Тема Вводная лекция

Тема 1. Вводная лекция.

План:
Фотограмметрия - техническая наука о методах определения метрических характеристик объектов и их положения в двух- или трехмерном пространстве по снимкам, полученным с помощью специальных съемочных систем. Такими системами могут быть традиционные фотографические камеры, а также системы, использующие иные законы построения изображения и иные (кроме фотографических слоев) регистраторы электромагнитных излучений. Основная задача фотограмметрии — топографическое картографирование, а также создание специальных инженерных планов и карт, например кадастровых.

Фотограмметрические методы позволяют также экономично и достаточно точно решать непосредственно по снимкам некоторые прикладные задачи, например измерять площади участков местности, определять их уклоны, получать количественные характеристики эрозионных процессов, выполнять вертикальную планировку с определением объема земляных работ и др.

Это направление метрической обработки снимков принято называть прикладной фотограмметрией.

Метрической обработке снимков обычно предшествует (иногда совмещается) процесс отбора подлежащих нанесению на изготавливаемые планы и карты объектов, которые опознают на анализируемых изображениях, определяют их качественные и количественные характеристики, положение границ и выражают полученные данные условными знаками. Этот процесс называют дешифрированием снимков. В процессе дешифрирования выполняют также досъемку не отобразившихся на снимках элементов ситуации.

В двадцатые годы прошлого столетия были сделаны попытки использования аэрофотоснимков для специализированного изучения лесов и в начале тридцатых годов — почв. Создание космических летательных аппаратов и съемочных систем, работающих в более широком диапазоне электромагнитных излучений с оперативной доставкой по радиоканалам результатов съемки на пункты приема, активизировало развитие этого направления. Оно получило название «дистанционное зондирование».

Под дистанционным зондированием понимают неконтактное изучение Земли (планет, спутников), ее поверхности, близповерхностного пространства и недр, отдельных объектов, динамических процессов и явлений путем регистрации и анализа их собственного или отраженного электромагнитного излучения. Регистрацию можно выполнять с помощью технических средств, установленных на аэро- и космических летательных аппаратах, а также, в частных случаях, на земной поверхности, например при исследовании динамики эрозионных и оползневых процессов, в гляциологии и др.

Принципиально к дистанционному зондированию можно отнести известные методы исследования недр Земли — сейсморазведку и гравиразведку, сканирующую эхолоцию дна водоемов и др. В изучении земельных ресурсов, кадастре, земельном и экологическом мониторинге используются методы зондирования только с помощью электромагнитных излучений.

Дистанционное зондирование, интенсивно развиваясь, выделилось в самостоятельное направление использования снимков. Международное фотограмметрическое общество (МФО), в которое входил СССР и входит ныне Россия, в 1980 г. преобразовано в Международное общество фотограмметрии и дистанционного зондирования (МОФ и ДЗ).

Взаимосвязь основных направлений использования снимков и наименования направлений может быть представлена схемой.

Дешифрирование (интерпретация) технологически входит одновременно в обе части названия дисциплины. В дистанционном зондировании роль дешифрирования превалирующая.

Изучение дисциплины «Фотограмметрия и дистанционное зондирование» опирается на знание дисциплин: математика, информатика, физика, экология, почвоведение, инженерное обустройство территории, геодезия, географические информационные системы (ГИС).

Знания, приобретенные при изучении данной дисциплины, позволяют специалистам, работающим в области землеустройства, формирования кадастра недвижимости, мониторинга землепользования и охраны окружающей среды, получать или квалифицированно заказывать и использовать цифровые кадастровые планы и карты, а также получать сопутствующие специальные карты.

Тема 2. Дистанционное зондирование территории

План лекции:

Понятие и методы дистанционного зондирования территории
Электромагнитное излучение и его свойства
Методы дистанционного зондирования

Понятие и методы дистанционного зондирования территории

Дистанционное зондирование (ДЗ) означает получение информации о состоянии исследуемой территории по измеренным на расстоянии, без непосредственного контакта датчиков с поверхностью, характеристикам электромагнитного излучения.

Используется широкий диапазон излучений от 0.4 мкм -30 м. В связи с этим используются различные средства съемки: фотографические, телевизионные, сканирующие, радиолокационные и др. Датчики могут быть установлены на космических аппаратах, самолетах и других носителях. Диапазон измеряемых электромагнитных волн - от долей микрометра (видимое оптическое излучение) до метров (радиоволны).

Методы ДЗЗ:

пассивные, т.е. использовать естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной радиацией,
активные - использующие вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия.

Сама возможность идентификации и классификации объектов по информации ДЗЗ основывается на том, что объекты разных типов - горные породы, почвы, вода, растительность и т.д. - по-разному отражают и поглощают электромагнитное излучение в том или ином диапазоне длин волн.

Рис.1. Поглощение и отражение объектами ЭМ излучения

Данные ДЗЗ, полученные с датчиков космического базирования, характеризуются большой степенью зависимости от прозрачности атмосферы. Поэтому на космических аппаратах устанавливаются многоканальные датчики пассивного и активного типов, регистрирующие электромагнитное излучение в спектральных диапазонах, расположенных в "окнах прозрачности" земной атмосферы.

Методика тематического анализа данных ДЗЗ заключается в определении спектральных диапазонов, чувствительных к изменениям спектральных свойств целевых объектов и выборе зависимостей, связывающих значения дистанционно измеренных яркостей с искомыми параметрами среды (состав, влажность, структура почв при мониторинге почв, типы растительности, уровни вегетации, проективное покрытие при мониторинге фитоценозов, содержание фитопланктона, минеральных взвешенных веществ, органического вещества при мониторинге водной среды и т.п.). Достоверность количественных результатов анализа определяется тем, известны или нет на момент измерений точные значения коэффициентов зависимостей между параметрами среды и спектральными характеристиками целевых объектов. Наиболее часто встречающийся способ повышения достоверности - проведение одновременно с космической съемкой тестовых измерений на репрезентативных участках.

Оперативное дистанционное зондирование Земли методами аэро- и космической съёмки в кратчайшие сроки даёт людям информацию об изменении поверхности. Информация такого рода на большие территории служит для мониторинга как географических, так и техногенных процессов, анализ которых приносит значительную эффективность при управлении сферами человеческой жизнедеятельности.

Но в первую очередь, аэрофотосъёмка находит широкое применение в топографии - научной дисциплине, занимающейся подробным изучением земной поверхности в геометрическом отношении и разработкой способов отображения этой поверхности на плоскости в виде топографических карт и планов. Практические работы по созданию оригинала топографических карт называются топографическими съёмками. Основным видом съёмки в целях картографирования территории России является аэрофототопографическая съёмка.

2. Электромагнитное излучение и его свойства

Солнечное излучение, достигая Земли, частично отражается ее поверхностью, а частично поглощается, превращается в тепловую энергию и составляет собственное излучение Земли. Отраженная и излучаемая Землей радиация имеет волновую и корпускулярную природу и представляет спектр электромагнитных колебаний. Часть спектра от 0,4 до 0,7 мкм воспринимается человеческим зрением и называется видимой областью спектра.

Цвет	Длина волны, мкм
Фиолетовый	0,40 – 0,45
Синий	0,45 – 0,49
Зеленый	0,49 – 0,58
Желтый	0,58 – 0,60
Оранжевый	0,60 – 0,62
Красный	0,62 – 0,70

Рис. 2. Прозрачность атмосферы

Но среди света, отражаемого поверхностью Земли, присутствуют лучи с длинами волн короче 0,4 мкм, названные ультрафиолетовыми, и от 0,7 мкм до 3 мкм — ближними инфракрасными (ИК).

Более длинноволновая часть спектра, где преобладает собственное излучение Земли, делится на инфракрасный тепловой- и радиодиапазоны. Инфракрасный тепловой диапазон с длинами волн от 3 до 1000 мкм — это излучение земной поверхности в виде тепла, накопленного в результате превращения световой энергии в тепловую. Большая часть этого излучения поглощается атмосферой. Радиодиапазон включает длины волн больше 1 мм. В этом диапазоне можно регистрировать не только собственное излучение Земли, но и излучение, создаваемое искусственным источником.

Поступающее на земную поверхность солнечное излучение проходит через атмосферу, значительно преобразующую его. Прозрачность атмосферы неодинакова по спектру (рис. 2). Излучение одних участков спектра (их называют окнами прозрачности) почти беспрепятственно проходит через атмосферу, излучение других большей частью отражается (рассеивается) или поглощается ею.

Поглощение атмосферой излучения (рис. 3) зависит прежде всего от поглощения парами воды, а также углекислым газом, озоном. В видимой области спектра атмосфера достаточно прозрачна.

Рис. 3. Приход солнечной радиации:

1 — на верхнюю границу атмосферы; 2 — на поверхность моря
Только облака могут существенно поглощать излучение. В инфракрасной области поглощение самое высокое, здесь существуют лишь окна прозрачности: ближнее в интервале от 3 до 5 мкм и дальнее — от 8 до 14 мкм. Ближнее окно используется для регистрации отраженного солнечного излучения, а дальнее — собственного излучения Земли. Для волн радиодиапазона атмосфера полностью прозрачна, что делает актуальным совершенствование средств регистрации излучения в этой части спектра.

Рассеяние в атмосфере происходит на молекулах и аэрозолях. Согласно закону Рэлея, интенсивность рассеяния частицами, размеры которых меньше длины световой волны, обратно пропорциональна четвертой степени длины волны, т.е. в наибольшей степени рассеивается фиолетовый и синий свет. Рассеяние создает дополнительную яркость, искажая таким образом действительное соотношение отражательных свойств объектов по спектру.

Скопления более крупных молекул и частицы аэрозоля создают ахроматичный рассеянный свет. Дымкой принято называть свечение слоя атмосферы, находящегося между объектом и наблюдателем (съемочной системой), вызванное рассеянием света на флуктуационных неоднородностях газов и на твердых частицах. Она ослабляет световой поток, регистрируемый приемником излучения, но одновременно создает дополнительное свечение, что приводит к понижению контраста на снимках, полученных в видимой области спектра. Дымка может создаваться твердыми частицами как естественного происхождения, например, пыли или соли, так и привнесенными в атмосферу в результате хозяйственной деятельности человека.

Интенсивность дымки зависит от угла между падающим солнечным лучом и направлением визирования. На снимках, полученных при низком Солнце и широкоугольными съемочными камерами, влияние дымки может быть очень существенным. Оно выражается в снижении контраста на краях снимка, особенно в его посолнечной (находящейся дальше от Солнца) части.

Освещенность земной поверхности, т.е. количество световой энергии, приходящейся на единицу площади, преимущественно складывается из прямой и рассеянной солнечной радиации, соотношение между которыми меняется в зависимости от высоты Солнца, крутизны и ориентировки склонов.

При высоком Солнце преобладает прямая радиация, что приводит к резким различиям в освещенности склонов разной экспозиции: одни склоны оказываются освещенными, другие — в тени или полутени. В ясный, безоблачный день в околополуденные часы освещенность склонов может различаться в четыре—шесть раз. Тени в это время занимают наименьшую площадь, но зато плотность их очень велика, поэтому объекты в тенях распознаются очень неуверенно или не распознаются вовсе. При низком Солнце возрастает доля рассеянной радиации, тени становятся более прозрачными, хотя и значительно большими по площади. Разница в освещенности склонов разной экспозиции уменьшается.

Повысить надежность дешифрирования территорий с разными природными условиями можно, используя снимки, полученные при разной высоте Солнца. Так, залесенные территории лучше дешифрируются при минимальных размерах теней, т.е. при высоком Солнце (более 40°), так как в противном случае падающие тени деревьев верхнего яруса закрывают кроны более низких ярусов. Наоборот, микрорельеф в степных и пустынных районах более уверенно распознается при низком Солнце за счет большей площади теней. При дешифрировании горных территорий наибольший эффект дает использование снимков, полученных при средней высоте Солнца, когда тени не слишком велики и более прозрачны, чем в полдень.

Приход солнечной радиации на поверхность Земли зависит от ориентировки и крутизны склонов. Не только прямое, но и рассеянное освещение всегда больше на склонах южной экспозиции. В январе крутые южные склоны могут иметь продолжительность возможного облучения в 13-14 раз больше, чем северные. Горизонтальные и наклонные участки по-разному освещаются Солнцем: в утренние часы наклонные (к Солнцу) поверхности освещены сильнее, чем горизонтальные, а в полдень, наоборот, больше радиации поступает на горизонтальные участки. Это приводит к тому, что одинаковые или близкие по характеру объекты на разных склонах изображаются на снимках неодинаково, что важно иметь в виду при дешифрировании.

Метеорологическим элементом, существенно влияющим на освещенность, является облачность. С одной стороны, облака являются помехой при съемке, так как их наличие приводит к тому, что практически выпадают из обработки площади, закрытые тенями от них, а при съемке из космоса и их изображениями. С другой стороны, облачность изменяет освещенность снимаемой территории. Кучевая облачность снижает освещенность в два—четыре раза, облака среднего яруса — на %. Облачность верхнего яруса, наоборот, увеличивает общую освещенность за счет увеличения доли рассеянной радиации. Съемка под тонкой пленкой облачности верхнего яруса дает снимки, исключительно подходящие для дешифрирования горных районов, так как на них практически отсутствуют тени. Однако такая ситуация встречается крайне редко.

Методы дистанционного зондирования

Основным направлением развития аэрокосмических средств наблюдения природной среды является использование регистраций отражения света и собственного излучения Земли в разных спектральных интервалах

визуальное наблюдение(0,40 – 0,64 мкм);
фотографирование (0,40 – 0,92 мкм)
спектрофотометрирование (0,40 – 0,92 мкм)
телевизионная съемка (0,45 – 0,75 мкм)
тепловая инфракрасная съемка (2,6 – 5,5 и 8,0 – 14,0 мкм)
мноспектральная (0,32 – 12,5 мкм)
микроволновая (0,3 см и более)
активные методы локации

Визуальное наблюдение - визуальное дешифрирование не теряет своего значения, несмотря на развитие методов автоматизированной обработки снимков, но для достижения хороших результатов требуют высокой профессиональной подготовки и хорошего знания объектов дешифрирования. Процесс визуального анализа изображения принято делить на три стадии: обнаружение, опознавание, интерпретация. Последняя из них предполагает выявление существа объекта, отнесение его к какой-либо категории, предусмотренной легендой или ранее известной дешифровщику, т.е. связана с логическим восприятием. Две первые представляют особенности зрительного восприятия.
Фотографирование

По-прежнему дает наиболее детальную информацию о пространственной структуре земной поверхности. Техника аэрофотосъемки (АФС) не претерпевает существенных изменений и наиб. интерес в посл. годы имело космическое фотографирование. ФС с пилотируемых орбитальных станций (ПОС) производятся ручными или стационарными картографическими камерами. Снимки с ПОС достигли разрешения 10-40 м. Однако такое высокое пространственное разрешение КС не является их бесспорным достижением. Во-первых, главное преим. КС перед обыч. АС в их обзорности и генерализации, а не в детализации изображения однородных образований. Во-вторых, задачи детального исследования природы решаются обычной АФС в широком диапазоне масштабов 1:1000 до 1 : 150000. В-третьих, согласно существующим международным нормам, считается допустимой глобальная космическая съемка состояния природной среды с разрешением 16-30 м, что соотв. масштабу фотографирования 1 : 4000000 - 1 : 8 000 000 при разрешающей способности 0,035 мм.

Преим. КС:

экстремально мелкие масштабы (мельче 1: 10 000 000)
высокие обзорности КС (более 1 млн. км)
высокие уровни оптической генерализации (с пространственным разрешением 0,6 – 1,0 км и крупнее)

Все это обеспечивается обычными телевизионными средствами съемки метеорологических ИСЗ.
Аэрофотосъмка (АФС) обслуживает картографирование в крупных и средних, так наз. «съемочных» масштабах 1: 10 000 – 1: 300 000.
Космические фотографии – черно-белые на панхроматической пленке, цветные в естественных и спектрозональные в условных цветах – являются основой средне- и мелкомасштабного тематического картографирования. они используются г.о. для контурного дешифрирования, выделения природных образований, прослеживания их границ, изучения внутренней структуры и картографирования природных и трансформированных объектов в масштабах 1: 300 000 – 1: 3 000 000. По косм. фото показывается также детал. морфоструктура антропогенных воздействий с отражением соотношений разных генетических типов антроп. трансформаций. Однако, несмотря на хорошее пространственное разрешение и успешное контурное дешифрирование, вероятности распознавания состава объектов по космическим фотографиям сильно колеблются г.о. в пределах 0,6- 0,9, что не может полн. удовл. требования практического использования. В течение посл. лет успешное космическое фотографирование проводилось с ПОС «Салют» и «Skylab».
Многозональное фотографирование – синхронное фотографирование одного и того же участка многообъективной фотокамерой с разными комбинациями фотопленок и светофильтров. Проводилось с самолетов, начиная с 1964 г.
Спектрофотометрирование – измерение спектральной отражательной способности. Первое успешное спектрофотометрирование было проведено летчиком-космонавтом В.И. Севостьяновым с ПКК «Союз-9» в 1970. Это позволило впервые классифицировать основные типы природных образований по спектрам, измеренным за пределами земной атмосферы. Космическое спектрофотометрирование учитывает оптическую неоднородность участка.
Телевизионная съемка – проводилась с метеорологических ИСЗ в спектральном интервале 0,5- 0,75 мкм с разрешением 1-3 км. После 1974 была использована усовершенствованная камера с разрешением 0,3-0,6 км, что позволило стандартизировать измерения и получать количественные данные об оптических характеристиках земной поверхности. ТС наиболее перспективны для наблюдения быстро меняющихся природных явлений, кроме того используются для мелкомасштабного физико-географического районирования.
Инфракрасная съемка – проводилась с самолетов и спутников в первом

3,4 - 5,6 мкм и во втором

8,0 - 12,5 мкм окне прозрачности атмосферы. ИК съемка дает пространственно-временное распределение радиационных температур системы Земля – атмосфера.
Мноспектральная съемка – т.е. съемка во многих узких спектральных интервалах с помощью ФЭУ, светофильтров и сканеров, как с самолетов, так и с КЛА имеют большой интерес в течение посл. лет. Проводились с метеорологических ИСЗ с высоты около 900 км, а также с ПОС( пилотируемая орбитальная станция). Наиболее перспективны для изучения с/х угодий и посевов.
Микроволновая съемка – регистрация пассивного радиотеплового излучения в диапазоне 0,3 – 30 см, проводилась в экспериментальном порядке с ИЗС «Метеор» и Nimbus на длине волны

0,8 см с полем зрения 30 км. Кроме ИСЗ микроволновую съемку Земли проводили космонавты с ПОС «Skylab» в диапазоне около

2,1 см. Основное преимущество состоит в том, что во всех диапазонах (кроме 3,5 см) коэффициент пропускания атмосферы составляет 0,7 – 1,0

Активные локации – активные съемки (радарные, лидарные, лазерные и т.п.) проводились исключительно с самолетов, т. к. еще труднодоступны для космической съемки ввиду больших энергетических затрат. Но обладают высоким пространственным разрешением, независимы от состояния атмосферы, спектральной избирательности, глубины взаимодействия с экраном и т. д.

Тема 3. Аэрофотосъемка
План лекции:

История развития аэрофотосъемки
Технические показатели аэрофотосъемки
Оценка качества АФС
Условия проведения АФС городских территорий

История развития аэрофотосъемки

Начальный период. Начало наблюдений и фотографирования с воздуха относится к середине позапрошлого века. Французский военный офицер Гаспар Турнашон (Надар) в 1859 г. сфотографировал деревню неподалеку от Парижа с воздушного шара. В России первые фотоснимки, также с воздушного шара, выполнены в 1886 г. начальником воздухоплавательной команды военного ведомства поручиком А. М. Кованько. Спустя почти два месяца член Русского технического общества Л. Н. Зверинцев произвел фотографирование Петербурга и острова Котлин. Шар унесло в открытое море.

Первая мировая война послужила толчком к быстрому развитию съемок с самолетов и переходу от отдельных фотографий с воздуха к практическому использованию аэроснимков. В 1916 г. в русской армии при разведывательных отделениях штабов были сформированы специальные фотометрические (впоследствии фотограмметрические) части. В их задачу входило дешифрирование аэроснимков, перенос результатов на карту и размножение дополненных таким образом карт. Следующий шаг в использовании снимков связан с созданием подполковником М. В. Потте первого автоматического аэрофотоаппарата, съемка которым выполнялась не на светочувствительные стеклянные пластины, а на фотопленку.

1920-е годы. После окончания войны в Великобритании, Франции, США, а несколько позже и в Германии опыт, накопленный военными, стал распространяться и на области хозяйственной деятельности. В нашей стране началом применения аэросъемки для нужд народного хозяйства можно считать 1918 г., когда было выполнено фотографирование местности в районе г. Твери на площади 100 км2. В марте 1919 г. Принят декрет об учреждении Высшего геодезического управления. Было создано Аэрофототопографическое отделение, которое выполняло опытно-производственные работы по использованию аэрофотоснимков в картографических целях. В 1924 г. ставится задача использовать аэрофотоснимки при создании топографических карт неисследованных районов, тогда же проведены первые аэрофотосъемки для нужд лесоустройства и дорожного строительства.

1930-е годы. В этот период аэрофотоснимки стали применяться в геологии, для изучения, таксации и эксплуатации лесов, а также при изучении Арктики. К этому же времени относится первый опыт использования аэрофотоснимков для изучения пустынь, рек, болот, рельефа. Аэросъемка становится новым орудием для работы в труднодоступных районах.

1940-е годы. Вторая мировая война дала новый импульс развитию методов получения и интерпретации снимков с воздуха. Появляется спектрозональная пленка (в американской литературе принят термин «цветная инфракрасная»), использование которой позволяло отделить вегетирующую растительность от окрашенной в зеленый цвет военной техники. В это время проводятся первые опыты применения радиолокаторов для исследования местности с воздуха.

В Советском Союзе даже во время Великой Отечественной войны 1941-1945 гг. активно велись начатые ранее работы по топографическому картографированию. В 1949 г. было закончено составление топографической карты масштаба 1:100 000. Это стало возможно благодаря применению аэрометодов, в частности камерального дешифрирования аэрофотоснимков при составлении листов карты на малоисследованные восточные районы страны.

С этого времени дешифрирование снимков становится обязательным процессом в технологической схеме топографического картографирования.

1950-е годы. В этот период разработанные в военных целях методики съемки и дешифрирования становятся достоянием широкого круга исследователей и производственников. Расширяется круг отраслей науки и практики, в которых применяются аэрофотоснимки, совершенствуется методика их дешифрирования.

1960-е годы. В это время разрабатываются основы дешифрирования снимков как метода географического исследования. Ландшафтный метод, становится основным при географическом изучении территории по аэроснимкам. Наиболее широкое развитие он получил при гидрогеологических изысканиях, при почвенном и геоботаническом картографировании.

Важнейшее событие этого периода, знаменующее новый этап в развитии аэрокосмических методов, — получение первых фотографических и телевизионных снимков из космоса. Оно послужило толчком к разработке новых типов съемочных систем. В США и почти одновременно в Советском Союзе разрабатывается новый принцип регистрации солнечного излучения и создаются новые съемочные оптико-электронные системы — сканеры. Внедрение регистрации излучения на магнитную пленку, облегчающее кодирование информации, послужило стимулом для разработки методов автоматизированного дешифрирования снимков. В эти же годы начинается создание способов синхронной съемки в нескольких спектральных зонах оптического диапазона — многозональной съемки.

1970-е годы характеризуются вхождением в жизнь и все более широким применением космических методов.

В 1971 г. в нашей стране были получены из космоса фотографические снимки масштаба около 1:2 000 000, долгое время не имевшие аналогов по детальности изображения. Съемку осуществил экипаж орбитальной станции Салют, трагически погибший при возвращении на Землю. В 1972 г. США вывели на орбиту автоматический спутник Ландсат, на котором был установлен сканер, обеспечивавший получение многозональных снимков в четырех зонах видимого и ближнего инфракрасного участков спектра с размером элемента изображения 57x79 м на местности и предназначавшийся для изучения природных ресурсов.

С этого момента развитие космических съемок в оптическом диапазоне идет в двух направлениях: наша страна имеет приоритет в развитии фотографических систем, а США и впоследствии европейские и некоторые азиатские страны — оптико-электронных. В 1970-х широкое применение космических снимков ознаменовало новый этап в развитии тематического, в том числе комплексного картографирования. Можно считать, что именно к этому времени относится формирование принципа многовариантности, (множественности) в получении и использовании снимков: съемка с разной высоты, разные носители, масштабы, участки спектра, в которых регистрируется излучение, разнообразные методы обработки получаемой информации.

1980-е годы — период совершенствования способов получения и широкого применения аэрокосмической информации во всех областях изучения и картографирования поверхности Земли. В связи с все более широким внедрением в практику персональных компьютеров и геоинформационных технологий происходит развитие методов компьютерной обработки снимков.

Конец XX — начало XXI в. ознаменовались скачком в развитии способов получения космической информации. Достижения в области волоконной оптики сделали возможным существенное улучшение пространственного и спектрального разрешения оптикоэлектронных съемочных систем. Сканеры с нескольких спутников разных стран получают космическую информацию с размером пикселя от первых метров до 15 м и не в 3—4 каналах, как это было принято раньше, а в 7-15. Появились спектрометры, выполняющие гиперспектральную съемку в 32—200 каналах.

Характерная черта этого периода — появление в широком пользовании материалов космической съемки, выполнявшейся в предыдущие десятилетия военными организациями России США, так называемых конверсионных снимков с размером пикселя 1-2 м.

Доступность для исследователей космической информации высокого разрешения привела к тому, что использование аэрофотоснимков для тематического картографирования стало малоэффективным. Для последних лет характерно все более широкое внедрение компьютерного дешифрирования снимков, которое в большой мере обусловлено распространением и доступностью снимков, полученных электронно-оптическими системами и распространяемых в цифровом виде.
2. Технические показатели аэрофотосъемки

При создании топографической основы фотограмметрическим методом используют снимки, полученные отечественными аэрофотоаппаратами типа АФА-ТЭ, АФА-ТЭС, а из зарубежных — LMK, RC-30 (Leica). В качестве основных носителей съемочной аппаратуры применяют самолеты: Ан-2, Ан-30, Ту-134СХ, Ил-20М.

В некоторых случаях съемку проводят с вертолетов, мотодельтапланов, управляемых по радио авиамоделей и воздушных шаров. Съемку выполняют в ясную солнечную погоду, при отсутствии облаков. Комплекс аэрофотосъемочных работ состоит из нескольких этапов:

разработки технического задания (проекта), включающего технические параметры съемки: границы участка съемки, высоту и масштаб фотографирования, фокусное расстояние АФА, продольное и поперечное перекрытие снимков, тип аэрофотопленки, сроки съемки и т. д. При использовании современных технических средств производства аэрофотосъемки, таких, как навигационная система GPS и компьютерная система управления полетом и работой аэрофотоаппарата типа ASCOD, разработка задания имеет свои особенности. Получают координаты проектируемых центров фотографирования, т. е. точек, в которых происходит открытие затвора АФА (экспонирование). Для этого на топографическую карту масштаба 1:100 000 наносят заданную границу участка (объекта) аэрофотосъемки. Затем с помощью дигитайзера определяют координаты поворотных точек границы участка съемки, которые вводят в бортовой компьютер. В компьютер также вводят масштаб аэрофотосъемки, величину продольного и поперечного перекрытия, фокусное расстояние и формат снимков. По этим данным вычисляют координаты проектируемых центров фотографирования в системе координат WGS-84;
подготовки аэрофотосъемочного оборудования, полетного задания и т.п.
аэрофотографирования;
фотолабораторной обработки аэрофильмов (проявление, фиксирование, сушка, нумерация негативов, контактная печать аэроснимков);
составления накидного монтажа и изготовления его репродукции, оценки фотографического и фотограмметрического качества материалов аэрофотосъемки;
сдачи материалов аэрофотосъемки заказчику.

При аэрофотографировании масштаб получаемых снимков, по экономическим соображениям, мельче масштаба создаваемого плана. По масштабу фотографирования съемку разделяют на: крупномасштабную (1: М > 1:15 000), среднемасштабную (1:16 000 < 1 :М< 1:50 000), мелкомасштабную (1:М < 1:51 000) и сверхмелкомасштабную (1:М < 1:200 000).

Фотосъемку в зависимости от угла отклонения оптической оси объектива АФА от вертикали, как было рассмотрено ранее, делят на плановую и перспективную.

Плановой называют аэрофотосъемку, выполняемую при вертикальном положении оптической оси, при этом угол отклонения допускается до 3°.

Использование гиростабилизирующих аэрофотоустановок при фотографировании местности позволяет получить снимки с углом наклона 7... 10 мин (предельное значение утла 40 мин). При создании планов и карт крупного масштаба применяют снимки, полученные в результате проведения плановой аэрофотосъемки.

При перспективной съемке угол отклонения оптической оси от вертикали может достигать 45°. Ее выполняют для увеличения зоны захвата снимаемой местности при обзорных или рекогносцировочных работах.

При планово-перспективной съемке используют несколько аэрофотоаппаратов одновременно — одним АФА проводят плановую съемку, другими перспективную. Это позволяет фотографировать полосу местности до горизонта.

По количеству и расположению снимков различают однокадровую (одинарную), маршрутную и многомаршрутную (площадную) аэрофотосъемку.

Рис. .1. Схема аэрофотосъемки:

/ — двойное продольное перекрытие снимков; 2 — тройное продольное перекрытие снимков;

3 — поперечное перекрытие снимков

— положение центров фотографирования;

0₁,..., 0₄ — их проекции на местности

При однокадровой фотосъемке получают одиночные снимки участков земной поверхности.

При маршрутной фотосъемке изображение полосы местности представляется в виде некоторого количества снимков, полученных по направлению (маршруту) полета летательного аппарата. Маршрут полета может быть прямолинейным, криволинейным или ломаным. Это зависит от вида фотографируемого объекта и целей съемки. Например, при обследовании или проектировании линейных объектов (дорог, трубопроводов, линий электропередачи, каналов и т. п.) съемку проводят по криволинейным или ломаным маршрутам.

Многомаршрутная (площадная) фотосъемка представляет собой получение снимков местности с нескольких параллельных маршрутов (рис.1). Маршруты прокладываются чаще всего по направлениям восток—запад—восток или север—юг—север. Площадную аэрофотосъемку применяют при картографировании или обследовании больших территорий.

Одномаршрутную и многомаршрутную аэрофотосъемку, проводимую с помощью кадровых АФА, выполняют с перекрытиями соседних снимков.

Перекрытиями называют части аэроснимков, на которых изображена одна и та же местность. Значения перекрытий выражают в процентах от длины стороны снимков.

Взаимное перекрытие снимков одного маршрута — это продольное перекрытие, рассчитываемое по формуле

где — размер перекрывающихся частей снимка; — длина стороны снимка по направлению маршрута.

Продольное перекрытие снимков рассчитывают или задают, исходя из технологии фотограмметрической обработки снимков (или иных соображений). Величина его может быть 60, 70, 80, 90 %. Перекрытие двух смежных снимков называют двойным (на рис. 1 обозначено цифрой 1). Зона перекрытия трех снимков — тройное перекрытие (на рис. 1 обозначено цифрой 2) и т. д. Для каждого стандартного значения продольного перекрытия определяют минимальные и максимальные пределы.

Продольное перекрытие обеспечивается частотой (временным интервалом) включения АФА, которое зависит от высоты фотографирования и путевой скорости летательного аппарата. Расстояние между соседними точками фотографирования в маршруте называют базисом фотографирования и обозначают В_х.

Поперечное перекрытие р_у — это перекрытие снимков соседних маршрутов. Поперечное перекрытие рассчитывают по формуле

где

— размер перекрывающейся части снимков двух смежных маршрутов.

Минимальное поперечное перекрытие допускается 20 %. Расстояние между маршрутами (1) рассчитывают по формуле

где - длина поперечной стороны снимка; т — знаменатель масштаба аэрофотосъемки; р_у - заданное поперечное перекрытие.

Продольные и поперечные перекрытия позволяют определить центральную часть снимка, где его геометрические и фотометрические искажения минимальны. Эту часть снимка называют рабочей площадью снимка. Рабочую площадь снимка, ограниченную линиями, проходящими через середины двойных продольных и поперечных перекрытий, называют теоретической (рис. 2).

Размеры ее сторон b_х и b_у по соответственным осям х и у рассчитывают по формулам:

Рис. 2. Рабочая площадь снимка
Теоретическую рабочую площадь используют при расчетах, а практическую — при выполнении фотограмметрических работ.
3. Оценка качества результатов аэрофотосъемки

Аэрофотосъемочные работы выполняют как государственные предприятия (аэрофотосъемочные отряды), так и различные фирмы, имеющие лицензии на производство аэрофотосъемки. Заказчиком может быть любая организация, у которой есть разрешительные документы на работу с материалами аэрофотосъемки.

Порядок заказа аэрофотосъемки состоит из следующих основных этапов:

организация-заказчик направляет письменное предложение фирме-исполнителю, в котором указывает местоположение участка снимаемой местности (на мелкомасштабной карте наносят границы объекта съемки, его площадь, сроки съемки, тип АФА и т. п.);
заказчик составляет и согласует с исполнителем техническое задание на выполнение аэрофотосъемки, если фирма-исполнитель имеет возможности выполнить этот вид работ. В задании отмечают технические параметры съемки: назначение съемки, высота фотографирования, фокусное расстояние АФА, съемочный масштаб, тип аэрофотоаппарата, тип аэрофотопленки и светофильтра, использование специальной аппаратуры, сопровождающей аэрофотосъемку (радиовысотомеров, приборов GPS или иных), тип летательного аппарата. Указывают условия проведения аэрофотосъемки: примерные сроки, высоту солнца. Подтверждают площади и местоположение участка;
в соответствии с техническим заданием исполнитель определяет стоимость комплекса аэрофотосъемочных работ, которую согласуют с заказчиком;
между заказчиком и исполнителем заключается договор на выполнение аэрофотосъемки.

После выполнения аэросъемочных работ оценивают качество материалов аэрофотосъемки.

Оценку качества материалов съемки выполняют с целью выявления соответствия реально получаемых результатов требованиям технического задания и существующим нормативам, значения которых определены инструкциями и наставлениями по производству аэрофотосъемок. Оценивают фотографическое качество аэрофотоснимков и фотограмметрическое качество материалов аэрофотосъемки.

Фотографическое качество зависит от состояния атмосферы, освещения объекта съемки, технических условий проведения аэрофотографирования, фотохимической обработки. При визуальной оценке на аэрофотонегативах не должно быть обнаружено механических повреждений, изображений облаков, теней от них, бликов, ореолов. Изображение на снимках должно быть резким, с хорошей проработкой деталей в светлых и темных участках. Оптическая плотность (тон) и контрастность должны соответствовать нормативам. При визуальном способе для сравнения можно использовать снимки-эталоны, т. е. снимки, фотографическое качество которых оценено высококвалифицированными специалистами-экспертами. Применение приборов позволяет более точно и объективно оценить фотографическое качество аэрофотоизображений.

Фотограмметрическое качество материалов аэрофотосъемки оценивают по следующим критериям.

1. Определение продольных и поперечных перекрытий. Величину перекрытий определяют с помощью специальной линейки, позволяющей измерять перекрытия в процентах. Если аэрофотосъемка выполнена с продольным перекрытием 60 или 80%, то минимальное значение перекрытия допускается соответственно 56 и 78 %. Минимальное поперечное перекрытие допускается 20 %. Обычно определение перекрытий выполняют по накидному монтажу.

Накидным монтажом называют временное соединение контактных снимков, осуществляемое совмещением (наложением) их перекрывающихся частей. В результате получают непрерывное фотографическое изображение снятой территории.

Снимки укладывают и закрепляют на специальных деревянных щитах, иногда покрытых пробковым слоем. При 80 % перекрытия снимки укладывают через один, при 90 % — через два. Независимо от величины продольного перекрытия обязательно используют крайние снимки маршрутов. Укладывают снимки так, чтобы номера снимков были видны на накидном монтаже. Снимки размещают на щите так, чтобы их номера располагались горизонтально. Номер может быть в правом верхнем углу или на южной (нижней) стороне снимка.

Первый закрепленный снимок укладывают на второй из данного маршрута так, чтобы максимально точно совместить изображения их перекрывающихся частей. Совмещают изображения способом «мельканий». Суть этого способа заключается в том, что на предыдущий снимок укладывают последующий так, чтобы изображения их перекрывающихся частей примерно совпали. Затем верхний снимок многократно в быстром темпе отгибают и прижимают к нижнему. При неточном совмещении снимков наблюдаемые изображения объекта будут перемещаться. Возникает эффект мультипликации. Для устранения перемещения положение верхнего снимка уточняют, сдвигая в нужном направлении. После закрепления второго снимка аналогично укладывают остальные снимки маршрута. Снимки второго и последующих маршрутов укладывают также способом «мельканий», добиваясь совмещения изображений как в зонах продольных, так и поперечных перекрытий. При 30%-м поперечном перекрытии монтируют все маршруты, при 60%-м — через маршрут. При значительной территории съемочного участка составляют несколько накидных монтажей, каждый из которых, как правило, покрывает четыре смежных трапеции.

Непрямолинейность аэрофотосъемочного маршрута начинают с определения главных точек крайних снимков маршрута. За главные точки принимают пересечение линий, соединяющих противоположные координатные метки. Затем соединяют прямой линией и измеряют расстояние L между ними (рис. 3).

После этого измеряют уклонение от этой прямой главной точки наиболее удаленного снимка. Это уклонение называют стрелкой прогиба маршрута. Отношение стрелки прогиба к длине маршрута, выраженное в процентах, есть непрямолинейность маршрута:

Непрямолинейность маршрута не должна превышать 2 % при высоте фотографирования более 750 м и в масштабе съемки 1: М мельче 1:5000 и не более 3 %, если Н< 750 м и 1:М крупнее 1:5000.

Разворот снимка относительно направления маршрута
«елочка» можно определять двумя способами: первый — путем
измерения угла между линией xx, соединяющей координатные
метки снимка, и базисом фотографирования (рис. 4); второй - измерение угла между осью маршрута и поперечной стороной снимка. Допустимые углы «елочки» при фокусных расстояниях 100, 140, 200, 350 и 500 мм соответственно равны 5, 7, 10, 12 и 14°.
Углы наклона снимков можно определять по изображению
круглого уровня в одном из углов снимка. Если на снимках нет
изображений уровней, то углы наклона определяют фотограмметрическим способом. Как уже отмечалось, при плановой съемке
углы наклона не должны превышать 3°.

После завершения работ по оценке качества материалов аэрофотосъемки выдают заключение о ее соответствии требованиям инструкции и техническому заданию. В случае несоответствия требованиям выполняют повторную (сплошную или выборочную) аэрофотосъемку.

5. Фактическую высоту фотографирования Н над средней плоскостью съемочного участка определяют по измеренным базисам

на накидном монтаже и топографической карте по формуле

_,

где - базис на карте; М - знаменатель масштаба карты; - базис на накидном монтаже.

При аэрофотосъемке равнинной местности базисы выбирают по диагоналям накидного монтажа. Концами базисов служат достоверно опознаваемые точки на накидном монтаже и соответственные им на карте. При съемке местности со значительным рельефом базисы выбирают в пределах одного маршрута.

Отклонение фактической высоты от заданной вычисляют в процентах. Допустимое отклонение не должно превышать 3...5 %.

6. Обеспеченность границ участка (объекта) съемки и проверка наличия аэрофотоснимков, покрывающих всю территорию в пределах границ участка съемки. Контроль выполняют по накидным монтажам всего участка или отдельных маршрутов. Для этого на аэрофотоснимках опознают поворотные точки границ участка съемки и сравнивают с обозначенными проектными границами на топографической карте. С накидных монтажей участков, где аэрофотосъемка не завершена (имеются пропуски), делают репродукции, на которых сверху подписывают — «участок не завершен».

После оценки качества материалов аэрофотосъемки изготавливают репродукции накидного монтажа. Репродукция накидного монтажа — это его уменьшенная в два-четыре раза копия. Репродукцию изготавливают чаще традиционным фотографическим способом. Для этого с помощью специальных репродукционных фотокамер получают негативы репродукций, а затем осуществляют фотопечать их позитивного изображения. Перед фотографированием на накидном монтаже прикрепляют надписи с указанием года выполнения и масштаба аэрофотосъемки, номенклатуры трапеции, шифра объекта и масштаба будущей репродукции. В компьютерных технологиях обработки снимков составляют накидной монтаж программными средствами аналогично рассмотренной технологии. Оператор на мониторе анализирует качество выполненной аэрофотосъемки. С помощью принтера или плоттера на печать выводится репродукция (копия) накидного монтажа. С помощью репродукции легче пользоваться большим числом аэрофотоснимков: выбрать необходимый в данный момент снимок, составить проект геодезической привязки снимков и т. п.

После производства аэрофотосъемки заказчику сдают:

аэрофильмы (аэрофотонегативы) в неразрезанном виде, на катушках, упакованные в плотно закрытые металлические банки;
контактные отпечатки с аэронегативов;
негативы репродукций накидных монтажей;
репродукции накидных монтажей;
топографические карты с проектными и фактическими осями маршрутов аэрофотосъемки;
журналы регистрации аэронегативов и негативов репродукций накидных монтажей;
данные показаний радиовысотомера или приборов GPS; контрольные негативы прикладной рамки аэрофотоаппарата;
характеристики АФА: фокусное расстояние, значение дисторсии по осям и зонам, координаты главной точки, расстояние между координатными метками;
паспорт аэрофотосъемки и другие материалы и сведения, предусмотренные договором.

4. Особые условия проведения аэрофотосъемки городских территорий

Аэрофотосъемку городов и крупных поселений городского типа выполняют с учетом некоторых особенностей организации полетов и технических требований к получаемым изображениям фотографируемых территорий.

Важный этап подготовки проведения летно-съемочных работ — согласование режима полетов над территорией города. При этом утверждают сроки, время суток и минимально допустимую высоту аэрофотографирования, воздушные коридоры подлета к участку съемки, типы аэросъемочных летательных аппаратов.

Технические параметры и условия проведения аэрофотосъемки определяются спецификой городского ландшафта. Это прежде всего значительная плотность высотных объектов (зданий и сооружений), которые при съемке кадровыми АФА закрывают определенные участки местности, так называемые «мертвые зоны». Помимо «мертвых зон» высотные объекты создают тени, длина которых пропорциональна их высотам и обратно пропорциональна высоте солнца. Участки местности, находящиеся в «мертвых зонах» и закрытые тенью, в большинстве случаев становятся недоступными для изучения по аэрофотоснимкам. Кроме того, на снимках недостаточно полно отображаются линии электропередачи, связи, колодцы теплосетей, водопроводов и других коммуникаций.

Особенности городского ландшафта предъявляют специальные требования к проведению аэрофотосъемки:

для уменьшения «мертвых зон» аэрофотосъемку проводят с продольным перекрытием снимков и поперечным перекрытием и более;

если аэрофотоснимки в дальнейшем будут использовать для получения только плановых координат (X, У) точек местности (например, при инвентаризации земель), то применяют аэрофотоаппараты с длиннофокусным объективом высокой разрешающей способности;

для улучшения изобразительных свойств аэроснимков применяют аэрофотопленки с высокой разрешающей способностью и большой фотографической широтой; фотохимическую обработку экспонированной аэрофотопленки проводят в мелкозернистом проявителе. Для проработки изображений деталей объекта в тенях коэффициент контрастности проявленного изображения должен быть равен 1,0 ± 0,2;

для уменьшения влияния теней от высотных объектов съемку проводят при максимально возможных высотах солнца. Если позволяют погодные условия, выполняют так называемую съемку «под зонтиком» — летательный аппарат находится ниже сплошной высокой облачности. При этом объект съемки освещается только рассеянной радиацией и поэтому теней практически не образуется.

следующая страница>