Тема 7: Вторичные информационные модели
План:

4. 
   Увеличенные снимки
   

2. Цифровые модели местности, планы, карты
Вторичные информационные модели — результат какого-либо преобразования исходных снимков.

Выделяют два основных вида преобразования: фотографическое и геометри­ческое.

Фотографическое преобразование выполняют с целью упрощения процесса извлечения из снимков семантической информации (увеличение изображения, повышения его контрастности, устранения влияния некоторых шумов и т. п.)

Основная цель геометрического (фотограмметрического) преобразования — получение изображения местно­сти в нужной картографической проекции (преобразованию аэрофотоснимков, полученных в центральной проекции, в изображение местности в ортогональной проекции).

1. Увеличенные снимки

При недостаточной дешифрируемости снимков специалист прибегает к способам повышения дешифрируемос­ти — увеличение изображения, повышение его контраста, умень­шение смаза, фильтрация и др.

По экономическим соображениям съемку выгодно выполнять в масштабе более мелком, чем масштаб картографирования. Предел уменьшения съемочного масштаба определяется возможностями отображения на снимках необходимых объектов местности и обеспечения достаточной точности выполнения метричес­ких действий по ним. В большинстве случаев исходные снимки не обеспечивают достаточной точности, а иногда и возможности, ре­шения определенных задач.

Линейная разрешающая способ­ность зрительного аппарата человека для монокулярного и бино­кулярного зрения определяется значениями 20 и 40 мм^-1 со­ответственно. Поэтому реальная разрешающая способность зрительного аппарата уменьшится по крайней мере вдвое. В итоге оказывается, что средняя реальная разрешающая способность зрительного аппа­рата при анализе снимков характеризуется значением 7... 10 мм^-1 и меньше.

Современные аэро- и космические снимки благодаря высоко­му качеству объективов съемочных систем, использованию компенсирующих смаз изображения устройств и устойчивых в полете носителей имеют разрешающую способность 60...80 мм^-1 и более. Это дает возможность соответственно в восемь—десять раз умень­шить съемочный масштаб. Дешифрируемость таких снимков до­водят до нужного уровня путем их увеличения.

Используется два варианта:

• 
  оптическое
  
• 
  фотографическое уве­личение.
  

В оптическом варианте при извлечении из снимков семантической информации используют увеличивающие изображения приспо­собления — лупы, монокуляры и бинокуляры специализирован­ных приборов. Этот вариант можно применять при дешифриро­вании объектов, регистрируемых на снимках внемасштабными условными знаками (колодцы, пункты геодезической опоры и т. п.), а также при наблюдении деталей, используемых в качестве индикаторов объектов, подлежащих нанесению на карту (печных труб при раздельном показе жилых и нежилых сельских построек и т. п.).

При дешифрировании малых по площади объектов, обозначае­мых на снимках границами с условными знаками внутри контура, переход к более дорогому фотографическому увеличению неизбе­жен, если дешифрируют непосредственно снимок. Например, при создании кадастровых карт в масштабе 1:10000 пашни, многолетние насаждения и культурные пастбища на осу­шаемых землях наносят на план, если площадь их на плане пре­вышает 2 мм². На снимках, размер стороны окажется настолько малым, что размещение внутри него хотя бы одного условного знака невозможно.

Необходимость увеличения снимков обусловливается также обеспечением достаточной точности выполнения метрических ра­бот. Такие работы возникают в основном при полевой инструмен­тальной досъемке не отобразившихся на снимках объектов. Абсо­лютная погрешность фиксации концов измеряемых на снимках отрезков остается примерно постоянной при значительном (до 4...6) увеличении изображения. Дальнейшее увеличение кратности приводит к монотонному возрастанию погрешности. Поэтому относительная погрешность измерения отрезков на оптимально увеличенном снимке сокращается примерно пропорционально кратности увеличения.

Очевидно, точность измерения координат точек по увеличен­ным снимкам с помощью дигитайзера, координатографа и других измерительных устройств будет аналогично повышаться.

2. Цифровые модели местности, планы, карты

Использование новейших типов съемочных систем, переход к компьютерным технологиям и информационным системам по­зволяют получать и хранить полученную информацию о местно­сти в виде цифровых моделей, которые при необходимости могут быть представлены в визуализированном виде (на экране мони­тора или в графическом виде на бумаге). Графические планы и карты стали вторичны по отношению к цифровым моделям мест­ности.

Моделью принято называть результат описания (моделирова­ния) какого-либо объекта, процесса или явления. Модель позво­ляет заменить изучаемый объект или явление его упрощенной формой без потери необходимой информации о нем. Модель не обязана быть абсолютно тождественной самому прообразу, но должна обладать достаточностью. Под достаточностью модели по­нимают такое ее приближение к прообразу, при котором погреш­ности модели не превышают допустимые погрешности измерения параметров прообраза.

Процесс создания и изучения моделей — моделирование — одна из основных категорий теории познания: на идее моделиро­вания, по существу, базируется любой метод научного исследова­ния, как теоретический, так и экспериментальный.

Моделирование может быть семантическим (словесным), ана­логовым и математическим.

В фотограмметрии наиболее широкое распространение полу­чило математическое моделирование, которое описывает изучае­мые объекты или явления в виде:

формул (аналитические модели);

геометрических образов (геометрические модели);

массивов чисел (цифровые модели).

Цифровая модель местности (ЦММ) представляет собой много­мерную цифровую запись информации о местности на магнитном носителе. В цифровых информационных потоках информация хранится поэлементно. Каждый элемент ЦММ имеет п численных характеристик, три из которых — пространственные координаты точки местности, остальные — закодированные числами семанти­ческие характеристики этой точки.

Цифровую модель местности, содержащую информацию о пространственном положении объектов местности, а также семан­тическую информацию об этих объектах, можно представить как совокупность цифровой модели рельефа (ЦМР) и цифровой моде­ли ситуации (ЦМС).

Под ЦМР понимают массив чисел, являющихся простран­ственными координатами точек местности. ЦМС также представ­ляет собой массив чисел, каждым элементом которого являются плановые координаты поворотных точек границ объектов и зако­дированная числами семантическая информация об этих объек­тах. Содержание контуров определяется тематикой модели ситуа­ции — это могут быть топографические элементы, сельскохозяй­ственные угодья, лесотаксационные единицы, почвенные разно­сти и т. п.

Цифровые модели местности являются базой для создания ши­рокого спектра картографической продукции, используемой зем­леустроительными и кадастровыми службами. Это цифровые (электронные) карты, фотопланы, контурные фотопланы, топо­графические фотопланы, ортофотопланы, фотокарты, топографи­ческие планы, ЗБ-изображения.

Цифровая (электронная) карта (ЦК) — это объединение цифро­вой модели рельефа и нескольких цифровых моделей ситуации. Каждая ЦМС представляет собой так называемый слой ЦК. Все слои ЦК связаны между собой посредством ЦМР.

Как правило, в цифровых картах используют географические координаты, поэтому цифровые карты не имеют масштаба. При визуализации цифровая карта может быть представлена в любом

масштабе, но не крупнее того, точность которого соответствует точности исходных данных для создания ЦК.

Цифровые карты содержат значительно больший объем инфор­мации, нежели традиционные графические карты, благодаря по­слойному ее хранению.

Кроме того, цифровые карты физически не устаревают, не вет­шают. Информацию о местности на современном уровне поддер­живают ведением непрерывного мониторинга и картографическо­го дежурства.

Фотоплан — фотографическое одномасштабное изображение местности в заданном, обычно стандартном масштабе, на которое нанесена координатная сетка. Как правило, фотопланы изготав­ливают в рамках трапеций государственной или условной раз­графки или на территорию отдельных землепользовании.

На контурных фотопланах условными знаками показаны необ­ходимые элементы ситуации, некоторые элементы естественного рельефа: бровки балок, оврагов, линии резкого изменения крутиз­ны склонов, а также искусственные формы рельефа.

На топографических фототанах условными знаками показана ситуация и нанесены горизонтали.

После удаления фотоизображения контурные и топографичес­кие фотопланы превращаются соответственно в контурные и то­пографические планы.

Иногда, например при проектировании противоэрозионных мероприятий, целесообразно сохранить фотоизображение, несу­щее максимум информации об эрозионных процессах. В таких случаях на топографических фотопланах число условных знаков уменьшается до необходимого минимума. В результате получается продукция, называемая фотокартой.

Ортофотоплан — фотографическое изображение местности в ортогональной проекции. Первоначально по экономическим со­ображениям ортофотопланы изготавливали преимущественно на горные территории. В настоящее время ортофотопланы получают на различные районы местности с любыми превышениями и фор­мами рельефа.

ЪТ>-изображение — это изображение трехмерных объектов на плоскости. Эта новая форма представления пространственной ин­формации находит широкое применение в различных сферах на­учной и производственной деятельности.

12.2. СИСТЕМЫ КООРДИНАТ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ФОТОГРАММЕТРИИ

В фотограмметрии обычно используют следующие системы ко­ординат.

Для определения положения точки на снимке, как уже описы­валось в части II, применяют правую плоскую прямоугольную си-

стему координат снимка о'ху (рис. 12.1). Началом системы коорди­нат является точка о' — точка пересечения прямых, соединяющих координатные метки снимка 1—2 и 3—4, Ось х совпадает с прямой 1—2, а ее положительное направление — с направлением полета. Ось у перпендикулярна оси х и проходит через о'. Координаты то­чек (х, у), измеренные в системе координат снимка, называют плоскими координатами.

Для определения положения центра проекции S относительно снимка используют пространственную систему координат снимка o'xyz (рис. 12.2). В этом случае начало системы координат и оси х и у те же, что и в плоской системе координат снимка. Ось o'z пер­пендикулярна плоскости снимка и дополняет систему до правой.

Взаимное положение точек местности определяют в простран­ственной фотограмметрической системе координат. Это правая си­стема координат. Начало системы и направления координатных осей выбирают произвольно. Часто начало системы координат совмещают с центром проекции S— SXYZvuivi с какой-либо точ­кой местности М— MXYZ. Плоскость XYпринимают горизонталь­ной или параллельной плоскости снимка (рис. 12.3).

Положение точек местности определяют в левой геодезической системе прямоугольных координат Гаусса— О^Г Х^г Y^r Z^r. Начало геодезической системы координат О^г находится в точке пересече­ния осевого меридиана данной зоны и экватора. Плоскость X^rY^r — горизонтальная. Ось Y^T направлена на восток, ось Х^г — на север (рис. 12.4). Условная геодезическая система координат может иметь началом любую точку местности, а ее оси сонаправлены соответствующим осям системы координат Гаусса (рис. 12.5).

12.3. ЭЛЕМЕНТЫ ОРИЕНТИРОВАНИЯ ОДИНОЧНОГО СНИМКА

Различают элементы внутреннего и внешнего ориентирования снимка.

Элементы внутреннего ориентирования определяют положение центра проекции S относительно снимка. Ими являются координаты точки S в пространственной системе координат снимка (рис. 12.6, а). Поскольку проекцией точки S на плоскости снимка является главная точка о, то их плановые координаты хи^в системе координат снимка совпадают, аппликатой точки S является расстояние So, т. е. фокусное расстояние АФА/ Таким образом, элементами внут­реннего ориентирования снимка являются координаты главной точки снимка хь, уо и фокусное расстояние АФА / Эти элементы почти всегда известны с высокой точностью и записаны в паспорте АФА. Например,/= 100,020 мм; xq = -0,012 мм; у₀ = +0,023 мм.

Элементы внутреннего ориентирования снимка формируют связку проектирующих лучей, существовавшую при съемке. Ее положение в пространстве определяют элементы внешнего ориен­тирования снимка. Их шесть. Это три линейных элемента — гео- координаты центра проекции S (X_s, Y_s, Z_s) и три угло­вых элемента наклона и поворота снимка (рис. 12.6, б):

а — продольный угол наклона снимка (угол между осью Z и про­екцией главного луча на плоскость XZ);

со — поперечный угол наклона снимка (угол между главным лучом и проекцией главного луча на плоскость XZ);

ае — угол поворота снимка (угол на снимке между осью у и следом сечения плоскости снимка с плос­костью, построенной на главном луче и оси Y).

В аналитической фотограммет­рии горизонтальным снимком на­зывают снимок, все три угла наклона и поворота которого равны нулю, т. е. а = со = ае = 0.

Следует заметить, что для всех снимков, полученных данным АФА, элементы внутреннего ориентирования можно считать по­стоянными известными величинами. Однако элементы внешнего ориентирования у каждого снимка свои и, как правило, неизвестны.

Задачу по определению геодезических координат точки мест­ности по измеренным координатам ее изображения на снимке на­зывают прямой фотограмметрической засечкой.

12.5. ЦИФРОВЫЕ МОДЕЛИ РЕЛЬЕФА

Цифровая модель рельефа (ЦМР) — это цифровое представле­ние земной поверхности как непрерывного явления, описываю­щее ее с определенной точностью. Под ЦМР понимают множе­ство точек с известными геодезическими координатами (X^е, У, 2Т) и правило определения высоты Z? любой другой точки, не вхо­дящей в это множество. Точки с известными геодезическими ко­ординатами в данном случае принято называть высотными пике­тами. Правило определения высоты называют правилом интерпо­ляции высот, или аналитической моделью рельефа (AMP).

Методы построения цифровых моделей рельефа различаются по схемам расположения высотных пикетов и по способам интер­поляции высот в промежутках между ними.

По схемам расположения высотных пикетов ЦМР делят на ре­гулярные, полурегулярные и структурные.

В регулярных моделях высотные пикеты расположены в узлах се­ток квадратов, прямоугольников или равносторонних треугольни­ков (рис. 12.7). Недостатком этих моделей является то, что наибо­лее значимые точки рельефа, находящиеся на линиях тальвегов и водоразделов, перегибах скатов, могут оказаться между узлами сетки и не отобразиться на ЦМР. В связи с этим важно выбрать оптимальный шаг сетки, так как с его увеличением возрастают по­грешности ЦМР, а с уменьшением — объем ЦМР, время и сред­ства на ее создание.

В полурегулярных моделях (рис. 12.8) высотные пикеты распола­гают на поперечниках к заданным линиям. Пикеты могут нахо­диться на поперечниках либо на одинаковых расстояниях дру друга, либо на перегибах скатов. Полурегулярные ЦМР в основ­ном используют при проекти­ровании трасс линейных соору­жений (дорог, линий электро­передач, нефте- и газопроводов и т. п.).

Рис. 12.8. Полурегулярная цифровая модель рельефа

Для наиболее правильного описания характера рельефа меньшим числом высотных пи-

кетов создают структурные ЦМР (рис. 12.9). В этих моделях поло­жение высотных пикетов определяется структурой рельефа —их выбирают в его характерных точках.

Координаты высотных пикетов, используемых для построения ЦМР, могут быть получены в результате полевых геодезических измерений, по топографическим картам, по результатам воздуш­ного и космического лазерного сканирования, путем стереофото-грамметрической обработки снимков.

Для определения отметок точек, находящихся между высотны­ми пикетами, применяют различные способы линейного и нели­нейного интерполирования.

При использовании регулярных ЦМР с малым шагом сетки от­метки промежуточных точек можно определить двойным линей­ным интерполированием (рис. 12.10).

Высота /-Й точки с плановыми координатами (Х„ Yj) может быть определена с использованием полинома первой, второй и реже третьей степени. Например,

12.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ОРИЕНТИРОВАНИЯ СНИМКА

Решение прямой фотограмметрической засечки возможно при условии, что элементы ориентирования снимка известны.

Элементы внутреннего ориентирования, как правило, извест­ны. Их определяют при калибровке АФА с точностью 0,001 мм и записывают в его паспорт.

Элементы внешнего ориентирования снимка можно опреде­лить различными способами. Их делят на две группы.

Первую группу составляют способы определения элементов внешнего ориентирования снимков в полете с помощью специ­альных приборов. Например, координаты центров проекций на­ходят по показаниям GPS-приемников, установленных на борту летательного аппарата. Угловые элементы внешнего ориентирова­ния определяют с помощью инерциальных систем навигации. Ко­ординаты центров проекции в этом случае определяют с точнос­тью 10...20 см, а угловые элементы с точностью 3...4'.

Способы второй группы позволяют определять элементы внешнего ориентирования снимков по опорным точкам. Опорны­ми точками (опознаками) называют точки с известными геодези­ческими координатами. Опорные точки могут быть плановы­ми — для них известны только плановые координаты (X, Y); вы­сотными — с известной высотной координатой; планово-высот­ными — с тремя известными координатами (X, Y, Z). Определение элементов внешнего ориентирования снимков с использованием опорных точек называют обратной фотограм-

метрической засечкой, или задачей по ориентированию снимка. Ее решают аналитически с использованием уже известных из раздела 12.4 уравнений (12.2) связи координат точек снимка и местности.

В правых частях уравнений (12.2) содержатся все шесть иско­мых элементов внешнего ориентирования снимка. Для одной опорной точки с геодезическими координатами (Х^г, Г^г, Z^r) и из­меренными координатами (х, у) ее изображения на снимке можно составить два независимых уравнения вида (12.2) с шестью неиз­вестными величинами X^T_S, У§, Ц, _а, со, ж. Чтобы однозначно определить все шесть элементов внешнего ориентирования, необ­ходимо объединить в систему не менее шести независимых урав­нений, содержащих искомые элементы. Для этого требуется не менее трех планово-высотных опорных точек.

Для решения обратной фотограмметрической засечки с конт­ролем используют четыре опорные точки и более, расположенные по углам снимка. Увеличение числа опорных точек позволяет так­же отбраковывать грубые измерения.
12.10. ЭЛЕМЕНТЫ ВНЕШНЕГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ ПАРЫ СНИМКОВ

Элементы внешнего ориентирования пары снимков определя­ют их пространственное положение во время фотографирования. К ним относятся:

геодезические координаты левого и правого цент­ров проекции Si и 5*2;

углы наклона и поворота левого и правого снимков.

Таким образом, пара снимков имеет 12 элементов внешнего ориентирования.

Расположить пару снимков в геодезическом пространстве так, как она располагалась во время фотографирования, можно, используя иные 12 элементов ориентирования: 5 элементов вза­имного ориентирования пары снимков и 7 элементов внешнего (геодезического) ориентирования построенной модели местно­сти.

12.11. ЭЛЕМЕНТЫ ВЗАИМНОГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ ПАРЫ СНИМКОВ

Элементы взаимного ориентирования — угловые элементы — определяют взаимное положение пары снимков во время фотогра­фирования, при котором каждая пара соответственных лучей пе­ресекается. Все множество точек пересечения соответственных лу­чей является пространственной моделью местности.

В фотограмметрии используются две системы взаимного ори­ентирования пары снимков, которые отличаются выбором систе­мы пространственных координат. В обеих системах началом явля­ется левый центр фотографирования S\ .

В первой системе — базисной — ось X совмещена с базисом фо­тографирования, главный луч левого снимка находится в шгоско ста XZ (рис. 12.13). Таким образом, в этой системе координат у левого снимка отсутствует поперечный угол наклона a>i. Элемен­тами взаимного ориентирования в базисной системе являются пять углов: а_ь ж„ а₂, <»2, *₂. Суть каждого из этих углов аналогич­на соответствующему углу ориентирования одиночного снимка.

Во второй системе — левого снимка — оси X, У соответственно параллельны осям х, у левого снимка, ось Z совпадает с его глав­ным лучом (рис. 12.14). У левого снимка в этой системе координат отсутствуют углы наклона и поворота. Угловыми элементами ори­ентирования правого снимка будут:

взаимные углы наклона снимков Аа — продольный, Дю — попе­речный и Аж — угол поворота снимков.

Направление базиса фотографирования определяют углы т. (го­ризонтальный угол поворота базиса) и v (вертикальный угол на­клона базиса).

Элементы взаимного ориентирования в системе левого снимка: Аа, Аю, Аж, т, v.

12.12. ВЗАИМНОЕ ОРИЕНТИРОВАНИЕ ПАРЫ СНИМКОВ

Условие пересечения пары соответственных лучей — их при­надлежность одной базисной плоскости. Если два снимка взаимно ориентированы, то любая пара соответственных точек лежит в од­ной базисной плоскости, т. е. четыре точки Si, S2, щ, а₂ принадле­жат одной плоскости (рис. 12.15). Напомним (см. разд. 9.14), что это условие называют условием компланарности проектирующих лучей. Аналитически оно выражается в виде уравнений взаимного ориентирования. Для плановых снимков они имеют вид:

и их используют лишь для плановых снимков, углы наклона которых не превы­шают 3°.

Рис. 12.16. Стандартная схема расположения то­чек для взаимного ориен­тирования пары снимков

Для каждой точки местности, изобра­зившейся в зоне двойного перекрытия, т. е. на левом и правом снимках, можно соста­вить одно уравнение взаимного ориентиро­вания вида (12.8) или (12.9) с пятью неизве­стными элементами.

Чтобы определить пять элементов вза­имного ориентирования пары снимков, не­обходимо объединить в систему не менее пяти уравнений взаимного ориентирова­ния, составленных для пяти точек из зоны перекрытия. Это долж­ны быть надежно идентифицированные точки местности на левом и правом снимках. Обычно для взаимного ориентирования ис­пользуют шесть стандартно расположенных точек: две вблизи главных точек левого и правого снимков и четыре по углам зоны перекрытия (рис. 12.16). У этих точек измеряют координаты на левом и правом снимках и составляют систему из шести уравне­ний вида (12.8) или (12.9). При использовании шести точек систе­му полученных уравнений решают с контролем.

Решают систему уравнений взаимного ориентирования по спо­собу наименьших квадратов до тех пор, пока значение свободного члена (остаточного поперечного параллакса) не будет меньше за­ранее заданного значения. Значение остаточного поперечного па­раллакса устанавливают, исходя из требуемой точности конечной продукции.

Найденные элементы взаимного ориентирования пары сним­ков позволяют получить фотограмметрическую модель местности, являющуюся совокупностью фотограмметрических координат ее точек.

12.13. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ

ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИХ КООРДИНАТ

ТОЧЕК МОДЕЛИ МЕСТНОСТИ

Результат взаимного ориентирования пары снимков — постро­ение фотограмметрической модели местности в произвольном масштабе и свободно ориентированной в геодезическом про­странстве. Фотограмметрические координаты точек модели не яв­ляются геодезическими координатами точек местности.

Пространственные координаты X^м, V^м, Z^M точек фотограм­метрической модели определяют в системе координат, в которой определяли элементы взаимного ориентирования (в базисной или в системе левого снимка), по следующим формулам:

#*= NXx, }**= NYu Z^M= NZ_U

где Х\, Y\, Z\ —пространственные координаты точки левого снимка (рис. 12.17) в

-
<предыдущая страница