Назначение и типы стереофотограмметрических систем

Назначение и типы стереофотограмметрических  систем

Стереофотограмметрические системы  предназначены для фотограмметрической  обработки стереопар аэро, космических  и наземных снимков.

На стереофотограмметрических  системах выполняются следующие  основные виды работ:

• определение координат и высот точек объекта;
• создание карт различного назначения;
• создание цифровых моделей рельефа;
• построение сетей пространственной фототриангуляции.

В настоящее время существуют три  основных типа стереофотограмметрических  систем:

• аналоговые;
• аналитические;
• цифровые.

В аналоговых стереофотограмметрических  системах построение фотограмметрической  модели объекта по стереопаре снимков  производится с помощью оптических или механических моделирующих системах.

В аналитических стереофотограмметрических системах построение фотограмметрической модели производится аналитически на компьютере, а для наблюдения и измерения стереопар снимков используется стереокомпаратор, являющийся составной частью аналитической стереофотограмметрической системы.

В цифровых стереофотограмметрических  системах, в отличие от аналитических, для наблюдения и измерения стереопар  снимков, предварительно преобразованных  в цифровую форму на сканере или  полученными цифровыми съемочными камерами, используется компьютер, на экране дисплея которого строится стереоизображение.

В настоящее время на производство поступают только аналитические  и цифровые стереофотограмметрические  системы. Выпуск промышленностью аналоговых стереофотограмметрических систем прекращен в 70-х годах, поэтому в настоящей главе их устройство не рассматривается.

 

Аналитические стереофотограмметрические  системы

 

 

Аналитическая стереофотограмметрическая  система, принципиальная схема которой  представлена на рисунке, содержит:

• стереокомпаратор, служащий для стереоскопического наблюдения и измерения стереопары снимков;
• компьютер;
• штурвалы Х, У, Z , служащие для задания значений координат точек фотограмметрической и внешнеориентированной моделей и для перемещения кареток снимков стереокомпаратора. В некоторых системах вместо штурвалов используют трекбол, дигитайзер или другие устройства.

Стереокомпаратор аналитической  стереофотограмметрической системы  включает бинокулярную оптическую систему  наблюдения с измерительными марками  и измерительные системы снимков  стереопары, каждая из которых содержит каретку снимка, выполненную с возможностью перемещения по осям х и у. (В некоторых системах по одной из осей перемещается наблюдательная система )

Каждая каретка снабжена датчиками  координат х и у её положения  и устройствами для её перемещения. Датчики координат и устройства перемещения кареток связаны посредством интерфейса с компьютером.

На осях вращения штурвалов  X, Y, Z установлены круговые импульсные датчики, через интерфейс связанные с компьютером. При вращении штурвалов датчики вырабатывают импульсы, число которых пропорционально углу поворота штурвалов. В зависимости от числа, скорости поступления импульсов или направления вращения штурвалов компьютер вырабатывает команды на перемещение кареток стереокомпаратора или задаёт значение пространственных координат точек модели – X, Y, Z.

При фотограмметрической обработке  стереопар снимков на аналитических  стереофотограмметрических системах выполняются следующие процессы.

1. Калибровка измерительных систем стереокомпаратора.

Калибровка выполняется с целью  определения систематических ошибок для последующего их учёта при  измерении снимков. Калибровка выполняется  при установке аналитической  стереофотограмметрической системы  и повторяется через 1-3 месяца;

2. Внутреннее ориентирование.

Этот процесс выполняется для  определения параметров положения  и ориентации снимков в каретках стереокомпаратора, а также для  определения параметров систематических  искажений снимка, вызываемых деформацией  фотоматериала.

3. Взаимное ориентирование.

Этот процесс  включает измерение координат точек на стереопаре снимков и определение значений элементов взаимного ориентирования.

4. Внешнее ориентирование.

Этот процесс  включает измерение  координат  опорных точек в системе координат фотограмметрической модели и определение значений элементов внешнего ориентирования фотограмметрической модели и элементов внешнего ориентирования снимков стереопары. Для выполнения этого процесса на аналитической стереофотограмметрической системе строится фотограмметрическая модель.

5. Измерение координат и высот точек объекта (местности).

Этот процесс выполняется при  создании карт, цифровых моделей рельефа  и решении других измерительных  задач, выполняемых по стереопаре снимков. Для выполнения этого процесса на аналитической стереофотограмметрической системе строится внешне ориентированная модель.

 

Калибровка измерительных систем стереокомпаратора АСФС

Калибровка измерительных систем стереокомпаратора производится с  помощью специальной измерительной  сетки, представляющей собой плоскопараллельную стеклянную пластину, на одной из поверхностей которой нанесена сетка крестов, координаты которых известны с высокой точностью (до 0.5 мкм) (рис 1).

Измерительную сетку закладывают  в каретку стереокомпаратора  и измеряют координаты крестов в системе координат измерительной системы .

Для исключения систематических ошибок измерительных систем обычно используют формулы аффинных преобразований

  (1)

или

  (2)

В формуле (1) и (2):

- координаты точки в системе  координат измерительной системы;

- координаты точки в системе  координат измерительной сетки  (истинные значения координат,  которые мы в дальнейшем будем  называть координатами в системе координат калибровочной измерительной системы);

-параметры аффинного преобразования;

П -матрица аффинного преобразования.

Параметры являются координатами начала СК измерительной сетки в СК измерительной системы, а посредством параметров учитывают неперпендикулярность осей СК измерительной системы и отличие масштабов датчиков координат от номинальных значений.

Каждый измеренный крест измерительной  сетки позволяет составить два уравнения поправок:

(3)

Очевидно, что для определение 6 параметров аффинного преобразования необходимо измерить не менее 3 крестов  не лежащих на одной прямой. Обычно при калибровке измеряют 25 крестов, равномерно расположенных на измерительной сетке.

Определение параметров аффинного  преобразования  производят в результате решения системы уравнений поправок (3) по методу наименьших квадратов.

По значениям поправок определяют средние квадратические ошибки измерения координат х и у (точность  измерительных систем стереокомпаратора )

, (4)

где n- количество измеренных крестов.

При последующей фотограмметрической  обработке снимков вычисление координат  точек снимка в СК  калиброванной измерительной системы производят по формулам:

 , (5)

или

,(6)

При обработки снимков на аналитической  стереофотограмметрической системе  возникает задача определения координат  точек в СК измерительной системы по значениям их координат в СК калиброванной измерительной системы.

Эти определения производят по формулам:

, (7)

или

, (8)

в которых  - элементы обратной матрицы

 

Внутреннее ориентирование снимков

 

Для фотограмметрической обработки  снимка необходимо измерить координаты точек снимка х,у в СК снимка оху. При наведении измерительной марки на точку снимка датчики координат измерительной системы стереокомпаратора фиксируют координаты этой точки в СК измерительной системы .

Зная параметры калибровки , вычисляют координаты точки в СК калиброванной системы:

Для определения координат точек х,у в СК снимка по координатам этих точек, определённым в СК калиброванной измерительной системы , обычно используют формулы аффинного преобразования:

Параметры аффинного преобразования позволяют учесть не только положение и ориентацию СК снимка в СК калиброванной измерительной системы, но и учесть систематические искажения снимка, вызываемые изменением масштабов снимка по осям х.у и неперпендикулярностью осей х и у. Эти искажения возникают из-за деформации фотоплёнки, на которой был получен снимок.

Параметры можно определить по координатам координатных меток полученным в результате их измерения на аналитической стереофотограмметрической системе и значениям координатам этих меток х,у, полученным при калибровке съёмочной камеры.

Для определения параметров для каждой координатной метки составляют уравнения

и решают полученную систему уравнений по методу наименьших квадратов.

Очевидно, что для определения  параметров необходимо измерить координаты не менее 3 меток, не лежащих на одной прямой.

При обработке снимков на АСФС возникает  задача определения координат точек снимка в СК калиброванной измерительной системы по их значениям в СК снимка.

Также определения производят по формулам:

или

В уравнениях (12) и (13) - элементы обратной матрицы .

В случае, если при калибровке съёмочной  камеры определялись калиброванные  расстояния между координатными  метками  , для определения координат точек в СК снимка по измеренным координатам точек в системе калиброванной измерительной системы используют формулы:

в которых: координаты начала СК снимка в СК калиброванной измерительной системы;

- угол разворота СК снимка  относительно СК калиброванной системы;

- коэффициенты деформации снимка  по осям х и у.

Если калиброванные расстояния между координатными метками  неизвестны, то для определения координат точек в системе координат снимка используют формулу:

Значение параметров определяют по измеренным значениям координат координатных меток в СК калиброванной измерительной системы по формулам:

в которых  - координаты 1и 2 координатных меток в СК калиброванной измерительной системы;

 (17)

в которых  - калиброванные значения расстояний между координатными метками; - координаты координатных меток в СК калиброванной измерительной системы.

Параметры определяют, как координаты точки пересечения прямых линий, проведённых через координатные метки 1-2 и 3-4 , по формулам:

  (18)

в которых:

Для определения  координат точек снимка в СК калиброванной  измерительной системы по координатам  этих точек в СК снимка используют формулы:

  (19)

в случае, если калиброванные расстояния между координатными метками известны, и формулы

 (20)

в случае, если калиброванные расстояния не известны.

 

 

Взаимное ориентирование.

Процесс взаимного ориентирования, выполняемый на аналитической стереофотограмметрической системе,  включает измерение координат точек, расположенных в стандартных зонах, на стереопаре снимков, и определение значений элементов взаимного ориентирования по измеренным координатам точек.

При измерении координат точек  стереоскопическое наведение измерительной  марки на точки снимков осуществляется с помощью штурвалов Х и  У. При вращении штурвалов Х и  У могут перемещаться одновременно два снимка стереопары или только один из снимков. Переключение режимов работы штурвалов осуществляется с помощью ножной педали. Нажатием на другую ножную педаль осуществляется фиксация координат измеренной точки в компьютере. При вращении штурвалов Х и У компьютером вырабатываются команды на перемещение кареток измерительных систем. При фиксации координат точек на стереопаре снимков в компьютер с датчиков координат положение кареток измерительной системы вводятся координаты точек левого и правого снимков стереопары в СК измерительной системы.

В компьютере по значениям координат  точек снимков  , параметров калибровки и параметров внутреннего ориентирования снимков вычисляется координаты точек снимков в СК снимков. Эти вычисления производят по формулам (6) и по одной из формул (10), (14) или (15), в зависимости от данных калибровки съёмочной камеры.

Для облегчения работы оператора в  большинстве аналитических стереофотограмметрических  систем предусмотрен режим автоматического  наведения измерительных марок  в стандартные зоны снимков стереопары. С этой целью в компьютер вводятся координаты х,у центров стандартных зон в СК снимков стереопары.

Для наведения измерительных марок  на центры стандартных зон в компьютере вычисляются их координаты в СК  измерительных систем . Эти вычисления производят по одной из формул (13),(19)или (20) и формулам (8). Затем компьютер выдаёт команду на перемещение кареток измерительной системы в положение , при котором измерительные марки наводятся на центры стандартной зоны на снимках стереопары.

После измерения координат точек  на стереопаре снимков производят определение  элементов взаимного ориентирования

 

 

 

Внешнее ориентирование модели.

Процесс внешнего ориентирования модели, выполняемый на аналитической стереофотограмметрической системе, включает измерение координат опорных точек в системе координат фотограмметрической модели и определение значений элементов внешнего ориентирования модели и элементов внешнего ориентирования снимков стереопары.

Для измерения координат точек  в СК фотограмметрической модели на аналитической стереофотограмметрической  системе стоится фотограмметрическая  модель.

Построение фотограмметрической  модели осуществляется следующим образом. При вращении штурвалов X,Y,Z компьютер вырабатывает значения координат точек фотограмметрической модели . По значениям координат и значениям элементов внешнего ориентирования снимков стереопары в СК фотограмметрической модели для каждого снимка стереопары вычисляются координаты х, у изображений точки модели. Эти вычисления производятся по формулам:

 (21)

 в которых 

Затем по одним из формул (13), (19) или (20) и по формулам (8) по значениям параметров калибровки измерительных систем и значениям параметров внутреннего ориентирования снимков для каждого из снимков стереопары вычисляются значения координат изображений точки модели в системах координат измерительных систем компьютер выдаёт команду на перемещение кареток снимков и в результате измерительные марки наводятся на снимках на изображения точки фотограмметрической модели, координаты которой были заданы с помощью штурвалов X,Y,Z.

Для измерения координат  опорной точки в СК фотограмметрической модели оператор с помощью штурвалов X,Y,Z наводит стереоскопически марку на опорную точку на стереомодели. При нажатии на ножную педаль осуществляется фиксация координат измеренной опорной точки.

По измеренным значениям координат  опорных точек в СК фотограмметрической  модели и значениям координат  этих точек в СК объекта производят определение элементов внешнего ориентирования модели и элементов внешнего ориентирования снимков стереопары.

Для облегчения работы оператора в  некоторых аналитических стереофотограмметрических  системах после измерения трёх опорных  точек производят определение значений элементов внешнего ориентирования модели и элементов внешнего ориентирования снимков стереопары, а на остальные опорные точки осуществляется автоматическое стереоскопическое наведение измерительной марки. Это производится следующим образом. По координатам опорной точки X,Y,Z в СК объекта и элементам внешнего ориентирования снимков стереопары в этой же системе координат по формулам (21) вычисляются координаты х,у изображений опорных точек для каждого из снимков стереопары в системах координат снимков. Затем также, как и при построении фотограмметрической модели по значениям параметров калибровки измерительных систем и параметрам внутреннего ориентирования снимков вычисляются координаты  изображений опорных точек в системах координат измерительных систем и компьютер выдаёт команды на перемещение кареток снимков в положение, при котором измерительные марки наводятся на изображение опорных точек на снимках стереопары. Оператор с помощью штурвалов X,Y,Z только уточняет наведение марки на изображение опорной точки на стереомодели и фиксирует её координаты в системе координат модели.

После измерений каждой опорной  точки вычисление значений элементов  внешнего ориентирования модели и элементов  внешнего ориентирования снимков в  СК объекта повторяется.

 

 

 

Измерение координат и высот  точек.

Для измерения координат и высот  точек объекта на аналитической  стереофотограмметрической системе  строится внешне ориентированная модель.

Особенностью построения внешне ориентированной  модели является то, что при вращении штурвалов X,Y, Z компьютер вырабатывает значения координат точек объекта в вспомогательной системе координат объекта , ось и начало системы координат которой совпадают с осью Z и началом СК объекта OXYZ, а оси развёрнуты относительно осей Х и Y на угол разворота системы координат фотограмметрической модели относительно системы координат объекта OXYZ. (рис)

По значениям координат точек  объекта в вспомогательной СК вычисляются координат этих точек в СК объекта OXYZ по формулам:

  (22)

или

  (23)

Затем так же, как и при построении фотограмметрической модели по значениям координат X,Y, Z точки объекта, значениям элементов внешнего ориентирования снимков в СК объекта и значениям параметров внутреннего ориентирования снимков и параметров калибровки измерительных систем вычисляются координаты точек снимков в СК измерительных систем и компьютер выдаёт команды на перемещение кареток в положение, при котором измерительные марки наведены на изображение точки объекта на снимках.

Для измерения координат и высот  точек объекта оператор штурвалами X,Y,Z наводит стереоскопически измерительную марку на точки стереомодели и фиксирует их координаты в СК объекта OXYZ.

Вспомогательная система координат  введена для того, чтобы при вращении штурвалов X,Y измерительная марка на стереомодели перемещалась приблизительно параллельно осям х и у систем координат снимков.

На аналитических стереофотограмметрических  системах можно создавать регулярные цифровые модели рельефа (ЦМР) в виде сетки квадратов на местности  и ЦМР в виде параллельных профилей.

При создании ЦМР в виде сетки  квадратов в компьютер вводятся значения координат X и Y всех точек  ЦМР в СК объекта OXYZ. При определении  высот точек ЦМР для каждой из точек по её координатам X,Y и координате Z, заданной штурвалом, вычисляются  координаты изображений соответствующих точек на снимках в системах координат измерительных систем и выдаются команды на перемещение кареток. Оператор одним из штурвалов наводит стереоскопически измерительную марку на точку стереоскопической модели по высоте и фиксирует значение координаты Z точки цифровой модели.

При создании ЦМР в виде параллельных профилей в компьютер вводятся координаты начальных и конечных точек профилей и дирекционный угол осей профилей (рис). Затем производится определение координат и высот точек каждого из профилей. С этой целью компьютер вычисляет координаты X и Y точек профиля по расстояниям d от начальной точки профиля до определяемой точки. Вычисление координат X,Y точек профиля производится по формулам:

  (24)

Оператор одним из штурвалов  задаёт скорость изменения величины расстояния d, а другим – высоту точки  модели Z. По координатам X,Y,Z точек профиля  вычисляются координаты их изображений  в СК измерительной системы и выдаются команды на перемещение кареток. Наблюдая стереоскопическую модель, оператор совмещает марку с поверхностью объекта. Фиксация координат точек профиля X, Y, Z производится автоматически через заданные интервалы расстояний между точками профиля или через заданные интервалы высот точек профиля. Таким же образом можно строить профили между любыми точками объекта.

В некоторых аналитических стереофотограмметрических  системах, например, АФС «Стереоанаграф»  построение фотограмметрической и  внешне ориентированной моделей производится иначе, чем изложено выше. В этих системах штурвалы X, Y выдают команды на перемещение одного из снимков стереопары по осям измерительной системы этого снимка, а штурвал Z задаёт высоту точки объекта в СК объекта (или фотограмметрической модели). По значениям координат снимка в СК измерительной системы, поступающим в компьютер с датчиков координат, значениям параметров калибровки измерительной системы и значениям параметров внутреннего ориентирование снимка вычисляются координаты х, у точки снимка в СК снимка, а затем по значениям элементов внешнего ориентирования снимка и значению координаты Z точки объекта, задаваемой штурвалом Z, вычисляются координаты X,Y точки объекта по формулам:

 (25)

в которых

Затем по формулам (21) по значениям  координат X, Y, Z объекта и значениям  элементов внешнего ориентирования второго снимка стереопары вычисляют  значения координат х, у изображения  точки на втором снимке в СК снимка, а по значениям параметров измерительной системы и параметрам внутреннего ориентирования снимка вычисляются координаты изображения этой точки в системе координат измерительной системы и компьютер выдаёт команды на перемещение каретки снимка. Оператор для измерения координат точек модели с помощью штурвалов X,Y,Z наводит измерительную марку на точку стереомодели и производит фиксацию координат X,Y,Z точек модели.

Недостатком этого метода построения модели является невозможность его использования для построения регулярных цифровых моделей рельефа и автоматического наведения измерительной марки на точки стереомодели по заданным значениям координат этих точек в системе координат объекта. Другим недостатком является то, что при изменении штурвалом значения высоты точки объекта Z изменяются значения её координат X и Y.