Создание и пополнение топографических планов и карт с использованием результатов дистанционного зондирования Земли

    Элементами внешнего ориентирования называют величины, определяющие положение плоскости аэроснимка в момент фотографирования относительно системы координат местности. В фотограмметрии используются три таких системы, различающиеся выбором секущей плоскости и системой отсчета углов.

    Во  всех трех системах по шесть  элементов внешнего ориентирования, из которых три (Xs, Ys, Zs) определяют пространственное положение центра фотографирования S относительно фотограмметрической системы координат местности OXYZ и называются линейными. Три оставшихся элемента называются угловыми, поскольку они определяют положение плоскости снимка относительно той же фотограмметрической координатной системы, или, иначе, взаимное положение двух промежуточных координатных систем SXYZ и Sxyz.

  В первой  системе элементов внешнего ориентирования (рис. 3) секущая плоскость проводится через главную оптическую ось So и ось SY фотограмметрической системы SXYZ. Угловыми элементами внешнего ориентирования в этой системе являются:

a- продольный угол наклона, отсчитываемый в отвесной плоскости SXZ   между осью SZ и проекцией главного оптического луча So на плоскость SXZ;

ω- поперечный угол наклона, лежащий в наклонной плоскости SoY между главным оптическим лучом So и его проекцией на плоскость SXZ;

c - угол поворота в плоскости снимка между осью у и следом сечения

плоскости SoY.

    Во  второй системе элементов внешнего ориентирования (рис. 3) секущая плоскость проводится через главную оптическую ось So и ось SX фотограмметрической системы SXYZ. Линейные элементы внешнего ориентирования в этой системе аналогичны принятым в первой системе, а в качестве угловых элементов используются величины:

j - продольный угол наклона, отсчитываемый в наклонной плоскости SoX между главным оптическим лучом So и его проекцией на плоскость SYZ;

w - поперечный угол наклона, отсчитываемый в отвесной плоскости SYZ между осью SZ и проекцией главного оптического луча So на плоскость SYZ; k- угол поворота в плоскости снимка между осью х и следом сечения плоскости SoX.

В третьей системе  элементов внешнего ориентирования (рис. 3) секущая плоскость проводится через главную оптическую ось So и ось SZ фотограмметрической системы SXYZ. Линейные элементы внешнего ориентирования аналогичны принятым в первых двух системах, а к угловым элементам относятся:

aс – суммарный угол наклона, отсчитываемый в отвесной плоскости главного вертикала SoZ между осью SZ и главным оптическим лучом So;

t – дирекционный угол проекции главной вертикали, отсчитываемый в плоскости OXY между осью X и проекцией главной вертикали;

c¢ - угол поворота снимка, отсчитываемый в плоскости снимка между осью x и главной вертикалью.

    Связь угловых  элементов названных систем описывается  следующими приближенными зависимостями:

.

    Угол поворота c¢ не соответствует ни c, ни k, так как не связан ни с осью SX, ни с осью SY.

    При построении  фотограмметрической модели после внутреннего ориентирования снимков выполняют:

• перенос на снимки опорных точек с известными координатами 
  X, Y, Z в системе местности;
• ввод элементов внешнего ориентирования снимков Хs, Ys, Zs, 
  a, w, c (при их наличии);
• выбор связующих точек в зоне поперечного и тройного продольного перекрытий, необходимых для связи смежных маршрутов и смежных моделей маршрута соответственно;
• выбор точек для подписи на карте высот, урезов-вод и др., согласно требованиям действующих нормативных документов;

• выбор дополнительных точек в шести стандартных зонах для повышения точности взаимного ориентирования и соединения смежных моделей.

Все точки, (опорные, связующие, урезы вод и др.), намечают на одном снимке; а перенос их на другие снимки того же или смежного маршрута выполняют в стереорежиме или с помощью коррелятора. Если, например, часть точек для взаимного ориентирования уже намечена, то для облегчения стереоскопических наблюдений возможно построение эпиполярных изображений, на которых отсутствуют поперечные параллаксы, и измерения выполняются увереннее.

Точки, положение  которых на снимке не является жестким (например, дополнительные точки в стандартных зонах для определения элементов взаимного ориентирования, или в зонах тройного продольного перекрытия для связи смежных моделей) могут быть нанесены на снимки автоматически, по заданному размеру стандартной зоны и число точек в ней.

    Пространственной фототриангуляцией называют метод камерального сгущения съемочного обоснования путем построения и уравнивания фотограмметрической сети. Координаты точек, получаемые в результате уравнивания сети, используются для составления топографических карт, планов, фотопланов и иных документов. Основной целью пространственной фототриангуляции является максимальное сокращение объема полевых геодезических работ.

    Сущность метода заключается в следующем.

    Пусть из точек S₁, S₂, S₃ и S₄ (рис. 5) получены снимки Р₁, Р₂, Р₃ и Р₄.Установим эти снимки в то положение, которое они занимали в момент фотографирования и обратим внимание на следующее.

     1.  Все проектирующие лучи проходят через центры фотографирования и точки аэроснимков. Значит, связки внутренне ориентированы.

     2. Пары соответственных проектирующих лучей S₁21 и S₂21, 
S₂01 и S₂01, S₂22 и S₃22, и др., пересекаются в точках 01, 02, ..., 24, 
т. е. все они компланарны, лежат в базисных плоскостях. Следовательно, пары снимков взаимно ориентированы.

    3. Тройки проектирующих лучей S₁02, S₂02 и S₃02; S₁12, S₂12, 
S₃12 и др. пересекаются в точках 02, 12, 22, ..., 04, 14, 24. Значит, построенные по стереопарам Р₁ и Р₂, Р₂ и Р₃, Р₃ и Р₄ и др. фотограмметрические модели имеют единый масштаб и представляют единую модель маршрута в свободной системе координат.

Нужно отметить, что до сих пор информации о  системе координат местности

 не востребована, и свободная модель маршрута (маршрутная  сеть) построена только по фотограмметрическим данным.

4. Проектирующие лучи S₁01, S₁21, S₄04 и S₄24 проходят через 
опорные точки 01, 21, 04 и 24. Значит, фотограмметрическая система 
координат совмещена с геодезической, и маршрутная сеть ориентирована по опорным точкам.

  Таким образом,  можно сделать вывод о том,  что для построения фототриангуляционной  сети нужно выполнить следующие  операции:

• внутреннее ориентирование снимков;
• взаимное ориентирование снимков исходя из условия компланарности соответственных векторов;
• определение фотограмметрических координат точек модели 
  (построение начального звена);
• построение следующего звена (взаимное ориентирование, определение фотограмметрических координат точек) и объединение 
  его с предыдущим по точкам связи в зоне тройного про 
  дольного перекрытия;
• внешнее (геодезическое) ориентирование маршрутной сети по 
  опорным точкам и перевычисление фотограмметрических координат точек в систему местности, которое выполняется после построения сети в свободной системе координат.

   Методы построения фототриангуляционных сетей могут быть классифицированы по нескольким основаниям.

    В зависимости от назначения различают два вида фототриангуляции: заполняющая и каркасная. Заполняющая фототриангуляция строится по снимкам площадной аэрофотосъемки, а каждый маршрут обеспечивается опорными точками. Каркасная фототриангуляция строится по снимкам каркасных маршрутов, представляющих собой одиночные маршруты по краям основных и обеспечивающих заполняющую фототриангуляцию, построенную по снимкам площадной аэрофотосъемки, опорными точками.

    В зависимости от количества маршрутов, используемых для построения фототриангуляционной сети, различают фототриангуляцию маршрутную и блочную.

    Маршрутная фототриангуляция строится по снимкам одного маршрута, обеспеченного опорными точками для его внешнего (геодезического) ориентирования и учета систематической деформации.

    Блочная фототриангуляция строится одновременно по двум и более маршрутам. В этом случае нет необходимости обеспечивать опорными точками каждый маршрут, и достаточно иметь несколько точек на весь блок. Это обстоятельство, а также использование межмаршрутных связей для совместного уравнивания с другими измерениями повышает точность получения окончательных результатов.

    В зависимости  от применяемых технических средств, различают фототриангуляцию аналоговую и аналитическую.

    Аналоговая фототриангуляция основана на применении универсальных стереофотограмметрических приборов, с помощью которых можно создавать общую модель маршрута. С этой целью строятся отдельные модели и объединяются в общую сеть по связующим точкам в зоне тройного продольного перекрытия, измерение которых выполнено в процессе построения моделей.

    Аналитическая фототриангуляция основана на использований строгих математических зависимостей между координатами точек аэроснимка и местности. Ее построению предшествует измерение координат и параллаксов точек снимков на высокоточных стереокомпаторах, а использование ЭВМ для их обработки открывает возможности как учета всех искажений точек, выражающихся математическими зависимостями, так и применения строгих методов уравнивания результатов измерений методом наименьших квадратов.

   

    Внешнее ориентирование  выполняется следующим образом:

1. определение опорных точек

Edit→ Point Measurement→ Classic→ OK, после чего внизу появляются 2 поля: пространственные координаты, в правом окне – координаты на растре. 

Пользуясь функцией Add, добавляем 7 точек: 2 контрольные (Check 2001, 2002) и 5 опорных (Control: 1002, 1003, 1004, 1005, 1006), указав Type - Full (известны все координаты точки). Вводя координаты X,Y,Z данных точек (Прил. А), далее «накладываем» их на снимок. Для облегчения работы, после того, как были нанесены две или три точки, можно воспользоваться функцией автоматического ориентирования automatic tie properties.

2. Определение связующих точек автоматически и вручную

    Связующими  точками понимают точки, задающие связь между двумя снимками и более. Связующие точки находятся в области перекрытия снимков, нужны для взаимного ориентирования снимков, используются в пространственной фототриангуляции.

    Связующие точки  можно нанести вручную, выбрав  функцию Add и пиктограмму Create Point. Так же можно воспользоваться автоматической функцией определения связующих точек Automatic Tie Point Generation Properties: Edit→ Point Measurement→ OK. Нажав пиктограмму    Automatic tie properties, задают свойства функции: Images Used: All Available

                                                              Initial Type: Exterior/Header/GCP

                                                              Image Layer.

    Strategy (размеры окон корреляции и поиска): correlation size 7х7pxl

                                                                                    search size 21х21pxl.

    Distribution (расположение) Find Point With: Default Distribution

    Intended Number of Point/Image: 25→ Run

    При автоматическом определении связующих точек программа находит какую-либо точку в области перекрытия с высокой пространственной частотой (резкая смена контраста). Далее программа вокруг точки формирует окно корреляции, в нем запоминаются яркостные значения. Затем на втором снимке появляется окно поиска, в котором окно корреляции начинает перемещаться с шагом в 1 пиксель. Если пространственные частоты совпадут или коэффициент корреляции будет больше или равен 0,8, то программа связующая точка найдена.

    Такая функция  хорошо работает на мелкомасштабных  аэроснимках. При крупном масштабе  необходимо вручную проверять  нанесение связующих точек.

Точность автоматического  определения координат производится с помощью пиктограммы Triangulation Summary, и если она будет превышать допустимую, необходимо смещение точки.

3. Пространственная фототриангуляция

    LPS Core позволяет задать взаимосвязь между снимками проекта, моделью сенсора и земной поверхностью. После проведения триангуляции можно провести дополнительную обработку данных, например, извлечение и редактирование рельефа, ортотрансформирование и дешифрирование.

    При  нажатии пиктограммы   Triangulation properties→ окно Aerial triangulation с закладками:

а) General(общие)

  Max iterations: 10 (Количество приближений или итераций; при первом приближении используются три точки, при втором добавляется еще одна и снова пересчитывается);