Фотограмметрия как наука

     План 

1. Фотограмметрия  как наука и ее связь с другими  дисциплинами.
2. Фотографические материалы и их свойства.
3. Поперечный и продольный параллаксы точек снимков
4. Факторы, обусловливающие необходимость увеличения снимков.
5. Элементы взаимного ориентирования пары снимков
6. Планово-высотная привязка аэрофотоснимков
7. Дешифрирование – процесс получения семантической информации со снимков
8. Критерии качества при дешифрировании
9. Особые условия проведения аэрофотосъемки городских земель
10. Литература

     Фотограмметрия как наука и ее связь с другими дисциплинами. 

      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.

     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.

     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.

     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 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 и др.);

     - при картировании дна и получении глубин шельфа, изучении морского волнения, определении скорости и направления течения в открытом море;

     - 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. 
 
 
 
 

Фотографические материалы и их свойства. 

     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.

     Для правильного использования фотографических  материалов необходимо знать их фотографические свойства: светочувствительность, коэффицициэнт контрастности, 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.

     Светочувствительность — способность фотоэмульсионного слоя создавать большую или меньшую оптическую плотность при одинаковой экспозиции.

     Светочувствительность может быть общей, если фотоматериал экспонировался излучением широкого спектрального интервала (например, 500...700 нм), или спектральной — для узкой зоны спектра (например, 520...560, 680...740 нм). Светочувствительность отечественных фотоматериалов определяется ГОСТом, и ее указывают на упаковке фотопленок, фотопластинок (например, 32 ед. ГОСТ, 250 ед. ГОСТ). Зарубежные фотоматериалы той же светочувствительности имеют другие числовые значения. Это вызвано различиями методик их определения.

     При малой освещенности объекта или при коротких выдержках при съемке применяют фотопленки с высокой чувствительностью.

     Спектральная чувствительность (цветочувствительность) фотоэмульсионного слоя характеризует его способность реагировать на лучи различных зон спектра.

     По спектральной чувствительности фотоэмульсии могут быть несенсибилизированные и сенсибилизированные. В состав сенсибилизированных эмульсий входят вещества-сенсибилизаторы, расширяющие спектральную чувствительность фотоматериала. Несенсибилизированные фотоэмульсии таких веществ не содержат.

     Различают следующие типы фотоэмульсий:

• несенсибилизированные — чувствительны к синим лучам спектра;
• ортохроматические и изоортохроматические — чувствительны к синим, зеленым и желтым лучам;
• пахроматические и изопахроматические взаимодействуют с лучами всей видимой зоны спектра;
• инфрахроматические фотослои обладают максимальной чувствительностью к лучам инфракрасной зоны спектра, причем максимум приходится на различные длины волн, что отражается в их маркировке, например И-840, И-960.

     Коэффициент контрастности характеризует свойство фотоэмульсионного слоя реагировать на некоторое количество световой энергии образованием большей или меньшей разности оптической плотности соседних изображений. Его значение зависит также от времени проявления и типа проявляющих растворов. При фотографировании местности с высоким яркостным контрастом, например горных районов или застроенных городских территорий, применяют малоконтрастные фотопленки. При съемке малоконтрастных ландшафтов, например пустынных или степных районов, используют контрастные фотоматериалы.

     Фотографическая широта — свойство фотоэмульсионного слоя сохранять пропорции оптических плотностей на снимке яркостям фотографируемых объектов. Чем больше фотографическая широта, тем больший интервал яркостей объектов будет изображаться на снимке без искажений.

     Зернистая структура фотоэмульсионного слоя — важный фактор в получении снимков высокого изобразительного свойства. Зерна фотоэмульсии при экспонировании рассеивают световые лучи, что ограничивает воспроизведение мелких деталей, снижает резкость изображения и уменьшает пределы увеличения снимков. Для оценки зернистости фотоэмульсионного слоя применяют критерий, называемый коэффициентом зернистости (фактор зернистости). Коэффициент зернистости используют для визуальной оценки размеров зерна фотоэмульсии, и он является показателем предельного увеличения изображений. Рассчитывают его по формуле 

  где п — увеличение, при котором визуально определяется появление зерна на увеличенном изображении.

     Вуаль — оптическая плотность не подвергнутого воздействию света (неэкспонированного) фотоматериала. Для аэропленок вуаль допускается не более 0,2.

     Разрешающая способность фотоматериала определяет способность фотоэмульсионного слоя раздельно воспроизводить мелкие близко расположенные детали фотографируемого объекта.

     Разрешающая способность зависит от размера зерна фотоэмульсионного слоя: чем больше зерно, тем меньше разрешающая способность. Современные аэропленки имеют разрешающую способность 60...250 мм^-1.

     Для получения изображений с высокими изобразительными свойствами необходимо применять мелкозернистые фотоматериалы. Мелкозернистые фотоэмульсионные слои обладают малой светочувствительностью. Однако специфика выполнения аэро- и космических фотосъемок предполагает применение высокочувствительных фотопленок. Это одна из причин, по которой аэро- и космические фотоснимки имеют ограничения в коэффициентах увеличения и резкости.

     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 1): 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.

     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.

     Основные характеристики, применяемые для оценки черно-белых фотоматериалов: светочувствительность, коэффициент контрастности, фотографическая широта, фактор зернистости и разрешающая способность используются в цветной фотографии. Естественно, что методики их определения и формулы для их расчета имеют некоторые отличия.

     Цветные изображения имеют в 2...3 раза меньшую разрешающую способность в сравнении с черно-белыми. Стоимость цветных снимков значительно больше стоимости снимков, полученных на черно-белых материалах.

     Цветные негативные фотопленки имеют маркировку ЦН и ДС, например ЦН-3, ДС-5, а спектрозональные аэрофотопленки — СН-2, СН-4, СН-23 и т. д.

     Фотобумага, применяемая в аэрофотографии, представляет собой бумажную основу с нанесенными на нее слоями сернокислого бария и фотоэмульсионным. Основу изготовляют из тонкой бумаги, картона, тисненого картона. В некоторых фотобумагах, например «фотокарт», бумажная основа «запечатана» между двумя тончайшими слоями полимерной пленки. Такая основа не размокает и практически не деформируется.

     Светочувствительность фотобумаги невелика и не имеет такого практического значения, как светочувствительность пленки, так как при печати в лабораторных условиях выдержку можно менять в широком диапазоне.

     Наиболее значимыми характеристиками фотобумаги являются полезный интервал экспозиций и средний градиент. Эти характеристики по физическому смыслу схожи соответственно с фотографической широтой и коэффициентом контрастности фотопленок.

     Фотобумага чувствительна к синим лучам спектра, поэтому ее фотохимическую обработку проводят при красном или желтом освещении. Разрешающая способность значительно превышает разрешающую способность фотопленок. 
 

Поперечный  и продольный параллаксы точек снимков

     Для получения метрической информации по паре снимков, необходимо сформулировать некоторые вводные определения.

     Совокупность проектирующих лучей, проходящих через центр проекции, называется связкой проектирующих лучей. Плоскость, проходящая через базис съемки и любой проектирующий луч, — базисная плоскость. Если этим лучом будет главный луч, то базисную плоскость будут называть главной. Очевидно, что в момент съемки любая пара соответственных лучей будет располагаться в одной базисной плоскости — условие компланарности.

     При фотограмметрической обработке снимков применяют такую систему координат: осью абсцисс служит линия, соединяющая противоположные, расположенные вдоль направления маршрута координатные метки, а осью ординат — линия, соединяющая оставшуюся пару координатных меток. Строго говоря, точка, получающаяся в пересечении указанных линий, не всегда совпадает с истинным положением главной точки. А начало координат должно находиться именно в главной точке. Величина несовпадения указывается в паспорте съемочной системы; поправки, по необходимости, вводятся в измеряемые на снимке координаты точек.

     Пара горизонтальных снимков Р₁ и Р₂, полученных с горизонтального базиса B=S₁S₂, с осями абсцисс, лежащими на одной прямой (идеальный случай съемки) в позитивном варианте, (рис.2). Отвесная линия AD (на местности — столб, заводская труба и т. п.) отобразилась на снимках отрезками a₁d₁ и a₂d₂, направленными соответственно в точки о₁ и о₂, так как точки надира n₁ и n₂ на горизонтальных снимках совмещаются с главными точками. Точки а₁ и а₂ будут иметь равные ординаты y_а1 =y_а2, так как в идеальном случае съемки след сечения снимков базисной плоскостью будет параллелен общему направлению осей абсцисс этих снимков. Аналогичное равенство будет справедливым для любой пары соответственных точек.

     Разность ординат соответственных точек пары снимков называют поперечным параллаксом точки

  y_i1   -  y_i2   = q_i 

         На реальных снимках в общем случае q≠0. Такие снимки, если величина q превышает определенные допуски, подвергают преобразованию (трансформированию). Ординаты после преобразования называют трансформированными и обозначают символами y_i1⁰ и y_i2⁰

         Для трансформированных ординат должно выполняться условие 

  y_i1⁰ - y_i2⁰ = 0 
 

  Рис.3  Координаты концов отвесной линии, изображенной на паре снимков.

     Из сказанного можно сделать вывод: поперечные параллаксы являются функцией некоторых величин, определяющих взаимное положение пары снимков (элементов взаимного ориентирования снимков). Следовательно, используя поперечные параллаксы определенного числа точек пары снимков, можно придать этим снимкам такое взаимное положение, в котором они находились в момент съемки. Свидетельством правильности выполнения этого процесса будет отсутствие недопустимых по значению поперечных параллаксов в любой точке изображения в пределах перекрытия снимков. Может быть решена и другая задача — по измеренным значениям в определенном числе точек можно определить элементы ориентирования пары снимков, используя при этом установленные взаимосвязи между поперечными параллаксами и элементами ориентирования.

     Одна и та же пара снимков в различных ракурсах показана на рисунках 2 и 3. Из них видно, что абсциссы точек изображения изменяются в зависимости от высоты их положения относительно плоскости, принятой за начальную (на рис. 2 плоскость Е). С увеличением геодезической отметки точки масштаб изображения элементов, лежащих в горизонтальной плоскости, проходящей через эту точку, будет укрупняться. Следовательно, через абсциссы точек пары снимков можно получить информацию о высотах точек и, в частности, о рельефе местности.

     Разность абсцисс пары соответственных точек на левом и правом снимках называют продольным параллаксом точки 

p_i= x_i1 - x_i2

     На реальных снимках абсциссы и соответственно продольные параллаксы будут искаженными. Следовательно, продольные параллаксы определяемых точек предварительно должны быть освобождены от искажений, т. е. трансформированы. Аналогично предыдущему трансформированные абсциссы и продольные параллаксы обозначают добавочным символом 

p_i⁰= x_i1⁰ - x_i2⁰. 
 

Факторы, обусловливающие  необходимость увеличения снимков.

     По экономическим соображениям съемку выгодно выполнять в масштабе более мелком, чем масштаб картографирования. Предел уменьшения съемочного масштаба регламентируется возможностями отображения на снимках необходимых объектов местности (деталей) и обеспечения достаточной точности выполнения метрических действий по ним. В большинстве случаев исходные снимки не обеспечивают достаточной точности, а иногда и возможности решения определенных задач.

     Линейная разрешающая способность зрительного аппарата человека для монокулярного и бинокулярного зрения при благоприятных условиях наблюдения миры абсолютного контраста соответственно составляет 20 и 40 мм^-1. При анализе реальных снимков случаи наблюдения деталей с абсолютным контрастом относительно фона очень редки. Поэтому реальная разрешающая способность зрительного аппарата уменьшается, по крайней мере, вдвое. К тому же многие из анализируемых объектов по их геометрической форме относятся к компактным (зрение первого рода). В итоге оказывается, что средняя реальная разрешающая способность зрительного аппарата при анализе снимков составляет 7... 10 мм^-1 и менее.

     Современные аэро- и космические снимки благодаря высокому качеству объективов съемочных систем, использованию компенсирующих «смаз» изображения устройств и устойчивых в полете носителей имеют разрешающую способность 60...80 мм^-1 и более. Это дает возможность соответственно в 8... 10 раз уменьшить съемочный масштаб. Дешифрируемость таких снимков доводят до нужной, увеличивая их. Здесь может быть использовано два варианта — оптическое и фотографическое увеличение.

     В первом варианте при извлечении из снимков семантической информации используют приспособления, увеличивающие изображение, — лупы, монокуляры и бинокуляры специализированных приборов. Этот вариант можно применять при дешифрировании объектов, регистрируемых на снимках внемасштабными условными знаками (колодцы, пункты геодезической опоры и т. п.), а также при наблюдении деталей, используемых в качестве индикаторов объектов, подлежащих нанесению на карту (печных труб при раздельном показе жилых и нежилых сельских построек и т. п.).

     При дешифрировании малых по площади объектов, обозначаемых на снимках границами с условными знаками внутри контура, переход к более дорогому фотографическому увеличению неизбежен, если дешифрируют непосредственно снимок. Обратимся к примеру. При создании базовых карт земель в масштабе 1:10 000 пашни, многолетние насаждения и культурные пастбища на осушаемых землях подлежат нанесению на карту, если площадь их на карте превышает 2 мм². Допустим, что участок имеет квадратную форму. Сторона участка будет равна 1,4 мм. На снимках, полученных с расчетом использования четырехкратного увеличения, размер стороны окажется равным 0,35 мм. Ограничение такого участка на контактном снимке и размещение внутри него хотя бы одного условного знака невозможны. Отметим, что в производстве используют значительно большие коэффициенты увеличения.

     Необходимость увеличения снимков обусловливается также обеспечением достаточной точности выполнения метрических работ. Такие работы возникают в основном при полевой инструментальной досъемке не отобразившихся на снимках объектов. Абсолютная погрешность фиксации концов измеряемых на снимках отрезков остается примерно постоянной при значительном (4...6-кратном) увеличении изображения. Дальнейшее увеличение кратности приводит к монотонному возрастанию погрешности. Поэтому относительная погрешность измерения отрезков на оптимально увеличенном снимке сокращается примерно пропорционально кратности увеличения.

     Очевидно, точность измерения координат точек по увеличенным снимкам с помощью дигитайзера, координатографа и других измерительных устройств будет аналогично повышаться.

Элементы  взаимного ориентирования пары снимков. 

     Взаимное  ориентирование снимков стереопары это установка их в положение, при котором любая пара соответственных лучей пересекается, то есть обеспечивается построение модели. Величины, определяющие такое положение снимков, называются элементами взаимного ориентирования (ЭвзО).

     На  практике выполнение условия пересечения соответственных лучей достигается поворотом обоих снимков или поворотами и смещениями только одного из них при неподвижном положении второго. В соответствии с этим различают две системы элементов взаимного ориентирования. В первой неподвижными считают базис фотографирования и главную базисную плоскость левого снимка; во второй – левый снимок.

     Первая  система элементов. Начало системы координат S₁X₁'Y₁'Z₁'– в центре проекции S₁ левого снимка Р₁ (рис. 4). Ось X₁' совмещена с базисом фотографирования, а ось Z₁' установлена в главной базисной плоскости левого снимка. Система координат S₂X₂'Y₂'Z₂' параллельна системе координат S₁X₁'Y₁'Z₁'.