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

70 3. Взаимное ориентирование снимков. Целью данного этапа является определение элементов взаимного ориентирования снимков. Для этого измеряются координаты соответственных точек в стандартных зонах стереопары в области продольных перекрытий снимков. Исходным уравнением является условие компланарности соответствующих лучей:
0
'
2
'
2
'
2
'
1
'
1
'
1

Z
Y
X
Z
Y
X
B
B
B
Z
Y
X
Если элементы взаимного ориентирования определяются в базисной системе координат, то условие компланарности имеет вид:
0
'
2
'
1
'
2
'
1


Y
Z
Z
Y
В результате решения данного уравнения будут найдены элементы взаимного ориентирования снимков
2 2
2 1
1
,
,
,
,










. Результат будет считаться удовлетворительным если величина остаточного поперечного параллакса
q
y
y



0 2
0 1
и средняя квадратическая ошибка остаточного поперечного параллакса
n
q
m
n
i
i
q



1 2


будут в допуске.
4. Определение фотограмметрических координат опорных точек. На данном этапе оператор наводится с помощью клавиатуры или «мыши» на изображения опорных точек на снимках и таким образом измеряет фотограмметрические координаты опорных точек.
5. Определение элементов внешнего ориентирования модели. Для определения элементов внешнего ориентирования модели используются фотограмметрические координаты опорных точек, найденные на предыдущем этапе, и геодезические координаты этих же точек. Элементы внешнего ориентирования модели вычисляются по формуле:
t
Z
Y
X
A
Z
Y
X
Z
Y
X
Г
Г
Г



0 0
0
В данной формуле будут неизвестны семь элементов внешнего ориентирования модели (
t
Z
Y
X
,
,
,
,
,
,
0 0
0



). Для решения данных уравнений необходимо иметь минимум три опорные точки. После нахождения элементов внешнего ориентирования модели выполняется оценка точности, при которой вычисляются расхождения геодезических координат опорных и контрольных точек по формулам:














Г
Г
Г
Г
Г
Г
Г
Г
Г
Z
Z
Z
Y
Y
Y
X
X
X
'
'
'
, где '
,
'
,
'
Г
Г
Г
Z
Y
X
– геодезические координаты опорных точек, вычисленные по формулам, через элементы внешнего ориентирования модели , полученные в последней итерации,
Г
Г
Г
Z
Y
X
,
,
– геодезические координаты опорных точек, полученные из фототриангуляции.
А также вычисляются средние квадратические ошибки расхождения геодезических координат опорных точек:

71































k
Z
m
k
Y
m
k
X
m
k
i
Гi
Z
k
i
Гi
Y
k
i
Гi
X
1 2
1 2
1 2
6. Сбор цифровой информации в стереорежиме. На данном этапе выполняется рисовка горизонталей и контуров. Оператор с помощью клавиатуры или
«мыши» наводит пространственную марку на точки модели, координаты этих точек записываются в виде векторного файла. Далее эту информацию можно использовать для создания ЦМР, карт и др.
7. Цифровое ортотрансформирование
7.1 Цифровые модели рельефа
Классификация цифровых моделей рельефа по: способу сбора информации о рельефе; структуре первичной информации о рельефе; методу описания рельефа; структуре информации о рельефе, хранящейся на компьютере; способу представления ЦМР.
Цифровая модель рельефа (ЦМР) – это метрическая информация о поверхности земли и правила обращения с этой информацией.
Построение ЦМР выполняется в два этапа:
1. сбор исходных данных, в качестве которых выступают координаты XYZ определенного количества исходных точек.
2. выбор математического аппарата, который позволит вычислить координату
Z любых точек поверхности земли.
Необходимое количество исходных данных (точек с координатами XYZ) для построения ЦМР определяется точностью моделирования рельефа и характером рельефа.
ЦМР можно классифицировать:
1. по способу сбора информации о рельефе;
2. по структуре первичной информации о рельефе;
3. по методу описания рельефа;
4. по структуре информации о рельефе, хранящейся на компьютере;
5. по способу представления ЦМР.
Классификация ЦМР по способу сбора информации о рельефе
1. Картографический способ
2. Геодезический способ
3. Стереофотограмметрический способ
4. Воздушное лазерное сканирование
Классификация ЦМР по структуре первичной информации о рельефе
По структуре первичной информации о рельефе, то есть по расположению исходных точек различают:
1. Регулярная сеточная модель. Исходные точки для построения ЦМР располагаются в узлах сетки и для каждой измеряются координаты XYZ. Достоинства метода: организация сбора информации проста и не требует высокой квалификации оператора, процесс измерения координат XYZ можно автоматизировать, уменьшение объема информации, так как в компьютере хранятся координаты XY начальной точки, шаг

72 сетки и высоты узлов. Недостаток метода: отсутствует возможность учитывать структуру рельефа.
2. Расположение исходных данных в характерных местах рельефа. В этом случае исходные данные для построения ЦМР задаются координатами XYZ множества точек расположенных в характерных местах рельефа. Достоинства способа: учет структуры рельефа. Недостатки способа: требуется практический навык оператора в правильной оценки структуры рельефа.
3. Комбинированный способ. В данном случае измеряются координаты XYZ точек равномерной сетки, а также структурных линий, то есть характерных точек рельефа.
Достоинства метода: позволяет передавать структуру рельефа и дает возможность частично автоматизировать процесс. Недостаток: необходим опытный исполнитель.
4. Хаотическое расположение исходных точек. Здесь координаты XYZ точек измеряются в тех местах, где это возможно.
Классификация ЦМР по методу описания рельефа
Интерполяционный метод. В данном случае задается метод интерполяции высот исходных точек. По координатам XYZ исходных точек строится функция описывающая поверхность, затем отметки любых произвольных точек вычисляются на основе этой функции.
К интерполяционным методам построения ЦМР относятся: средний весовой метод и триангуляция Делоне.
Здесь точки 1-5 – исходные точки с координатами XYZ, тогда координата Z
i искомой точки i с координатами X
i
Y
i
, будет вычисляться по формуле:














k
i
i
k
i
i
i
i
P
Z
P
P
P
P
P
P
Z
P
Z
P
Z
P
Z
P
Z
P
Z
1 1
5 4
3 2
1 5
5 4
4 3
3 2
2 1
1
, где k – число исходных точек с координатами XYZ,
i
P – вес соответствующей точки равный
i
i
L
P
1

, где
i
L – расстояние от исходной точки до точки i .
Если используется триангуляция Делоне, то поверхность земли представляется системой плоскостей каждая из которых проходит через три точки местности расположенные в характерных местах рельефа. Поверхность представляется в виде системы плоских треугольников.
2
i
3 1
1 5
4 3
2
L
1
i
L
2
L
3
L
4
L
5

73
Высота
i
Z вычисляется интерполированием высот вершин треугольников из решения уравнения плоскости проходящей через три точки.
0 1
3 1
3 1
3 1
2 1
2 1
2 1
1 1










Z
Z
Y
Y
X
X
Z
Z
Y
Y
X
X
Z
Z
Y
Y
X
X
i
i
i
Из данного уравнения определяется координата
i
Z .
Достоинством данных методов является жесткая связь с характерными точками рельефа.
Функциональный метод. В данном случае ЦМР представляется в виде функции
 
XY
F
Z

. Примеры функциональных способов построения ЦМР являются полиномиальная и сплайн функции.
При использовании полиномиальных функций для всех исходных точек составляются уравнения вида:






XY
C
Y
C
X
C
C
Z
3 2
1 0
, в которых будут известны координаты XYZ исходных точек, а неизвестны коэффициенты. Когда коэффициенты будут найдены, можно вычислять координаты Z любой точки поверхности.
При использовании сплайн функций для всех исходных точек составляются уравнения вида:
3 3
3 2
1 0
Y
X
С
XY
C
Y
C
X
C
C
Z
k







Точность построения ЦМР будет зависеть от характера рельефа.
Классификация ЦМР по структуре информации о рельефе, хранящейся на
компьютере:
1. в виде координат точек модели;
2. в виде коэффициентов полиномов.
Классификация ЦМР по способу представления ЦМР
ЦМР можно представить в виде:
1. текстурированной трехмерной модели;
2. координат точек модели;
3. горизонталей;
4. градуированной отмывки, когда определенной высоте присваивается соответствующее значение тона;
5. геометрических фигур (например, треугольников);
6. объемной поверхности.
При построении ЦМР должна быть обеспечена заданная точность моделирования рельефа в зависимости от назначения ЦМР. Точность построения зависит от плотности и расположения исходных точек, размера элементарного участка моделирования, используемых алгоритмов для построения ЦМР, а также от точности определния высот исходных точек.

74
После выполнения внутреннего ориентирования снимков, выполняется ортотрансформирование. Здесь также как и при обратном трансформировании задается пустая матрица, представляющая собой ортотрансформированное изображение. Далее для элементов данной матрицы с координатами
0 0
y
x
вычисляются координаты
XY
точки местности по формулам:

 

 















f
y
Z
Z
Y
Y
f
x
Z
Z
X
X
S
S
S
S
0 0
Первоначально в данных формулах будет использоваться
Z
среднее. По полученным координатам
XY
определяется координата
Z
элементарного участка местности соответствующая пикселю цифрового снимка с координатами
0 0
y
x
Z
определяется на основе цифровой модели рельефа. Затем получив
Z
заново вычисляют координаты
XY
точки местности и снова уточняется
Z
, таким образом выполняется несколько итераций, до тех пор пока разница между двумя последними итерациями не будет в допуске. После определения координат XYZ точки местности, соответствующей элементу ортотрансформированного снимка с координатами
0 0
y
x
, вычисляют плоские координаты
xy
точки на исходном изображении по формулам:
*
*
0
Z
X
f
x
x



,
*
*
0
Z
Y
f
y
y



,


























)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
3 3
3 2
2 2
1 1
1
S
S
S
S
S
S
S
S
S
Z
Z
c
Y
Y
b
X
X
a
Z
Z
Z
c
Y
Y
b
X
X
a
Y
Z
Z
c
Y
Y
b
X
X
a
X
Затем элементу цифрового ортотрансформированного снимка с координатами
0 0
y
x
присваивается значение яркости с координатами
xy
исходного изображения.
Аналогичным образом, выполняются вычисления для каждого пикселя.
8. Технологии создания карт
8.1. Комбинированный метод создания карт
Технологические варианты комбинированного метода создания карт.
Главное отличие комбинированного метода от стереотопографического заключается в том, что при комбинированном методе аэрофотосъемка используется только для составления контурной части планов. Это вызвано тем, что требования к аэрофотосъемке, используемой для рисовки рельефа и составления контуров различны.
При комбинированном методе важно уменьшить смещение точек на фотоплане, вызванное рельефом местности которое, как известно, определяется по формулам:
H
h
r
r
h



или
f
m
h
r
r
h




,

75 где
h
- превышение точки местности над начальной горизонтальной плоскостью;
m
- знаменатель масштаба аэросъемки;
r
- радиус-вектор, соединяющий точку снимка с точкой надира;
f
- фокусное расстояние фотокамеры;
H
- высота фотографирования;
Из формулы следует, что смещение точки на снимке (фотоплане) тем меньше, чем больше фокусное расстояние АФА и высота фотографирования, а превышения точек незначительны. При стереотопографическом методе материалы аэрофотосъемки должны обеспечивать заданную точность определения высот точек, которая может быть определена по формулам:
p
b
H
h





или
P
p
f
m
h






, где
b
- базис фотографирования;
p


- средняя погрешность определения разности продольных параллаксов;

∆h- средняя погрешность, допустимая при определении высот.
Анализируя эти формулы и сопоставляя их с формулами видим, что точность определения высот тем выше, чем меньше высота фотографирования и чем меньше фокусное расстояние АФА, т.е. требования к выбору масштаба аэросъемки и фокусному расстоянию АФА для стереотопографического и комбинированного методов находятся в противоречии.
На практике выполнить аэросъемку, удовлетворяющую точность определения точек, как в плане, так и по высоте, особенно в крупных масштабах, не всегда представляется возможным. Поэтому в этих случаях приходится выполнять две аэрофотосъемки с различными параметрами. Одна из них используется для изготовления фотоплана, другая для рисовки рельефа.
При проектировании технологий создания карт и планов основными критериями являются экономичность и точность. В свою очередь экономичность зависит от параметров аэрофотосъемки, чем мельче масштаб залета по отношению к масштабу создаваемой карты, тем меньше будут затраты средств и труда на ее создание.

76
8.2. Стереотопографический метод создания карт
Технологические варианты стереотопографического метода создания карт.
Техническое проектирование
Расчет параметров аэросъемки или космической съемки
Маркировка
Аэросъемка
Сканирование негативов
Космическая съемка
Планово-высотная подготовка
Дешифрирование
Фотограмметрическое сгущение
Создание цифровых фотопланов / ортофотопланов
Создание цифровой карты
Редакционные работы
Техническое проектирование
Расчет параметров аэросъемки или космической съемки
Маркировка
Аэросъемка
Сканирование негативов
Космическая съемка
Планово- высотная подготовка
Дешифрирование
Фотограмметрическое сгущение
Создание цифровых фотопланов / ортофотопланов
Создание цифровой карты
Редакционные работы
Съемка рельефа в поле