Аэросъемка, её виды и методы

       Содержание

Введение………………………………………………………………..3

1. Аэрогеодезия, её содержание………………………………………...5
2. Аэросъемка, её виды и методы…..………………………………….8
1. Метод аэрофотосъёмки……………………………………...10
2. Метод космической съёмки………………………………….13
3. Метод аэрогеодезических работ на основе лазерной локации и цифровой аэрофотосъёмки………………………………………….15

Список  литературы…………………………………………………..20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

      В России до середины тридцатых годов  комплекс работ по созданию карт по фотоснимкам местности, полученным с летательного аппарата называли аэрофотосъёмкой. Впоследствии термин аэрофотосъёмка отнесли  только к лётно-съёмочному процессу, включая проектирование, самолётовождение, фотографирование и вспомогательные  операции. Аэрофотографией назвали  процессы экспонирования и фотолабораторной обработки аэрофотоснимков.

      Понятие аэрофототопография охватывает комплекс процессов по созданию топографических  карт по фотоснимкам местности, полученным с авиационного летательного аппарата. Сюда входят лётно-съёмочные работы, привязка снимков, дешифрирование, построение сетей фототриангуляции, изготовление фотоосновы карты, стереоскопическая  съёмка рельефа, составление топографической  карты и др.

      В конце двадцатых – начале тридцатых  годов в России внедряется аэрофотограмметрический  метод в геодезическое производство. Появляется название аэрогеодезическое  производство и термин «аэрогеодезия», который в большей степени  дублирует аналогичный термин «аэрофототопография», но охватывает более широкий спектр применения различного рода аэроснимков  для получения отраслевых видов  информации.

      Прикладные  тематические направления трансформировали понятие термина «фототопография» и изменили его содержание. Выделилась фотограмметрия, которая стала включать в себя комплекс процессов, непосредственно  использующих геометрию изображения (измерение, преобразование, построение сетей, рисовку рельефа и т.п.).

В традиционной фотограмметрии излагаются теория и  технология, построенные на математическом аппарате и практических приемах, в  основе которых лежит представление  о статической центральной проекции местности, получаемую в условиях, когда  фотоаппарат и местность взаимно  неподвижны (фототеодолитная съёмка) или их передвижением во время экспонирования кадра можно пренебречь (топографическая аэрофотосъёмка).

      В условиях космических съёмок применяют  динамические съёмочые системы. Первыми  динамическими съёмочными системами  были телевизионные и тепловизионные сканеры. Геометрия сканерных снимков  отличается от обычных аэрофотоснимков  тем, что процесс построения проекции местности в пределах снимка растянут по времени и значительно зависит  от подвижности носителя.

Качественной  особенностью ряда динамических систем является то, что они работают в  более широком невидимом диапазоне  электромагнитных волн, что даёт возможность  получать более полную информацию об окружающей среде и о земных ресурсах.

      В настоящее время динамические съёмочные  системы широко применяются не только в космических съёмках,  но и  в аэросъёмках.

      Аппаратуру, с помощью которой в съёмочных  системах воспринимается энергия, несущая  информацию об объектах съёмки называют съёмочными устройствами (СУ). Разновидностями  СУ являются фотокамеры, телекамеры, сканеры, тепловизоры, ИК – и СВЧ – радиометры, радарные установки и т.п. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Аэрогеодезия, её содержание.

       Аэрогеодезия  – это раздел геодезии, изучающий  методы  измерения и  преобразования изображений земной поверхности,  методы получения по ним широкого спектра информации об объектах съёмки с целью составления топографических  и специальных планов и карт, цифровых моделей местности, а также для  решения ряда инженерных отраслевых задач при проектировании, строительстве  и эксплуатации различных искусственных  сооружений (дорог, мостов, аэродромов, плотин, каналов, трубопроводов, линий  электропередач и т. п.). Аэрогеодезия рассматривает часть тех же вопросов, что и геодезия, но использует для  этого вместо измерений и установления качественных и количественных характеристик  объектов непосредственно на поверхности  земли измерения  и интерпретацию  этих объектов по  аэрокосмическим  изображениям.

       В технологии и методах системного автоматизированного проектирования объектов строительства (САПР) аэрофотогеодезический  метод выступает как один из основных видов изыскательских работ, позволяющий  при значительном увеличении производительности полевых работ перенести основной объём работы по получению информации о местности в комфортные камеральные  условия с широким привлечением для этих целей средств автоматизации  и компьютерной техники.

       Аэроизыскания – комплекс специальных воздушных, наземных полевых и камеральных  работ, направленных на получение исходной топографической, инженерно-геологической, гидрогеологической, гидрометеорологической, экономической и других видов  информации, необходимой для разработки проектов объектов строительства.

       Опыт, накопленный в области применения аэрометодов при изысканиях, показывает их исключительную эффективность по сравнению с традиционными методами сбора информации как в части  значительного снижения трудоёмкости и сокращения сроков изысканий, так  и в части широты охвата различных  видов информации, необходимой для  проектирования. Аэроизыскания выполняют в три этапа: подготовительный, полевой и камеральный.

       В подготовительный период осуществляется сбор имеющейся на район изысканий  топографической информации и материалов аэросъёмок прошлых лет, на основании  которых обосновывают полосу варьирования конкурентносособных вариантов  трассы и составляют проект производства аэросъёмочных, полевых и камеральных  аэрофотогеодезиеских работ.

       В полевой период производят: наземные геодезические работы по созданию планово-высотного  обоснования аэросъёмок; закрепление  и маркировку точек опорной сети; различные виды аэросъёмочных работ, привязку и дешифрирование аэрофотоснимков. Важным видом аэрогеодезических  изысканий является дешифрирование – выявление (обнаружение и опознавание) и раскрытие содержания (познания) различных объектов и элементов  местности по их изображениям на снимках, их качественных и количественных характеристик, своеобразных свойств и особенностей.

       В камеральный период выполняют полную обработку результатов геодезических  измерений, фотограмметрическое сгущение геодезического съёмочного обоснования  методами аналитической фототриангуляции, стереофотограмметрические работы по получению информации о рельефе  и изготовлению топографических  планов и ЦММ в единой системе  координат.

       Аэрогеологические изыскания – комплекс наземных, воздушных и камеральных работ  по установлению геологических, почвенно-грунтовых  и гидрогеологических условий местности, включающие в себя также поиск  и разведку местных дорожно-строительных материалов. Аэрогеологические изыскания  оказываются особенно эффективными при совместном использовании наземных методов инженерно-геологических  изысканий, с обязательным использованием геофизических методов разведки.

       Аэрогидрологические изыскания направлены на выявление  морфометрических, гидравлических и  гидрологических характеристик  водотоков, типа и интенсивности руслового процесса, ледового режима, характеристик малых водосборов и т. д. Эта информация необходима для проектирования мостовых переходов, малых водопропускных сооружений (например, водопропускных дорожных труб и малых мостов) и системы поверхностного водоотвода.

       Аэроэкономические изыскания прежде всего позволяют  установить характеристики транспортных потоков на существующей сети автомобильных  дорог в разное время суток, разные дни недели, месяцы и годы (интенсивность  и состав движения, скорости, плотности  на различных участках дорог, распределение  интервалов между автомобилями и  т. д.), направления транспортных связей, границы и типы земельных и  лесных угодий с последующей оценкой  стоимостей их отвода и др.

       Аэрофотогеодезические изыскания в настоящее время  производят с применением современного аэросъёмочного, навигационного оборудования (в частности, систем спутниковой  навигации и определения координат  центров фотографирования «GPS») и технологических линий цифровой картографии и ГИС.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Аэросъёмка, её виды и методы.

       Аэросъёмкой называют процесс получения изображений  местности с летательных аппаратов. Если её ведут фотоаппаратами, то её называют аэрофотосъёмкой, если с помощью  специальных телевизионных или  электронных сканирующих устройств, то – электронной аэросъёмкой, если с помощью тепловизоров в инфракрасной части спектра, то - тепловой или  инфрарасной съёмкой, а если радиолакаторами, при которых получают изображение  в отражённых от поверхностных слоёв  электромагнитных радиоволн – радиолакационной съёмкой.

       Регистрацию изображений местности можно вести в разных зонах спектра электромагнитных волн: видимой с длинами волн (0,38 – 0,78 мкм), ультрафиолетовой ближней (0,28 – 0,32 мкм), инфракрасной (0,18 – 10 мкм), или микрорадиоволновой (0,01 – 100 см). Съёмку выполняют либо водной зоне электромагнитного излучения, либо одновременно в нескольких.

       Одним из современных методов сбора  и обработки данных о местоположении объектов и рельефе местности, а  также их качественных и количественных характеристиках, является комбинированный  метод на основе лазерной локации  и цифровой аэрофотосъёмки.

       При инфракрасной аэросъёмке регистрируется электромагнитное излучение в диапазоне  длин волн 0,7 – 12 мкм, которое излучают или отражают различные объекты  местности. Инфракрасное излучение  как носитель информации близко к  свету и радиосигналам, зависит  от температуры источника излучения, характеризует его вещество и  состояние. Оно выявляет внутренние свойства объектов, позволяет изучать  процессы в верхнем слое Земли. Инфракрасные системы имеют оптическую часть, приёмное устройство, устройство обработки  и выдачи информации. Излучение природной  среды в ифракрасной области  спектра регистрируется тепловизорами  в трёх зонах: ближней (0,7 – 2,5 мкм), средней (3,0 – 5,5) мкм) и дальней (8 – 12 мкм). На практике установлена важность совместного  дешифрирования панхроматических и  инфракрасных аэрофотоснимков.

       Российский  тепловизор «Вулкан» производит аэрофотосъёмку преимущественно в средней инфракрасной зоне спектра, а тепловизор шведской фирмы «AGA» - в дальней инфракрасной зоне спектра. Их применение особенно эффективно при выявлении и изучении переувлажнённых и мерзлотных участков земной поверхности, течений грунтовых вод, гидрологии мелководий и речных отложений, выделении отдельных горных пород.

       При радиолокационной съёмке получают изображения  местности в радиоволновом диапазоне  электромагнитного излучения. Существуют специально приспособленные для  глубинных геологических  гидрологических  работ многочастотные радиолакационные установки, использующие сантиметровые  дециметровые волны. Радиолакационные съёмки особенно эффективны при исследовании влажности, мерзлотных явлений, болот, геологических и гидрологических  образований.

       Радиолокационная  съёмка (РЛС) делится на съёмку бокового обзора и съёмку кругового обзора. Наибольшее расстояние до объектов, при  котором они обнаруживаются, называется дальностью действия. Разрешающая способность  – это минимальное расстояние между двумя объектами, имеющими один и тот же азимут или угол, при котором отражённые сигналы  не сливаются на экране индикатора, то есть когда на экране электроннолучевой  трубки начало импульса от от второго  объекта отстаёт от конца импульса от первого объекта на время, превышающее  длительность одного импульса. При  радиолокационной съёмке посылаются сигналы, излучающие энергию в определённых направлениях и принимают сигналы  так же с определённых направлений. Чем у¢же диаграмма направленности, тем выше разрешающая способность РЛС.

       Наиболее  интенсивно развиваются и широко распространены для картографических целей методы аэрофотосъёмки, космической  съёмки и комбинированный метод  лазерной локации и цифровой аэрофотосъёмки, который применяется преимущественно  для крупномасштабного картографирования и особенно эффективно для линейных объектов. Эти методы рассматриваются далее более детально.

1. Метод аэрофотосъёмки.

       Одним из важнейших применений фотографии является воздушное и космическое фотографирование, т. е. получение снимков земной поверхности с летательных аппаратов – самолетов, вертолетов, искусственных спутников Земли и др.

       Аэрофотосъемкой называют совокупность работ по получению аэронегативов и аэроснимков  или цифровых снимков местности с целью последующего их использования для создания планов  и карт местности. Термин «Аэрофотосъемка» объединяет ряд взаимосвязанных процессов, в частности:

        - летно-съемочные работы, включающие  разработку технических условий аэрофотосъемки,    составление проекта и его исполнение;

       - полевые фотолабораторные работы, в случае традиционной аэрофотосъёмки, включающие фотографическую обработку экспонированных аэрофильмов, изготовление по ним отпечатков и иной первичной продукции;

       - полевые фотограмметрические работы, включающие регистрацию материалов аэрофотосъемки и оценку качества исполненной фотосъемки.

       Результатом традиционных работ являются аэронегативы, аэроснимки, а также зафиксированные в полете показания специальных приборов.

       Аэронегативы (аэроснимки) – фотографические изображения местности, покрывающие без разрывов заданный участок земной поверхности – используются для последующего преобразования и создания по ним карт и планов. Для обеспечения последующих работ смежные аэронегативы (аэроснимки) должны иметь перекрытия расчетной величины. Метрические и фотометрические характеристики аэронегативов в значительной степени зависят от выполнения технических условий аэрофотосъемки и выбора параметров применяемых для аэрофотосъемки фотографических материалов и оптических систем. Точность и качество аэронегативов, в свою очередь, определяет  качество создаваемых по ним карт и планов, сроки фотограмметрической обработки, организацию работ и т.п. Для получения полноценных аэронегативов и их эффективного использования необходимо согласование летно-съемочных работ, и в первую очередь их параметров, с организацией всего топографо-геодезического производства.

       В отличие от традиционной аэрофотосъёмки  цифровая аэрофотосъёмка выполняется по двум технологиям, которые зависят от типа цифровых камер:

• летно-съемочные работы, в которых используют камеры с ПЗС линейками обязательно сочетаются две системы  GPS + INS, то есть Глобальная система позиционирования и Инерциальная система, для определения положения изображения ПЗС-линейки в пространстве в каждый момент времени. Эта съёмочная система часто используется также при космических съёмках. Бортовой компьютер и программное обеспечение позволяют интегрировать обработку данных GPS -приёмника и данных INS – инерциальной системы и объединить трансформированное по ним изображение в полные снимки.

       В самолётном варианте изменения в  высоте платформы, на которой установлена  камера, трудно предсказуемы. Поэтому разработан и реализован второй технологический подход – матричный сенсор.

• летно-съемочные работы, выполняемые на основе матричного сенсора (ПЗС – матрица), больше напоминают традиционный аналоговый метод аэрофотосъёмки, когда все элементы матрицы одновременно экспонируются. В этом методе внутри пиксельная геометрия известна и строго определена, по сравнению с линейной технологией, в которой размеры пикселя меняются в зависимости от продольной скорости носителя. В матричной технологии в настоящее время проблема в том, что большие матричные решётки сложны в изготовлении. Поэтому комбинируют: делают большие по площади решётки из нескольких маленьких по площади. Например, из четырёх. Четырех линзовый объектив формирует четыре отдельных изображения, которые трансформируют  в центральную проекцию и автоматически стыкуют. Такие снимки обрабатываются по существующим программам аналитической обработки.

       Результатом цифровой аэрофотосъёмки являются цифровые аэрофотоснимки, а также зафиксированные в полете элементы внешнего ориентирования (линейные -  Xs, Ys, Zs – координаты центра фотографирования; угловые -  a, w, c - ориентирование камеры относительно осей координат).

       В соответствии с законами центрального проектирования, по которым строится изображение местности, аэронегатив (аэроснимок) содержит ряд искажений, величины которых  определяются углом наклона оптической оси аэрофотоаппарата и колебанием рельефа местности. Устранение этих искажений осуществляется в процессе их фотограмметрической обработки, и в частности – фотографического или цифрового преобразования, называемого трансформированием. В связи с этим использование аэроснимков без их предварительного трансформирования для картографического (топографического) обеспечения выполняемых работ, в том числе в качестве основы ГИС, ограничивается влиянием указанных искажений.

       Показания специальных приборов и оборудования, зафиксированные в процессе аэрофотосъемки, обеспечивают стабилизацию съемочной камеры в полете или последующее определение по ним пространственного положения аэроснимков в абсолютной или относительной системе координат с целью последующего их использования при выполнении фотограмметрических работ и  преобразовании аэроснимков в планы и карты. К числу таких приборов относят гироскопы, системы глобального позиционирования, оборудование для определения высоты полета, превышений  между центрами фотографирования, а также аэронавигационные системы и др. Наличие указанных данных во многом определяет технологию камеральной обработки материалов аэрофотосъемки, существенно влияет на оперативность, точность фотограмметрических построений и объемы полевых работ по их обеспечению.

       Аэрофотосъемочные работы выполняются специализированными подразделениями топографо-геодезической или землеустроительной службами на специально оборудованных  летных  средствах. 

2. Метод космической фотосъёмки.

       Космическая информация на сегодняшний день становится всё более разнообразной и точной. Возможность её получения, обработки и обновления становится всё более лёгкой и доступной. Широкое применение для космических съёмок нашли электронно-оптические съёмочные системы. Например SPOT 2 используют более 10 лет для картографирования в масштабе 1:50000 (разрешение на земле в панхроматическом варианте 10 м, у нового SPOT 5 разрешение 2,5 м; 5 м) и последний обладает возможностью стереообработки. Но у этой системы снимки в стереопаре растянуты по времени. От этого недостатка избавлены стереосистемы, имеющие два или три пучка визирования – вперёд, вниз, назад.

       Элементы  ориентирования сканера получают из совместного уравнивания орбитальных, наземных и данных навигационной системы. Преимущество снимков, полученных сканерами, перед фотоснимками заключаются в том, что изображения получаются непосредственно в цифровой форме, исключая процессы фотохимической обработки и сканирования. Сдерживает их применение более низкая разрешающая способность, сложный характер геометрических искажений изображений и большое количество информации, которую трудно хранить и передавать.

       В настоящее время десятки космических  съёмочных систем передают космические  снимки высокого разрешения (от 5 м до 0,6 м) на любую территорию Земли. В России и за рубежом созданы и функционируют банки и архивы данных цифровых снимков всего земного шара. Особенно важна доступность для потребителя этих материалов. Причём та территория России, которая считается у нас засекреченной за рубежом можно получить снимки на неё без всяких ограничений. По системе Интернет можно осуществить оперативный поиск, сделать заказ и получить необходимую информацию, а также заказать  проведение съёмок любой территории и  получение корректированных снимков в цифровой форме.

            Космические снимки высокого  разрешения имеют практическое  применений в большом количестве  коммерческих направлений, таких  как картографирование, землепользование, кадастр, сельское и лесное хозяйство, изменение окружающей среды, мониторинг стихийных бедствий.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Метод аэрогеодезических  работ на основе лазерной локации и цифровой аэрофотосъёмки.

             Одним из современных  методов сбора и обработки  данных о местоположении объектов и  рельефе местности, а также их качественных и количественных характеристиках, является метод на основе лазерной локации и цифровой аэрофотосъёмки.

       В основе технологии лежит выполнение синхронного маршрутного  лазерно-локационного сканирования местности и цифровой аэрофотосъемки в составе, например,  следующего комплекта оборудования:

• Лазерного сканера ALTM-1210 с разверткой лазерного луча в одной плоскости и частой выполнения измерений 5 Кгц. Угол сканирования может быть задан в диапазоне ±20°, а частота сканирования может меняться  от 0 до 28 Гц. На основании данных этой подсистемы можно вычислить расстояние между излучателем и объектом отражения, а также угол в плоскости сканирования, куда был направлен луч в момент излучения.
• Инерциальная система, датчики которой установлены в одном блоке с лазерным сканером. На основании данных этой подсистемы можно вычислить параметры ориентации летательного аппарата (датчиков инерциальной системы, лазерного сканера и фотоаппарата) относительно определенной системы координат.
• GPS-приемник. На основе данных которого, осуществляется синхронизация времени работы всех подсистем, а также вводится единая система координат и рассчитывается траектория полета летательного аппарата.                                  

       Для выполнения съемки создаются базовые GPS-станции, данные которых используются для вычисления дифференциальных поправок при определении траектории летательного аппарата. Для определения траектории летательного аппарата и уточнения угловых данных инерциальной системы, применяется метод совместной обработки GPS-данных и данных инерциальной системы. Применение такого метода расчета повышает как точность   определения угловых параметров, так и местоположения.

       Кроме прибора, выполняющего лазерно-локационное  сканирование местности, на борту  летательного аппарата устанавливается цифровая фотокамера. Поскольку в составе  прибора, выполняющего лазерно-локационную съемку (ALTM-1210), входит инерциальная подсистема, то геодезическая привязка фотографий осуществляется программным способом автоматически, учитывая траекторию полёта и угловую ориентацию фотоаппарата и летательного аппарата в момент экспозиции снимка. То есть вычисляются линейные - X, Y, Z и угловые - a, w, c  элементы внешнего ориентирования снимка.

       Технические характеристики лазерного сканера ALTM-1210:

       Рабочая высота полета носителя   250 - 1000 м

       Точность  по дальности    15 см

       Разрешение  по дальности    3 см

       Угол  сканирования     от 0 до  ±20°

       Полоса  захвата высоты    от  0 до 0.68 долей

       Угловая точность     0.05°

       Частота сканирования     от 0 до 24 Гц

       Рабочая длина волны     1047 нм

       Частота генерации лазерных импульсов  10 Кгц

       Расходимость  луча     0.25 мрад, полный угол

       Длительность  импульса    16 нс

       Длительность  фронта импульса   3 нс

       Средняя энергия в импульсе   80 мк Дж 

       Класс лазера по безопасности    IV

       Напряжение  питания     28 В

       Номинальный потребляемый ток   15 А

       Технология  выполнения лазерно-локационных аэросъемочных  работ включает  несколько этапов:

1. Планирование и подготовка аэросъемочных работ.

            На данном этапе осуществляется:

• Получение картографического материала и утверждение границ объекта съемки;
• Выбор параметров съемки, исходя из продукта необходимого Заказчику и условий съемки;
• Подготовка материалов для навигации и настройка навигационной системы;
• Камеральная рекогносцировка и выбор геодезических пунктов для определения местоположения базовых станций;
• Составление проекта съемки.