультурный уровень, воспринимать и генерировать новые идеи), ОК.СЛ.2 (способен к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности), ОК.СЛ.4 (способен адаптироваться к новым ситуациям, переоценивать накопленный опыт, анализировать свои возможности), ОК.ОН.2 (способен применять современный инструментарий математического исследования, методы анализа и оптимизации процессов и систем), ОК.И.2 (способен использовать на практике умения и навыки в организации исследовательских и проектных работ, оформлять и представлять результаты исследований и защищать интеллектуальную собственность), профессиональных компетенций ПК.НИ.1 (готов использовать современные достижения науки и передовые информационные технологии, методы проведения теоретических и экспериментальных исследований в научно-исследовательских работах в области техники и технологии области телекоммуникаций), ПК.НИ. (способен самостоятельно выполнять экспериментальные исследования для решения научно-исследовательских и производственных задач с использованием современной аппаратуры и методов исследовании; способен участвовать в научных исследованиях в группе, ставить задачи исследования, выбирать методы экспериментальной работы), ПК.НИ.3 (способен разрабатывать и оптимизировать программы модельных и натурных экспериментальных исследований приборов и систем телекоммуникаций), ПК.НИ.4 (готов представлять результаты исследования в форме научнотехнических отчетов, рефератов, публикаций и публичных обсуждений;

интерпретировать и представлять результаты научных исследований, в том числе на иностранном языке; готов составлять практические рекомендации по использованию результатов научных исследований), ПК.ПК.1 (готов осваивать современные перспективные направления развития телекоммуникационных систем и сетей; способен реализовывать новые принципы построения телекоммуникационных систем различных типов, передачи и распределения информации в сетях связи), ПК.ПК.2 (способен к разработке моделей различных приборов и устройств систем телекоммуникаций и проверке их адекватности на практике; готов использовать пакеты прикладных программ анализа и синтеза телекоммуникационных систем и сетей), ПК.ПК.3 (готов осваивать принципы работы, технические характеристики и конструктивные особенности разрабатываемых и используемых сооружений, оборудования и средств связи; способен к проектированию, строительству, монтажу и эксплуатации технических средств телекоммуникации, направляющей среды передачи информации), профессиональных компетенций профиля подготовки ПК.НИ.ПП.1(способен разрабатывать и реализовывать эффективные алгоритмы обработки фотопланов, структурных моделей рельефов, моделировать геометрические сети и анализировать результаты дистанционного зондирования Земли), ПК.НИ.ПП.2(способен исследовать, разрабатывать, адаптировать и оптимизировать задачи на основе проведенного геоинформационного анализа), выпускника.

Раздел 1. «Основы фотограмметрии»

Общие сведения о фотограмметрии

Предмет фотограмметрии, ее содержание и задачи

Фототопография и фототопографические съемки

Прикладная фотограмметрия

История развития фотограмметрии

Оптические и геометрические основы фотограмметрии

Построение изображения в фотокамере

Характеристика фотографических объективов

Характеристика фотографических материалов

Принцип получения цифровых снимков

Центральная проекция снимка и ортогональная проекция плана............. Элементы центральной проекции и ее свойств

Получение снимков местности

Аналитические основы одиночного снимка

Системы координат точек местности и снимка

Элементы ориентирования снимка

Зависимость между пространственными и плоскими координатами точки снимка

Зависимость между координатами точки местности и снимка

Зависимость между координатами точки горизонтального и наклонного снимков

Масштаб снимка

Смещение точек и искажение направлений, вызванное наклоном снимка Смещение точек и направлений на снимке, вызванное рельефом местности

Определение элементов внешнего ориентирования снимка

Технические средства аэро и наземной фотосъемки

Летательные аппараты

Аэрофотоаппараты

Вспомогательное аэрофотосъёмочное оборудование.

Оборудование для фотографирования с земли

Раздел 2. Теория пары снимков

Теория пары снимков

Стереоскопическая пара снимков и элементы ее ориентирования............. Зависимость между координитами точки местности и координатами ее изображения на паре снимков

Элементы взаимного ориентирования пары снимков

Уравнение взаимного ориентирования пары снимков

Определение элементов взаимного ориентирования

Построение модели с преобразованием связок проектирующих лучей..... Внешнее ориентирование модели

Двойная обратная пространственная фотограмметрическая засечка......... Особенности теории наземной фотограмметрии

Основные виды наземной стереофотограмметрической съемки............. Стереоскопическое зрение, измерение снимков и модели

Основы стереоскопического зрения

Стереоскопический эффект, простейшие стереоприборы

Особенности измерения цифровых снимков

Средства измерений

Принципы измерений

Механизм корреляции изображений

Внутреннее ориентирование снимка в системе координат цифрового изображения

Технологии фототопографических съемок

Основные технологические схемы

Стереотопографический метод АФС

Технологические схемы

Летносъемочный процесс

Особенности цифрового трансформирования и составления фотоплана

Перспективное трансформирование

Составление фотоплана

Понятие о привязке снимков

Фототриангуляция

Основные понятия

Аналитическая маршрутная фототриангуляциа

Понятие о блочной фототриангуляции

Деформация модели и точность построения фотограмметрической сети

Понятие о топографическом дешифрировании снимков

Технологии, основанные на стереообработке фотоснимков

Классификация универсальных аналоговых стереоприборов................ Оптические универсальные аналоговые стереоприборы

Универсальные приборы механического типа

Составление планов на СПР

Ортофототрансформирование

оборудовании

Понятие об универсальных стереоприборах аналитического типа....... Понятие о топографическом дешифрировании снимков

Раздел 1. «Основы фотограмметрии»

Общие сведения о фотограмметрии Предмет фотограмметрии, ее содержание и задачи Фотограмметрия - наука, изучающая способы определения форм, размеров, пространственного положения и степени изменения во времени различных объектов, по результатам измерений их фотографических изображений.

Термин "фотограмметрия" происходит от греческих слов: photos – свет, gramma – запись, metreo – измерение. Следовательно, его дословный перевод - измерение светозаписи.

Предметы изучения фотограмметрии это геометрические и физические свойства снимков, способы их получения и использования для определения количественных и качественных характеристик сфотографированных объектов, а также приборы и программные продукты, применяемые в процессе обработки.

Характеристики объекта могут изучаться по его изображению на одиночном снимке или по паре перекрывающихся снимков, полученных из различных точек пространства.

Если при изучении объекта используются свойства одиночного снимка, то такой метод получения необходимой информации называют фотограмметрическим. Если же он изучается по паре перекрывающихся снимков, то метод называют стереофотограмметрическим.

В настоящее время в фотограмметрии выделяют три направления исследований. В первом изучаются и развиваются методы картографирования земной поверхности по снимкам. Второе связано с решением прикладных задач в различных областях науки и техники. В третьем развиваются технологии получения информации об объектах Земли, Луны и планет солнечной системы с помощью аппаратуры, установленной на космических летательных аппаратах. Задачи и методы последнего из указанных направлений существенно отличаются от первых двух, и далее детально не рассматриваются.

стереофотограмметрического методов являются:

- высокая точность результатов, так как снимки объектов получают прецизионными фотокамерами, а их обработку выполняют, как правило, строгими методами;

- высокая производительность, достигаемая благодаря тому, что измеряют не сами объекты, а их изображения. Это позволяет обеспечить автоматизацию процесса измерений и последующих вычислений;

- объективность и достоверность информации, возможность при необходимости повторения измерений;

- возможность получения в короткий срок информации о состоянии, как всего объекта, так и отдельных его частей;

- безопасность ведения работ, так как съемка объекта выполняется неконтактным (дистанционным) методом. Это имеет особое значение, когда объект недоступен или пребывание в его зоне опасно для здоровья человека.

- возможность изучения движущихся объектов и быстро протекающих процессов.

Наряду с отмеченными достоинствами рассматриваемые методы имеют и недостатки. К ним следует отнести зависимость фотографических съемок от метеоусловий и необходимость выполнения полевых геодезических работ с целью контроля всех технологических процессов. Поэтому только разумное их сочетание с другими методами получения информации может обеспечить решение поставленной задачи с минимальными затратами труда и средств.

Современная фотограмметрия как техническая наука тесно связана с науками физико-математического цикла, достижениями радиоэлектроники, вычислительной техники, приборостроения, фотографии. Она органически связана с геодезией, топографией и картографией.

На основе достижения физики и особенно оптики созданы современные объективы съемочных и обрабатывающих приборов.

Успехи в развитии электроники, радиоэлектроники, вычислительной техники и космической геодезии способствовали автоматизации процессов самолетовождения и управления полетами космических кораблей созданию сенсоров, для получения изображений в цифровом виде, а также приборов для определения положения снимков в момент фотографирования, автоматизации процессов обработки и хранения информации, которой обладают снимки.

Благодаря химии освоен выпуск черно-белых и цветных фотоматериалов. Математика широко применяется в разработке теории фотограмметрии при решении практических задач.

Методами, известными в астрономии и геодезии, снимки обеспечиваются опорными точками, необходимыми для создания съемочной сети с целью составления топографических карт и планов или решения прикладных задач.

При создании по фотоснимкам планов и карт и их оформлении используются достижениями картографии.

Фототопография и фототопографические съемки Фототопография решает задачу создания топографических карт и планов и построения цифровых моделей местности с использованием материалов фотосъемки. Она является разделом фотограмметрии. Комплекс процессов, выполняемых для создания по снимкам топографических карт и планов, называется фототопографической съемкой.

В зависимости от технических средств, применяемых для фотографирования местности, различают два вида фототопографической съемки: наземную фототопографическую, аэрофототопографическую, в горной местности их иногда комбинируют.

В наземной фототопографической съемке местность фотографируют фототеодолитом с точек земной поверхности. Её применяют, как правило, в высокогорной и горной, преимущественно открытой местности со сложными формами рельефа. На небольших участках она может быть применена как самостоятельный метод, а при картографировании значительных площадей – в сочетании с другими методами съемок. Ее, в частности, с успехом применяют при маркшейдерском обслуживании открытых горных работ.

Аэрофототопографическая съемка является основным видом при топографическом картировании в масштабах от 1: 100 000 до 1: 500.

Фотографирование местности в этом случае производится аэрофотоаппаратом, установленным на самолете, вертолете или другом носителе. Основными методами создания карт и планов в этом виде съемки являются комбинированный и стереотопографический.

В комбинированном методе используются свойства, как одиночного снимка, так и пары. Он предполагает получение контурной части карты в камеральных условиях (в результате составления фотопланов или средствами стереоизмерений), а рельефа - по данным полевых геодезических измерений.

Этот метод используется для съемки плоскоравнинных районов, когда рельеф местности плохо просматривается стереоскопически и не может быть достаточно точно отображен по снимкам.

Стереотопографический метод съемки является основным при картографировании местности. В нем используются свойства пары снимков, что позволяет в камеральных условиях получать не только контурную, но и высотную части карты. Этим методом создаются карты (планы) высокогорных, горных, холмистых, а иногда и равнинных районов.

Основными процессами аэрофототопографической съемки являются:

летносъемочный, топографо-геодезический и фотограмметрический.

фотографирование местности, регистрация показаний спецприборов, фиксирующих положение снимков в момент фотографирования, а также фотографическая обработка материалов съемки и изготовление фотоснимков (если снимки получены не цифровыми камерами).

В топографо-геодезический процесс следует включить определение геодезических координат точек местности, изобразившихся на снимках. Эти точки называют опознаками. Их число зависит от принятой технологии съемки и ее масштаба, от качества снимков и физико-географических условий района работ. В топографо-геодезический процесс входит и дешифрирование – опознавание объектов местности, изобразившихся на снимках и определение их характеристик. Различают полевое, камеральное и комбинированное дешифрирование. Чаще применяют комбинированное дешифрирование, когда в поле составляют снимки-эталоны с результатами опознавания наиболее характерных для данного района объектов. Они затем используются в камеральных условиях для дешифрирования остальных снимков.

Фотограмметрический процесс состоит в сгущении опорного обоснования снимков с использованием данных полевых геодезических работ и показаний спецприборов, составлении плана или карты, которые затем оформляют и размножают, цифровых моделей местности и фотопланов.

аэрофототопографической съемок местность фотографируется дважды:

фототеодолитом с наземных станций и аэрофотоаппаратом с летательного аппарата. По наземным снимкам сгущается опорная геодезическая сеть, а по аэроснимкам составляется топографическая карта. Этот вид фототопографической съемки требует наличия аппаратуры для производства наземной и воздушной фотосъемок и приборов для обработки наземных снимков и аэроснимков. На практике он применяется редко.

Прикладная фотограмметрия Фотограмметрия применяется главным образом для составления топографических карт и планов. Однако в настоящее время она находит все более широкое применение при решении различных прикладных задач. Для какой бы цели не применялась фотограмметрия, основные принципы ее остаются теми же самыми. Фотограмметрическое оборудование, используемое, прежде всего, в картографических целях, можно применить и в других областях науки и техники.

В процессе решения нетопографических задач часто достаточно иметь топографический план с фотопланом, или фотодокументы пониженной точности, цифровую модель участка местности, построенную по измерениям снимков или только измеренные по снимкам координаты точек изучаемого объекта.

В нашей стране фотограмметрические методы применяют:

- Для изысканий и проектирования различного рода линейных сооружений (автомобильных и железных дорог, трубопроводов, линий электропередачи и т.д.). В этих случаях обычно составляют изыскательские планы, которые могут иметь меньшую точность и условную систему координат, фотосхему полосы местности и профиль местности, построенный по измерениям снимков;

- В строительстве при определении качества строительства, повышении надежности и долговечности промышленных и гражданских сооружений и т.д.;

- В геологоразведочных работах. Аэро и космические снимки позволяют по данным дешифрирования более рационально подойти к выбору территорий, перспективных для поиска и разведке полезных ископаемых, наметить точки для бурения скважин и определить их координаты;

- В геофизике для получения координат и высот заданных точек местности и определения топографических поправок в измеренные значения силы тяжести;

- В архитектуре при производстве обмеров, составлении планов фасадов, изготовлении объемных моделей, съемке и воспроизведении архитектурных памятников, изучении и измерении архитектурных композиций, скульптур и т.д.

- В горном деле для съемки открытых горных разработок с составлением маркшейдерских планов карьеров, дражных участков, бульдозерных полигонов, складов готовой продукции и т.д.;

- В географических исследованиях (изучение ледников, селей, оползней - При картировании дна и получении глубин шельфа, изучении морского волнения, определении скорости и направления течения в открытом - В медицине и хирургии для диагностики и лечении заболеваний отдельных органов человека, а также для обнаружения в организме посторонних предметов и опухолей;

- В военном деле и т.д.

История развития фотограмметрии Начало научных основ теории определения формы, размеров и положения объектов по их перспективным изображениям было положено еще в эпоху Возрождения. Работами Альберти (1511 г.), Дюрера (1525 г.), Дезарга (1636 г.) были заложены предпосылки для развития теории перспективы, позволившие швейцарскому математику И. Ламберту опубликовать в 1759 г.

обобщающий труд «Свободная перспектива». Практическое применение перспективных рисунков, полученных камерой-обскурой, в топографии связано с именами М.А. Капеллера (1725 г.), М.В. Ломоносова (1764 г.), Ш.Ф. Ботан-Бопре (1791 г.).

Важнейшим событием в истории фотограмметрии явилось изобретение фотографии (Ж.Н. Ньепс, Ж.М. Даггер и У. Тальбот, 1839 г.) и стереофотографии (Дюбоск, 1844 г. и И.Ф. Александровский, 1852 г.). Первые теоретические и практические разработки по использованию фотографического изображения для составления топографических карт принадлежат французскому офицеру Э. Лосседа (1849-1868 гг.). Дальнейшие совершенствования фотограмметрии в конце XIX в. связано с именами А. Майденбауера, В. Иордана, С. Финстервальдера (Германия), П. Паганини (Италия), Е. Девиля (Канада), Н.Ф. Виллера, Р.Ю. Тиле, П.И. Щурова (Россия).

Большой вклад в разработку теории и практику фотограмметрических работ, создание приборов внесли русские инженеры. Первые опытные работы по фототопографической съемке выполнены в России в 1891 г.

Н.Ф. Виллером при изыскании Закавказской железной дороги. В 1897 г.

Р.Ю. Тиле и II.И. Щуров применили фототеодолитную съемку на изысканиях Забайкальской и Маньчжурской железных дорог. К этому времени относится публикация первых научных трудов по фотограмметрии С. Коппе (1889 г.), Е. Девиля (1895 г.), Г.Н. Шибуева и Н.Н. Веселовского (1899 г.).

Большое влияние на дальнейшее развитие фотограмметрии оказали трехтомный труд Р.Ю. Тиле "Фотография в современном развитии" (1908гг.) и первый учебник "Измерительная фотография и ее применение в воздухоплавании" (1907 г.), написанный В.Ф. Найденовым для слушателей Военно-инженерной академии. В учебнике были обобщены вопросы теоретической фотограмметрии и дано математическое обоснование способов графического трансформирования аэроснимков.

фотографирование с воздушных носителей (шаров, аэростатов и т.д.). Первые фотографии с аэростатов были получены в 1858 г французом Ф. Надаром. В России началу аэрофотосъемочных работ положили поручик А.М. Кованько, выполнивший в 1886 г с воздушного шара аэрофотосъемку устья реки Невы с высот 800,1200 и 1350 м, и полковник Н.А. Козлов, впервые в 1887 г выполнивший аэрофотосъемку на пленку.

Развитие авиации, точного приборостроения и оптики привело к дальнейшему совершенствованию методов фотограмметрии. Решающими в истории ее развития после изобретения фотографии явились открытие Штольцем в 1892 г. принципа измерительной марки, изобретение Е. Девиллом в 1895 г. стереоскопического прибора для составления карт по фотоснимкам и изобретение К. Пульфрихом в 1901 г. стереокомпаратора.

Стереоскопический принцип измерения стереопары устранил трудности связанные с отождествлением одинаковых точек на разных снимках и открыл новые возможности по совершенствованию их камеральной обработки.

В 1914 г. фирма К. Цейсса выпустила первый универсальный прибор, изобретенный в 1908 г. Э. Орелем (Австрия).

В России до 1917 г. фотограмметрия применялась в основном для военных целей. Создание отечественной фотограмметрической аппаратуры и приборов тормозилось из-за слабого развития оптико-механического производства.

Исключительно большое значение для развития геодезической науки и технического прогресса в России имел подписанный В.И. Лениным в 1919 г.

декрет "Об учреждении высшего геодезического управления" (ВГУ), позже реорганизованного в Главное управление геодезии и картографии (ГУГК).

ВГУ было образовано для изучения территории страны в топографическом отношении в целях поднятия и развития производительных сил, производства в общегосударственном масштабе геодезических работ и топографических съемок, создания и издания картографических материалов.

Аэрофототопографическая съемка была признана наиболее эффективным методом решения этой грандиозной задачи.

Первый этап (I9I8-I929 гг.) характеризуется организацией фототопографической службы, подготовкой кадров и разработкой новой технологии создания карт. В 1919 г. в системе Военно-топографической службы (ВТС) был создан первый аэрофототопографический отряд. В том же году открылась Высшая аэрофототопографическая школа Красного военновоздушного флота. В 1921 г. в Московском (бывшем Межевом) геодезическом институте открывается аэрофотогеодезическое отделение, преобразованное в последующем в факультет, чем и было положено начало подготовки инженерных и научных кадров в области фотограмметрии.

В 1925 г. общества «Добролет» и «Укрвоздухпуть» создали производственные подразделения для аэрофотосъемки. С этого момента началось бурное развитие фототопографической службы.

В ВТС страны под руководством Н.М. Алексапольского был разработан комбинированный метод аэрофототопографической съемки, который с учетом свойств одиночного снимка позволил путем трансформирования получить контурную часть плана – фотоплан. Рельеф изображался в виде горизонталей на фотоплане непосредственно в поле с помощью мензульной съемки.

За рубежом для дальнейшего совершенствования летносъемочных процессов и процессов создания по аэроснимкам планов и карт с 1918 г. до 1923 г. были построены специализированные самолеты, созданы аэрофотоаппараты полного автоматического действия, сконструированы и построены фототрансформаторы автоматического или полуавтоматического действия.

В 1922 г. фирмой К. Цейсса была создана первая модель стереопланиграфа, при помощи которого по снимкам, используя принцип стереоскопического зрения, стало возможным составление плана с горизонталями. Приборы такого типа названы универсальными стереофотограмметрическими приборами, а способ создания планов при стереофотограмметрической съемки.

Основные принципы взаимного ориентирования пары аэроснимков были введены в фотограмметрию С. Финстервальдером еще в 1899 г.

О. Грубер (Германия) предложил решить эту задачу с помощью оптикомеханических устройств. Её аналитическое решение, предложенное в 1928 г.

А.С. Скиридовым, получило развитие в трудах Н.Г. Келля, Г.П. Жукова, В. Романовского, М.Д. Коншина, Н.А. Урмаева, А.Н. Лобанова и др. и привело к разработке способов взаимного ориентирования снимков путем измерения поперечных параллаксов на приборах типа стереокомпаратор.

В 1928 г. в Москве создан Государственный институт геодезии.

аэрофотосъемки и картографии (ныне Центральный научноисследовательский институт геодезии, аэросъемки и картографии им.

Ф.Н. Красовского). Его ученые внесли существенный вклад в развитие топографо-геодезического и картографического производств.

Во втором периоде (1930 – 1945 гг.) проводятся работы по совершенствованию комбинированного способа съемки и разработки дифференцированного способа создания карт по снимкам. Универсальный способ из-за высокой стоимости стереопланиграфа и низкой производительности в то время для СССР был неприемлем.

В 1931 г. в Ленинграде под руководством академика А.Е. Ферсмана организуется научно-исследовательский институт аэросъемки, ученые которого успешно разрабатывали основные вопросы аэрофотографии, фотограмметрии и дешифрирования аэроснимков. В 1934 г. он переведен в Москву и вошел в состав ЦНИИГАиК.

Первыми весомыми результатами второго периода было создание М.М. Русиновым широкоугольного и сверхширокоугольного объективов, С.П. Шокиным и Г.Г. Гордоном – топографических аэрофотоаппаратов. В 1933 г. выпущен стереоавтограф Ф.В. Дробышева. В I934-I938 гг. им созданы стереометры, что послужило основой для широкого внедрения в производство и дальнейшего усовершенствования метода дифференцированных процессов. В теоретических исследованиях по совершенствованию отдельных процессов фототопографической съемки активно участвовали Н.М. Алексапольский, Ф.В. Дробышев, В.Ф. Дейнеко, Г.П. Жуков, М.Д. Коншин, Г.В. Романовский.

Для картографирования страны с 1937 г. начинают широко применяться методы аэрофототопографической съемки, а к 1939 г. в системе ГУГК они стали основными способами топографических съемок. Широкое применение получила съемка дифференцированным способом.

Успехи отечественной фотограмметрии позволили приступить к съемкам обширной территории страны в масштабах 1: 100000, 1: 50000 и 1: 25000. К началу Великой Отечественной войны сплошное картографирование территории страны в мелких и средних масштабах в основном было выполнено.

В годы войны продолжались теоретические исследования в области фотограмметрии. Н.А. Урмаев завершил и опубликовал работу по теории фотограмметрии в векторном исчислении, а М.Д. Коншин разработал основные теоретические положения по обработке снимков с преобразованием связок проектирующих лучей.

Во время второй мировой войны фактически все имеющиеся средства фотограмметрического картографирования были подчинены решению сложной задачи создания огромного количества карт и фотодокументов для удовлетворения нужд войны.

После Великой Отечественной войны перед геодезией была поставлена задача завершения картографирования страны в масштабе 1: 100 000 и перехода к сплошному картографированию в масштабе 1: 25 000, а для отдельных районов - к съемкам в более крупных масштабах. В связи с этим потребовалось дальнейшее усовершенствование приборов и методов съемки.

В 1950 г. на базе отечественной оптики был создан сверхширокоугольный многокамерный аэропроектор - мультиплекс (М.М. Русинов, Н.В. Викторов).

Наметившаяся тенденция применения приборов универсального типа тормозилась тем, что внедрение короткофокусных объективов нарушило допустимые соотношения между фокусными расстояниями съемочных камер и проектирующих камер универсальных приборов. Чтобы устранить эту проблему, была предложена методика обработки снимков с преобразованными связками проектирующих лучей. (М.Д. Коншин, Г.В. Романовский, Ф.В. Дробышев, А.Н. Лобанов, Г.П. Жуков, В.Я. Финковский и др.) На ее основе созданы отечественные универсальные приборы: стереопроектор Г.В. Романовского и стереограф Ф.В. Дробышева.

Конструкция этих приборов упростилась благодаря тому, что аэрофотоснимки в них располагались в одной горизонтальной плоскости. В отличие от зарубежных универсальных приборов они позволили обрабатывать аэрофотоснимки с любым полем изображения, могли быть установлены без специального фундамента, требовали меньшей рабочей площади и стоили намного дешевле зарубежных аналогов. Одновременно с созданием универсальных приборов в практику аэрофотосъемки были внедрены более надежные способы регистрации отдельных элементов внешнего ориентирования снимков (статоскопы, радиовысотомеры, гиростабилизирующие установки, радиогеодезические системы) и разработаны способы их использования в процессе построения и уравнивания сетей пространственной фототриангуляции (Г.В. Романовский, И.Д. Каргополов, В.И. Павлов и др.). Серьезное внимание уделялось развитию аналитических методов на основе применения высокоточных стереокомпараторов и ЭВМ (А.Н. Лобанов, М.Д. Коншин, И.Т. Антипов, Ф.Ф. Лысенко, В.Б. Дубиновский, Р.П. Овсянников, В.А. Полякова, И.И. Финаревский, С.Г. Могильный и др.). Разрабатывается технология крупномасштабных съемок (Н.А. Соколова, К.Н. Герценова и др.).

Совершенствуется аэросъемочная оптика (Д.С. Волосов, М.М. Русинов), создаются новые приборы для дифференциального трансформирования (Е.И. Колонтаров, Г.П. Жуков, Ф.В. Дробышев и др.). Появляются автоматизированные стереокомпараторы (М.Д. Коншин, В.Д. Дервиз, В.И. Кораблев и др.), многоцелевой аналитический автоматизированный прибор стереоанаграф (Г.А. Зотов, В.Е. Копылов, А. В. Сорока и др.) и системы для автоматизации процессов фотограмметрической обработки снимков (А.Н. Лобанов, И.Г. Журкин, А.А. Чигирев и др.).

Большой вклад в развитие теории и практики фотограмметрии внесли труды В.Я. Бобира, Г.Б. Гонина, И.Ф. Куштина, Б.К. Малявского, Р.П. Овсянникова, В. И. Пaвлoва, H.C. Pамм, Б.H. Poдиoнoва, M.C. Уpмаeвa, Ю.C. Тюфлина.

Активно велись исследования и по разработке методов прикладной фотограмметрии: в горном деле для решения маркшейдерских задач (Л.Н. Келль, С.В. Чистяков, А.П. Трунин, И.И. Финаревский, Г.В. Забродин, С.Г. Могильный, Л.В. Фомичев, А.В. Стрельников и др.); в геологии и геофизике для определения координат точек и определения топографических поправок в измеренные значения силы тяжести (В.М. Воевода, В.И. Павлов, А.Г. Прихода, Ю.А. Жилин, А.А. Чигирев и др.); в архитектуре при инвентаризации и восстановлении памятников истории и культуры; в промышленном и гражданском строительстве (М.И. Буров, А.С. Валуев, Д.П. Кораблев, Г.А. Лысков, В.М. Сердюков и др.); при изысканиях и проектировании трасс линейных сооружений (С.А. Бутлер, Б.К. Малявский, Э.Н. Норман, В.И. Павлов и др.); при определении глубин, изучении волнения, течений (В.Г. Зданович, И.А. Черкасов, Ю.Д. Шариков, Н.С. Рамм, Д.А. Янутш и др.); в сельском хозяйстве (В.Ф. Дейнеко, В.Д. Ильинский, И.В. Байков).

В последней четверти 20 века произошел качественный рывок в развитии злектронно-вычислительной техники. В 1970 году создана технологи получения цифровых снимков, появились довольно дешевые быстродействующие ПЭВМ с большим объемом памяти, обеспеченные качественным периферийным оборудованием (графопостроители, сканеры, принтеры и т.д.). Интенсивно разрабатывалось программное обеспечение, среди которого следует отметить и специализированные фотограмметрические пакеты. Все это привело к тому, что традиционные технологии составления карт по снимкам стали вытесняться, а на их смену приходят цифровые методы. Положительные результаты достигнуты и в нашей стране. Среди разработок следует отметить отечественные программные продукты PHOTOMOD, Талку и ЦФС.

Появились спутниковые методы позиционирования, что обеспечило аэронавигацию и получение координат точек фотографирования с высокой точностью. Это существенно сокращает объем полевых работ по геопривязке аэрофотоснимков.

Но успешное совершенствование фотограмметрических технологий возможно лишь на базе совместного использования материалов фотосъемки, спутниковой геодезии и автоматизированных систем обработки информации.

Оптические и геометрические основы фотограмметрии Построение изображения в фотокамере Для фотограмметрической съемки местности или исследуемых объектов применяются оптические системы – фотокамеры. Их очень часто называют метрическими камерами, так как по полученным с их помощью снимкам можно определять фотокоординаты изобразившихся на них точек (предусмотрена возможность введения системы прямоугольных координат в плоскости снимка). При этом искажение изображения на снимке сведено к минимуму. Обычные любительские фотоаппараты такими свойствами не обладают, так как для них главное - художественное качество полученных при фотографировании изображений.

Фотокамеры, используемые для фотографирования местности с летательного аппарата, называются аэрофотоаппаратами (или АФА) а, для фотографирования ее с точек земной поверхности - фототеодолитами.

Изображение в фотокамере строится на плоскости (пленке или пластинке со светочувствительным слоем, или ПЗС матрице) с помощью объектива, представляющего собой сложную оптическую систему собирательных и рассеивающих линз, центры кривизны сферических поверхностей которых расположены на одной прямой линии, называемой главной оптической осью.

Рассмотрим особенности построения изображения объекта идеальным объективом. Они основаны на следующих законах геометрической оптики:

- прямолинейности распространения световых лучей в однородной - независимости распространения отдельных световых лучей и пучков;

- обратимости лучей света;

- отражении и преломлении световых лучей на границе двух сред.

Законы геометрической оптики позволяют сложную оптическую систему идеального объектива заменить упрощенной моделью (линзой), сечение которой плоскостью, проходящей через главную оптическую ось, показано на рис. 1.

На нем: R1 и R2 – передняя и задняя поверхности объектива; S1 и S2 – его передняя и задняя узловые точки; F1 и F2 – передний и задний главные фокусы; H1 и H2 – главные плоскости объектива (они проходят через точки S и S2 перпендикулярно главной оптической оси).

Передняя узловая точка S1 относится к пространству предметов местности и является точкой фотографирования. Задняя узловая точка S относится к пространству изображения и является центром проекции.

Узловые точки обладают тем свойством, что любой луч, вошедший в переднюю узловую точку, выйдя из задней узловой точки, не меняет направления. Такие лучи называются центральными.

Главным фокусом объектива (линзы) называется точка схода лучей идущих от бесконечно удаленного предмета, параллельно главной оптической оси. Их два. Плоскости, проходящие через главные фокусы перпендикулярно к главной оптической оси, называются фокальными плоскостями.

Изображение любой точки, например, А, фотографируемого объекта местности строится следующим образом. Луч идущий параллельно главной оптической оси, преломляется на главной задней плоскости H2 и проходит через задний фокус F2. Луч, проходящий через передний фокус F1, после преломления на передней главной плоскости H1 пойдет параллельно оптической оси. В соответствии с законами геометрической оптики центральный луч AS входит в переднюю узловую точку S1 под углом к оптической оси и выходит из задней узловой точки S2 под тем же углом к ней.

В результате таких построений все три луча пересекутся в точке a на плоскости P1. При этом для точек A и a будет выполняться условие оптического сопряжения где d1 – расстояние от плоскости H2 до плоскости изображения P1;

d2 – расстояние от плоскости H1 до точки фотографируемого объекта;

f – фокусное расстояние объектива (рис. 1).

Говорят, что объектив, изображенный на рисунке строит действительное, уменьшенное и перевернутое (обратное) изображение рассматриваемого объекта.

Для точки расположенной ближе или дальше (т.е. d2 другое), условие (1) не выполняется, поэтому ее изображение в плоскости P1 будет воспринимает изображение как четкую точку.

При фотографировании в целях картографирования, когда расстояние d значительно меньше расстояния d2 (то есть можно считать, что d2 равно бесконечности) d1= f, все точки фотографируемого объекта достаточно резко изображаются на плоскости P2 (главной фокальной плоскости), которая расположена перпендикулярно оптической оси и проходит через главный задний фокус F2. По этой причине в АФА и фототеодолитах плоскость изображения P, как правило, располагается вблизи главного фокуса объектива F2 на расстоянии чуть меньше фокусного. Смещение плоскости P в сторону объектива необходимо с целью улучшения резкости изображения на краях поля изображения, но за счет некоторого ухудшения его в центре.

Величина этого смещения выражается долями миллиметра.

Плоскость P, в которой помещается светочувствительный материал (фотопленка или фотопластинка), называют плоскостью изображения.

Расстояние от задней узловой точки объектива S2 до плоскости изображения P называется фокусным расстоянием фотокамеры и обозначается буквой f.

Плоскость изображения P называют плоскостью снимка, а само изображение – снимком. Центральные лучи AS1 и BS1 принято называть проектирующими лучами, так как они проектируют точки объекта на снимок.

Поскольку расстояние между узловыми точками мало, можно считать, что они совпадают, и рассматривать одну точку S (рис. 2). Называют ее центром проекции. Таким образом, изображение на снимке строится проектирующими лучами, проходящими через общий центр проекции, поэтому можно считать, что изображение на снимке строится по законам сфотографированного объекта).

фотографируемого объекта образует две связки: переднюю (входящие лучи) с вершиной в передней узловой точке объектива и заднюю (выходящие лучи) с вершиной в задней узловой точке объектива. Так как в идеальном случае каждый выходящий центральный луч параллелен соответствующему входящему лучу, то обе связки можно считать совершенно одинаковыми (конгруэнтными).

Характеристика фотографических объективов.

Фотографические объективы характеризуются фокусным расстоянием, относительным отверстием, глубиной резкости, углами поля зрения и изображения, разрешающей способностью и аберрациями.

Понятие фокусного расстояния объектива дано выше. Его обычно определяют на специальном приборе, называемом оптической скамьей.

Относительное отверстие характеризует количество света, которое может проходить через объектив, или способность объектива передавать изображение на фотопленку или фотопластинку с определенной степенью яркости. Величина относительного отверстия зависит от диаметра d входного зрачка (действующего отверстия) объектива и его фокусного расстояния и находится из выражения Например, при и f=8 см относительное отверстие равно отношению 1:2.

Способность объектива давать изображение большей или меньшей яркости (т.е. создавать большую или меньшую освещенность светочувствительного слоя) называется светосилой. Светосила объектива прямо пропорциональна квадрату диаметра его отверстия и обратно пропорциональна квадрату фокусного расстояния.

При сравнении светосилы объективов необходимо сопоставлять не относительные отверстия, а их квадраты. Пусть первый объектив имеет То есть светосила первого объектив в четыре раза выше.

Следовательно, при фотографировании в одних и тех же условиях выдержка для первого объектива будет в 4 раза меньше, чем для второго.

Величина относительного отверстия объектива устанавливается с помощью диафрагмы. Диафрагма состоит из тонких серповидных металлических лепестков. При вращении специального кольца или рычажка, имеющегося на оправе объектива, лепестки уменьшают или увеличивают входное отверстие объектива. Указатель установки диафрагмы, нанесенный на кольце или рычажке, передвигается вдоль шкалы диафрагмы. Деления шкалы градуируются так, чтобы каждое из них требовало увеличения или уменьшения выдержки вдвое по сравнению с предыдущим, например 4, 5.6, 8, 11 и т.д.

Глубиной резкости (глубиной изображения) называется способность объектива передавать одинаково резко изображения предметов, находящихся на различных от него расстояниях. Глубина резкости тем больше, чем меньше фокусное расстояние, больше расстояние от объектива до снимаемого предмета и чем меньше относительное отверстие.

Если навести фотокамеру, в которой установлен объектив с малым фокусным расстоянием, например, 8-10 мм на удаленный предмет, то на матовом стекле получится изображение круга с различной резкостью и яркостью. В центральной части круга изображение имеет наибольшую резкость с равномерным распределением освещения. Далее резкость и яркость изображения уменьшается и на некотором расстоянии от центра круга совершенно исчезает. Полученное изображение называется полем зрения объектива. Угол, образованный лучами, соединяющими противоположные по диаметру точки окружности поля зрения и заднюю узловую точку объектива, носит название углол поля зрения (углол зрения).

Угол поля зрения зависит от конструкции объектива, а не от фокусного расстояния. Центральная, наиболее резкая часть изображения называется полем изображения, а угол 2 – углом поля изображения (углом изображения). Величина поля изображения определяет формат кадра фотокамеры и, соответственно, формат снимка, который не должен превышать прямоугольника, вписанного в поле изображения. У конструкций современных объективов поле изображения весьма близко к полю зрения.

Угол изображения связан с фокусным расстоянием и диагональю кадра соотношением:

где lx и ly – размеры сторон снимка, вписываемого в поле изображения.

В зависимости от величины угла изображения различают объективы узкоугольные (2 45), нормальноугольные (45 – 75), широкоугольные (75 – 100) и сверхширокоугольные (более 100).

Изменение освещенности в поле зрения при равномерном освещении объекта может быть приближенно охарактеризовано уравнением:

где Е0 - освещенность в центре поля зрения; - угол между направлением луча и главной оптической осью.

Снижение освещенности, как видно из уравнения (5), идет от центра к краям. В нормальноугольных объективах снижение освещенности мало заметно, в сверхширокоуголъных – оно значительно. Для получения равномерной освещенности перед объективом устанавливают оттенитель – нейтральный светофильтр с постепенно изменяющейся оптической плотностью, который пропускает меньше света в центре и больше к краям.

Разрешающая способность объектива характеризует его возможность воспроизводить раздельно в оптическом изображении мелкие объекты. Она выражается самым большим числом линий на 1 мм, раздельно передаваемых объективом, причём ширина линий и промежутки между ними должна быть одинаковы. В оптике указывается общее число черных и белых штрихов, а в аэрофотографии – число пар штрихов.

Обычно в паспортах, характеризующих объективы, записывают величину разрешающей способности, полученную путем фотографирования специальной миры, содержащей группы черных и белых штрихов, причем в каждой группе ширина тех и других линий постоянна. В этом случае светочувствительный слой), однако ее можно принять за разрешающую способность объектива, так как она в 3–4 раза меньше разрешающей светочувствительного материала.

Разрешающая способность оптической системы современных отечественных топографических аэрофотоаппаратов в центре кадра составляют 30 – 40 лин/мм (мм-1), на краю кадра – 10 – 15 мм-1. Разрешающая способность является важной характеристикой, однако, она недостаточна для полной оценки качества изображения. Для восприятия фотографического изображения большое значение имеет контраст объектов. Способности фотографической системы передавать контрасты объектов в зависимости от их размеров на снимке оценивается контрастно-частотными характеристиками (КЧХ). КЧХ фотографического изображения – функция, которая характеризует зависимость между частотой штрихов и контрастом их изображения. Для определения КЧХ обычно используют миры с синусоидальным распределением плотности и специальные оптические скамьи, позволяющие построить графики КЧХ системы для различных участков поля зрения. По графикам определяется разрешающая способность как предельное значение частоты, при которой еще различаются отдельные штрихи.

Каждому объективу присущи оптические недостатки: сферическая аберрация, кома, хроматическая аберрация, дисторсия, астигматизм, кривизна поля зрения.

Фотографические объективы в зависимости от того, в какой степени устранены в них различные искажения (аберрация), делятся на перископы, апланаты и анастигматы.

Перископ представляет собой объектив, составленный из двух простых линз с диафрагмой между ними. Он принадлежит к числу объективов с большими остаточными аберрациями. Для получения резкого изображения перископы требуют значительного диафрагмирования.

Апланат является более качественным объективом. Основным его недостатком является астигматизм и кривизна поля изображения, вследствие чего снимки при полном отверстии объектива получаются резкими только в центральной части.

Анастигмат является самым совершенным типом объективов, практически свободным от всех оптических недостатков. Он состоит из комбинации линз различных по форме и составу стекла и при полном отверстии дает изображение, резкое по всей площади снимка. Они и получили наиболее широкое применение.

Объективы, в которых дисторсия сведена к минимуму, называются ортоскопическими. Такие объективы правильно передают геометрические формы изображаемых ими предметов. Эти качества позволили использовать их в аэрофототопографических, наземных и репродукционных камерах.

Характеристика фотографических материалов.

Фотографические материалы (фотоматериалы) классифицируют:

- по назначению (аэрофотопленки, фототехнические пленки и др.);

- по цвету получаемого фотографического изображения (черно-белые, спектрозональные и цветные);

- по строению (фотопленки, фотопластинки, фотобумага).

Все фотоматериалы имеют подложку (основу) и светочувствительный или эмульсионный слой.

В аэрофотографии применяются подложки из прозрачных (триацетатных или лавсановых) пленок. При фототеодолитных съемках подложкой используемых фотоматериалов обычно служат тонкие стеклянные пластинки.

Светочувствительный слой фотографических материалов представляет собой тонкую прозрачную пленку, большей частью желатиновую, содержащую во взвешенном состоянии галоидные соли серебра (бромистые, йодистые и хлористые) в виде отдельных кристалликов-зерен. Под воздействием света серебро освобождается, что и приводит к почернению эмульсионного слоя, тем большему, чем интенсивнее оно было. С помощью органических красителей (сенсибилизаторов) регулируют спектральную чувствительность эмульсии.

В аэрофотосъемочных работах применяются фотопленки: черно-белая панхроматическая, изопанхроматическая и инфрахроматическая; цветные спектрозональные для условной цветопередачи (спектрозональные); цветные для натурального воспроизведения объектов местности. При фототеодолитной съемке применяют изоортохроматические или панхроматические пластинки.

Цветные и спектрозональные пленки отличаются от черно-белых строением эмульсии. У цветных пленок эмульсия состоит из трех светочувствительных слоев (рис 3): верхнего, несенсибилизированного, чувствительного только к синим лучам; среднего, обладающего наибольшей чувствительностью к зеленым лучам; нижнего, имеющего максимальную чувствительность к красной области спектра. Между первым и вторым слоями эмульсии размещен желтый фильтровой слой. Он необходим для исключения влияния синих лучей на нижние слои.

Рисунок. Схема построения цветной трехслойной пленки На обратной стороне основы нанесен противоореольный слой. Окраска его так же, как и фильтрового слоя, уничтожается при фотохимической обработке. В процессе обработки, кроме того, все эмульсионные слои окрашиваются в цвета, дополнительные к цветам лучей, действовавших на них. Следовательно, правильная цветопередача изображения может быть получена только при позитивной печати с цветного негатива на цветную фотобумагу или диапозитивную пленку.

Спектрозональная пленка в отличие от цветной содержит эмульсию, состоящую из двух слоев, как правило, инфрахроматического и панхроматического. Цветопередача на этой пленке искажена, но она позволяет получать многие детали изображения, теряющиеся на черно-белой и цветной аэропленках.

Для правильного использования фотографических материалов необходимо знать их фотографические характеристики:

светочувствительность, контрастность, фотографическую широту, вуаль, цветоточувствительность, разрешающую способность и др.

Определяются они по данным сенситометрических испытаний фотоматериала. Сенситометрия – раздел фотографической науки, посвященный учению об измерении фотографических свойств светочувствительных слоев. Сущность испытаний в том, что различным участкам фотоматериала, помещенного в прибор сенситометр, сообщаются различное закономерно изменяющееся количество света Н (свет пропускается через ступенчатый клин постепенно меняющейся оптической плотности). Затем экспонированный материал в определенных условиях проявляется, фиксируется, промывается и сушится. Такой негатив, состоящий из полей различной плотности, называется сенситограммой. (Например, 1/ прозрачность, 10 – непрозрачность, ее десятичный логарифм = 1, это плотность D).Далее на специальном приборе – денситометре измеряются оптические плотности D. Результаты измерений наносят на график, по оси абсцисс которого отложены логарифмы экспозиций, а по оси ординат – оптические плотности D. Графическое отображение зависимости D от называется характеристической кривой, типичный вид которой показан на рис. 4.

Различаются следующие участки характеристической кривой. Участок от точки а до точки б, на которой оптическая плотность остается постоянной, несмотря на увеличение экспозиции; это почернение, не зависящее от экспозиции, называется вуалью. Участок характеристической кривой от точки б до точки в называется областью недодержек. Минимальное почернение от точки б, едва отличимое от вуали и соответствующее низшей точке области недодержек, называется порогом почернения. Участок бв характеризуется тем, что равным приращениям логарифма экспозиций соответствует неравные между собой и притом постепенно возрастающие приращения оптической плотности. После этого участка следует область, где плотность возрастает равномерно, т.е. увеличению на определенную величину соответствует увеличение плотности на одну и ту же величину;

этот участок представляет прямую линию и называется областью правильных, или нормальных экспозиций. Далее скорость нарастания оптической плотности уменьшается и в точке делается равной нулю: этот участок кривой направлен выпуклостью вверх и называется областью передержек.

Точка соответствует максимальной оптической плотности, которая получается на данном фотоматериале при данных условиях проявления. При еще больших экспозициях получаются меньшие плотности, т.е. кривая идет вниз. Эта часть кривой называется областью соляризации.

светочувствительность, коэффициент контрастности и фотографическую широту. Величина вуали, которая также представляет важную характеристику, определяется посредством измерения неэкспонированного участка сенситограммы.

Светочувствительность S – величина, обратно пропорциональная экспозиции, вызывающей после фотообработки заданную оптическую плотность D.

Контрастность – способность эмульсии пленки передавать различие в яркости отдельных частей снимаемых объектов: характеризуется коэффициентом контрастности. Он определяется тангенсом угла наклона между направлением прямолинейного участка характеристической кривой и осью абсцисс:

Коэффициент зависит и от времени проявления. Наибольшая величина, достигаемая при данных условиях проявления, называется максимальным При съемке контрастных объектов используют мягкие фотоматериалы, для сверхконтрастных объектов – нормальные, а для малоконтрастных – контрастные и особоконтрастные.

Фотографическая широта L фотопленки есть разность десятичных логарифмов экспозиций начала и конца прямолинейного участка характеристической кривой т.е.

Она определяет диапазон количества света, под воздействием которого получается нормальный негатив.

Величина вуали характеризует степень почернения фотоматериала, не подвергавшегося действию света. Для фотопленок она должна находиться в пределах 0,2–0,3. Цветочувствительность (спектральная чувствительность) фотопленки – чувствительность эмульсии к определенным участкам спектра и ее способность передавать цвета снимаемых объектов с различной степенью почернения.

Разрешающая способность R - число раздельно фотографически воспроизводимых на отрезке в 1 мм черно-белых штрихов равной ширины.

Параметр R не полностью характеризует возможность получения фотографического изображения малоразмерных объектов различной яркости, но пока еще является общепринятым критерием для оценки фотографических приемников в этом отношении.

Принцип получения цифровых снимков В настоящее время цифровые изображения (снимки) в основном получают либо при фотографировании объектов цифровыми камерами, либо путем сканирования их фотографических изображений.

И в том и в другом случаях изображение, сформированное посредством объектива, (Рис 5) попадает не на пленку, а на светочувствительный сенсор (матрицу). Свет улавливается множеством крошечных элементов сенсора (пикселов), каждый их которых формирует электрический заряд, в соответствии с количеством попавшего на него света, а затем заряд преобразуется в код и запоминается в цифровой форме. Pixel от англ. picture element - элемент изображения.

В производстве сенсоров применяются две технологии: ПЗС (прибор с зарядовой связью, английский вариант названия - ССD — charge-coupled device) и КМОП (комплиментарный металлоксидный полупроводниковый прибор, английский вариант - CMOS). Первая технология старше второй, а потому и сенсоры ПЗС лучше.

ПЗС это монолитный чип представляющий собой совокупность мельчайших датчиков-фотоэлементов, тем или иным способом собранных в единую матрицу.

Появление ПЗС в какой то степени связано с попыткой в начале 60-х годов прошлого века заменить вакуумную передающую трубку твердотельным приемником изображения. Принцип зарядовой связи продемонстрировали экспериментально в 1970 году сотрудники фирмы Bell Laboratories У. Бойл и Дж.Смит, а уже в середине 70-х появились первые коммерческие матрицы производства фирм Fairchild, Bell и RCA в США, а также Phillips в Европе, совместимые с ТВ стандартом (т.е. имеющие разрешение по вертикали 476 и 576 строк – соответственно для американского и европейского стандартов разложения). Ну а вскоре в Японии было налажено массовое производство недорогих ПЗС приемлемого качества для бытовой электроники, и на смену кинокамерам пришли видеокамеры.

Революционное воздействие оказали ПЗС на астрономию, где их появление по степени влияния сравнимо разве что с тем, которое оказало применение фотопластинок в качестве средств регистрации вместо человеческого глаза.

Ну и, наконец, микроскопия в медицине и биологии, компьютерное зрение и видеоконференции, системы ориентации космических аппаратов и считыватели штрих-кода, телефакс и сканер…- все это стало возможным и доступны благодаря ПЗС.

Для того, чтобы понять, как ПЗС работает, представим себе МОП (металл – окисел – полупроводник) конденсатор. В принципе это просто электрод, отделенный от кремния (полупроводника) слоем диэлектрика. Для определенности будем полагать, что полупроводник p – типа, то есть концентрация дырок в нем в равновесных условиях на несколько порядков больше, чем концентрация электронов. Если на такой электрод (его называют затвором) подать положительный потенциал, электрическое поле, проникая через диэлектрик, отталкивает подвижные дырки и возникает обедненная область – некоторый слой кремния, свободный от основных носителей. При параметрах полупроводниковых подложек, типичных для ПЗС, глубина этой области составляет около 5 мкм. Напротив, электроны, если они каким либо образом окажутся вблизи (например, в результате фотогенерации), притянутся к затвору, и будут накапливаться на границе раздела - окиселкремний непосредственно под затвором, то есть сваливаться в яму, которая совершенно официально называется потенциальной ямой (рис. 6 а).

Электроны частично нейтрализуют электрическое поле, задаваемое в полупроводнике затвором, и возникающий в потенциальной яме заряд будет равен количеству света а Рис 6 а – образование потенциальной ямы; б – перетекание заряда; в – простейший трехфазный ПЗС - регистр попавшего на датчик.

Пусть теперь рядом с затвором расположен еще один, и на него тоже подан положительный потенциал, причем больший, чем на первый (рис. 6 б).

Когда затворы расположены достаточно близко, их потенциальные ямы объединяются, и электроны, находящиеся в первой потенциальной яме, перемещаются в соседнюю, т.к. ее потенциал выше. Если имеется цепочка затворов, то можно, подавая на них соответствующие управляющие напряжения, передавать локализованный зарядовый пакет вдоль такой структуры. Важно то, что для управления цепочкой затворов любой длины достаточно трех тактовых шин (рис 6 в). Действительно, для передачи зарядовых пакетов необходимо и достаточно трех электродов: одного передающего (где сформировался заряд), одного принимающего и одного изолирующего, разделяющего пары передающих и принимающих друг от друга. Одноименные электроды таких троек могут быть соединены друг с другом в единую тактовую шину, требующую лишь одного внешнего вывода.

Это простейший трехфазный регистр сдвига на ПЗС. Для нормальной его работы в каждый момент времени, по крайней мере, на одной тактовой шине должен присутствовать высокий потенциал, и, по крайней мере, на одной – низкий (потенциал барьера). При повышении потенциала на одной шине и понижении его на шине предыдущей происходит одновременная передача всех зарядовых пакетов под соседние затворы. А за полный цикл (один такт на каждой фазовой шине) происходит сдвиг зарядовых пакетов на один элемент регистра. Такое свойство ПЗС называют самосканированием.

Для локализации зарядовых пакетов в поперечном направлении формируются так называемые стоп каналы – узкие полоски с повышенной концентрацией основной легирующей примеси, идущие вдоль канала переноса (Рис 3). Повышенная концентрация дырок препятствует возникновению потенциальных ям в каналах переноса (чем их больше, тем труднее их отогнать, и электроны там не накапливаются). Для улучшения работы (а неприятности могут возникать из-за нарушения однородности кристаллической решетки подложки) в 1972 году были предложены ПЗС со скрытым каналом. От рассмотренного варианта последний отличается тем, что в поверхностной области кремния создаемся тонкий (не более 0.5 мкм) слой с проводимостью противоположного подложке типа и с такой концентрацией примеси, чтобы он мог полностью обедняться при подаче на него напряжения.

Рис 7. Вид на регистр “сверху” Первые матрицы были с электродами, которые формировались из металла (молибдена), но была большая вероятность замыкания металлических фаз друг на друга (а значит потеря работоспособности матрицы). В 1974 году были предложены электроды из поликристаллического кремния.

Достоинства ПЗС: жесткий растр, который задается с высокой точностью в процессе изготовления, так что геометрические качества изображения зависят только от качества оптики.

Одной из важнейших характеристик светочувствительного сенсора является его физический размер. Размеры сенсора определяются длиной его диагонали, и измеряются в дюймах. Стандартный ряд типоразмеров светочувствительных матриц - 1/3, 1/2, 2/3 дюйма, есть и больше, например 5/3. При одинаковом разрешении (количестве ячеек) матрица большего размера лучше, чем матрица меньшего размера. Она способна воспринять больше ступеней перепадов яркости между абсолютно-белым и абсолютночерным цветами. Количество этих градаций называется динамическим диапазоном и определяется числами диафрагм: 2, 2.8, 4 и т.д.

Динамический диапазон ПЗС является очень важной характеристикой качества изображения и соответствует понятию фотографической широты пленки.

Другой важный параметр сенсора - его светочувствительность, Она тоже зависит от физического размера сенсора, точнее, от размера ячейки.

Обычная светочувствительность эквивалентна 80-200 ISO. Есть модели с очень высокой чувствительностью для специальных съемок. Но чаще всего высокая чувствительность означает низкое разрешение (и более низкое качество снимков с высоким разрешением). Некоторые камеры могут менять чувствительность (автоматически или вручную от 100 до 400, иногда ISO). Увеличение чувствительности происходит на стадии обработки информации с матрицы путем усиления сигнала. Одновременно с полезным сигналом усиливаются и шумы, так что злоупотреблять этим нельзя. В профессиональных матрицах размер ячейки достигает 13 мкм (правильней квадрат со стороной в 13 мкм), что обеспечивает светочувствительность до 1600 единиц ISO.

Но наиболее важный параметр, это разрешение цифровой камеры. Оно определяется количеством светочувствительных ячеек, расположенных на матрице. Стандартный ряд начинается с 350 тыс. пикселов, что соответствует экранному изображению стандарта VGA — 640x480 пикселов. Фотография хорошего качества (без пробелов, заметных цветных точек, яркая и четкая), снятая с разрешением 350 тыс. пикселов, при печати на струйном принтере получится чуть больше почтовой марки. Сенсор с разрешением 1 млн пикселов позволяет получить отпечаток размером 9x12 см и экранное представление больше, чем XGA - 1024x768 пикселов. Отпечатки еще большего формата - 10x15 см (самый популярный потребительский формат) получатся при разрешении светочувствительной матрицы в 1,3 млн пикселов.

Матрицы разрешением в 2,1 млн пикселов и более позволяют получать распечатки фотографий большого формата при умеренном динамическом диапазоне и невысокой чувствительности цифровой камеры. Камеры с матрицами разрешением в 4 млн пикселов и более позволяют печатать фотографии выставочного формата, но с предварительной обработкой в графическом редакторе. Рост разрешения, естественно, приводит к увеличению размера графического файла.

Еще одна немаловажная характеристика светочувствительных матриц соотношение уровней сигнала и шумов. Это соотношение тесно связано с динамическим диапазоном сенсора. Обычно матрицы с низким динамическим диапазоном имеют высокий уровень шумов (около 10 - I5 дБ).

Уровень шума возрастает при увеличении чувствительности сенсора. На практике шумы проявляются в виде различных цветовых искажений и высокой зернистости изображения. Изображение становится структурным (словно создано из отдельных песчинок), на линиях цветовых переходов образуются ореолы - так называемые «факелы».

Производство сенсоров крайне трудоемкая и технологически сложная задача. Выпускают их ограниченное число компаний, а выход годной продукции не превышает 2%. Отсюда и стоимость цифровых фотоаппаратов.

Даже прошедший заводскую отбраковку сенсор имеет «мертвые»

участки. То есть некоторые из элементов не работают изначально (слишком малы их размеры, слишком велики технологические допуски при массовом производстве). Поскольку пороки эти микроскопичны, достаточно восполнить недостаток информации с «мертвого» светочувствительного элемента усредненным значением яркости засветки сенсора, полученным с соседних, работающих участков. Эта операция называется коррекцией.

Интерполяция работает так же, но служит не для коррекции изображения, полученного при помощи сенсора, а для программного увеличения его разрешения. К примеру, сенсор с разрешением в 1,3 млн пикселов можно заставить выдать изображение с разрешением в 2 млн пикселов, добавив к истинным точкам дополнительные, построенные по алгоритму усредненных значений. Ясно, что коррекция и интерполяция способствуют снижению качества изображения, которое становится «размытым».

Простой замер интенсивности света, попавшего на ПЗС-матрицу, может породить только черно-белое изображение, поэтому перед ней помещают цветные фильтры.

Самой популярной технологией получения цветного изображения является однокадровая с одной матрицей, состоящая из триад (Рис.4 слева).

Перед каждым элементом триады устанавливается микроскопический светофильтр одного из базовых цветов (красный, зеленый, синий). Их сочетание дает полный спектр. Но существуют еще три технологии, применяемые гораздо реже:

Схема задней развертки изображения. Она похожа на принципиальную схему планшетного сканера. Сканирующая головка движется вдоль короткой стороны кадрового окна (сверху вниз) и считывает информацию построчно.

Сканирующая линейка состоит из трех рядов светочувствительных элементов, каждый из которых закрыт светофильтром одного из базовых цветов (красный, зеленый, голубой). Поскольку сканирование идет построчно (один ряд пикселов за каждый шаг), выдержка становится недопустимо длинной. Подобные фотоаппараты применяются только для специальной съемки в стационарных условиях.

Быстрее работают трехкадровые фотоаппараты. В них экспозиция одного кадра производится трижды - через светофильтр базового цвета поочередно. В результате цветопередача получается максимального качества, но быстродействие системы не позволяет снимать движущиеся объекты.

Трехкадровые фотоаппараты применяют для съемки архитектуры и репродукций.

Альтернативой быстродействующим системам с одной матрицей ПЗС можно считать только фотоаппараты с тремя матрицами (Рис 8 справа), каждая из которых фиксирует изображение за своим светофильтром одного из базовых цветов. Специальная оптическая система (дихроичная призма) расщепляет сфокусированный объективом световой луч и направляет его на все три матрицы. Светофильтры, установленные перед каждой матрицей, пропускают только свою часть цветовой характеристики. После этого с помощью трех сенсоров картинка передается в электронный логический блок камеры, где становится одной фотографией, записанной во флэш-память в виде графического файла. В фотоаппаратах такую схему применяла только фирма Minolta (в дорогих профессиональных фотоаппаратах эта схема встречается чаще). Трехэлементный сенсор усложняет оптическую систему камеры и увеличивает ее габариты.

Применение сразу трех матриц позволяет получить очень высокое качество изображения. Но и втрое повышает стоимость фотоаппарата. Три матрицы устанавливаются в сменные крышки широкоформатных фотоаппаратов, которые стоят десятки тысяч долларов и предназначены исключительно для профессиональной цифровой фотосъемки. В литературе правда отмечается, невысокое разрешение (обычно 350 тыс. пикселов) подобной схемы цветопередачи.

Важной характеристикой матрицы ПЗС является метод считывания состояния ее ячеек. Существуют три типа сенсоров - с построчным, покадровым и построчно-кадровым переносом зарядов, накопленных ячейками матрицы при их засветке. Этот показатель отражает быстродействие сенсора. Значения, собранные по всей площади сенсора, выстраиваются с высокой точностью, создавая своеобразную «карту», на которой четко определено физическое расположение всех цветов и их интенсивность. В результате и получается цифровое изображение, которое записывается в виде цифрового файла. Такой файл состоит из множества единиц информации (битов), которые затем могут быть расшифрованы и прочитаны другим цифровым устройством, например, компьютером или принтером.

Каждый пиксел несет в себе информацию о цвете. Количество получаемых цветовых оттенков определяется способностью цифровой камеры (точнее, ее аналого-цифрового преобразователя) распознать и зафиксировать количество градаций каждого из базовых цветов. 8-битное кодирование цветового канала способно передать 256 оттенков цвета. При сложении базовых составляющих цвета получится, что при 8-битном кодировании каждого канала общая разрядность цвета составит 24 бита. При этом аналого-цифровой преобразователь способен оцифровать изображение с общим количеством цветовых оттенков 256x256x256=16 777 216. Еще большее количество цветов получается при 10- и 12-битном кодировании на каждый цветовой канал, что, в общем, дает 30-или 36-битную разрядность цвета — это прерогатива профессиональной съемочной техники.

Как отмечалось, с ростом разрядности цвета растет и размер графического файла, в котором хранится снимок. С ростом разрешения его размер растет еще больше.

Чтобы снимок, полученный цифровым способом, мог хотя бы приблизиться по качеству к снимку с пленочного негатива, каждый элемент сенсора должен иметь размер, который был бы сравним с частицей галогенида серебра пленочной эмульсии. Речь идет об элементе величиной с десяток микрон. Если учесть, что каждый светочувствительный элемент (пиксел) это сочетание трех более мелких субэлементов, снабженных индивидуальным светофильтром (красным, зеленым или голубым), то становится ясно, какая это сложная задача. На практике даже очень качественный и большой по физическим размерам сенсор обладает худшей разрешающей способностью, чем самая крупнозернистая фотопленка.

Именно поэтому в цифровых камерах используются сложные механизмы программной коррекции и интерполяции изображения.

Центральная проекция снимка и ортогональная проекция Пусть А, В, С и D (рис. 9) точки местности, а S – центр проекции. Тогда точки пересечения а, в, с, d плоскости Р с проектирующими лучами AS, BS, CS и DS есть центральные проекции соответствующих точек местности.

Такую же центральную проекцию можно построить и в том случае, если плоскость проекции Р провести по другую сторону от центра проектирования и на том же расстоянии от него. Действительно, если это сделать, то получим точки а, в, с и d, причем согласно условию, изображение точек местности, а Р – позитивное (прямое). То есть, позитив получается, когда объект и плоскость проекции помещены по одну сторону от центра проектирования, а негатив, если они расположены по разные стороны от него. Поскольку негатив и позитив располагаются симметрично относительно центра проекции, то они одинаковы (конгруэнтны). Отметим, что изображение объекта на плоскости снимка, полученное в центральной проекции, называется перспективным изображением. Если центр проектирования перенести на бесконечно большое расстояние относительно местности, то проектирующие лучи будут взаимно параллельны. Их пересечение с перпендикулярной к ним плоскостью дает ортогональную проекцию точек местности. В топографии такая проекция (при условии, что проектирующие лучи отвесны) называется горизонтальной.

Отличие между ортогональной (горизонтальной) и центральной проекциями видно на рис. 10. Точки местности A, B, C и D изображаются на плоскости Р в центральной проекции в точках a, b, c, d, а в ортогональной проекции – в точках ao, bo, co, do. При перемещении плоскости проекции в положение Р" взаимное положение точек ao, bo, co, построенных в ортогональной проекции, не нарушится. В то же время точки a, b, c, построенные в центральной проекции, свое взаимное положение изменят.

Понятно, что для составления плана участка местности по его изображению на снимке необходимо перспективное изображение преобразовать в ортогональное. Но переносом центра проектирования в бесконечность такое преобразование практически не осуществить. Поэтому необходимо найти косвенные пути решения задачи.

Элементы центральной проекции и ее свойств Рис. 11. Элементы центральной проекции Представление о элементах центральной проекции дает рис. 11, на котором изображены:

Плоскость Т, в которой располагаются проектируемые точки местности, называется плоскостью основания (плоскостью предмета).

Плоскость Р, куда проектируются эти точки, называется плоскостью изображения (картины) или плоскостью снимка. Предполагается, что плоскости Т и Р бесконечны и ограничение их линиями является условным.

- Двухгранный угол между плоскостями снимка и основания – это угол наклона снимка. Он произволен, но если равен нулю, то снимок считается горизонтальным.

- S – центр проекции.

- Проектирующий луч Sо, перпендикулярный к плоскости снимка, называется главным лучом. Он должен совпадать с главной оптической осью фотокамеры, но в точности это не выполняется.

- Точка о пересечения главного луча с плоскостью снимка называется главной точкой, а расстояние Sо - его фокусным расстоянием f. Оно должно быть равно фокусному расстоянию фотокамеры.

- Точка n пересечения отвесного проектирующего луча, с плоскостью снимка называется точкой надира. Она является изображением точки N местности, которая в момент фотографирования находилась на одной отвесной линии (на линии перпендикулярной основанию) с передней узловой точкой объектива фотокамеры.

- Вертикальная плоскость W, проходящая через точки S, о, n называется плоскостью главного вертикала.

- След vv плоскости W на снимке это его главная вертикаль, а след VV плоскости W на основании называется линией направления съемки.

- Горизонтальный проектирующий луч SI, лежащий в плоскости главного вертикала W, пересекает плоскость снимка в главной точке схода I.

- Точка с пересечения биссектрисы угла Sоn () с плоскостью снимка называется точкой нулевых искажений. Она обладает важными свойствами, которые будут рассмотрены при изучении геометрической характеристики наклонного снимка. Точки I, o, c и n снимка располагаются на его главной вертикали.

- Линии hh, лежащие в плоскости P и перпендикулярные к главной вертикали, есть горизонтали снимка. Причем, htht – линия основания. Это линия пересечения плоскости снимка с плоскостью основания; hchc линия неискаженного масштаба – горизонталь, проходящая через точку нулевых искажений c; hoho – главная горизонталь, она проходит через главную точку снимка о; hihi – линия действительного (истинного) горизонта – линия пересечения снимка и горизонтальной плоскости (плоскости действительного горизонта), проходящей через центр проекции S.

Из анализа рис.11 следует справедливость следующих соотношений:

Свойства центральной проекции 1. Перспективным изображением любой точка местности, например, А, является точка а и притом единственная (рис. 12). Любой точке снимка, например, а соответствует бесчисленное множество точек местности A, Перспективным изображением любой прямой пространства, например ВC, не проходящей через центр проекции, является прямая bc, и притом единственная. Но она изобразилась бы точкой, если бы располагалась на проектирующем луче, например прямая DK и точка d (или k). Любому отрезку на снимке, например bc, соответствует бесчисленное число отрезков местности BC, B1C1 и т.д.

2. Изображения любой системы взаимно параллельных прямых пространства, например AB CD и т.д., сходятся на снимке в одной точке i, которая называется точкой схода. Для того, чтобы ее получить необходимо из центра проекции провести проектирующий луч параллельно системе прямых пространства. Там, где он пересечет плоскость снимка и находится точка схода (рис.13). Любая система прямых линий, параллельных плоскости снимка, имеет точку схода в бесконечности. Если параллельные прямые находятся на местности (в плоскости основания), то точка схода их изображений расположена на линии hihi действительного горизонта.

Построение изображения семейства отрезков, лежащих в плоскости основания и параллельных линии направления съемки (или составляющих с ним угол ), выполняют следующим образом.

1. Отрезки продолжают до пересечения с линией основания картины.

Полученные точки, принадлежат двум плоскостям – плоскости основания и плоскости снимка (картины).

2. На плоскости снимка находят положение главной точки схода J, и строят линию hihi перпендикулярную главной вертикали (линию действительного горизонта).

3. Через центр проекции S проводят луч, параллельный заданным отрезкам. Он будет расположен в плоскости действительного горизонта.

Пересечение этого луча с линией hihi определяет точку схода J изображений отрезков.

4. Соединяют прямыми линиями точку J с точками, полученными на линии основания картины. Эти линии на снимке есть изображение лучей, идущих от линии основания картины, через заданные отрезки и до бесконечности.

5. Проводят проектирующие лучи через точки, ограничивающие отрезки. Их пересечение с построенными на снимке линиями и определяет искомое изображение.

По этому правилу и построены изображения прямых, параллельных направлению съемки (рис.14) и прямой, составляющей с направлением съемки угол (рис.15).

Точка схода изображений вертикальных (отвесных) прямых совпадает с точкой надира n (рис. 16). Пересечение Bo отрезка АВ с плоскостью снимка находится на следе вертикальной плоскости, проходящей через прямую АВ и параллельной плоскости главного вертикала,. Поэтому отрезок NBo есть изображение бесконечного отвесного луча, идущего из точки Bo. Проекции точек А и В принадлежат этому отрезку, значит для их построения достаточно провести проектирующие лучи. Аналогичным образом на рис. построено изображение вертикальной прямой DK. Решение задачи можно было начать и с построения точки А, которая принадлежит плоскости основания.

Возможны и других приемы построения изображений параллельных линий.

Рис. Получение снимков местности При аэрофототопографической съемке снимки местности получают путем ее фотографирования. Называют этот этап летносъемочным процессом или аэрофотосъемкой (АФС), осуществляют - с самолёта или другого летательного аппарата. Цель – получение не только фотоснимков, удовлетворяющих заранее поставленным требованиям, но и показаний спецприборов, характеризующих их положение в момент экспонирования. В наземной фототопографической съемке фотографируют фототеодолитом, который устанавливается на штативе.

АФС можно классифицировать по количеству и расположению аэрофотоснимков (одинарная, маршрутная и площадная), положению оптической оси аэрофотоаппарата (плановая и перспективная) и масштабу фотографирования (крупномасштабная - 1: 10 000 и крупнее, среднемасштабная и мелкомасштабная - 1: 35 000 и мельче).

Одинарная АФС – фотографирование отдельных сравнительно небольших участков земной поверхности, когда аэрофотоснимки не перекрываются.

Маршрутная АФС – такое фотографирование полосы местности, при котором смежные аэрофотоснимки взаимно связаны заданным продольным перекрытием Р (рис. 17). Причем величина его достигает 60 и более процентов, поэтому возникают и зоны тройного перекрытия, что очень важно при фотограмметрической обработке снимков. Маршрутная АФС может быть прямолинейной, ломаной и криволинейной. Площадная (многомаршрутная) АФС – фотографирование участка земной поверхности, который не захватить одним маршрутом. В этом случае прокладываются несколько параллельных между собой аэрофотосъёмочных маршрутов (рис. 18). При этом смежные маршруты перекрываются. Называют общую часть изображений на снимках поперечным перекрытием Q.

Рис Плановой называют аэрофотосъемку, при которой стараются получать горизонтальные снимки, но получают наклонные с отклонением оптической оси АФА от вертикали не более 3. Перспективной считают АФС при наклоне оптической оси на заданный и сравнительно больший угол.

аэрофотосъёмки является плановая АФС. Она производится в различных масштабах, которые зависят от высоты фотографирования Н и фокусного расстояния f АФА, в частности:

При получении снимков с поверхности земли в топографических целях местность фотографируют с разных точек пространства, но так, чтобы смежные снимки перекрывали друг друга. Оптические оси фототеодолита устанавливают при этом, как правило, горизонтально.

Аналитические основы одиночного снимка Системы координат точек местности и снимка Для установления связей между точками объекта и их фотографическими изображениями используются пространственные и плоские системы координат. Если картографируемый участок захватывает больше, чем 1 зону может использоваться геоцентрическая система координат (рис.5). В ней за начало координат принят центр общеземного эллипсоида О'г, а плоскостью X'г Y'г является плоскость экватора. Ось X'г находится в плоскости начального меридиана, а ось Z'г совмещена с полярной осью О'г Р. Система координат правая. За фигуру Земли принимается эллипсоид вращения с полуосями а и b и сжатием е. Любая точка О пространства задаётся геодезическими координатами: широтой В, долготой L и высотой Н. Геоцентрические координаты X'г, Y'г, Z'г точки О находят по их геодезическим координатам, с помощью известных формул сфероидической геодезии.

Может использоваться и прямоугольная система координат X"г Y"г Z"г, представленная на рис.22. Она сохраняет все преимущества геоцентрической системы, но абсолютные значения координат точек в ней меньше. Ось Z"г нормальна к поверхности эллипсоида в начальной точке О картографируемого участка; ось Y"г совпадает с направлением на север.

Система координат правая. За начало счёта высот принимается такое значение, при котором аппликаты всех точек положительны. Координаты X"г, Y"г, Z"г, легко получаются из геоцентрических X'г, Y'г, Z'г путём трёхмерного преобразования, включающего перенос начала координат и их вращение.

При решении задач на сравнительно небольшом участке местности используется известная левая система прямоугольных координат Oг Xг Yг Zг (рис.6) Гаусса.

На практике часто находит применение местная система пространственных прямоугольных координат Xг Yг Zг с началом в некоторой точке А картографируемого участка (рис.23). В этой системе ось Zг нормальна к поверхности квазигеоида в точке А, ось Xг горизонтальна и параллельна осевому меридиану зоны, в которой находится участок съёмки, а ось Yг направлена на восток. Координаты начала задаются в системе Ог Xг Yг Zг.

Системы координат Ог Xг Yг Zг и А Xг Yг Zг в фотограмметрии принято называть геодезическими.

Координаты точек местности, полученные по результатам измерения снимков, определяются, как правило, в так называемой фотограмметрической пространственной прямоугольной системе координат SXYZ (рис.6). Она правая. Ее начало и направление координатных осей выбираются так, чтобы наиболее просто осуществлялся переход от координат точек снимка к координатам точек местности. Обычно начало координат совмещается с точкой фотографирования S или с какой-либо точкой местности, а плоскость XY устанавливается горизонтально или параллельно плоскости одного из снимков.

Поскольку системы координат X Y Z и Xг Yг Zг не совпадают, то при переходе от фотограмметрических координат к геодезическим необходимо выполнять преобразование координат из системы в систему.

На каждом снимке по его периметру имеется ряд координатных меток, которые определяют плоскую прямоугольную систему координат o' x y. Такая система при наличии на снимке четырёх меток 1, 2, 3, 4 показана на рис. 7.

Начало координат находится в точке о' пересечение отрезков 1-2 и 3-4. Ось x совмещается с прямой 1-2, а ось y с перпендикуляром к оси x в точке о'.

Возможны и другие варианты. Например, ось y – это главная вертикаль, а ось x - одна из горизонталей и т. д. Отметим, что на наземных снимках оси обозначают буквами x и z, а координаты в системе координат снимка иногда называют фотокоординатами.

Рисунок 7. Плоская прямоугольная система координат снимка Рисунок 8. Пространственная система координат точки снимка Положение точка на снимке определяется координатами x и y, но это можно сделать и в пространственной фотограмметрической системе X'Y'Z' (рис.8). Начало координат этой системы всегда совмещено с точкой фотографирования S, а оси X', Y', Z' параллельны осям X, Y, Z фотограмметрической системы координат точек объекта местности или осям геодезической системы координат.

Связи между плоскими и пространственными координатами точек снимка и местности устанавливаются через элементы ориентирования снимка.

Элементы ориентирования снимка.

Элементами ориентирования снимка называются величины, определяющие его положение в момент фотографирования относительно выбранной пространственной прямоугольной системы координат. Различают элементы внутреннего и внешнего ориентирования снимка.

Рисунок 9. Элементы внутреннего ориентирования снимка Элементы внутреннего ориентирования позволяют найти положение центра проекции относительно снимка, а значит восстановить связку проектирующих лучей, существовавшую в момент фотографирования. К ним относятся координаты главной точки x0, y0 снимка и фокусное расстояние f фотокамеры (рис.9).

Элементы внешнего ориентирования (ЭВО) позволяют установить положение снимка (связки), которое она занимала в момент фотографирования относительно заданной пространственной прямоугольной системы координат. Для снимков, полученных АФА, на практике используют две таких системы.

В первую систему ЭВО (рис.10) входят координаты Xs, Ys, Zs точки фотографирования, а также углы поворота снимка, и Продольный угол наклона снимка образуется осью Z и проекцией главного луча Sо на плоскость X Z.

Поперечный угол наклона снимка заключён между главным лучом Sо и его проекцией на плоскость X Z.

Угол поворота снимка образуют ось у снимка и след плоскости, проходящей через главный луч Sо и ось Y (в этой плоскости находится угол На рис. 10 углы и положительные, угол - отрицательный.

Вторая система (рис.11) ЭВО содержит:

- координаты Xs, Ys, Zs точки фотографирования;

- t – дирекционный угол оптической оси фотокамеры – он образуется следом плоскости главного вертикала W и положительным направлением - - угол наклона снимка, находится в плоскости главного вертикала между главным и надирным лучами;

- – угол поворота в плоскости снимка, образуется главной вертикалью и осью y плоской системы координат x y.

На рисунке изображены положительные углы.

Различают абсолютные и относительные ЭВО снимка. Абсолютные элементы определяют положение связки в геодезической системе координат.

Таким образом, положение одиночного снимка определяется девятью элементами ориентирования, из них три - элементы внутреннего ориентирования и шесть - элементы внешнего ориентирования.

координатами точки снимка При изучении теории фотограмметрии и решении практических задач используются зависимости между плоскими координатами x, y точек снимка и их пространственными координатами X', Y', Z'. Эти зависимости можно установить, если известны элементы внутреннего и угловые элементы внешнего ориентирования снимка.

Введём для этого систему координат S x y z с началом в точке фотографирования S (рис. 12). Координатные оси x, y этой системы расположим параллельно соответствующим осям на снимке, а ось z совместим с главным лучом связки So. Тогда координаты x, y любой точки снимка в пространственной системе имеют те же значения, что и в плоской, а координата z для всех точек постоянна и равна фокусному расстоянию снимка (z = -f).

Системы S X' Y' Z' и S x y z имеют общее начало, поэтому в процессе преобразования координат из одной сиситемы в другую следует выполнять только вращение, что выражается, например, формулой:

Ортогональная матрица А имеет третий порядок и называется матрицей преобразования координат. Ее элементами являются 9 направляющих косинуса, поэтому выше приведенное соотношение можно записать и так:

Причем, каждый из направляющих косинусов это косину угла между соответствующими осями систем координат участвующих в преобразовании, то есть:

Отметим, что в формуле 16 не произведения координат, заключенных в скобках, а обозначение осей, между которыми берется угол.

В силу ортогональности направляющие косинусы матрицы связаны между собой шестью независимыми уравнениями:

Один поворот в пространстве можно заменить тремя последовательными поворотами в плоскости (вокруг осей Z, X и Y, рис.13). Им будут соответствовать матрицы, А, и А.. В соответствии с рис. 26 для каждого из поворотов соотношение можно представить следующим образом:

Рисунок 13. Преобразование Общая матрица преобразования A равна произведению:

После перемножения матриц и получим формулы для вычисления направляющих косинусов. В данном случае они будут иметь вид:

Таким образом, направляющие косинусы а1, а2, а3,…..,с3 зависят от трёх угловых элементов внешнего ориентирования снимка и являются координатами единичных векторов, определяющих взаимное положение рассматриваемых систем координат: X' Y' Z' и x y z.

Аналогично для второй группы элементов внешнего ориентирования снимка можно получить:

a1 = cos(X, x) = cock sint + cos sink cost a2 = cos(X, y) =- sink sint + cos cosk cost a3 = cos(X, z) =- sin cost b1 = cos(Y, x) =- cock cost + cos sink sint b3 = cos(Y, z) =- sin sint c1 = cos(Z, x) = sin sink c2 = cos(Z, y) = sin cosk Формулы (18) и (19) позволяют установить связь между элементами ориентирования и направляющими косинусами разных систем ЭВО:

Можно было бы привести и еще ряд соотношений.

Переход от пространственных координат к плоским осуществляется по формулам:

где АТ – транспонированная матрица А.

Если начало координат снимка не совпадает с его главной точкой, то вместо координат x и y в формулах 14,15,16 и 20 следует использовать разности x – xо и y - yо.

Формулы (14) – (20) справедливы для любых значений угловых элементов внешнего ориентирования снимка.

второго порядка малости можно записать:

Если же учитывать только члены первого порядка малости, то:

Для случая, изображенного на рис. 29 матрица A будет единичной, то есть:

Полученные зависимости между системами координат X' Y' Z' и x y z используются в аналитических способах определения координат точек местности по измерениям снимков.

Зависимость между координатами точки местности и снимка Точка местности М и её изображение на снимке т находятся на одном проектирующем луче (рис.14). Положение точек S и М в системе координат Рисунок. Схемы связи координат точки местности и снимка Из третьего равенства (25) найдем и подставим его выражение в первое и второе. Тогда:

Или, с учётом равенства (15) Итак, если элементы ориентирования снимка даны, то два уравнения (27) имеют три неизвестных. Отсюда следует, что пространственные координаты точки местности по одиночному снимку не определить. Можно получить лишь ее плановое положение. Но надо знать высоту фотографирования H = - (Z – ZS).

В фотограмметрии часто используются обратные зависимости (между координатами точки снимка и координатами соответствующей точки местности). Для их получения, спроектируем векторы равенства (24) на координатные оси системы координат S x y z (рис. 31), в результате получим: