Фотограмметрия как наука и ее связь с другими дисциплинами

1. Фотограмметрия как наука и ее связь с другими дисциплинами.

Фотограмметрия – это дисциплина занимающаяся изучением свойств  изображения объектов и методов  их отработки с целью определения  формы, размеров, пространственного  положения  и изменения во времени  этих объектов.

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.

Фотограмметрический снимок – это  изображение объекта зафиксированное на материальном носителе в аналоговом или цифровом виде, используемый для целей фотограмметрической обработки.

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.

2.  Понятие спектрометрирования. Технология спектрометрирования.

Космическая фотограмметрия – изучает методы исследования объектов по космическим снимкам, по материалам искусственных спутников Земли, изучают состав поверхности Земли  для различных  целей: прогнозирование  погоды, полезных ископаемых, определение  характеристик снежного покрова, кроме  того по космическим снимкам исследуют  небесные тела: Луну, Венеру, Марс, создают  карты поверхностей этих тел.

Эти фоторгамметрические методы применяются для изучения не только в оптическом диапазоне электромагнитного спектра, но и в радио и ренгеновском диапазоне.

3. Контактная и  проекционная печать.

Существует два способа печати: контактный и проекционный.

При контактном способе печати фотографическая бумага помещаете и вплотную к негативу; отпечаток получается того же размера, что и негатив. При проекционном способе печати негатив помещается в увеличитель, при помощи которого изображение может быть увеличено в любое число раз; на практике большей частью используют линейное увеличение до 10—20 раз. 
        Проекционная печать в настоящее время является основным способом печати при съемке пленочными камерами, так как она имеет ряд преимуществ. При увеличении размер и формат отпечатка не связаны с размером и форматом негатива; можно отпечатать не все негативное изображение, а только часть его. Увеличение позволяет легко исправить ряд недостатков негатива, которые при контактной печати будут неизбежно переданы на отпечатке с механической точностью.  
       Контактный способ печати позволяет получить большую резкость изображения и поэтому используется в основном в научной, технической и репродукционной фотографии. Для этих целей обычно используются негативы размером 9×12 см и более. При съемке пленочными камерами контактным способом можно делать отпечатки с негативов 6×6 и 6×9 см, а также пробные отпечатки с малоформатных негативов.

4. Стереоскопическая съемка. Стереоскопический эффект.

      Если стереоскопическая съемка выполняется двумя отдельными фотоаппаратами или одним фотоаппаратом путем его смещения, необходимо позаботиться о том, чтобы их оптические оси были параллельны, а базис был горизонтален и имел достаточную величину. Установлено, что острота стереоскопического восприятия пространства зависит от величины базиса.       Чем больше базис, тем более удаленные предметы воспринимаются объемными, однако ближние предметы при больших базисах стереоскопически воспринимаются хуже. Поэтому практически величину базиса Б выбирают, исходя из расстояния до ближайших предметов L по формуле.

      Чаще всего стереоскопическую съемку выполняют малоформатными фотоаппаратами, имеющими кадр 24x36 или 18X24 мм и объективы с фокусными расстояниями 40—60 мм. Их удобно размещать на штативе, с привинченной горизонтальной планкой, на которой устанавливаются два фотоаппарата или перемещается один фотоаппарат. Неплохие стереоскопические снимки неподвижных объектов можно получить одним фотоаппаратом без штатива, смещая фотоаппарат (на величину базиса) перенесением тяжести тела с одной ноги на другую. Незначительная непараллельность оптических осей обоих кадров не ухудшает стереоскопического эффекта.

Расстояние между зрачками человека в среднем равно 65 мм и называется нормальным глазным базисом. Пользуясь  приведенной формулой, нетрудно вычислить  расстояние до ближайших объектов, воспринимаемых стереоскопически: L = = 50Б = 50-65 = 3250 мм = 3,2 м. В большинстве случаев объекты съемки находятся от фотоаппарата па большем расстоянии, поэтому величину базиса съемки Б = 65 мм можно считать наиболее употребительной и стереофотоаппараты промышленного изготовления имеют базис, близкий к этой величине. Вместе с тем, как уже упоминалось, очень удаленные объекты лучше воспринимаются при большей величине базиса. Поэтому для съемки архитектурных ансамблей, удаленных ландшафтов базис съемки целесообразно увеличивать, иногда до нескольких метров. Можно получать стереоскопические изображения и близко расположенных малых объектов в случае макро- и микросъемки при соответственном уменьшении базиса фотографирования. Процесс получения негативов и позитивов для стереоскопических наблюдении ничем не отличается от обычного.

Рассматривать стереоскопические  изображения можно различными способами. Наилучший стереоэффект наблюдается  в стереоскопах, позволяющих одному наблюдателю видеть увеличенное  стереоскопическое изображение.

Стереоскоп состоит из рамки, в  которой устанавливаются два  отпечатка или диапозитива, правый и левый, линз-окуляров и планки, закрывающей правое изображение  от левого глаза и левое от правого.

Стереоскопы обычно дают возможность  видеть стереоизображение только одному наблюдателю, поэтому для наблюдения стереоизображений несколькими  зрителями разработаны и другие способы стереоскопического наблюдения.

Способ анаглифов заключается в том, что правое и левое изображения одновременно проецируются на белый экран через красный и зеленый светофильтры соответственно. Зритель наблюдает изображение через очки, правое стекло которых является красным светофильтром, а левое — зеленым, благодаря чему правый глаз видит только правое изображение, а левый — только левое. Таким образом выполняется основное условие раздельности наблюдения правым и левым глазом.

Аналогично наблюдают стереоизображение  с помощью поляризационных светофильтров. В этом способе на объективы проектора  надеваются поляризационные светофильтры, плоскости поляризации которых перпендикулярны. Изображение на экране рассматривают через очки также с поляризационными фильтрами, плоскости поляризации которых установлены так, что правый глаз видит только правое изображение, а левый только левое, и возникает стереоэффект.

Существуют и другие способы  коллективного восприятия стереоскопических  изображений, в том числе и  стереоскопического кино, однако все  эти способы не получили массового  распространения.

5. Отличие реального  снимка от идеальной центральной  проекции.

Центральная проекция - проекция участка местности на плоскость аэро- или космо снимка, полученная с помощью проектирующих лучей, проходящих через центр проекции (точку фотографирования).

При картографировании земной поверхности  используют различные картографические проекции. Задачи организации территорий, земельного и городского кадастра, инженерных изысканий удобнее решать по планам, созданным по законам ортогонального проецирования, — точки элементов ситуации при этом проецируют на горизонтальную плоскость отвесными линиями с одновременным масштабированием результатов. 
На снимках, полученных с помощью кадровых съемочных систем, изображение, как отмечалось ранее, строится по законам центрального проецирования. Проектирующие лучи здесь представляют собой пучок линий, проходящих через единую точку — центр проекции.

Построение  изображения какого-либо предмета или  объекта на избранной поверхности  по определенному закону называется проектированием, а его результат  – проекцией.

6. Определение высот (глубин) объектов, крутизны склонов участков местности с помощью измерительных стереоскопов и стереокомпараторов.

Если по снимкам получают объемное трехмерное изображение объекта  и измерение производят на трехмерной модели, то это стереофотограмметрические методы (от греческого слова стерео – пространство).

Для применения стереофотограмметрических  методов, съемку объекта производят специальным образом. Снимки получают с разных точек пространства, так  чтобы одна и та же территория (объект) изображались на 2 или более снимках.

При использовании зеркально-линзового стереоскопа, его устанавливают перед экраном дисплея, в левой части которого формируют изображение фрагмента левого, а в правой части – правого снимка стереопары.

Анаглифический метод заключается в следующим: на экран дисплея одновременно выводятся наложенные друг на друга фрагменты левого и правого снимков стереопары, первый из которых окрашивает в синий, а второй – красный цвет.

Перед левым глазом оператора  устанавливают красный светофильтр, о перед правым – синий. В этом случае оператор левым глазом наблюдает только левый снимок, а правым только правый.

Возможна также комбинация красного и зеленого, зеленого и  синего светофильтров.

В затворах очках перед  глазами наблюдателя установлены  жидкокристаллические фильтры, которые  при подаче на них напряжения при  команде компьютера становится непрозрачными. Стереоскопическое наблюдение снимков при их использовании проводится следующим образом: на экране дисплея попеременно выводятся фрагменты левого и правого снимков стереопары.

При выводе левого изображения  правый фильтр непрозрачен, а при  вводе правого  - становится непрозрачным левый фильтр затворных очков.

При использовании поляроидного метода, на экран выводится попеременно фрагменты левого и правого снимков стереопары. При выводе левого снимка ось поляризации экрана устанавливается параллельно оси поляризации левого фильтра очков.

Особенности дешифрирования снимков с использованием стереоскопов.

•        на снимках находят отражение не все, а только определенные свойства объектов (некоторые свойства оказываются утерянными, другие — частично искаженными);

•        объект представлен на снимке в обобщенном виде (отсутствуют многие детали);

•        на снимке запечатлен только определенный момент состояния объекта, в то время как мы воспринимаем окружающий мир в развитии;

•        изображение на снимке одного и того же объекта изменчиво в зависимости от многих факторов;

•        на снимке изображаются объекты, не видимые с земли из- за слишком большого размера;

•        изображение на снимках не соответствует привычному для нас виду, так как необычен ракурс наблюдения (сверху).

7. Технология цифровой  фотограмметрической обработки  одиночного снимка.

Фотограмметрическая обработка  одиночного снимка заключается:

1. Подготовительные работы:

- получение исходных материалов,

- переобразование снимка в цифровую форму на сканере (для цифрового снимка этот процесс не выполняется),

- введение снимка в  компьютер,

- формирование проекта  на компьютере,

- формирование опорной  информации,

- формирование файла параметров  фотокамеры.

2. Ориентирование снимка:

- внутреннее ориентирование  снимка,

- внешнее ориентирование  снимка.

3. ортофототрансформирование.

4. Съемка контуров и  камеральное дешефрирование на трансформированном снимке.

5. Построение МВ используя горизонтали на карте.

Здесь  приведена технологическая  схема фотограмметрической обработки  одиночного снимка, в результате которой  можно создать фотоплан и выполнить  по нему съёмку (векторизацию) контуров. Такой вариант возможен для открытой равнинно-всхолмленной местности при наличии населённых пунктов с малоэтажной застройкой.

Подготовительные работы выполняются  так же, как и для двух и более  снимков. Внутреннее ориентирование снимка также выполняется аналогично, как  и при большем количестве снимков. При выполнении внешнего ориентирования на снимке измеряют только плановые координаты и вычисления ориентации снимка в  пространстве выполняют по формулам для одиночного снимка.

Для ортофототрансформирования используется программа, которая используется и при большем количестве снимке. Отличие состоит в том, что линии разреза не намечают, а указывают площадь, в пределах которой нужно выполнить ортофототрансформирование. Обычно это рабочая площадь снимка. Что касается матрицы высот, то она создаётся отдельно, т. к. по одному снимку нельзя измерить высоты на местности. Для её построения можно использовать карту меньшего масштаба, чем предполагаемый масштаб трансформированного изображения. С карты сканируют горизонтали, и по ним строят матрицу высот.

Получив трансформированное изображение, оператор приступает к съёмке контуров (их векторизации). Особенность состоит  в том, что контуры объектов должны совпадать с ортогональной проекцией, как это требуется при создании планов (карт). Прежде всего, это касается строений. Их очерчивают по крышам, а  затем смещают на положение видимого основания здания.

8. Ортофотоплан. Принципы ортофототрансформирования.

Ортофотоплан, фотографический план местности на точной геодезической опоре, полученный путём аэрофотосъёмки с последующим преобразованием аэроснимков (из центральной проекции в ортогональную) на основе эффективного метода их дифференциального ортофототрансформирования, разработанного в середине 60-х гг. 20 в. Последний, в отличие от известного метода трансформирования аэроснимков по зонам , рассчитан на автоматизированное устранение искажений аэроснимка (обусловленных рельефом местности и отклонениями оси аэрофотоаппарата от вертикали при съёмке) путём последовательного проектирования трансформируемого изображения возможно малыми участками с помощью специальных приборов — ортофотопроекторов. Аэроснимки, преобразованные данным методом (т. н. ортофотоснимки), позволяют составить О. на любые районы, что существенно расширяет применение аэро-фотосъёмочных материалов при топографических, геологических и др. проектно-изыскательских работах.

Цифровое ортофототрансформирование снимков является одной из основных операций обработки цифровых снимков на ЦФС. Исходное цифровое изображение состоит из элементарных участков-пикселей, которые трансформируют каждый в отдельности с использованием значений элементов ориентирования снимка и данных матрицы высот.

Для выполнения цифрового ортофототрансформирования снимка необходимо ввести в компьютер: 1) снимок в цифровой форме, 2) данные фотокамеры, 3) каталог опорных точек или элементы внешнего ориентирования снимка, 4) матрицу высот.

Если после фототриангуляции для трансформируемых снимков были получены элементы ориентирования, то сразу приступают к цифровому ортофототрансформированию снимков. Если же элементы ориентирования снимков не известны, то сначала выполняют внутреннее и внешнее ориентирования снимков, а затем переходят к их цифровому ортофототрансформированию.

9. Требования к точности  планов и карт.

В качестве кадастровых картографических документов используются карты и  планы.

Основные требования к  содержанию карт и планов земель:

- особое внимание должно  уделяться правильности показа  границ землепользования и землевладений,  характеристике земель, расположенных  на картографируемой территории,

- объем топоргафической информации должен обеспечить: достаточно точную пространственную привязку специальных сведений о землях; свободное ориентирование на местности при выполнении полевых работ; возможность принятия правильных проектных решений и вынесение проекта в натуру.

Фотопланы (ортофотопланы) несут большую контурную нагрузку, поэтому они широко используются для решения широкого круга задач кадастра.

Фотокарты представляют собой растровое изображение, полученное в проекции топографической карты и с требуемой точностью в плане и по высоте, с нанесённой на него кадастровой информацией.

Технологии создания перечисленных  кадастровых картографических документов такие же, как и при создании аналогичных топографических материалов. Особенность состоит в том, что  на них горизонтали либо не изображаются, либо изображаются с меньшей точностью. В связи с этим можно не проводить  съёмку рельефа, а горизонтали перенести  с карты более мелкого масштаба.

Периодичность обновления картографических документов зависит от назначения этих документов и степени их старения.

1. Если изменения контуров коснулись более 30% контурной нагрузки кадастровой карты (плана), то её создают заново.

2. Если же изменения контуров не превышают 30%, то производят обновление карты (плана).

Технологические схемы обновления кадастровых карт (планов) аналогичны применяемым схемам при обновлении топографических карт. Для этого  используют материалы как новой  аэро - или наземной стереофототопографической съёмки, так и наземной геодезической съёмки. Перенесение новой ситуации со снимков на план выполняют на ЦФС. Координаты опорных точек могут быть взяты из материалов прежних съёмок, если эти точки надёжно опознаются на снимках новой съёмки. Если на кадастровой карте нужно обновить рельефную часть, то горизонтали переносят на неё с обновлённой топографической карты.

10. Технология визуального  дешифрирования.

Визуальное дешифрирование — начальный и один из самых  ответственных этапов сложного процесса интерпретации материалов дистанционного зондирования. От него во многом зависят научный уровень, практическая ценность и экономическая эффективность использования конечных результатов исследования.

Визуальное дешифрирование - это  процесс, выполняемый исполнителем независимо от того, в каком виде представлен снимок (фотоотпечаток, изображение на экране монитора, изображение  на специальных приборах).

Визуальное дешифрирование использует 2 вида восприятия:

. Зрительное восприятие,

. Логическое восприятие.

Зрительное восприятие - условно  делится на восприятие:

а) Яркости,

б) Цвета,

в) Размера,

г) Объема.

Восприятие яркости - это величина физиологическая. Она характеризует  ощущение света человеком в противоположность  яркости, реально существующему  свойству окружающего мира.

Это восприятие основывается на способности  воспринимать яркостные различия, которую  принять характеризовать пороговыми значениями световой чувствительности зрения.

Восприятие цвета. Цвет - это ощущение человека, возникающее при восприятии света с различными длинами волн. Глаз воспринимает диапазон волн от 0,39 до 0,70 мкм. Цветовой порог (или цветовая чувствительность) для разных участков спектра разный, например наиболее чувствителен глаз:

Днем - к желто-зеленому участку  спектра,

При электрическом освещении - к  оранжевому и красному.

Зависимость восприятия цвета от площади  объекта:

На малых полях - цвет разрушается.

Для того чтобы определить цвет объекта, его площадь должна в 2-3 раза превышать  размер, при котором он обнаруживается.

Цвет с трудом поддается измерениям. Применяют понятия: тон, насыщенность, светлота.

Восприятие размера. Способность  глаза различать детали характеризуется  «остротой зрения» - это минимальный  угол, под котором видно 2 точки или 2 линии раздельно. Обычно это 20-45 сек.

Восприятие объема (стереоскопическое  восприятие). Стереоскопическим восприятием  называется зрительное представление  об объемности предметов и их пространственном расположении. Рассматривают объект (на 2 снимках) обоими глазами - возникает  «стереоскопическая модель». Глазной  базис человека (расстояние между  глазами) - от 55 до 75 мм. (среднее 65 мм).

Приборы для визуального восприятия:

Увеличительные приборы - лупы (обзорные, штативные, измерительные),

Стереоскопические приборы (получение  объемного изображения) - Линзово-зеркальный стереоскоп ЛЗС-1 (поле зрения 12 см. и  увеличение 1,4 крат); интерпретоскоп (для дешифрирования снимков 30Х30 или 23Х23 см.). Имеет возможность разного увеличения (2-15 крат) и для каждого снимка,

Приборы для преобразования изображения,

Синтезирующие проекторы,

Комплексы синтезирующей аппаратуры.

При визуальном дешифрировании многозональных снимков применяют 3 приема:

. Дешифрирование одного зонального снимка - проводится в случае, когда одна из съемочных зон в наибольшей степени удовлетворяет поставленной задаче. Обычно - снимок в ближней инфракрасной зоне (хорошо дешифрируемые спектр воды, растений - темный).

. Дешифрирование серии зональных  снимков,

. Дешифрирование цветного синтезированного  снимка.

11. Технология дешифрирования  при создании базовых мелкомасштабных  карт земель.

При дешифрировании материалов аэрофотосъемки для составления базовых карт земель установлены требования к  точности нанесения элементов.

При составлении базовых карт земель на межселенные территории в порядке  генерализации информации элементы ситуации не дешифрируют, если площадь их в масштабе плана не превышает:

- для пашни, многолетних насаждений  и культурных пастбищ на орошаемых  и осушенных массивах, а также  для других угодий и несельскохозяйственных  земель, вкрапленных в перечисленные  угодья, - 2мм;

- тех же объектов на немелиорированных землях – 4мм;

- остальных сельскохозяйственных  угодий, а также вкрапленных в  них несельскохозяйственных земель  – 10мм;

- различающихся по качественным  признакам сельскохозяйственных  угодий, а также несельскохозяйственных  земель – 50мм;

- различающихся по характеристикам  участков древесной и кустарниковой  растительности в общем массиве  – 100мм.

Озера, пруды, мочажины дешифрируют  независимо от их площади.

При дешифрировании гидрографических объектов показывают береговые линии  всех естественных искусственных водоемов, гидротехнические сооружения, а так же ключи, родники, сухие канавы.

На дешифрируемых материалах показывают все дороги. Все железные дороги, так же, как и автомобильные, показывают одним условным знаком.