Файл: Конспект лекций по дисциплине Дистанционное зондирование и фотограмметрия для студентов 2 курса направление подготовки.pdf

12
Фокусное расстояние АФА – это расстояние от задней узловой точки объектива до фокальной плоскости АФА.
Разрешающая способность объектива характеризует возможности объектива раздельно передавать в создаваемом изображении близко расположенные мелкие детали.
Кассета предназначена для размещения аэрофотопленки и приведения её в плоскость прикладной рамки во время экспонирования.
Командный прибор служит для автоматического дистанционного управления АФА.
1. стекло люка
2. аэрофотоустановка
3. светофильтр
4. объектив
5. корпус камеры
6. оптический блок
7. выравнивающее стекло
8. приемная и передающая кассеты
9. прижимной стол
10. приемная и передающая катушки
11. аэропленка
12. пульт управления
13. прикладная рамка
Рисунок 7 – Принципиальная схема аэрофотоаппарата

13 o’ – главная точка снимка
S – точка фотографирования (центр проекции)
F
– фокусное расстояние объектива
Рисунок 8 – Прикладная рамка аэрофотокамеры
Достоинства фотографических съемочных систем:
+ изображение представляет аналоговую модель снимаемого объекта
+ достаточно строгая пропорциональность цвета на снимке яркостям объектов
+ фотографический процесс изучен достаточно
+ фотоматериал имеет достаточно стабильные характеристики и свойства
+ высокая разрешающая способность
Недостатки фотографических съемочных систем:

ограничение спектральной зоны съемки (0,3-1,1 мкм)

необходимость проведения фотохимической обработки

неоперативность доставки получаемой информации

зависимость от погодных условий

необходимость сканирования аэрофотоснимков
Планирование и выполнение аэрофотосъёмки
Основным документом для выполнения аэрофотосъемки является технический проект, которым определяются основные параметры аэрофотосъемки (высота фотографирования, продольное и поперечное перекрытия, базис фотографирования, расстояние между маршрутами, количество требуемых фотоматериалов).
На первом этапе определяются границы съемочных участков. Для этого по заданным значениям масштаба аэрофотосъемки и фокусного расстояния вычисляется высота фотографирования и по формуле (1) проверяют, удовлетворяют ли характеристики рельефа местности требованиям аэрофотосъемки.
(h max
-h min
)/H<0.2, (1)

14
Если условие не выполняется, то объект разбивается на отдельные съемочные участки, для каждого из которых вычисляются свои параметры, кроме того размер съемочного участка не должен быть слишком большим, чтобы аэрофотосъемка была выполнена в один полет.
Границами съемочных участков служат, как правило, рамки топографических трапеций, но можно использовать и другой подход. Для каждого съемочного участка вычисляются величины, приведенные в таблице.
Основными параметрами аэрофотосъёмки являются: масштаб фотографирования (m), высота фотографирования (Н
Ф
), фокусное расстояние
АФА (f), а также продольное и поперечное перекрытия аэрофотоснимков (P
x
и P
y
). Первые три параметра связаны соотношением:
ф
H
f
m

1
Высоту фотографирования относительно средней плоскости участка аэрофотосъемки Н
Ф
найдем по формуле:
f
m
H


Продольные и поперечные перекрытия снимков, определяются в соответствии с “Основными положениями по аэрофотосъемке”, выполняемой для создания и обновления карт.
Рисунок 9 – Продольное и поперечное перекрытие снимков
Продольное перекрытие определяется в соответствие с таблицей 5.
Таблица 5 – Таблица расчета продольного перекрытия снимков

15
Заданное Р
х
% Минимальное Р
о
%
Максимальное Р
x
% h:H<0,2 h:H>0,2 60 56 66 70 80 78 83 85 90 89 92 93
Продольное перекрытие снимков рассчитывается по формуле:
H
h
X
P
P
P
P





0
(16) где
0
P
– минимальное заданное продольное перекрытие снимков,
h
P

– поправка за рельеф местности вычисляется по формуле:


0 100
P
H
h
P
Ф
h



(17)
h
– наибольшее превышение точек местности над средней плоскостью съемочного участка,
H
P

– навигационная поправка, которая согласно основных положений по аэрофотосъемке составляет 4-6% и зависит от масштаба аэрофотосъемки.
Поперечное перекрытие снимков определяется по таблице 6.
Таблица 6 – Таблица расчета поперечного перекрытия снимков
Масштаб аэрофотосъемки
Поперечное перекрытие %
Расчетное Минимальное Максимальное
Мельче 1:25000 30+70
Ф
H
h
20
+10 1:25000-1:10000 35+65
Ф
H
h
20
+15
Крупнее 1:10000 40+60
Ф
H
h
20
+20
Расчет базиса фотографирования на местности производится по формуле:
f
H
P
l
B
Ф
x
x
X
)
100 1
(


, (18)

16
Расчет расстояния между осями маршрутов рассчитывается по формуле:
f
H
P
l
B
Ф
y
y
Y
)
100 1
(


, (19) где y
,l
l
x
– формат кадра в миллиметрах.
1.4 Оптико-механические и оптико-электронные сканеры
Принцип действия оптико-механических и оптико-электронных сканеров. Отличие геометрии формирования сканерного снимка от кадрового. 2
Принцип действия оптико-механических и оптико-электронных сканеров.
Отличие геометрии формирования сканерного снимка от кадрового.
1 – площадка мгновенного обзора
2 – объектив
3 – механизм вращения
4 – сканирующее зеркало
5 – приемник излучения
6 – устройство магнитной записи
7 – передающее устройство
8 – направление сканирования
9 – направление съемки
Рисунок 10 – Принцип действия оптико-механического сканера
3 7
6 5
1 9
8 4
2

17
Оптико-механический сканер содержит только один чувствительный элемент – датчик, который позволяет измерять яркость небольшого участка, пикселя земной поверхности. Сканирующее зеркало просматривает полосу местности, что позволяет зарегистрировать яркость целого ряда пикселей земной поверхности за короткий промежуток времени. Поскольку сканер размещается на движущейся платформе, он аналогично записывает данные о следующей полосе пикселей земной поверхности. По мере движения платформы сканирующий механизм позволяет получить изображение на целую площадь. Принцип работы сканера показан на рисунке
1 – площадка мгновенного обзора
2 – объектив
3 – механизм вращения
4 – сканирующее зеркало
5 – приемник излучения
6 – устройство магнитной записи
7 – передающее устройство
8 – направление сканирования
9 – направление съемки
10 – полупрозрачное зеркало
11 – разделяющая призма
12 – линейка детекторов для различных участков спектра
13 – термальный детектор
14 – детектор для дальнего инфракрасного участка спектра
Рисунок 11 – Принцип действия многоспектрального оптико-механического сканера
3 7
6 5
1 9
8 4
2 14 11 13 12 10

18
f – фокусное расстояние камеры
S – точка фотографирования (объектив)
H – высота фотографирования
L – ширина полосы захвата
Рисунок 12 – Принцип действия оптико-электронного сканера
В оптико-электронном сканере линейка датчиков ориентирована перпендикулярно направлению движения платформы.
Отдельному чувствительному элементу линейки, имеющему размер '
a
поперек траектории полета, на земной поверхности соответствует пиксель с размером
a
Сканерное изображение отличается от кадрового тем, что кадровое изображение формируется по законам центральной проекции, а в сканерном по законам центральной проекции формируется каждая строка, соответственно каждая строка буде иметь элементы внешнего ориентирования.
Достоинства сканерных съемочных систем:
+ широкий спектральной диапазон съемки
S
f
линейка датчиков
(ПЗС)
H
L

19
+ оперативность доставки получаемой информации
+ высокая периодичность получения информации
+ не требуется сканирование изображений
Недостатки сканерных съемочных систем:

зависимость от погодных условий

необходимо учитывать, что каждая строка изображения имеет свои элементы внешнего ориентирования
Как уже говорилось, сканеры могут работать в достаточно широком диапазоне спектра, и следует выделить тепловую съемку, то есть съемку, ведущуюся в инфракрасной и тепловой зоне электромагнитного спектра.
Принцип получения изображения основан на измерении температур объектов местности. Само же изображение аналогично фотографическому.
Достоинства и недостатки тепловых съемочных систем:
+ возможность выполнять съемку, как в дневное, так и в ночное время
+ используются для картографирования подземных коммуникаций, выявления техногенных нарушений и изучения негативных экологических процессов

высокого разрешения на местности можно достичь только на малых высотах
1.5 Радиолокационные и лазерные съемочные системы
Принцип действия активных съемочных систем.
2
Принцип действия активных съемочных систем
Радиолокационные съемочные системы
Принцип действия активных съемочных систем заключается в следующем: на носитель устанавливается передатчик с антенной, который посылает в направлении Земли импульс, и после некоторой паузы выполняется прием отраженного сигнала. Интенсивность отраженного сигнала зависит от дальности и различна для различных типов объектов.

20 1 – антенна
2 – направление движения
3 – зондирующий сигнал
4 – отраженный сигнал
5 – полоса наблюдения
6 – объект
Рисунок 13 – Принцип действия радиолокационных съемочных систем
Отраженный сигнал вернется назад через интервал времени:
∆t=2L/c, где c – скорость света,
L – расстояние от объекта до спутника,
2 учитывается, так как сигнал проходит путь L дважды.
Таким образом, измеряя ∆t, можно найти расстояние до объекта.
Радиолокатор перемещается вместе с носителем, считывая по строкам сигнал, таким же образом, как и сканеры.
1 6
5
L
4 3
2

21
Важным физическим параметром радарной съемки является поляризация. Поляризация это передаваемый и получаемый сигнал, распространяющийся в определенной плоскости.
Поляризационные плоскости обычно бывают горизонтальные H и вертикальные V.
HH и VV - одинаковые поляризации или совместные поляризации.
HV и VH - перекрестные или непарные поляризации
Рисунок 14 – Виды поляризации
Вертикально-поляризованная волна будет взаимодействовать с вертикальными стеблями слоя растений
Горизонтально-поляризованная волна будет проникать сквозь слой растений.
Комбинирование разных поляризаций может улучшать различные классификации, например – определение различных классов растительности.
Достоинства радиолокационных съемочных систем
+ не зависит от облачности, тумана и смены дня и ночи
+ космические РЛС имеют преимущество глобального доступа, широкого охвата (то есть местности, видимой на земле), регулярного повтора изображений, большого архива данных, низкой стоимости получения данных, приемлемого разрешения изображений
+ бортовая самолётная РЛС имеет преимущество высокого разрешения
H
V

22
+ применяют для изучения водных поверхностей, определения границ береговых линий, зон подтопления и т.п.
Недостатки радиолокационных съемочных систем

более низкая разрешающая способность, по сравнению с аэрофотосъемкой и цифровой съемкой

стоимость выше, чем аэрофотосъемка и цифровая съемка

Лазерные съемочные системы
1 – лазерный сканер
2 – базовая станция GPS
3 – аэрофотоаппарат
4 – навигационная система GPS/IMU
Рисунок 15 – Схема воздушного лазерного сканирования
Активным элементом лидара является лазер, работающий, как правило, в импульсном режиме с рабочей длиной волны в ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Лазер излучает коротковолновые импульсы, направление распространения которых регулируется оптической системой и сканирующим элементом. В каждом элементарном измерении в процессе сканирования регистрируются наклонная дальность (псевдодальность) до точки отражения и значение угла, определяющего направление распространения зондирующего луча в системе координат сканера. В
1 поверхность
Земли
4 носитель
2 3

23 зависимости от модели воздушного лазерного сканера возможна регистрация более одного (до десяти) отражений для каждого единичного импульса, что приводит к увеличению плотности точек лазерных отражений (ТЛО).
Отраженный сигнал после приема дискретизируется, то есть преобразуется в цифровой вид.
Помимо регистрации пространственных координат точек производится определение интенсивности отраженного сигнала.
В состав съемочной аппаратуры входят: лазерный сканер, навигационная система (GPS/IMU), цифровой аэрофотоаппарат и сеть наземных базовых станций.
Навигационная система (GPS/IMU) обеспечивает набор элементов внешнего ориентирования для каждого отражения.
Аэрофотоаппарат осуществляет получение цифровых аэрофотоснимков.
Сеть наземных базовых станций необходима для уточнения пространственного положения носителя во время полета.
Достоинства лазерных съемочных систем:
+ результат съемки - трехмерное цифровое изображение
+ эффективны при обследовании линий электропередач, городов и т.п.
+ высокая точность получаемой информации
+ высокая производительность
+ высокая оперативность сбора данных
+ не зависит от сезонных ограничений
Недостатки лазерных съемочных систем:

высокая стоимость

зависимость от состояния атмосферы

невозможность его применения при съемке местности с больших высот, снижение точности с увеличением высоты съемки

24
2. Фотограмметрическая обработка одиночных снимков
2.1 Теория построения изображения на фотоснимке.
Геометрические и физические свойства снимка. Принципиальная схема
построения изображения методом центрального проектирования.
Для получения снимка цифрового или фотографического используется оптическая камера.
Рисунок 16 – Принципиальная схема АФА
Т.о. в обоих случаях изображение строится оптическим путем.
Очевидно, качество изображения определяется объективом.
Идеальный объектив соответствует следующим условиям: гомоцентрический пучок лучей останется гомоцентрическим после прохождения объектива, то есть точка изобразится точкой; плоскость перпендикулярная оси объектива изобразится плоскостью перпендикулярной этой оси. плоский предмет перпендикулярный оптической оси изображается подобно самому объекту.
Для изучения свойств снимка необходимо знать сущность построения изображения объективом.
H и H’ – главные передняя и задняя плоскости объектива
S и S’ – передняя и дальняя узловые точки объектива
F и F’ – передний и задний фокусы объектива
F
0
и F
0
’ – передняя и задняя фокальные плоскости объектива оптическая ось a
H’
A
B b
S’
H
S
F
0
’
F’
F
F
0 прикладная рамка объектив корпус фотоматериал или матрица ПЗС