Тема 5: Пара снимков
План:

1. 
   Значение зрительного аппарата человека при стереографическом восприятии
   
2. 
   Стереоскопическая съемка. Стереоскопический эффект
   
3. 
   Способы стереоскопического наблюдения снимков
   
4. 
   Поперечный и продольный параллаксы точек снимка
   
5. 
   Определение превышений точек местности по паре снимков
   
6. 
   Измерительные стереоприборы
   

1. Зрительный аппарат человека и его возможности

Метрическая информация, извлекаемая из одиночных сним­ков, может быть только двумерной, например размеры объектов, площадь и т. п.

Человек, наблюдая окружающее пространство одним глазом, воспринимает его также двумерно, не ощущая глубины. О последовательности расположения объектов наблюдатель судит по изменению их размеров, четкости восприятия или перекрываемости дальних объектов ближними. То же про­странство, наблюдаемое двумя глазами, воспринимается объем­ным (трехмерным). Видимые раздельно левым и правым глазом «картинки» геометричес­ки не одинаковы. Эта «неодинаковость» и несет информацию о третьей координате — удалении элементов пространства при го­ризонтальном наблюдении или их высоте при наблюдении верти­кальном.

По двум снимкам, полученным с концов некоторого базиса, независимо от направления съемки можно получить трехмерную информацию об изобразившихся на обоих снимках объектах.

В извлечении этой информации, особенно при обработке пар снимков простейшими средствами, большое значение имеет зри­тельный аппарат исполнителя.

При анализе и измерении снимков человек может рассматри­вать их непосредственно невооруженными глазами или с помо­щью оптических устройств. Выделяют три вида зрения — моноку­лярное, бинокулярное и стереоскопическое. Монокулярным на­зывают зрение одним глазом, бинокулярным — двумя глазами. Зрение стереоскопическое — частный случай бинокулярного зре­ния. Наблюдатель при этом, восприни­мает пространственно расположение разноудаленных объектов.

Рис. 1. Геометрическая интерпретация принципа стереоскопического зрения:

b_r — глазной базис; А — точка фиксации бинокулярного взора; S₁A и S₂A — лучи; — угол конвергенции, = S₁AS₂; Н_A — отстояние точки фиксации от глазного ба­зиса; D — точка, отстоящая от точки А по глубине на неко­торое значение при которой эти точки воспринимаются разноудаленными. Она равна примерно 30". Величину можно определить по формуле:



2. Стереоскопическая съемка. Стереоскопический эффект

Представим, что используемые ранее точки пространства А и D регистрируются двумя камерами с фокусным расстоянием f, рас­положенными на концах базиса съемки В=b_r (рис. 1). В плос­кости негативов и точки А и D изобразятся соответственно точками а₁ и а₂, d₁ и d₂. Направление проектирующих лучей, а сле­довательно, и значения углов и останутся теми же, что и при наблюдении этих точек человеком.

Если реальные точки А и D заменить парой позитивных изоб­ражений и так, чтобы левый глаз наблюдателя видел только левый снимок, а правый глаз — только правый снимок, на сет­чатке глаз возникнет ситуация, существовавшая при непосред­ственном наблюдении этих точек. Наблюдатель воспримет пару плоских изображений пространственно. Такое восприятие назы­вают прямым стереоэффектом, а мнимое пространственное изображение снятого объекта, воспринимаемое наблюдателем, — стереоскопической моделью (стереомоделью). Стереомодель будет наблюдаться только в пределах перекрытия снимков.

Два смежных частично перекрывающихся снимка, полученных с концов некоторого базиса, называют стереопарой, или парой снимков. Теперь, очевидно, стало более понятным требование обеспечения определенного продольного перекрытия снимков (примерно 60 % при съемке равнины). Сокращение перекрытия может привести к риску образования разрывов между стереомоделями и соответственно к усложнению или невозможности процес­са получения трехмерной метрической информации со снимков. Увеличение перекрытий уменьшит углы засечки наблюдаемых то­чек, что приведет к снижению точности в определении разностей их отстояний (превышений).

Если снимки перед глазами поменять местами, то наблюдатель также увидит стереомодель, но с обратным стереоэффектом — удаленные элементы ландшафта будут восприниматься близкими, и наоборот, близкие элементы покажутся удаленными. Этот вари­ант стереоскопического наблюдения снимков используют при анализе отрицательных микроформ рельефа (промоин, канав, кю­ветов и др.). Может быть еще вариант наблюдения пары снимков, при котором оба снимка развертываются в своей плоскости на 90°. Наблюдатель при этом вне зависимости от рельефа увидит плос­кое пластичное изображение местности. Стереоэффект, получае­мый при этом, называют нулевым.

Точность (детальность) стереоскопического восприятия по снимкам элементов пространственных объектов зависит, как уже отмечалось, от угла засечки этих элементов. Значение угла опреде­ляется размерами базиса В и высотой съемки Н. Точность воспри­ятия стереомодели зависит также от условий наблюдения сним­ков. Минимальная разность отстояний (высот) наблюдаемых то­чек для расстояния наилучшего видения (250 мм)

где v — увеличение стереоприбора; b — базис съемки в масштабе снимков.

Пользуясь этой формулой, вычислим для наблюдения снимков, полученных с некоторых высот, наиболее используемых при выполнении землеустроительных и кадастровых работ, а так­же при дистанционном зондировании. При этом примем, что на­блюдаются снимки формата 18 х 18 см с продольным перекрытием 60 % с использованием стереоскопа с полуторакратным увеличе­нием.

При высотах съемки 500,1000, 2000 и 5000 м значения будут соответственно равны 0,2, 0,3, 0,7 и 1,7 м.

По снимкам, полученным с космических платформ с высоты 300 и 900 км, значения будут соответственно 102 и 310 м.

Точность восприятия превышений при наблюдении космичес­ких снимков можно повышать, увеличивая базис съемки. Сделать это можно за счет увеличения угла поля изображения съемочной системы или использования конвергентной съемки. В первом случае могут быть варианты: увеличение формата кадра или уменьшение фокусного расстояния съемочной камеры. По­следний вариант приведет к уменьшению съемочного масштаба и геометрического разрешения снимков.

3. Способы стереоскопического наблюдения снимков

Стереоскопически можно рассматривать снимки (негативы и позитивы), полученные при съемке с помощью кадровых фотографических систем; кадро­вых нефотографических съемочных систем, любые перекрываю­щиеся снимки, в цифровой форме.

В любом варианте разномасштабность наблюдаемой пары изображений не должна превышать 16 %. Используемые при на­блюдении устройства должны обеспечить возможность раздельно­го наблюдения каждого снимка из пары левым и правым глазом.

Простейший и наиболее распространенный прибор для стерео­скопического наблюдения снимков — стереоскоп. Рассмотрим принцип его устройства на примере отечественного линзо-зеркального стереоскопа (ЛЗ).

На планке основы прибора укреплены две пары зеркал — вне­шние 3₁ и 3₂ и внутренние 3₃ и 3₄, а также линзы Л₁ и Л₂ (рис. 2). Эту конструкцию на ножках устанав­ливают на стол.

Точками S₁ и S₂ на рисунке обозначены передние уз­ловые точки глаз наблюдателя. Снимки Р₁ и Р₂ располагают под зеркалами 3₁ и 3₂ так, чтобы в цен­тре поля зрения каждого глаза ока­зались соответственные участки снимков. Линейными перемеще­ниями и вращением снимков в их плоскостях добиваются слияния изображений. В результате этого на­блюдатель увидит стереоскопичес­кую модель — в частности, точки а₁ и а₂, а также d₁ и d₂ будут воспри­ниматься пространственно точка­ми А и D.

Рис.2. Принцип получения стерео­скопического эффекта при наблюде­нии пары снимков
4. Поперечный и продольный параллаксы точек снимка

Совокупность проектирующих лучей, проходящих через центр проекции, называют связкой проектирующих лучей.

Базисной плоскостью называют плоскость, проходящую через базис съемки и любой проектирующий луч.

Если этим лучом является главный луч, то базисную плоскость называют главной. Очевидно, что в момент съемки любая пара со­ответственных лучей будет располагаться в одной базисной плос­кости — условие компланарности.

Ранее мы использовали прямоугольную систему координат, осью абсцисс в которой служила главная вертикаль снимка, а осью ординат — любая из го­ризонталей. Это удобно при анализе мет­рических свойств снимков и определении возможностей исполь­зования их для непосредственного получения метрической ин­формации: измерения площадей, длин линий и др.

При фотограмметрической обработке снимков применяют иную систему координат — осью абсцисс служит линия, соединя­ющая противоположные, расположенные вдоль направления мар­шрута координатные метки, а осью ординат — линия, соединяю­щая оставшуюся пару координатных меток. Началом в этой систе­ме координат должна быть главная точка снимка. В общем случае точка пересечения указанных координатных осей может не совпа­дать с главной точкой. Значение несовпадения указывают в пас­порте съемочной системы. Поправки, по необходимости, вводят в измеряемые на снимке координаты точек.

Пара горизонтальных снимков Р₁ и Р₂, полученных с горизон­тального базиса B=S₁S_0,, с осями абсцисс, лежащими на одной прямой (идеальный случай съемки), в позитивном варианте, показа­на на рисунке. Отвесная линия AD (на местности — столб, за­водская труба и т. п.) отобразилась на снимках отрезками a₁d₁ и a₂d₂, направленными в точки o₁ и o₂ соответственно, так как точки надира п₁ и п₂ на горизонтальных снимках совмещаются с главны­ми точками. Точки а₁ и а₂ будут иметь равные ординаты , так как в идеальном случае съемки след сечения снимков базис­ной плоскостью будет параллелен общему направлению осей абс­цисс этих снимков. Аналогичное равенство будет справедливым для любой пары соответственных точек.


Рис. 3. Изображение отвесной линии на паре снимков идеального случая съемки

Разность ординат соответственных точек пары снимков назы­вают поперечным параллаксом точки:

На реальных снимках в общем случае q0. Такие снимки, если значение q превышает определенные допуски, преобразуют (трансформируют). Ординаты после преобразования называют трансформированными и обозначаются и . Для трансформированных ординат должно выполняться условие:


Из этого можно сделать вывод: поперечные параллаксы явля­ются функцией некоторых величин, определяющих взаимное по­ложение пары снимков (элементов взаимного ориентирования снимков).

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

На реальных снимках абсциссы и соответственно продольные параллаксы будут искаженными (вспомним о смещении точек снимка вследствие его наклона). Следовательно, продольные па­раллаксы определяемых точек предварительно должны быть осво­бождены от искажений, т. е. трансформированы. Аналогично пре­дыдущему трансформированные абсциссы и продольные парал­лаксы обозначают добавочным символом:

5. Определение превышений точек местности по паре снимков

На снимках идеального случая съемки координаты точек не ис­кажены. Следовательно, значения продольных параллаксов зави­сят только от высот изобразившихся на снимках точек. Превыше­ние одной точки над другой, например точки А над точкой D (см. рис. 9.4), вычисляют по формуле:

,
где - высота фотографирования над точкой, принятой за начальную (в при­мере H_D) — продольный параллакс той же точки; - разность продольных параллаксов определяемой и начальной точек.

В практике пары снимков, которые можно было бы отнести к идеальному случаю съемки, встречаются редко. Поэтому возника­ет задача определения возможностей использования реальных снимков для определения превышений отдельных точек простей­шим способом. Необходимость в этом возникает в основном при определении высот (глубин) дешифрируемых объектов, например средней высоты леса, высоты зданий при крупномасштабном картографировании, элементов рельефа антропогенного проис­хождения (курганов, ям) и др. В большинстве случаев при этом точки, превышение которых определяют, располагаются одна вблизи другой. Поэтому искажения абсцисс этих точек, а следо­вательно, и продольных параллаксов будут близкими по значе­нию и при определении разностей продольных параллаксов мо­гут не оказать существенного влияния на точность измерения превышений.

Приемлемое расстояние между точками, превышение которых определяют, зависит от степени наклона снимков, поворота их в своей плоскости относительно используемой при измерении об­щей для пары снимков оси абсцисс, а также от значения f АФА. По результатам анализа зависимости искажения абсцисс точек снимка от перечисленных факторов с экспериментальным под­тверждением результатов установлено:

на плановых снимках отстояние одной точки от другой в 5 мм может привести к погрешности в Ар до 0,05 мм при f = 200 мм и до 0,10 мм при f = 100 мм;

на гиростабилизированных снимках погрешности сократятся до 0,02 мм при f = 200 мм и до 0,03 мм при f = 100 мм.

Приведенные данные позволяют с достаточной точностью опре­делять допустимое значение расстояния между определяемыми точками для других условий съемки, используя при этом линей­ную интерполяцию. Отметим также, что при работе с гиростабилизированными снимками (углы наклона 10...20°) при f = 200 мм по паре снимков с достаточной точностью можно определять превышения точек местности, отстоящих одна от другой до 20 мм.

При обработке снимков равнинной и всхолмленной местности формула (9.10) может быть упрощена. В качестве H_нач можно при­нять среднюю высоту съемки для используемой пары снимков Н, если замена не приведет к недопустимым погрешностям в опреде­ляемых превышениях точек. Зависимость точности вычисления превышений от точности используемой в вычислениях высоты — линейная, т. е.
,

где — допустимая относительная погрешность определения превышений точек или высот объектов.

Рассуждая аналогично, можно перейти к использованию сред­него значения параллакса в рассматриваемой формуле и одновре­менно опустить в знаменателе величину , так как значение для снимков с продольным перекрытием около 60 % составляет около 70 мм, а при определении высот дешифрируемых объек­тов в сельских поселениях, лесах и т. п. — около 1 мм. Относитель­ная погрешность, обусловленная этим упрощением, составит 1/70, что вполне приемлемо при выполнении этих работ.

Формула примет вид:

6. Простейшие измерительные стереоприборы

Для выполнения стереоскопических измерений высот объек­тов, уклонов участков местности стереоскоп должен быть снабжен устройством для измерения разностей продольных параллаксов. Такое устройство может быть автономным (параллаксометр) и использоваться совместно с обычным стереоскопом, например с ЛЗ, или входить составной частью в конструкцию стереоскопа. Например, таким прибором может служить дешифровочный сте­реоскоп ДС-4. Прибор можно быстро собрать и разобрать. Пред­назначен он для наблюдения снимков формата до 30 х 30 см при естественном и искусственном освещении. Бинокуляр сменный с увеличением 0,9; 3,6 и 7,2 крат. Диаметр поля зрения изменяется от 18,5 до 2,5 см. Снимкодержатель свободно перемещается под наблюдательной системой в горизонтальной плоскости. Система рычагов при этом обеспечивает сохранность ориентирования снимков.

К этому же классу приборов относится стереоскоп с маркирую­щими механизмами — СММ (рис. 9.7). Прибор можно использо­вать в полевых и камеральных условиях. Кроме стереоскопичес­ких измерений высот дешифрируемых объектов и углов наклона участков местности с помощью СММ можно идентифицировать и маркировать точки на одномасштабных и разномасштабных сним­ках, а также переносить результаты дешифрирования со снимков на фотопланы (ортофотопланы) при разности масштабов от 0,8 до 4 крат. В полевых условиях обрабатывают снимки формата 180 х 180 мм. Увеличение оптической системы с бинокулярной на­садкой в 5 крат. Поле зрения при таком увеличении не менее 30 мм. Средняя квадратическая погрешность идентификации то­чек одномасштабных снимков не более 0,03 мм.

Рис. 9.7. Стереоскоп СММ:

1 — бинокуляр; 2 — зеркало; 3 — снимкодержатель

Технология измерения разностей продольных параллаксов за­ключается в следующем. Снимки ориентируют по начальному на­правлению — направлению, проходящему через собственную глав­ную точку снимка и главную точку, перенесенную со смежного снимка. Снимки укладывают под наблюдательную систему так, чтобы их главные точки расположились на линии абсцисс прибо­ра или параллельно ей. Перемещая снимки вдоль этой линии, а также вращая их в своей плоскости, добиваются получения сте­реоэффекта. Начальные направления при этом окажутся пример­но на оси абсцисс. Уточняют ориентирование устранением оста­точных поперечных параллаксов на главной точке правого сним­ка, вращая снимок левого, и наоборот. Затем последовательно пе­реходят в зоны расположения объектов, высоты которых определяют. В общем случае в каждой зоне будут наблюдаться по перечные параллаксы. Здесь их перед измерением продольных па­раллаксов устраняют вертикальным перемещением одной из ма­рок. Совмещают пространственную марку с поверхностью стерео-модели (при правильном ориентировании снимков обе марки со­льются в одну воспринимаемую наблюдателем пространственно марку) вращением параллактического винта. Разность снимаемых со шкалы винта условных отсчетов при последовательном совме­щении марки с точками, превышение которых определяют, будет величиной Ар для данной пары точек.

По значению возникающих в разных час­тях рабочей площади стереопар поперечных параллаксов можно судить о примерном значении углов наклона и разворота обраба­тываемых снимков и соответственно устанавливать возможные расстояния между наблюдаемыми точками.
Тема 6: Фотосхемы и стереофотосхемы
План:

1. Понятие фотосхемы и преимущества

2.Способы изготовления фотосхем

Фотосхемы

Фотосхемой называют фотографическое изображение местнос­ти, составленное из рабочих площадей снимков. Материалом для монтажа фотосхем служат контактные и, реже, увеличенные снимки.

Удобнее изготавливать одномаршрутные фотосхемы. Если воз­никает необходимость в обеспечении фотосхемами территорий, выходящих по площади за пределы одномаршрутной фотосхемы, монтируют несколько одномаршрутных фотосхем. Наклеивают их на основу одну под другой. Это позволяет избежать в некоторых случаях значительных расхождений ситуационных элементов в полосе поперечного перекрытия фотосхем. Маршрутные границы рабочих площадей фотосхем, проведенные по их идентичным точ­кам, могут существенно различаться по начертанию.

Возможность изготовления единой многомаршрутной фотосхе­мы при благоприятных условиях (местность равнинная, снимки гиростабилизированные) не исключается.

Преимущества фотосхем:

1. 
   для их изготовления не требу­ется геодезической подготовки снимков и на монтажные работы требуется мало времени;
   
2. 
   Фотосхемы можно использовать как приближенный картографический мате­риал на стадии предварительного изучения территорий и эскизно­го межевания.
   
3. 
   фотоизображение содержит большой объем самой свежей информации о состоянии угодий, объектов инфраструктуры, водоемов и др.
   
4. 
   Фотосхемы — более удобный материал, чем отдельные снимки, для тех видов дешиф­рирования, в которых требуется выявление взаимосвязей элемен­тов ландшафта, закономерностей строения рельефа на больших территориях, например при почвенном дешифрировании или ме­лиоративных изысканиях.
   
5. 
   Фотосхемы — незаменимый материал при выпол­нении дешифровочных работ с борта самолета или вертолета (аэровизуальное дешифрирование).
   

Способы изготовления фотосхем

Различают два способа монтажа фотосхем:

1. по соответствен­ным точкам

2. по начальным направлениям.

1. Способ монтажа фотосхем по соответствен­ным точкам

Может быть реализован в двух вариантах:

1. 
   ин­дивидуальной
   
2. 
   совместной обрезки снимков.
   

Достоинство рассмотренного способа — высокая производительность и простота технологии. Однако влияние рельефа местности и угла наклона снимка на смещение точек, используемых
при монтаже, может существенно искривить направление фото­
схемы даже при идеальной прямолинейности съемочного марш­
рута.

2. Способ монтажа по начальным направлениям сложнее по технологии и менее произ­водителен, но он позволяет сохранить то направление маршрута, которое было при съемке, например прямолинейное.

Технология монтажа этого способа следующая. На всех сним­ках накалывают рабочие центры — четкие точки изображения, на­дежно опознаваемые на смежных снимках. Они должны распола­гаться не далее чем 0,05 от главной точки снимков. Опознают и накалывают выбранные рабочие центры на смежных снимках. На­правления на снимке, исходящие из собственного рабочего центра на рабочие центры, перенесенные со смежных снимков, называют начальными.

Масштаб фотосхемы и ее метрические свойства

Фотосхемы характеризуются средним масштабом. Определить его можно, сопоставив два соответственных бази­са, измеренных на фотосхеме и карте. Масштаб карты при этом должен быть не мельче масштаба фотосхемы. Базисы располагают по диагоналям фотосхемы.

При отсутствии подходящей карты средний масштаб фотосхе­мы может быть определен по опознанным на фотосхеме пунктам государственной геодезической опоры или по высотам съемки ис­пользованных при изготовлении фотосхемы снимков. Средний масштаб вычисляют по формуле

,

где — средняя высота съемки для использованных при монтаже снимков.

Метрические свойства фотосхемы в пределах вмонтирован­ных в нее рабочих площадей снимков остаются теми же, что и для отдельных снимков.
Стереофотосхемы

При выполнении некоторых видов дешифровочных работ возникает необходимость в стереоскопи­ческом изучении рельефа на территории значительной протяжен­ности. Средне-масштабные и крупномасштабные плановые космичес­кие снимки получают с помощью длиннофокусных съемочных си­стем с узким углом поля изображения. Рельеф будет восприниматься сглаженным, за пределами порога стереоскопического восприятия останутся элементы микро- и даже мезорельефа.

Задача расширения обзорности может быть решена путем создания стерео-фотосхем.

Стереофотосхема — пара фотосхем, одна из которых смонти­рована из левых, а другая из правых половин комплекта перекры­вающихся снимков.

Принцип их изготовления заключается в следующем. Каждый снимок, кроме крайних в маршруте, используют дважды при последовательном стереоскопическом наблюдении: в одной паре как левый, в другой — как правый. Если из каждо­го снимка выделить его левую (л) и правую (п) части путем инди­видуального пореза по линиям, проходящим через пары соответ­ственных точек перекрывающихся снимков, и наклеить эти части на отдельные основы, полу­чим пару фотосхем. Наблюдая их под стереоскопом, получим стереомодель маршрута. Некоторые части снимков после пореза окажутся лишними.

Пары точек, определяющие направление порезов, должны иметь примерно одинаковые высоты. Вследствие невыполнения этого условия, образуются так называемые провалы — видимые относительные вертикальные смещения или перекосы смежных стереомоделей.

<предыдущая страница | следующая страница>