Разработка фотограмметрического способа определения навигационных параметров аэроэлектромагнитных исследований
Подготовительные работы включают:
Сбор и анализ материалов картографического значения;
Изготовление и контроль диапозитивов;
Определение коэффициентов деформации и искажений изображения;
Составление рабочего проекта пространственной фототриангуляции;
Подготовка приборов к работе.
Исходными материалами для построения сети пространственной фототриангуляции являются:
Диапозитивы на стекле;
Контактные отпечатки;
Паспортные данные аэрофотосъемки: значения элементов внутреннего ориентирования и расстояний между противоположными координатными метками прикладной рамки аэрофотоаппарата, масштаб аэрофотосъемки;
Материалы планово-высотной подготовки аэрофотоснимков: каталоги координат и высот опознаков, контактные отпечатки аэрофотоснимков с опознанными и наколотыми опознаками, абрисами и описанием опознаков.
От тщательности выполнения подготовительных работ в значительной мере зависит точность сгущения.
В данной курсовой работе измерения будут выполняться по диапозитивам .
До изготовления диапозитивов аэрофильмы следует хранить в герметически закрытых банках при постоянной влажности и температуре. Печать диапозитивов выполняется с ненарезанных аэрофильмов на пластинки форматом 180Ч180 мм (±2 мм). Желательно использовать пластинки на шлифованном стекле или пластинки для научных целей.
Контактные станки, используемые для печати диапозитивов, должны обеспечивать надлежащее выравнивание аэрофильма и хороший контакт эмульсионной поверхности аэрофильма и пластинки.
В помещении, где находится контактный станок, должна поддерживаться постоянная влажность и температура; в этом помещении не следует выполнять работы, нарушающие стабильность условий (фотографическую обработку и промывку).
Перед изготовлением диапозитивов проводиться акклиматизация аэрофильмов в условиях помещения, где будет происходить печать (в течение 2-3 суток).
Все диапозитивы одной секции или маршрута следует печатать одновременно. Непосредственно после печати проверяют фотографическое качество диапозитивов и деформацию изображения.
Диапозитивы должны быть прозрачными. Изображение и координатные сетки должны быть резкими, все детали все детали на негативах должны сохраниться на диапозитивах.
Для выявления диапозитивов, имеющих деформацию, измеряют расстояния между изображениями координатных сеток ХХ и YY и сравнивают их с соответствующими расстояниями на прикладной рамке аэрофотоаппарата, определяемыми при калибровке, или на одном из диапозитивов маршрута. Измерение отрезков выполняют, как правило, на стереокомпараторах. По результатам измерений определяют коэффициент систематической деформации, которую можно учесть, введя поправку в фокусное расстояние:
где - средний коэффициент систематической деформации;
Фокусное расстояние без учета деформации;
Перед составлением проекта работ по фотограмметрическому сгущению опорной сети следует убедиться в полноте и доброкачественности материалов геодезического обоснования: проверить качество изображения маркировочных знаков, соответствие накола опознанных точек по их описанию, идентичность наколов на основных и контрольных аэроснимках. При наличии ошибок опознавания или определения некоторых опорных точек, их следует исключить из обработки. В проекте фотограмметрического сгущения должны быть также указаны те точки, определение или опознавание которых вызывает сомнения. Эти точки должны быть проверены при построении или последующей обработки сети.
Для фотограмметрического сгущения опорной сети используют хорошо отъюстированные приборы. Один раз в полгода выполняется профилактический осмотр, чистка, проверка отдельных узлов и их юстировка. Рабочие поверки выполняют один раз в три месяца, а также в случае выявления нарушений юстировки в процессе работы.
Для проведения всего комплекса работ нам необходимо использовать следующие приборы: СПР-3, интерпретоскоп народного предприятия Сarl Ceiss, стереокомпаратор, фототрансформатор ФТМ.
Стереопроектор Г.В. Романовского.
1. Стереопроектор (СПР-3) предназначен для создания по аэрофотоснимкам топографических карт масштабов 1:25000, 1:10000 и крупнее. Прибор позволяет не только вычерчивать горизонтали и контуры карты в процессе фотограмметрической обработки отдельных стереопар по подготовленным заранее опорным точкам, но и определять координаты и отметки опорных точек методом пространственного фототриангулирования. Проектирование и пространственная засечка в СПР-3 осуществляются механически проектирующими рычагами, а фотограмметрическая обработка аэрофотоснимков происходит в условиях преобразования связок проектирующих лучей, замененных проектирующими рычагами.
СПР-3 позволяет создавать карту по аэрофотоснимкам формата 18*18 см, полученным аэрофотоаппаратами с фокусными расстояниями камер в пределах 200-55 мм, если углы наклона фотоснимков соответственно не более 10-3°, а соотношение масштабов фотоснимков и карты колеблется в пределах 0,5-2,0.
Если масштаб карты мельче масштаба фотоснимков, то можно обрабатывать стереопары с колебанием рельефа местности 0,65Н; если масштаб карты крупнее масштаба фотоснимков, то соответственно 0,37Н. аэрофотоснимки с большим колебанием рельефа местности могут быть обработаны по зонам.
Точность карты, полученной на СПР-3, характеризуется погрешностями: - не более Н/3000; проведения горизонталей - не более Н/1000положения точек в плане - не более 0,1мм; определения высот отдельных точек.
Стереопроектор - крупногабаритный прибор, высота которого около 2 м, а площадь основания 1*1 м. Рассмотрим схему устройства стереопроектора.
Посредством рабочих движений Y1, Z2 и X3 перемещается вдоль одноименных осей прибора каретка высот 4, несущая счетчик высот. Эти движения вызывают перемещение фотоснимков относительно наблюдательной системы, что позволяет осуществить стереоскопическое наведение измерительной марки на точки модели. Наблюдательная система содержит объективы 9 и 10, перемещающиеся под действием корректоров, основные конструктивные элементы которых показаны на схеме: коррекционная плоскость 6 и скользящий по ней “палец”, стержень 7, муфта и пространственный раздвижной шарнир 8 коррекционного механизма левого снимка и аналогично муфта, шарнир 11, стержень и коррекционная плоскость 12 правого коррекционного механизма.
Механические центры проекции укреплены на каретке фокусных расстояний 13. Значение фокусного расстояния проектирования, величина которого может меняться в пределах 150-300 мм, отсчитывается по шкале 5. Засечка точек модели осуществляется 2 проектирующими рычагами, из которых правый 14.
Левый проектирующий рычаг и снимкодержатели с шарнирами цифрами не обозначены. Кроме того, в кружках даны базисные движения шаровых опор проектирующих рычагов Bx, By, Bz, движения и, отнесенные к правой коррекционной плоскости, - поворот правой кассеты в своей плоскости, ?x и?y - линейные движения децентраций правой кассеты (фотоснимка), x и y - децентрирующие движения правого коррекционного механизма. Движения левой проектирующей системы на рисунке не показаны, так как движений, взятых в кружки, достаточно для построения модели перемещениями правого фотоснимка или их заменяющими движениями при неподвижном левом фотоснимке.
Наблюдение аэрофотоснимков в СПР-3 происходит ортогональными лучами; объективы 9 и 10 являются завершающими оптическими деталями стереоскопической системы, окуляры которой расположены перед глазами наблюдателя, сидящего за прибором.
В оптической системе имеются сменные, светящиеся (разного цвета и размера) измерительные марки в виде точек кружков. При правильном наблюдении исполнитель видит одну пространственную марку, перемещаемую в пространстве стереоскопической модели местности движениями X, Y и Z. Так как аэрофотоснимки в приборе расположены горизонтально, а при плановой аэрофотосъемке они получены с некоторыми малыми углами наклона, то для введения поправок за наклоны в положение точек фотоснимков служат специальные коррекционные механизмы.
2. Действие коррекционного механизма в СПР-3 схематически показано на рис.6.1.3. Здесь дана схема правого коррекционного механизма, левый механизм такой же. Механизм вводит поправку в положение точки “а” аэрофотоснимка 1 путем смещения объектива 2 наблюдательной системы. Это смещение происходит под действием толкателя 3, разделенного особым пространственным шарниром и соединенного с вертикально перемещающейся муфтой 4. Положение последней зависит от вертикального перемещения пальца 5, от наклона коррекционной плоскости механизма и от установленного расстояния l0 пальца от центра вращения этой плоскости.
Пространственный шарнир и коррекционная плоскость соединены со стержнями R 1 и R 2 , которые отклоняются на углы " и при перемещении фотоснимка перед наблюдательной системой. Если наблюдается точка нулевых искажений, то стержни занимают вертикальное положение и поправка = 0. Если визирная марка наводится наблюдателем на некоторую точку фотоснимка а, то стержни, наклоняясь на указанные углы, поворачивают коррекционную плоскость; палец 5 и муфта 4 меняют свою высоту на некоторую величину?, а пространственный шарнир соответственно приводит к перемещению объектива 2 на поправку.
Поправка за угол наклона в положение точки на снимке выражается формулой:
где r c - радиус-вектор взятой точки при полюсе в точке нулевых искажений;
Полярный угол радиус-вектора.
Если в этой формуле сомножитель заменить через и r 2 с, т.е. через угол наклона радиус-вектора и через его значения на горизонтальном и наклонном фотоснимках, то получим:
что и должно учитываться коррекционным механизмом.
Проследим действие коррекционного механизма по рис. 6.1.3. Из треугольника, образованного раздвоением пространственного шарнира, следует, что
а из треугольника, образованного пальцем 5 и его расстоянием от центра коррекционной плоскости.
Очевидно,
но так как
Приравнивая формулу (6.1.2.) и (6.1.3.), мы видим, что для правильного действия механизма необходимо установить
но так как механизм пространственный, то смещением пальца 5 устанавливается продольное и поперечное
Эта установка и подбирается взамен наклонов фотоснимка в процессе взаимного ориентирования фотоснимков на приборе последовательным приближением при устранении поперечных параллаксов по известной схеме.
3. Для того, чтобы решить вопрос о точности и использовании универсального метода при съемках в различных масштабах, необходимо учитывать много факторов, основными из которых будут: параметры аэрофотосъемки, точность универсального прибора и точность определения опорных точек.
Пусть создается карта в масштабе 1:10000 с сечением 2,5 м. Тогда при масштабе аэрофотосъемки около 1:14000 и при АФА с фокусным расстоянием 70 мм высота фотографирования будет порядка 1000 м и применение прибора СПР-3 обеспечит следующую точность карты: среднюю погрешность по высоте для отдельных точек 0,2 м и для горизонталей 0,5 м. В этом случае допуски соответственно 0,8 и 1,0 м удовлетворяются со значительным запасом .
Основные технические характеристики СПР.
Формат аэроснимков 18Ч18 см
Фокусное расстояние аэрофотоснимков от 35 до 350 мм
Фокусное расстояние прибора 150-300 мм
Увеличение наблюдательной системы 6 и 10Ч
Поле зрения 30 мм
Диаметр измерительных марок 0,03-0,04 мм
Отношение масштаба снимка к масштабу карты 0,5-10,0
Максимальная разность высот точек местности 0,5·H
Допустимые углы наклона аэрофотоснимков при фокусных
расстояниях f, равных 100 и 35 мм 5,1° и 1,8°
СКП определения высот по макетным снимкам 1:8000 от высоты фотографирования
Размер стереопроектора 116Ч120Ч190 см
Масса стереопроектора 800 кг
Размеры координатографа 120Ч128Ч80 см
Масса координатографа 150 кг
Рабочие поверки стереопроектора Г.В. Романовского.
В задачу рабочих поверок универсальных приборов входит периодическое определение мест нуля шкал всех отсчетных приспособлений.
Порядок выполнения поверок составлен таким образом, чтобы каждая последующая поверка не нарушала предыдущую. Кроме того, методика рабочих поверок основана на том, чтобы при их выполнении использовалась только контрольная сетка. Такая методика поверок исключает использование индикатора, струбцин, уровней. Выполнение рабочих поверок только по контрольной сетке позволяет использовать внутренние связи прибора и определить места нуля шкал при условии заюстирования погрешностей одного узла другим, что является положительным фактором, так как при обработке аэрофотоснимков на измеренные координаты оказывает влияние суммарный результат работы всех узлов прибора. Если при выполнении рабочих поверок наблюдается отклонение от требуемых условий, то прибор должен быть переюстирован механиком.
Перед началом поверок в оба снимкодержателя закладывают контрольные сетки стороной с нарезанными линиями к прижимному стеклу и центрируют с помощью 4-кратной лупы по штрихам, награвированным на этом стекле. С целью облегчения нахождения в дальнейшем центрального креста нужно на контрольной сетке с обратной стороны тушью или чернилами нарисовать круг (квадрат) вокруг этого креста. Линии сетки, параллельные глазному базису, называются продольными, а перпендикулярные к нему - поперечными.
Необходимо проверить установку в обеих оптических ветвях наблюдательной системы одинаковых марок, диаметр которых должен быть 0,04-0,06 мм.
На шкалах установить отсчеты, указанные в таблице 6.1.1.:
Таблица 7.1.1.
При наведении левой измерительной марки на центральный крест левого снимкодержателя подключают счетчики X и Y и на них устанавливают отсчет 500 мм.
На счетчике высот необходимо установить пару одинаковых шестерен (80-80) и шкалу №1.
Необходимо обратить внимание на то, что на точность выполнения поверок сильное влияние оказывают мертвые ходы в узлах прибора, поэтому марку штурвалами X и F следует наводить только с одной стороны: слева направо и снизу вверх, а микрометренными винтами -- только при их ввинчивании.
1. Определение мест нуля шкал винтов, и.
На стереопроекторе места нуля шкал винтов и соответствуют положению, когда точка, вокруг которой вращается плоскость коррекционного механизма и центр сферы, расположенной в основании пальца, опирающегося на эту плоскость совпадает.
2. Определение мест нуля шкал винтов децентраций снимка и.
Места нуля шкал винтов децентраций снимка и соответствуют положению, когда проектирующий стержень параллелен координатной оси Z прибора, а марка совпадает с центральным крестом снимкодержателя. Поверка выполняется отдельно для каждой проектирующей камеры.
3. Определение мест нуля шкал винтов и.
Места нулей шкал и соответствует положению, когда при наведении левой марки на центральный крест левого снимка правая марка устанавливается на центральный крест правого снимкодержателя.
Из-за отсутствия возможности установления отсчета на шкале b x , равного месту нуля и одновременному наведению обеих марок на центральные кресты, поверку выполняют путем раздельного наведения марок на центральные кресты, а место нуля шкалы определяют расчетным путем.
4. Определение места нуля шкалы винта и установка равенства фокусных расстояний проектирующих камер.
Место нуля шкалы винта соответствует положению, когда высоты проектирования у обеих проектирующих камер равны.
Определить место нуля шкалы винта b Z можно только при условии, что фокусные расстояния обеих проектирующих камер одинаковы. Равенство фокусных расстояний проектирующих камер устанавливается в ходе юстировки прибора и может быть нарушено только при разборке прибора.
5. Определение фокусного расстояния проектирующих камер F и мест нуля шкал F и Z.
Фокусным расстоянием проектирующей камеры в приборах с механической засечкой является расстояние (при вертикальном положении проектирующего стержня) между точкой пересечения осей шарнира, осуществляющего центр проекции, и точкой пересечения осей шарнира, связанного со снимкодержателем.
Местом нуля шкал F и Z является разность между отсчетами, установленными на этих шкалах, и фактической величиной фокусного расстояния или высоты проектирования .
Стереокомпаратор 1818.
Стереокомпаратор служит для измерения плоских прямоугольных координат и параллаксов соответственных точек пары снимков.
В СК 1818 фирмы Цейсс бинокулярный микроскоп состоит из подвижной и неподвижной частей. Подвижная часть находится под общей кареткой, а неподвижная - выше этой каретки. Негативы и диапозитивы освещаются верхними, а контактные отпечатки нижними лампами.
Общая каретка перемещается левым штурвалом, подвижная часть бинокулярного микроскопа - средним штурвалом перпендикулярно движению главной каретки. Эти перемещения служат для измерения координат точки левого снимка и учитываются по барабанам.
Левую каретку со снимкодержателем можно смещать относительно общей каретки влево и вправо от начального положения и закреплять в нужном положении.
Правая каретка со снимкодержателем перемещается правым штурвалом параллельно направляющим общей каретки. Это движение, соответствующее горизонтальному параллаксу, учитывается по барабану, расположенному между снимкодержателями.
Для измерения вертикальных параллаксов правая подвижная часть бинокулярного микроскопа перемещается при помощи шайбы относительно левой подвижной части вдоль оси Z прибора. Вертикальный параллакс отсчитывается по барабану.
Объективы О1 и О2 с измерительными марками и окулярами, составляющие неподвижную часть наблюдательной системы, представляют собой отфокусированные на бесконечность трубы. Подвижную часть наблюдательной системы, включающую объективы О3 и О4, можно считать коллиматорами К1 и К2, в фокальных плоскостях которых находятся снимки Р1 и Р2. между объективами О1, О2 и О3, О4 ход лучей всегда параллельный. Поэтому изображения снимков в плоскости измерительных марок получаются резкими, независимо от перемещения кареток W1 и W2, с которыми соединены подвижные части наблюдательной системы.
Резкость изображения снимка достигается вращением кольца подвижного объектива, доступ к которому возможен через отверстие в передней части прибора.
В поле зрения окуляра видны 2 марки - верхняя и нижняя, а также четыре перекрестия. Верхняя марка предназначена для измерения наземных снимков, а нижняя - для аэроснимков. Перекрестия служат для юстировок микроскопа на заводе и для специальных измерений.
К правой части прибора можно прикрепить чертежный столик .
Основные характеристики СК 1818 представлены в приложении 3.
Поверки СК 1818.
Перед измерениями должны быть выполнены рабочие поверки и исследования стереокомпаратора, которые выполняются с помощью измерительных или контрольных сеток. Штрихи таких сеток выгравированы на поверхности плоскопараллельных пластинок в виде взаимно параллельных и взаимно перпендикулярных линий, образующих систему прямоугольных координат. Расстояние между штрихами равно 5±0,005 мм. Перпендикулярность штрихов выдерживается с ошибкой не грубее ±5" дуги. Это гарантирует высокую точность сеток как эталонов измерения.
Для поверок используются сетка форматом 18x18 см. Прибор считается пригодным для работы, если выполняются следующие поверки:
1. Механическая часть прибора должна обеспечивать плавное, легкое и безлюфтное движение кареток и суппортов прибора.
2. Движение каретки х должно быть перпендикулярно к движению каретки у.
3. Движение параллактических суппортов должно происходить по направлениям, параллельным соответствующим основным осям прибора.
4. Масштаб изображения в окулярах должен быть одинаковым.
5. Изображение, даваемое бинокулярным микроскопом, должно быть свободным от астигматизма.
Поверки прибора начинаются с установки и ориентирования измерительных сеток. Они укладываются на стекла снимкодержателей таким образом, чтобы штрихи сеток были обращены в сторону объективов наблюдательной системы стереокомпаратора (вниз), и в этом положении закрепляются зажимными планками. После этого с помощью фокусирующей системы бинокулярного микроскопа добиваются резкого изображения штрихов сеток и измерительных марок, а изменением расстояния между зрачками -- слияния полей изображения и стереоскопического восприятия марки.
Ориентирование сеток заключается в том, чтобы горизонтальные штрихи сеток оказались параллельными оси х стереокомпаратора. Сначала ориентируют левую сетку, а затем правую в следующем порядке. Вращением штурвалов х и у левую марку совмещают с центральным горизонтальным штрихом сетки с левой ее стороны. Не трогая штурвал у, перемещают каретку х в крайнее правое положение. Если левая измерительная марка сойдет с горизонтального штриха, то видимое ее смещение по оси у устраняют на половину винтом х, а другую половину -- штурвалом у. Для контроля эти действия повторяют. Ориентирование считается законченным, если смещение штриха относительно марки не выходит за пределы четверти ее диаметра. Аналогично поступают и с правой сеткой .
Измерение аэрофотоснимков на стереокомпараторе включает следующие процессы:
Установку и ориентирование аэрофотоснимков;
Установку начальных отсчетов шкал;
Стереоскопическое измерение координат и параллаксов координатных меток и точек на стереопаре аэрофотоснимков;
Контроль результатов измерений.
Интерпретоскоп.
Для стереоскопического рассматривания и дешифрирования снимков мы запроектировали специальный прибор фирмы Цейсса, названный интерпретоскопом.
Прибор состоит из стола с прозрачным стеклянным экраном, на котором устанавливаются снимки, и бинокулярного микроскопа. Микроскоп имеет 2 части - подвижную и неподвижную. Подвижная перемещается по двум взаимно перпендикулярным направлениям, что позволяет рассматривать различные части стереопары. Увеличение бинокулярного микроскопа можно изменить с помощью панкратической системы и двух взаимозаменяемых объективов с различными фокусными расстояниями. Изменение увеличения осуществляется плавно как одновременно в левой и правой ветвях бинокуляра, так и отдельно в каждой ветви. Это обеспечивает возможность выравнивания масштабов левого и правого изображений даже в случае, когда масштабы снимков, составляющих стереопару, значительно отличаются друг от друга. Изображения снимков можно оптически поворачивать, что позволяет наблюдать неразрезанный фильм и быстро переходить от прямого стереоэффекта к обратному или нулевому.
Наведение марки бинокуляра на точку стереомодели производится четырьмя движениями подвижной части наблюдательной системы: совместными движениями левого и правого объективов в продольном и поперечном направлениях и движениями одного объектива относительно другого в тех же направлениях. Перемещение одного объектива относительно другого в продольном направлении можно отсчитать, что необходимо для измерительных целей.
Благодаря двум бинокулярам данный прибор позволяет одновременно рассматривать стереопару двум наблюдателям .
Интерпретоскоп Народного предприятия «Карл Цейсс Йена»
Формат снимков 30Ч30 см
Увеличение наблюдательной системы от 2 до 15Ч
Поле зрения 200 мм
Оптический поворот каждого изображения снимков до 400 g
Допустимая разномасштабность снимка до 1:7,5
Точность отсчета разности продольных параллаксов 0,02 мм
Размеры прибора 126Ч70Ч128 см
Масса прибора 176 кг
Фототрансформатор (ФТМ).
В ходе выполнения проекта существует необходимость выполнить трансформирование топографических аэрофотоснимков с целью преобразования изображения точек местности в заданном масштабе из центральной проекции снимка в проекцию создаваемой топографической карты.
Для данной работы был запроектирован фототрансформатор (ФТМ), разработанный на основе фототрансформатора SEG-4 (фирма “Карл Цейсс Йена”). Он предназначен для трансформирования плановых аэрофотоснимков.
ФТМ выполняет трансформирование аэрофотоснимков по принципу второго рода, т.е. с преобразованием пучка проектирующих лучей. Конструктивной осью является перпендикуляр, проведенный из задней узловой точки объектива к рабочей поверхности прижимного стекла кассеты. Технические характеристики ФТМ даны в приложении 5.
В связи с небольшой массой и возможностью быстро разобрать и упаковать в два специальных ящика ФТМ является транспортабельным прибором.
Экран 1 прибора подвешен к карданной системе 2 и имеет две взаимно перпендикулярные оси вращения, обозначаемые по аналогии с координатными осями аэрофотоснимка. У внешнего кольца карданного подвеса в передних углах крепятся опорные ножки, а дальняя сторона прикреплена к вертикальной стойке 3 фототрансформатора, имеющей внизу два опорных винта. Прибор устанавливается на полу на четыре ножки.
Два наклона экрана осуществляют с помощью двух ручных штурвалов, расположенных слева и справа на передней стороне внешнего кольца карданного подвеса экрана. Левым штурвалом 4 наклоняют экран вокруг оси х, правым штурвалом 5 - вокруг оси y. Для установки экрана в горизонтальное положение в его правом ближнем углу прикреплен круглый уровень.
Над экраном расположен объектив 6, который укреплен на каретке, перемещающейся вверх-вниз по направляющим, расположенным на вертикальной стойке ФТМ. Объектив перемещают с помощью ножного штурвала 7, установленного на полу. Объектив установлен в карданном подвесе и имеет две оси вращения, параллельные осям вращения экрана. Наклон объектива происходит одновременно с наклоном экрана и осуществляется с помощью двух перспективных инверсоров. Объектив снабжен диафрагмой, управление которой производится ручкой, расположенной на передней стенке объектива. При расположении ручки справа диафрагма открыта полностью. Смещая ручку влево, диафрагму закрывают, при этом имеются фиксированные положения, которые можно определить по щелчкам или по шкале, нанесенной на объективе. Под объективом укреплены два светофильтра: красный и желтый.
Над объективом располагается кассета 10, которая находится всегда в горизонтальном положении и может перемещаться вверх-вниз вдоль вертикальной стойки. Это перемещение происходит одновременно с движением объектива по высоте и осуществляется с помощью ленточного масштабного инверсора, расположенного с левой стороны вертикальной стойки.
Кассета имеет две децентрации, параллельные осям вращения экрана: ?x и?y . Децентрация?y вводится с помощью винта 11, расположенного на планке, прикрепленной к направляющим перед кассетой. На правой направляющей нанесена риска, у которой должна устанавливаться передняя стенка кассеты при среднем положении. Децентрация?x вводится перемещением рамки 12 с прикладным стеклом влево - вправо. К рамке слева и справа прикреплены держатели для использования неразрезанного аэрофильма. Для установки рамки в среднее положение ее сдвигают влево - вправо так, чтобы ее края одинаково выступали справа и слева от стенок кассеты.
Над кассетой установлен осветитель 13, состоящий из рефлектора и ртутной лампы. Осветитель укреплен на объективной каретке. Это сделано для того, чтобы диафрагма объектива располагалась в фокусе эллипсоидального рефлектора, в другом фокусе которого расположена лампа. Пространства между осветителем и кассетой, а также кассетой и объективом затянуты чехлами из светонепроницаемой материи, чтобы исключить распространение света вокруг прибора. Для обеспечения доступа к рамке с прижимным стеклом верхний чехол крепится не к кассете, а к специальной рамке, которую поднимают как при установке негатива, так и при замене электролампы.
Рабочими движениями являются три линейных и два угловых:
Масштабное движение с помощью ножного штурвала 7 (установка коэффициента трансформирования к t);
Децентрации негатива на величины: ?y с помощью винта 11 и?x перемещением рамки 12 руками;
наклоны экрана на угол левым ручным штурвалом 4 и на угол правым ручным штурвалом 5 .
Поверки фототрансформатора ФТМ.
В задачу поверок фототрансформатора входит приведение их в рабочее состояние. Выполняют поверки после сборки прибора, а также периодически по мере его эксплуатации.
Для выполнения поверок нужен рамный уровень с ценой деления 30”, который можно прикладывать к вертикальным направляющим и устанавливать на горизонтальные плоскости. Уровень должен быть предварительно поверен. Кроме того, нужны юстировочная шпилька, отвертка, гаечный ключ, штангенциркуль и контрольная сетка.
После того, как будет отрегулировано освещение, в кассету закладывают контрольную сетку, сцентрировав ее по координатным меткам, награвированным на прижимном стекле кассеты .
1. Установка прижимного стекла кассеты и экрана в горизонтальное положение, а вертикальной направляющей - в отвесное положение.
2. Установка главной оптической оси объектива в отвесное положение.
3. Поверка масштабного инверсора.
4. Поверка перспективного инверсора.
Требования к содержанию и точности топографического плана.......................... 7
3. Выбор метода фототопографической съёмки и варианта технологии создания топографического плана………………………………………………………………10
4. Обоснование требований к аэрофотографической съемке………………………11
5. Содержание и основные требования к выполнению полевых работ……………13
6 . Содержание и основные требования к выполнению камеральных
фототопографических работ…………………………………………………………..19
7.Технические характеристики фотограмметрических приборов………………….21
8. Заключение…………………………………………………………………………..22
9. Список литературы…………………………………………………………………23
Введение
Фотограмметрия – это наука, изучающая форму, размеры и пространственное положение объектов по измерениям их фотографических изображений.
Фототопография решает задачу создания топографических карт и планов и построения цифровых моделей местности с использованием материалов фотосъемки. Она является разделом фотограмметрии. Комплекс процессов, выполняемых для создания по снимкам топографических карт и планов, называется фототопографической съемкой.
Главный вид съёмок, применяемый в фотограмметрии при составлении планов и карт всех масштабов - это аэрофототопографическая съёмка. Основными методами создания карт и планов аэрофототопографической съёмки являются комбинированный и стереотопографический. При стереотопографическом способе выполняется только АФС, при комбинированном АФС дополняется наземными видами съёмки.
1.Исходные данные для разработки задания курсовой работы
Задание разрабатывается применительно к созданию топографического плана в масштабе 1:1000 на равнинную местность с углами наклона до 2 0 . Топографический план предназначается для решения архитектурных работ.
2.Требования к содержанию и точности топографического плана.
Требования к точности топографического плана определяются нормативными документами, которыми регламентируется съемка местности. Они зависят от характера местности, масштаба и назначения документа.
Топографические планы – могут быть представлены в графическом виде или в виде цифровой модели местности.
Существует несколько методов для получения топографо-геодезической информации о местности с помощью которой создают цифровые модели.
Мензульный
Тахеометрический или теодолитный
Стереотопографический
Наземный фототопографический (фототеодолитная съёмка)
Комбинированный аэрофототопографический
Высота сечения рельефа на топографических планах при съемке масштаба 1: 1000 в равнинной местности с углами наклона до 2° равна 0.5м.
Точность планов оценивается по расхождениям положения контуров, высот точек, рассчитанных по горизонталям, с данными контрольных измерений.
Средние погрешности (ошибки) в положении на плане предметов и контуров местности с четкими очертаниями относительно ближайших точек съемочного обоснования не должны превышать 0.5 мм.
Средние погрешности съемки рельефа относительно ближайших точек геодезического обоснования, выраженные в долях принятой высоты сечения рельефа, не должны превышать 1 / 4 при съемке в масштабе 1: 1000 в равнинной местности с преобладающими углами наклона до 2° и количество их не должно быть более 10 % от общего числа контрольных измерений.
При определении точек (пунктов) съёмочной сети построением съёмочных
На правах рукописи
Шевчук Станислав Олегович
РАЗРАБОТКА ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОГО СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ АЭРОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Новосибирск - 2014
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»).
Научный руководитель - кандидат технических наук, старший научный
сотрудник
Лапко Александр Петрович.
Официальные оппоненты: Чибуничев Александр Георгиевич,
доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждении «Московский государственный университет геодезии и картографии», проректор по международной деятельности;
Серебряков Сергей Владимирович, кандидат технических наук, ЗАО «Центр инженерных изысканий и проектирования «ИнжГео», генеральный директор.
Ведущая организация - Учреждение Российской академии наук
Геофизическая служба Сибирского отделения РАН (ГС СО РАН), г. Новосибирск.
Защита состоится 10 июня 2014 г. в 15 час. на заседании диссертационного совета Д 212.251.02 при ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, ауд. 402.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «СГГА».
Материалы по защите диссертации размещены на сайте ФГБОУ ВПО «СГГА»: http://www.ssga.ru/шain/zaschita_dissertaciy.html
Учёный секретарь
диссертационного совета Середович В. А.
Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 28.03.2014. Формат 60x84 1/16. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 29 Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 10. Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 10.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Современные аэрогеофизические исследования всё чаще решают локальные поисковые задачи высокой детализации с крупными масштабами съёмки, в частности 1: 10 ООО, что в значительной мере повышает требования к точности, целостности и частоте фиксации величин навигационно-геодезических параметров.
Появление цифровых съёмочных систем и методов автоматической обработки фотограмметрических измерений создало возможность их применения
для эффективного решения некоторых задач навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизики, трудно реализуемых посредством ГНСС и других методов.
Степень разработанности темы.
При работе над вопросом, связанным с определением истинной высоты путем применения аэрофотосъёмки, рассматривались работы отечественных ученых (Журкин И. Г., Гук А. П., Антипов И. Т., Кашкин В. Г., Никитин В. Н. и др.) и зарубежных ученых (Гонсалес Р., Вудс Р., Прэтт У., Шовенгердт Р. А. и
По вопросам навигационно-геодезического обеспечения геолого-геофизических работ (в частности, аэрогеофизики) посредством ГНСС-технологий опубликован ряд работ, в частности методические разработки, статьи и исследования таких ученых, как Прихода А. Г., Глаголев В. А., Тригубович Г. М., Кагтеницкий А. И., Канторович А. Э., Антонович К. М., Сурнин Ю. В., Щербаков В. В., Войтенко А. В. и др. Из зарубежных авторов, прямо или косвенно занимающихся данным вопросом, могут быть отмечены: Rizos Ch., Hofmann-Wellenhof В., Petrovski I. G., Bisnath S., Leick А. и др.
Задачи исследования:
Предметом исследований является методика навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований, включающая применение технологий ГНСС и разработку фотограмметрического способа и устройства для
определения превышения над земной поверхностью (истинной высоты) выносной электромагнитной платформы.
Научная новизна результатов исследований. Впервые предложен фотограмметрический способ для определения истинной высоты выносной конструкции (платформы) и устройство, реализующее его. Основной особенностью устройства является применение пары камер, синхронно экспонирующих земную поверхность под выносной платформой. Преимуществами данного способа (в частности, в сравнении с применением лазерных высотомеров) является учёт углов наклона выносной конструкции и возможность смещения определяемой точки (в случае наличия препятствий на местности) на снимках.
На защиту выносятся:
Диссертация соответствует паспорту научной специальности 25.00.34 «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по следующим областям исследований:
- № 3: «Теория, технология и технические средства сгущения по аэрокосмическим снимкам геодезических сетей, создания и обновления
топографических, землеустроительных, экологических, кадастровых и иных карт и планов»;
IV Международная конференция «Геодезия. Маркшейдерия. Аэросъёмка. На рубеже веков», г. Москва, гостиница «НовОтель», 14-15 февраля 2013 года;
IX Международный научный конгресс «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013», г. Новосибирск, СГГА, 24-26 апреля 2013 года;
VII Международный форум по спутниковой навигации, г. Москва, Экспоцентр, 24-27 апреля 2013 года.
Основные результаты исследований применялись в ООО «Аэрогеофизическая разведка» при выполнении аэрогеофизических работ на Ванкорском месторождении (инженерные изыскания) и в Курагинском районе Красноярского края (Раздольная площадь). Методика внедрена в производство ООО ГП «Сибгеотех» и в учебный процесс ФГБОУ ВПО «СГГА».
На фотограмметрические способ и устройство для определения истинной высоты выносной аэрогеофизической платформы получен патент на изобретение от 27.02.2014 (Пат. 2508525 Российская Федерация МПК51 GOIC 11/04 GOIV 3/16).
Структура диссертации. Общий объём работы составляет 180 страниц печатного текста. Диссертация состоит из введения, трёх разделов, заключения,
списка литературы, включающего 125 наименований, 2-х приложений. Работа включает 29 таблиц и 56 рисунков.
В первом разделе диссертации рассмотрены задачи навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических работ, в частности с электромагнитным комплексом с выносной платформой «Импульс-Аэро». Исследованы навигационно-геодезические параметры и предложены рекомендации по точности их определения. Указанные величины и точностные рекомендации приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Навигационные и геодезические параметры аэроэлектромагнитной съемки с использованием подвесной платформы
Группа параметров
Назначение при выполнении аэрогеофизических исследований
Параметры навигации носителя (вертолёта)
Навигационные координаты Х„. У„
Высота полёта /;„
Путевая скорость У„
Выдерживание требований технического задания на выполнение съёмки, соблюдение требований безопасности полёта
от 0,8-10 "И (м) до 1,2" 10 "3-т (м)
не хуже 10 м
от 10 до 20 км/ч
Координаты и геодезические высоты вертолёта X¡, У/, Н(
Ввод поправок за влияние фюзеляжа (определение положения системы «вертолёт-платформа») при обработке и интерпретации результатов электромагнитных исследований
Координаты и геодезические высоты ЭМ-платформы Хъ У]. Н>
Обработка результатов электромагнитных исследований; определение относительного положения системы «вертолёт-платформа»
Координаты и геодезические высоты магнитометра Хи, У,„ Н„
Обработка результатов электромагнитных исследований_
не хуже 3-5 м
Редуцированные координаты и высоты центра ЭМ-платформы на топографическую основу
В плане ЬУ
Построение отчётной карты (плана) поискового объекта
Точность применяемой карты
Истинная высота центра приёмной антенны платформы (превышение над земной поверхностью) А
Обработка результатов электромагнитных исследований
от 0,6 до 1 м
Примечание - В графе рекомендуемой точности т - знаменатель масштаба аэрогеофизической съёмки. Требования к точности указанных величин сформированы как на основе соответствующих инструкций, так и получены по результатам геофизических экспериментов._
Рассмотрены требования к детальности указанных параметров и частоте их записи и вывода. Часть из параметров (в частности, параметры навигации носителя) должны выводиться в масштабе реального времени, в то время как остальные величины могут быть получены в процессе камеральной обработки.
В настоящее время позиционирование отдельных элементов аэроэлектромагнитного комплекса производится посредством аппаратуры ГНСС. Методы позиционирования данной аппаратурой определяют два наиболее оптимальных варианта методики навигационно-геодезического обеспечения, предложенные в данной работе: метод относительного позиционирования и точного точечного позиционирования (РРР).
Не решённым до настоящего времени оставался вопрос определения истинной высоты к выносной платформы со среднеквадратической погрешностью (СКП) 1 м и выше.
До сих пор использовалось приближённое значение й, получаемое по измерениям радиовысотомера типа РВ-5 (Л,), находящегося на борту вертолёта, из которого вычиталась высота (Л/г) от фюзеляжа вертолёта до платформы. В итоге истинная высота платформы, получаемая данным способом, имела значительные погрешности за счёт низкой достоверности А1г, низкой точности определения кн посредством РВ-5 (до 5 м), а также несоответствия планового положения носителя и платформы.
Получение величины /г посредством установки на платформу лазерного высотомера также оказалось затруднительно из-за погрешностей, связанных с наличием постоянно изменяющихся углов наклона платформы и наличием препятствий.
Использование результатов измерений аппаратурой ГНСС и данных топографической карты также в большинстве случаев не обеспечивает необходимой точности определения /г.
В итоге был предложен фотограмметрический способ, описанный во втором разделе диссертации.
Второй раздел диссертации посвящен описанию способа и устройства для определения истиной высоты платформы над земной поверхностью с
использованием фотограмметрической системы из двух камер и инерциальной навигационной системы (ИНС).
Теоретической основой способа является применение пары предварительно откалиброванных неметрических фотокамер, закреплённых на выносной платформе и синхронно выполняющих съёмку земной поверхности через заданный период времени. При этом углы наклона платформы, а, следовательно, и камер, и расстояние между камерами - базис В - должны быть известны. Первое условие выполняется с помощью инерциальной навигационной системы, второе - путём выполнения предварительных замеров базиса на земле.
Рассмотрим сущность описываемого метода.
Пусть съёмка производится с двух точек пространства и (точки фотографирования фотокамер 1 и 2 соответственно), расстояние между которыми (базис) - постоянная величина В. Правые системы координат З/Х"/У"^"; и 52Х"2У"2Т2 задаются системой ИНС и ориентированы таким образом, что оси аппликат 2"[ и 2"2 вертикальны (направлены по отвесу), а оси ординат У/ и У"2 направлены на север, рисунок 1,
Пусть Бо - точка, находящаяся в центре базисной линии, соответствующая центру платформы, а точка А - проекция Бо на местность. Главной определяемой величиной для данной системы является расстояние к, равное длине вектора БоА. Величина вектора превышения /г может быть определена как:
где Ха - координата X точки А в заданной системе координат, В2- проекция базиса (вектора Б^г) на ось 2.
В формуле (1) неизвестной величиной является аппликата 2А. Для её получения, и определения искомой величины к строится свободная модель местности по левому и правому снимкам, получаемым одновременно с разных точек пространства. Началом системы координат модели может являться точка Б]. При этом углы наклона базиса приблизительно соответствуют крену и тангажу платформы, то есть измерениям ИНС.
Рисунок 1 - Определение истинной высоты платформы с использованием системы из двух синхронизированных фотокамер
На практике определить 2\ непосредственно по углам, получаемым ИНС, невозможно без вычисления значений угловых элементов внешнего ориентирования левого и правого снимков (си, соь К| и оь, а>2, к2), предварительно выполнив взаимное ориентирование снимков.
Угловые элементы внешнего ориентирования снимков могут быть получены по формулам:
А = -Дццс " Д) ■ А \
А - А ■ А ■ А"
2 ~ Л1ШС Л0 2"
где А/ и А2 - матрицы направляющих косинусов, аргументами которых являются элементы внешнего ориентирования снимков;
А1! и А"т- матрицы направляющих косинусов, определённых через элементы взаимного ориентирования левого и правого снимков базисной системе координат (БСК);
Ао - матрица направляющих косинусов, аргументами которой являются углы поворота БСК относительно плоскости платформы (зависит от углов установки фотокамер).
Далее, используя полученные угловые элементы внешнего ориентирования снимков и известные ХА,УЛ, соответствующие середине базиса, вычисляют значение ZA, например, с использованием автоматизированного алгоритма, выполняющего подбор 2А для которого участки левого и правого снимков с центрами в координатах XI у! и х2уг будут иметь максимальное значение корреляционной функции, например площадной корреляции:
X +".>"1 +т)Р2(х1 + р + п,у, +д + т)
N12-4/2 -ыи-м/г
Р= Ртъ"Ртп +1Ртп +2-Р™,; 9 = 9шт + 1.9™, +2...
где М и N - соответственно ширина и высота образца или пределы участков изображений Р/ и Р2 (образы определяемой точки) левого и правого снимка; р, с/ -значения продольного и поперечного параллаксов, рт,п и соответствуют минимальному значению перебора а ртах и дтгк - максимальному.
Координаты точек дг/ у/ и х2 у2 на левом и правом снимках, являющиеся центрами образов Му.Ы в формуле (3) - соответствующие точки модели с ХА, Ул, ХА (для различных величин ХА в процессе подбора) вычисляются по формулам:
А?ХА+Ь?УА+с?2А. а?ХА+Ъ?УА+с?2А
х = / а?\ХА-Вх) + Ь?\УА-Вг) + с?\гА-Вг).
2 "2 2 а?(ХА-Вх) + Ъ?\УА-Вг) + с«\ХА-ВгУ
а«\ХА-ВХ) + Ь?(УА ~Вг) + С"-2\2а -Вг) (5)
^ а?>(Хл-ВХ) + Ь?(УЛ-Вг) + с?\2л-Вг)"
где а,...,с," - направляющие косинусы, выраженные через угловые элементы внешнего ориентирования левого снимка (он, юь кО;
я,(21,...,Сз2> - направляющие косинусы, выраженные через угловые элементы внешнего ориентирования левого снимка (а2, а2, к2);
//> /2 - фокусные расстояния левой и правой камер;
хо1, Уо1 и хо2> Уо2 - координаты главной точки левого и правого снимков соответственно;
Вх, В у, Вг - проекции базиса на оси X, У, 2.
Формулы (3) и (4) имеют указанный вид, так как в принятой внешней системе координат начало находится в точке фотографирования левого снимка 5/, в следствие чего её кординаты (Х?/, У5/, 231) равны нулю, а координаты точки Б2 (Х$2, Ув2, 7-82) равны соответствующим проекциям базиса на оси X, У, 2.
При этом задается начальная 2?л и диапазон возможных значений величин 2Л. В случае, если X, У полученной точки не соответствуют ХА,Ул более чем на 1 м (можно задать более жёсткие требования), выполняется повторное вычисление х(У/.
Таким образом, обработка снимков осуществляется по известным из фотограмметрии зависимостям и включает:
Ввод в блок обработки данных из блока управления и снимков с фотокамер;
Вычисление составляющих Вх, Ву, В2 базиса В по углам крена (апл), тангажа (сопл) и курса (кпл) платформы во вспомогательной системе координат Б^УХ, задаваемой инерциальной навигационной системой;
Вычисление координат ХА, УА центра 50 подвижной платформы в системе координат Б ¡ХУ2\
Определение элементов взаимного ориентирования (аД кД и2", к2") снимков в базисной фотограмметрической системе координат (например,
с применением автоматических алгоритмов, основанных на применении площадных корреляторов, реализованных в современных цифровых фотограмметрических станциях);
С использованием данных инерциальной системы (апл, ш[ТЛ, кпл) осуществляют переход к вспомогательной системе 5]ХУ2 (вычисление элементов внешнего ориентирования снимков);
После чего на левом и правом снимках по координатам ХА, УА и приближенному значению высоты (ХА) полёта в системе координат 8}ХУ2
вычисляют плоские координаты точки А на обоих снимках (х/, >>/)а и (х2, уг)д доя различных значений ХА и выполняют автоматизированный подбор значения аппликаты с максимальным значением функции площадной корреляции; - по полученным величинам 2А и Вг вычисляется истинная высота /г. Альтернативным способом получения Ъа может являться автоматическое построение цифровой модели рельефа (ЦМР) на территории между точками надирами п/ и п2 па левом и правом снимках с последующим определением по ней искомой величины.
Как уже было отмечено, устройство основано на совместном применении ИНС и пары неметрических фотокамер. Для синхронизации измерений ИНС и моментов получения снимков предлагается использовать автономный кодовый ГНСС-приёмник или информацию с установленной на платформе аппаратуры ГНСС. Запись данных ИНС и блока ГНСС и подачу команды фотографирования должно выполнять устройство управления - микрокомпьютер, устанавливаемый в капсуле платформы. Таким образом, устройство, реализующее описанный способ должно включать следующие блоки:
Две цифровые неметрические фотокамеры (предварительно откалиброванные в лабораторных условиях);
Блок ИНС (трёхосевой МЕМБ-гироскоп и трёхосевой акселерометр, компенсирующий его дрейф);
Блок управления - микрокомпьютер или портативный компьютер, ведущий запись информации с блока ИНС, посылающий камерам команду съёмки (сохраняя при этом метку времени её подачи), которая выполняется посредством исполнительных механизмов;
Блок ГНСС (автономный или в виде информации с внешнего устройства) для синхронизации отсчётов времени блоков ИНС и управления;
Блок обработки - персональный компьютер или ЦФС со специальным программным обеспечением для выполнения камеральной обработки данных съёмки.
Данную систему, учитывая конструктивные особенности платформ серии «Импульс-Аэро», предлагается размещать на платформе на жёстких креплениях, в соответствии с рисунком 2.
Рисунок 2 - Размещение блоков фотографического устройства на платформе
Точность и достоверность определения к данным устройством зависела от следующих факторов (исследованных эмпирически и смоделированных теоретически): погрешности фотограмметрического метода (включающие дисторсию объективов фотокамер), погрешности блока ИНС; погрешности измерения базиса В на земле; погрешности угловой калибровки системы (наличие углов между начальным положением фотокамер и ИНС); деформации платформы; асинхронность экспонирования фотокамерами; погрешности синхронизации системы по времени с другими элементами аэроэлектроразведочного комплекса.
С использованием ряда упрощений, была получена суммарная СКП ти, равная 0,052 м. Такая точность получена для короткофокусных неметрических камер. Для её получения необходимо обеспечить СКП определения углов посредством блоков ИНС и ГНСС тинс не грубее 0°35"; точность установки камер (калибровки системы) тм не хуже 1°; погрешность измерения базиса тв на земле не должна превышать 1,5 см. При расчётах не учитывалась асинхронность срабатывания камер, деформации платформы и погрешность в идентификации соответственных точек (считалась не грубее 1 пикселя).
Для каждого из перечисленных источников погрешностей была предложена модель, позволяющая минимизировать их влияние.
Также в разделе рассмотрено создание действующего прототипа устройства, определяющего истинную высоту Н фотограмметрическим способом. Схема устройства с указанием элементной базы приведена на рисунке 3.
Корпус устройства
Блок ИНС (InvenSense MPU 6050)
MEMS-гироскоп и акселерометр
Блок ГНСС (uBlox NE06N)
Приемник ГНСС
Угловые скорости, линейные ускорения
Антенна ГНСС
Сигнал точного времени
Блок управления
Устройство управления (микрокомпьютер Raspbrerry Pi)
Команда съемки
Исполнительный механизм 1
Исполнительный механизм 2
Нажатие кнопки спуска затвора
Фотокамера 1 (Sony Nex3)
Фотокамера 2 (Sony Nex3)
Фотоснимки
Метки времени фотографирования, данные блока ИНС, данные ГНСС
Блок обработки (ПК со специальным ПО - Equilibrium, PhotoMod, Correlator)
Рисунок 3 - Схема разработанного рабочего прототипа устройства
Макет устройства выполнял все необходимые функции для получения h в процессе аэрогеофизической съёмки. Запись данных с блока ИНС (MEMS-система MPU6050 из трёхосевого гироскопа и трёхосевого акселерометра), автономного блока ГНСС (кодовый приёмник uBlox Neo6N) и подачу команд съёмки на камеры выполнял микрокомпьютер Raspberry Pi. Выполнение команд производилось механическим способом с помощью исполнительных механизмов - миниатюрных сервомашин, управляемых микроконтроллерами. Передача команды от микрокомпьютера к исполнительным механизмам выполнялось посредством 15-метровых кабелей.
Блок обработки действующего макета был представлен программами Equilibrium (разработка сотрудника ФГБОУ ВПО СГГА Никитина В. Н.), ЦФС PhotoMod 5 Lite и специально разработанная автором программа Correlator, выполняющая автоматический подбор ZA посредством площадного коррелятора.
Третий раздел диссертации посвящен экспериментальным исследованиям и практическим испытаниям разработанной методики. В силу комплексности исследований и проведённых работ, третий раздел разделялся на два больших подраздела:
Исследования ГНСС-аппаратуры и методов позиционирования;
Лабораторные исследования и практические испытания рабочего макета устройства, реализующего фотограмметрический способ определения истинной высоты.
Исследования ГНСС-аппаратуры проводились в первую очередь для выбора оптимального метода позиционирования. Особый интерес представлял метод РРР, о применении которого для навигационно-геодезического обеспечения геолого-геофизических работ публикации отсутствовали.
При проведении испытаний использовалась аппаратура NovAtel DL-V3 и Leica Viva GS-10. Обработка результатов измерений производилась в программном комплексе ГНСС NovAtel WayPoint GrafNav. Эксперименты с аппаратурой ГНСС и методами позиционирования включали наземные и лётные испытания.
По результатам наземных экспериментов для получения методом РРР координат с СКП уровня первых дециметров (0,2-0,4 м) в плане и по высоте в режиме статики, необходимая продолжительность измерений должна составлять не менее 30-60 минут. При этом разности между решениями методом РРР по быстрым («Rapid», доступны в Интернете через сутки после сеанса измерений) и окончательных («Final», доступны через 14-21 сутки) файлам точных эфемерид и поправок к часам IGS составляют единицы сантиметров, что позволяет сделать вывод о том, что обработка может производиться по быстрым файлам поправок, доступным уже через сутки после проведения измерений.
При сравнении кинематических данных, обработанных методом РРР и относительным методом отклонения СКП, составили 0,3-0,5 м в плане и до 1 м по высоте (если принять измерения, обработанные относительным методом за истину). Относительное положение антенн двух приёмников, являвшееся контрольной величиной при проведении кинематических испытаний, при обработке как относительным методом, так и РРР, сохранялось на уровне СКП 0,1-0,2 м, что позволило сделать вывод о применимости данного метода к геодезическому обеспечению аэрогеофизического комплекса.
В процессе лётных исследований были испытаны различные места установки антенн спутниковых приёмников. Разности при позиционировании платформы и вертолёта для соответствующих точек треков, полученных относительным методом и РРР, отличались между собой на 0,2-0,3 м в плане и по высоте (при базовых линиях, не превышающих 50 км).
По результатам выполненных работ были сделаны следующие выводы: -метод РРР чувствителен к срывам в наблюдении фазовых циклов, что сделало наиболее эффективным комбинирование методов относительного позиционирования (для обработки кинематических треков) и РРР (для получения координат базовой станции);
Решения, получаемые методом РРР, могут использоваться при наличии сбоев в работе базовой станции с обеспечением необходимой точности.
Следующим этапом экспериментов являлись лабораторные и лётные исследования созданного макета устройства, реализующего фотограмметрический способ получения истинной высоты.
Лабораторные исследования включали в себя определение задержек от подачи команды блоком управления на фотокамеры до выполнения экспонирования 1кам] и 1ксш2 и наземный эксперимент, имитирующий аэросъёмку.
Полученные фотографированием тестового стенда величины гкаМ1 и?ка.,2 составили 496,9 мс и 524,4 мс, однако в работе обеих камер имелась нестабильность от 50 до 100 мс, связаная с неустойчивой работой сервомашин вследствие значительного сопротивления 15-метровых кабелей связи.
Целью следующего наземного эксперимента являлась оценка точности предложенного способа фотограмметрической обработки.
При проведении эксперимента имитировались условия летных работ в статике на земле. Эксперимент подразумевал имитацию съёмки земной поверхности при различных углах наклона платформы.
По измерениям девяти замаркированных точек была получена СКП определения расстояния до них 0,024 м, что соответствовало погрешности 0,12 м в реальных условиях (без учёта асинхронности камер и деформации платформы).
Летные испытания макета устройства, реализующего фотограмметрический способ получения высоты, показали, что в целом инженерные и теоретические решения, применяемые при его создании, позволяют получать непрерывные решения с частотой до 2 с (масштаб съёмки до 1: 10 000).
Всего было исследовано восемь стереопар, полученных при разных углах наклона платформы на различных высотах полёта. Также отличалась степень залесённости участков, отображённых на снимках - от густого леса с просветами между деревьями менее 1 м до лугов с отдельно стоящими деревьями.
Наличие на местности плотного смешанного леса создавало большие трудности в идентификации соответственных точек, необходимых как для выполнения взаимного ориентирования, так и для поиска аппликаты определяемой точки. На снимках, полученных над слабозалесенной (1-П категории сложности) местностью, в специально разработанной программе, корреляция была получена достаточно надежно (рисунок 4). Так как снимки трансформированы по элементам взаимного ориентирования от 2Д (а значит и К) зависела величина только продольного параллакса р, перебор которой выполнялся по формуле (3).
Для такой территории наиболее эффективно использовать площади корреляции от 100x100 пикселей до 200x200. При наличии деревьев (50 % площади снимка и более, Ш-У категории сложности), рекомендуется использовать ручной режим обработки.
Параметры сы В (мм): 14370
Пределы (+- м):
иВводт$ек]У Ы2-Х: 2200 V. 1087
□ ВеоатМ!
N1 -X: 2200У: 1087
Площади корреляции
30x150 -!"■/ 200x200 -Г/|:
Площади корреляции
50x150 - У 200x200 -200x50
Результаты обработки фотоснимков разработанным методом в сравнении с другими, используемыми ранее, показаны в таблице 2.
Таблица 2 - Определение истинной высоты /г по выбранным стереопарам
стереопары
Истинная высота Л, м
Фотограмметрический способ
По измерениям радиовысотомера
По ГНСС-измерениям и высотам карты 1: 50000
Рисунок 4 - Автоматическое определение истинной высоты платформы и графики зависимости коэффициента корреляции от подбираемого значения
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате диссертационной работы был выполнен ряд теоретических и практических задач:
Определены задачи навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований, исследованы навигационные и геодезические параметры аэрогеофизического комплекса и требования к точности их определения.
Разработан фотограмметрический способ определения истинной высоты с помощью синхронной съёмки парой неметрических фотокамер и измерений инерциальной навигационной системой. Рассмотрена математическая модель способа, предложены алгоритмы вычислений.
Предложено устройство, реализующее данный способ, выполнен предрасчёт точности, смоделированы погрешности, вносимые различными факторами, разработан алгоритм работ с данным устройством, предложены пути дальнейшего совершенствования.
Усовершенствована методика навигационно-геодезического обеспечения многометодных аэрогеофизических исследований с использованием многометодного аэроэлектромагнитного комплекса с выносной приёмно-генераторной конструкцией с использованием разработанного способа и устройства.
Получена точность порядка единиц сантиметров для статики методом РРР и первых дециметров - для кинематики (при этом результаты измерений относительным методом применялись за истинные значения), предолжено применение метода в комплексной методике.
Создан действующий макет устройства, реализующего фотограмметрический способ определения истинной высоты. Выполнены лабораторные исследования и практические испытания действующего макета разработанного устройства, в результате которых были получены истинные высоты выносной платформы.
Разработанная методика может применяться для навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований, а предложенные
способ и устройство - для определения истинной высоты подвижных объектов, в том числе электромагнитной измерительной платформы.
ДИССЕРТАЦИИ
1 Шевчук, С. О. Навигационное и геодезическое обеспечение аэроэлектромагнитных исследований с подвесной вертолётной платформой [Текст] // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. - 2012. - № 2. - С. 72-75.
2 Навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических исследований [Текст] / Г. М. Тригубович, С. О. Шевчук, А. А. Белая [и др.] // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. - 2013. - № 2. - С.61-69.
3 Кузин, В. И. Фотограмметрический способ и устройство для определения истинной высоты выносной вертолётной платформы аэрогеофизического комплекса «Импульс-Аэро» [Текст] / В. И. Кузин, С. О. Шевчук, В. Н. Никитин // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъёмка. - 2013. - № 4/С. - С. 86-92.
4 Пат. 2508525 Российская Федерация МПК51 G01C 11/04 GOIV 3/16 Фотограмметрический способ определения превышений подвижного объекта над земной поверхностью и устройство для аэрогеофизической разведки, реализующее его [Текст] С. О. Шевчук, В. Н. Никитин, С. В. Барсуков; заявители и патентообладатели: Федеральное Государственное Унитарное Предприятие «Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья», Общество с ограниченной ответственностью Геофизическое предприятие «Сибгеотех» . - 2012139733; заявл. 17.09.2012; опубл. 27.02.2014 - Бюл. № 6. - 11 с.
5 Навигационно-геодезическое обеспечение геолого-геофизических работ с использованием глобальных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS [Текст] / А. Г. Прихода, А. П. Лапко, Г. И. Мальцев, С. О. Шевчук // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. - С. 174-180.
6 Шевчук, С. О. Исследование метода точного точечного позиционирования для геодезического обеспечения геолого-геофизических работ [Текст] / С. О. Шевчук // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия»: сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). -Новосибирск: СГГА, 2012. Т.2. - С. 251-258.
7 Шевчук, С.О. Применение метода точного точечного позиционирования (РРР) для геодезического обеспечения аэроэлектроразведочных работ [Текст] / С. О. Шевчук, Н. С. Косарев // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия»: сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГТА, 2012. Т.2. - С. 239-244.
8 Шевчук, С. О. Фотограмметрический способ получения истинной высоты выносной вертолётной платформы [Текст] / С. О. Шевчук, В. Н. Никитин // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII междунар. науч. конгр. 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск: сб. молодых ученых СГГА. - Новосибирск: СГГА, 2012. -С. 96-101.
9 Шевчук, С. О. Способы определения истинной высоты аэрогеофизической вертолётной электроразведочной платформы [Текст] / С. О. Шевчук, В. Н. Никитин // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология»: сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т.1. - С. 74-82.
10 Шевчук, С. О. Факторы, влияющие на точность определения истинной высоты выносной вертолётной платформы аэрогеофизического комплекса «Импульс-Аэро» [Текст] // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. (23). - С. 34-46.
11 Шевчук, С.О [Текст] Алгоритм определения пространственных углов аэрогеофизической платформы/ С.О. Шевчук, Н.С. Косарев // Вестник СГТА -2013. - Вып. (24). - С. 37-47.
Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Шевчук, Станислав Олегович, Новосибирск
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»
(ФГБОУ ВПО «СГГА»)
На правах рукописи
Шевчук Станислав Олегович
РАЗРАБОТКА ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОГО СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ АЭРОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
25.00.34 - «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия»
Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук
Научный руководитель -кандидат технических наук, ст. научный сотрудник Лапко Александр Петрович
Новосибирск - 2014
ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5
1 НАВИГАЦИОННО-ГЕОДЕЗИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
АЭРОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................13
1.1 Задача навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических работ 13
1.1.1 Геофизические методы исследования недр. Аэрогеофизика...........................13
1.1.2 Навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических работ...........14
1.2 Методы спутниковых измерений, применяемые при навигационно-геодезическом обеспечении геофизических работ....................................................17
1.2.1 Существующие и разрабатываемые глобальные спутниковые навигационные системы...........................................................................................................................17
1.2.2 Методы спутникового позиционирования.........................................................18
1.3 Топографо-геодезическое обеспечение аэрогеофизических работ....................22
1.4 Навигационно-геодезическое обеспечение многометодного аэрогеофизического комплекса....................................................................................24
1.4.1 Аэроэлектроразведочный комплекс «Импульс-Аэро».....................................24
1.4.2 Определяемые навигационные и геодезические параметры...........................27
1.4.3 Требования к точности определения навигационных и геодезических параметров......................................................................................................................29
1.5 Способы определения навигационных и геодезических параметров аэроэлектромагнитных исследований.........................................................................37
1.5.1 Определение параметров навигации носителя..................................................37
1.5.2 Определение геодезических координат и высот вертолёта, платформы и магнитометра..................................................................................................................40
1.5.3 Получение редуцированных координат магнитометра и платформы............43
1.5.4 Определение истинной высоты (превышения над земной поверхностью) выносной платформы....................................................................................................48
2 РАЗРАБОТКА СПОСОБА И УСТРОЙСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕВЫШЕНИЙ РАЗВЕДОЧНОЙ ПЛАТФОРМЫ НАД ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ...................55
2.1 Способ получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью.................................................................................................................55
2.1.1 Теоретическое обоснование способа получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью..............................................................................55
2.1.2 Устройство, реализующее способ получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью..............................................................................65
2.1.3 Априорный расчет точности способа и устройства. Факторы, понижающие точность системы. Расчёт поправок............................................................................68
2.1.4 Алгоритм выполнения работ с использованием способа и устройства для получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью..............81
2.1.5 Преимущества, технические ограничения и пути усовершенствования описанных способа и устройства.................................................................................82
2.2 Разработка рабочего макета (прототипа) устройства, реализующего способ получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью..............84
2.2.1 Макет разрабатываемого устройства.................................................................84
2.2.2 Критерии выбора аппаратуры, входящей в состав создаваемого прототипа устройства......................................................................................................................85
2.2.3 Выбор фотокамер, используемых в разрабатываемом устройстве.................87
2.2.4 Выбор устройств для блоков ИНС и ГНСС.......................................................92
2.2.5 Разработка блока управления. Создание объединенного блока......................93
2.2.6 Организация блока обработки...........................................................................100
2.3 Методика навигационно-геодезического обеспечения аэроэлектромагнитных
исследований, включающая в себя разработанные способ и устройство.............100
3 ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ НАВИГАЦИОННО-ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
АЭРОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................102
3.1 Испытания методов ГНСС-измерений, применяемых при навигационно-геодезическом обеспечении аэроэлектроманитных исследований........................102
3.1.1 Постановка задачи испытаний методов ГНСС-измерений............................102
3.1.2 Исследуемая ГНСС-аппаратура........................................................................103
3.1.3 Наземные исследования методов позиционирования в режиме статики.....104
3.1.4 Наземные исследования методов позиционироваиия в кинематическом режиме..........................................................................................................................108
3.1.5 Лётные испытания аппаратуры и методов позиционирования.....................113
3.1.6 Выполнение навигационно-геодезического обеспечения геофизических исследований в Курагинском районе Красноярского края.....................................119
3.2 Лабораторные исследования рабочего прототипа устройства, реализующего получение истинной высоты платформы фотограмметрическим способом........128
3.2.1 Исследование синхронности камер в макете устройства..............................128
3.2.2 Точность определения расстояний макетом устройства в статике...............130
3.3 Испытания рабочего макета устройства, реализующего фотограмметрический способ получения истинной высоты платформы....................................................134
3.3.1 Подготовка испытаний......................................................................................134
3.3.2 Настройки фотокамер и устройства управления. Выполнение съёмки.......136
3.3.3 Получение истинной высоты посредством рабочего макета разрабатываемого устройства....................................................................................138
3.3.4 Выводы по выполненным испытаниям............................................................152
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................154
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................156
ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ И ЗАРУБЕЖНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ И ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ ГЛОНАССЛЗР8
АППАРАТУРЫ................................................................................170
ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное) ИССЛЕДУЕМЫЕ ФОТОСНИМКИ (УМЕНЬШЕННЫЕ)........................................................................... 177
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. В настоящее время при геофизической разведке широко применяются методы сбора геофизической информации с использованием летательных аппаратов, позволяющие получать параметры строения различных слоев земной коры дистанционно, с меньшими экономическими затратами. Методы аэрогеофизической разведки эффективно применяются при изучении земных недр, поиске как твёрдых, так и нефтегазовых полезных ископаемых, мониторинге разработки месторождений и решении широкого круга поисково-оценочных и инженерных задач. Значительное повышение экономической эффективности данных работ достигается применением многометодных систем, выполняющих комплексные измерения различных полей Земли (электрического, магнитного, электромагнитного поля, поля силы тяжести, радиационного, теплового), в том числе одновременно.
Одной из наиболее значимых задач аэрогеофизики (наряду с проблемами обработки и интерпретации геофизической информации) является получение пространственных данных аэрогеофизической съёмки - выполнение навигационного и геодезического обеспечения, в частности - параметризация съёмки (определение необходимых навигационных и геодезических параметров).
Современные аэрогеофизические исследования всё чаще решают локальные поисковые задачи высокой детализации с крупными масштабами съёмки, в частности 1:10 ООО, что в значительной мере повышает требования к точности, целостности и частоте фиксации величин навигационно-геодезических параметров.
В настоящее время в связи с развитием технологий спутникового позиционирования, для решения задач координатного обеспечения и навигации широко используются методы, основанные на применении глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Ранее для решения данных задач применялись методы аэрофотосъёмки и радиогеодезии.
Появление цифровых съёмочных систем и методов автоматической
обработки фотограмметрических измерений создало возможность их применения для эффективного решения некоторых задач навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизики, трудно реализуемых посредством ГНСС и других методов.
При навигационно-геодезическом обеспечении аэроэлектромагнитных исследований одной из задач параметризации является точное определение истинных высот (превышений над земной поверхностью) выносных конструкций (платформ или гондол), для чего может применяться фотограмметрический метод.
Учитывая появившиеся в последнее время новые технологии и программные средства, может быть разработана комплексная методика по навигационно-геодезическому обеспечению, включающая в себя перечень работ по навигационно-геодезическому обеспечению аэрогеофизических исследований, рекомендованное программно-аппаратное обеспечение для них, а также позволяющая варьировать некоторые технологические звенья.
Разработанная методика, включающая фотограмметрический способ и устройство для определения истинной высоты выносных конструкций, может в значительной мере повысить качество выполняемых аэрогеофизических работ.
Степень разработанности темы.
При работе над вопросом, связанным с определением истинной высоты путем применения аэрофотосъёмки, рассматривались работы отечественных ученых (Журкин И. Г., Гук А. П., Антипов И. Т., Кашкин В. Г., Никитин В. Н. и др.) и зарубежных ученых (Гонсалес Р., Вудс Р., Прэтт У., Шовенгердт Р. А. и ДР-)-
По вопросам навигационно-геодезического обеспечения геолого-геофизических работ (в частности, аэрогеофизики) посредством ГНСС-технологий опубликован ряд работ, в частности методические разработки, статьи и исследования таких ученых, как Прихода А. Г., Глаголев В. А., Тригубович Г. М., Каленицкий А. И., Канторович А. Э., Антонович К. М., Сурнин Ю. В., Щербаков В. В., Войтенко А. В. и др. Из зарубежных авторов, прямо или
косвенно занимающихся данным вопросом, могут быть отмечены: Rizos Ch., Hofmann-Wellenhof В., Petrovski I. G., Bisnath S., Leick А. и др.
Целью исследования являлось усовершенствование методики навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических работ с электромагнитным разведочным комплексом с подвесной вертолётной платформой, включая решение задачи получения её высоты над земной поверхностью фотограмметрическим способом.
Применение разрабатываемой методики при проведении детальных комплексных аэрогеофизических исследований повышает точность и достоверность определения параметров физических полей Земли и, как следствие, выделения (локализации) поисковых объектов.
Задачи исследования:
Конкретизация задач навигационно-геодезического и топографического обеспечения аэрогеофизических работ и методов их решения, анализ определяемых навигационно-геодезических параметров при выполнении многометодных аэрогеофизических съёмок, исследование необходимой точности их определения;
Разработка фотограмметрического способа определения превышений выносной вертолётной платформы (приёмно-генераторной конструкции) над земной поверхностью (истинной высоты);
Разработка методики навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических работ с обоснованием выбора аппаратуры, методов измерений и программного обеспечения для навигационно-геодезического сопровождения аэрогеофизической съемки и обработки результатов спутниковых измерений;
Создание рабочего макета устройства, реализующего способ определения превышений выносной вертолётной платформы и его испытания.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования диссертационной работы является навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических работ.
Предметом исследований является методика навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований, включающая применение технологий ГНСС и разработку фотограмметрического способа и устройства для определения превышения над земной поверхностью (истинной высоты) выносной электромагнитной платформы.
Научная новнзна результатов исследований. Впервые предложен фотограмметрический способ для определения истинной высоты выносной конструкции (платформы) и устройство, реализующее его. Основной особенностью устройства является применение пары камер, синхронно экспонирующих земную поверхность под выносной платформой. Преимуществами данного способа (в частности, в сравнении с применением лазерных высотомеров) является учёт углов наклона выносной конструкции и возможность смещения определяемой точки (в случае наличия препятствий на местности) на снимках.
Усовершенствована методика навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований с использованием подвесной электромагнитной платформы, обеспечивающая параметризацию электромагнитных измерений с необходимой точностью, надежностью и частотой (периодичностью).
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанная методика, включающая определение высоты фотограмметрическим способом, обеспечивает определение навигационно-геодезических параметров аэрогеофизической съёмки с необходимой точностью и в значительной мере повышает качество и эффективность аэрогеофизических исследований.
Методология и методы исследований. Выполненные исследования базировались на анализе научной и технической литературы, нормативных документов и выполнении экспериментальных работ.
Для решения поставленных задач применялись:
Теория математической статистики;
Теория фотограмметрической обработки пары снимков;
Теория математической обработки геодезических измерений;
Методы математического моделирования.
Применялись методы фотограмметрии, геодезии, обработки данных аэрофотосъёмки, геоинформатики, спутниковой навигации.
При выполнении исследовательских и практических работ применялось следующее программное обеспечение:
Программа для обработки спутниковых измерений NovAtel WayPoint GrafNav;
Среды разработки программ Borland Delphi, IDE Lazarus, Free Pascal;
ГИС Maplnfo, Garmin MapSource;
Вычислительная среда программирования Equilibrium;
Разработанная методика была испытана на практике (на нефтепроводе Ванкорского месторождения в Ямало-Ненецком автономном округе и в Курагинском районе Красноярского края). Предложенное фотограмметрическое устройство, включающее в себя пару неметрических камер, инерциальную навигационную систему и микрокомпьютер, было представлено и испытано в лабораторных и лётных условиях в виде рабочего макета.
На защиту выносятся:
а) разработанные фотограмметрические способ и устройство обеспечивают определение истинной высоты выносной аэрогеофизической платформы с необходимой точностью;
б) предлагаемая комплексная методика навигационно-геодезического обеспечения аэроэлектромагнитных исследований с использованием выносной электромагнитной платформы решает задачу определения необходимых навигационных и геодезических параметров.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Диссертация соответствует паспорту научной специальности 25.00.34 «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по следующим
областям исследований:
- № 3: «Теория, технология и технические средства сгущения по аэрокосмическим снимкам геодезических сетей, создания и обновления топографических, землеустроительных, экологических, кадастровых и иных карт и планов»;
- № 5: «Теория и технология получения количественных характеристик динамики природных и техногенных процессов с целью их прогноза».
Степень достоверности и апробация. Основные положения и результаты научного исследования докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и конгрессах:
VII Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2011», г. Новосибирск, СГГА, 19-29 апреля 2011 года;
VIII Международный научный конгресс «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012», г. Новосибирск, СГГА, 10-20 апреля 2012 года;
IV Международная конференция «Геодезия. Маркшейдерия. Аэросъёмка. На рубеже веков», г. М
Фотограмметрия, ее методы. Вводная лекция Учебные вопросы: 1. Предмет и методы фотограмметрии. 2. Краткий обзор развития фотограмметрии, её связь с другими дисциплинами и значение для народного хозяйства и военного дела. 3. Фотограмметрические методы создания геопространственной информации: - виды, методы и способы создания т/карт; - общее представление о современных видах геопространственной информации. - содержание курса, литература. Время: 2 часа Литература: 1. Лобанов А. Н. . Фотограмметрия. - М. : Недра, 1984. С. 4 -8. 2. Хрущ Р. М. , Волков Д. А. , Волков В. Я. , Глухов Б. А. Фотограмметрия. - М. : Воениздат, 1989. С. 3 -13. Хрущ Р. М. , Этапы становления и развития фотограмметрии в России//Геодезия и картография. -2003. - № 7. - 37. - с. 50 -58.
Введение Для того чтобы стать профессиональным катрографом следует изучить много учебных дисциплин, в том числе и тех, которые непосредственно формируют специалиста данной профессии. На кафедре ведётся обучение по четырём основным направлениям: * проектирование и составление общегеографических и тема- тически карт; * топографо-геодезические работы; * аэрокосмическое картографирование; * геоинформационные системы; Учебная дисциплина «Аэрокосмические методы» изучается, начиная со 2 -го курса.
Составные части дисциплины «Аэрокосмические методы» Аэрокосмические съёмки Дешифрирование снимков Фотограмметрия Наземная фотограмметрия
1. Фотограмметрия, ее методы. Краткий обзор развития фотограмметрии и ее современные достижения. Фотограмметрия – это научная дисциплина, изучающая методы определения форм, размеров и пространственного положения объектов по их фотографическим изображениям. Относится фотограмметрия к семейству технических дисциплин. Название «фотограмметрия» происходит от греческих слов photos – свет, gramma – запись и metreo - из- меряю. Таким образом, в буквальном переводе фотограм- метрия - это измерения по светозаписи. Можно констатиро- вать, что измерения по светозаписи, то есть по фотоснимкам (фотоизображению), является задачей фотограмметрии. Для реализации измерений при этом могут использоваться два метода: фотограмметрический и стереофотограмметрический.
Фотограмметрический метод измерения объектов основан на свойствах одиночного фотоснимка. Сущность его состоит в получении по фотоснимку модели объекта (рис. 1), как совокупности точек пересечения восстановленной связки проектирующих лучей с плоскостью Е. Масштаб модели в этом случае зависит от удаления Z плоскости Е от центра проекции S. Очевидно, что по одиночному фотоснимку можно решать измерительные задачи только для плоских объектов. На практике фотограмметрический метод используют, если отступлениями от плоскости можно пренебречь. Примером подобного решения является трансформирование фотоснимков на одну плоскость. Такое трансформиование используется для создания фотоплана, который является основой съёмочного оригинала КМ АФТС, теоретической основой которого являются формулы (1). Сущность фотограмметрического метода Z Рис. 1. (1)
Сущность Стереофотограмметрический метод стереофотограмметрического измерений основывается на свойствах метода двух перекрывающихся фотоснимков (сте- реопары). Сущность его состоит в том, что восстановленные связки проектирующих лучей двух фотоснимков (рис. 2) устанав- ливаются относительно друга в такое положение, которое они занимали в мо- менты съемки. В результате будет полу- чена модель объекта, подобная самому объекту. Масштаб модели зависит от расстоя- ния S 1 S 2 между вершинами связок. Такую модель можно измерять и выполнять любые работы, связанные с измерениями. В частности, выполнив ориентирование модели относительно планшета Е, можно составить оригинал карты. Рис. 2
Фотограмметрия тесно связана со многими науками и научными дисциплинами: физикой, химией, математикой, электронной техникой, точным приборостроением, программированием, геодезией, картографией, теорией ошибок и математической обработки измерений и т. д. Безусловно, что существует самая тесная связь фотограмметрии со многими дисциплинами кафедры картографии. Фотограмметрия изучает теоретические основы методов и технологий, применяемых для решения практических задач, а также методику и технологию многих производственных процессов.
Зарождение фотограмметрии связано с двумя аспектами: с развитием способов получения изображений в центральной проекции, то есть с теорией перспективы; С развитием способов фиксирования перспективных изображений, то есть с развитием фотографии (с историей фотографии). Начало теоретических основ перспективы заложено работами известных деятелей Возрождения: Альберти (1404 -1471), Дюрер (14711528), Дезарг (1593 -1662) и др. Первым полным и обобщенным трудом по теории перспективы была работа немецкого математика Й. Ламберта (17281777) «Свободная перспектива» (1759).
Простейшие способы получения перспективных изобра- жений известны со времен Аристотеля (350 лет до н. э.). К средним векам эти способы трансформировались в изоб- ретение камеры-обскуры (от лат. obskurus – тёмный). Световые лучи, проходя через круглое отверстие такой ка- меры, образуют на ее задней стенке изображение объекта. Это изображение можно зафиксировать графическим способом. Первое описание камеры-обскуры относится к концу ХУ 1 века (венецианец Барбаро, работа «Практика перспек- тивы»). В те времена камера-обскура была снабжена объективом (Барбаро, 1568; Порта, 1585) – трубка с плосковыпуклой линзой. Работы Кеплера (комбинированные линзы) и дальшейшие усовершенствования камерыобскуры привели к созданию переносной камеры-клары (светлой камеры).
Устроена камера-обскура очень просто. Ее без особо- го труда можно сделать само- стоятельно. Возьмите обыч- ную жестяную банку из-под консервов. В ее дне шилом проколите небольшое отвер- стие. На открытую часть банки натяните лист папиросной бумаги. Направьте отверстие банки на ярко освещенный объект и на папиросной бу- маге прступит тусклое, но вполне различимое изобра- жение. Если обвести каранда- шом контуры изображения, то мы, даже не умея рисовать, получим рисунок с натуры. Вот это и есть камера-обскура. Камера-обскура Рис. 3 В средние века камера-обску- ра была единственным устройством для фиксации неподвижных изображений (рис. 3).
Адекватным способом фикса- ции перспективных изображений стала фотография. Жозеф Нисефор Ньепс (1756 -1833) Первое устойчивое изображение с помощью света (на ас- фальтовом слое) было получено фр. изобретателем Ж. Ньепсом в 1822 г. Этот способ назван ге- лиографией. До нас дошла более поздняя гелиография, сделанная им в 1826 году. Кроме гелиографии Ж. Ньепс изобрел диафрагму – простой ме- ханизм изменения диаметра отве- рстия камеры-обскуры, позволя- ющий увеличить резкость изобра- жения. Рис. 4.
Тем не менее, изобретателем фотографии считается француз- ский художник Луи Жак Манде Дагер (1787 -1851), запатентовав- ший в 1839 г. способ получения изображения на галоидных слоях – дагеротипию. Луи Жан Дагер (1787 -1851), Официальным днём изобре- тения фотографии является 7 января 1839 г. Дагеротипное изображение по- лучали на серебряной или на посеребренной медной пластин- ке не графическим способом, а под воздействием света на свето- чувсвительном слое. Изображение получалось позитивное. Рис. 5
После съемки с помощью камеры-обскуры, на пластинке получалось слабое изображение. Его подвергали воздействию паров ртути. На местах, подвергшихся воздействию света при съемке, ртуть оседала в виде белой амальгамы. Дальше пластинка обрабатывалась тиосульфатом, под воздействием которого растворялось йодистое серебро (в местах, не подвергшихся воздействию света) и обнажалась серебреная поверхность – эти места выглядели темными. В сочетании с амальгамой ртути они создавали позитивное фотографическое изображение (см. рис. 6 и 7). Однако дагеротипное изображение не могло исполь- зоваться для измерительных целей. Это стало возможным и было связано с дальнейшим совершенствованием способа получения изображения на светочувствительном слое – мокроколлодионного процесса.
В 1851 г. английский исследователь Фредерик Скот Арчер разработал новый способ фиксирования перс- пективных изображений. Светочувствительный слой, полученный на основе коллодиона, наносился на стеклянную пластинку непо- средственно перед съемкой. Проявление пластинок, как и их экспонирование, проводилось при мокром состоянии светочувствительного слоя. Полученные снимки по своим геометрическим и физическим свойствам можно было использовать для решения измерительных задач. Поэтому первые опыты подобного применения фотографии начались почти сразу после открытия мокроколлодионного процесса. Французский военный инженер Эмме Лосседа в 1851 г. предложил их использовать при топографических съёмках. Поэтому начало 50 -х годов Х 1 Х ст. следует считать временем зарождения фотограмметрии.
Этапы развития фотограмметрии Первый этап – 1850 -х г. – рубеж Х 1 Х и ХХ ст. Это этап возникновения и эпизодического применения фотограм- метрии. Второй этап – 1901 г. – начало 1960 -х г. Этап аналоговой фотограмметрии. Третий этап – 1961 г. – середина 1980 -х г. Этап аналити- ческой фотограмметрии. Четвёртый этап – начиная примерно с середины 1980 -х г. Этап цифровой фотограмметрии. Первый этап развития фотограмметрии можно разделить на два периода: первый период 1851 -1881 гг. , второй период 1882 -1900 гг. Первый период 1 -го этапа развития фотограмметрии характеризуется отдельными случаями применения фото- графий, полученных на основе мокроколлодионного процесса, для составления топографических планов. Это период зарождения наземной фотограмметрии и её эпизодического применения.
Примерами применения наземной съемки являются ра- боты Э. Лосседы (окрестности Парижа, 1861 г.), Явари (съемка г. Гренобль, 1965), работы немецкого архитектора Мейденбауэра (1967 г. , окрестности г. Фрейбурга), в 80 -е г. съемку в Альпах производил итальянский инженер Пио Паганини. Известны и другие работы. Но это были, всетаки, отдельные случаи, а не систематические съемки. Основной трудностью, сдерживавшей применение фотограмметрии в то время, были особенности мокроколлодионного процесса: наносить светочувствительный слой необходимо было непосредственно перед съемкой, а фотографирование – на мокрую пластинку. Поэтому приходилось использовать полевую лабораторию (рис. 8). Рис. 8
Положение изменилось, ког- да англичанин Медок (1871) изобрел фотопластинки с су- хим броможелатиновым слоем. Их внедрение начинается с 1873 г. , а к 1882 г. они полностью вытеснили мокроколлодионный процесс. Подводя итог первому пе- риоду 1 -го этапа развития фо- тограмметрии, уместно привес- ти слова Н. М. Алексаольско- го: «Характерной чертой этого периода является наличие тех- нических средств, достаточ- ных для развития наземной фотограмметрии, но недоста- точных для развития аэрофо- тограмметрии» . Второй период 1 -го этапа Внедрение сухих фотоплас- тинок способствовало не только развитию наземной фотограмметри, но возникно- вению и развитию воздушно- го фотографирования. Пионером воздушного фотографирования был Фе- ликс Турнашон (1820 -1910), более известный под псев- донимом Надар (1855 г. - патент на воздушное фотог- рафирование). Первый сни- мок сносного качества он смог получить в 1859 г. Первое фотографирова- ние на сухую фотопластинку выполнил фр. архитектор Трибуле 8 июня 1979 г.
В России на этот период (2 -й период 1 -го этапа) приходится как начало применения наземной фотограмметрии, так и начало воздушного фотографирования. Первые опыты по наземной съемке принадлежат Министерству путей сообщения: 1891 г. применил при железнодорожных изысканиях наземную съемку инженер Н. О. Виллер, а затем - Р. Ю. Тиле (1843 -1911), который в 1897 г. возглавил фототопографические работы в указанном ми- нистерстве. Первые попытки воздушного фотографирования принадлежат инженерному корпусу. Генерал М. М. Бересков (начальник гальванической части инженерного корпуса), с 1884 г. возглавлявший «комиссию по применению воздухоплавания, голубиной почты и сторожевых вышек к военным целям» , в 1885 г. командируется в Париж для приемки воздушных шаров (аэростатов). Первый снимок был получен 18 мая 1886 г. (поручик А. М. Кованько, начальник воздухоплавательной команды).
Рис. 9. Генерал-лейтенант Кованько А. И. , начальник воздухоплавательной школы Рис. 10. Первый воздушный фотоснимок
Второй этап развития фотограмметрии – этап аналоговой фотограмметрии делится на четыре периода. Первый период этого этапа (1901 -1922). Наземная фото- грамметрия продолжает развиваться. Она получила в этот период технологическое завершение благодаря двум значительным событиям. Первое событие связано с предложением Штольце (Германия) применять стереоскопические измерения (1893), которое было реализовано доктором К. Пульфрихом в разработанном им стереокомпараторе (1899). Этот прибор впервые был выпущен в 1901 г. предприятием К. Цейсса, где К. Пульфрих работал как главный инженер. Второе событие связано с разработкой автостереографа (1908, Э. Орель, Австрия). Если на стереокомпараторе можно было измерять отдельные точки стереопары фотоснимков, то на автостереографе (впоследствии он назван стереоавтог- рафом) можно было составлять план местности. В России также продолжает развиваться наземная фотограмметрия, так и аэрофотограмметрия. Свидетельством тому является выход трех томов «Фототопографии в современном развитии» Р. Ю. Тиле (1908 -1909).
На воздушное фотографирование повлияло бурное развитие авиации. К значительным событиям этого периода следует отнести создание воздухоплавательных батальонов, а также достижения некоторых русских ученых и практиков. В частности, работы профессора полковника В. Ф. Найденова (книга «Измерительная фотограмметрия и применение ее в воздухоплавании» , фототрансформатор), подполковника С. А. Ульянина и полковника В. М. Потте (полуавтоматический аэрофотоаппарат, сконстроирован- ный в 1913 г. и использовавшийся до 1930 г.). Воздушное фотографирование использовалось во время русско-японской войны и более активно в первую мировую. К сожалению, Корпус военных топографов не только не был инициатором применения фотограмметрии, но и выступал против ее использования при создании топографических карт. Характерным является взгляд генерал-лейтенанта Н. Д. Артамонова, который в то время возглавлял Корпус военных топографов: «Для целей топографии фотографические перспективы не могут быть средством очень полезным. Для съемки подробностей фотография заменить мензулу не может и, можно, сказать, непригодна для нее» (Курс низшей геодезии, 1908 г.).
Второй период (1923 – 1929) характеризуется разра- боткой и внедрением КМ АФТС. Основная заслуга в этом деле принадлежит профессору Н. М. Алексапольскому. В этот же период была разработана и внедрена графическая фототриангуляция (Н. М. Алексапольский и Ф. В. Дробышев). Кстати, в 1923 г. фотограмметрию стали преподавать и в военнотопографическом училище. Третий период (1931 -1945) – широкое применение КМ АФТС, разработка и внедрение дифференцированного способа стереотопографического метода (СМ АФТС) аэрофототопографической съемки. Наиболее заметными достижениями этого периода советских фотограмметристов являются: первые работы М. М. Русинова по совершенствованию аэрофотосъемочных объективов; работы А. С. Скиридова по стереофотограмметрии; разработка Ф. В. Дробышевым (1894 -1996) фотограмметрических приборов (стереоавтограф, стереометр и др.); работы М. Д. Коншина (1906 -1987) и Г. В. Романовского (19041982); теоретические работы Н. А. Урмаева («О некоторых зада- чах фотограмметрии» , 1939 г. ; «Элементы фотограммет- рии» , 1941).
Основоположник КМ АФТС Рис. 11(а). Алексапольский Н. М. (1887 -1955). Разработчик многочисленных фотограмметрических приборов Рис. 11(б). Дробышев Ф. В. (1894 -1996)
В четвертый период (1946 -1960) 2 -го этапа направления развития определялись потребностями народного хозяйс- тва и обороны страны. Особенностью, пожалуй, было лишь то, что задачи стали более масштабными. Продолжались и наращивались работы по созданию карты масштаба 1: 100 000, что позволило уже к 1949 г. поставить вопрос о завершении картографирования территории СССР в этом масштабе. Наряду с этим Топографическая служба производила съемку в м. 1: 50 000. Для дальнейших съемок был признан основным м. 1: 25 000, а для отдельных районов – 1: 10 000. В связи с этим стали и новые задачи и перед фотограмметрией. В течение 1945 -47 гг. было восстановлено высокоточное геодезическое и фотограмметрическое приборостроение, укреплены предприятия, увеличился их приборный парк. Однако для решения новых задач потребовались новые подходы, разработка новых технологий и их технического обеспечения.
В рассматриваемый период особую значимость приоб- рели исследования вопросов обработки фотоснимков с преобразованными связками. Первая крупная работы была опубликована М. Д. Коншиным в 1944 г. Дальнейшие исследо- вания принадлежат Н. П. Лаврову, А. Н. Лобанову, Ф. В. Дробы- шеву, Г. В. Романовскому, Г. П. Жукову и др. В результате был разработан целый ряд приборов. Самыми распространенными и из них стали стереопроектор Г. В. Романовского (1954 г.); стереограф В. Ф. Дробышева, выпускающийся с 1956 г. В 1954 г. Г. П. Жуков и Е. И. Калантаров разработали дифференциальный фототрансформатор. Получили дальнейшее развитие вопросы фотограм- метрического сгущения, в том числе и на разреженном геодезическом обосновании. Применялась в основном аналоговая фототриангуляция, а затем со второй половины 50 -х годов начинает разрабатываться аналитический способ (А. Н. Лобанов). Успехи аналоговой фотограмметрии позволили решить грандиозную задачу – к середине 1950 -х годов создать топографическую карту на всю территорию СССР.
. Г. В. Романовский После Великой Отечествен- ной войны в Советском Союзе стал внедряться и быстро прог- рессировать стереотопографи- ческий метод (СМ АФТС) созда- создания топографических карт. Техническую базу этого мето- да составляют универсальные фотограмметрические приборы (УФП). В нашей стране наиболее распространёнными УФП были стереопроекторы Г. В. Романов- ского и стереографы Ф. В. Дро- бышева. Рис. 12
Третий этап – этап аналитической фототриангуляции можно разделить на два периода. Первый период (1961 -1975) характеризуется внедрением и распространением аналитической фототриангуляции, зарождением космического фотографирования и исполь- зованием его результатов. В 1956 -57 гг. на кафедре фотограмметрии ВИА им. В. В. Куйбышева под руководством проф. А. Н. Лобанова была составлена первая программа аналитической фототри- ангуляции. Производственные работы начались в 1960 г. В этом же году А. Н. Лобанов издал первое систематизи- рованное описание работ по аналитической фототриан- гуляции «Фототриангуляция с применением электронной цифровой вычислительной машины» (переиздавалась в 1967 и 1975 годах). Крупные исследования в этой области выполнили проф. И. Т. Антипов, М. Н. Булушев, В. Б. Дубиновский, И. Д. Каргопо- лов, Ф. Ф. Лысенко, Р. П. Овсянников, М. М. Машимов, В. И. Павлов и многие другие.
Основоположник аналитической фотограмметрии Основоположник аналитичесой фототриангуляции Рис. 14. Н. А. Урмаев (1895 -1959). Рис. 15. А. Н. Лобанов
Внедрение аналитической фототриангуляции обеспе- чивалось технически выпуском отечественных аватома- тизированных стереокомпараторов: СКА-18 (разработан к началу 70 -х годов), а затем СКА – ЗО и в 80 -е годы - СКА-В. Эти приборы обеспечивают точность измерений на фотоснимках 2 -3 мкм. В 1968 г. СССР был принят в Международное фотограмметрическое общество (МФО, сегодня МОФДЗ). Признанием достижений нашей фотограмметрической науки было избрание И. Т. Антипова и А. Н. Лобанова в руководящие органы МФО. Об авторитете советских фотограмметристов свидетельствует следующий факт. В 1978 г. Национальный комитет фотограмметристов СССР провел симпозиум «Проблемы повышения точности фотограмметрических измерений» . В приветствии участникам симпозиума подчеркивалось значение работы «Элементы фотограмметрии» (Н. А. Урмаев) для развития фотограмметрии. В США подобные работы появились только в 50 -х годах.
Космическое фотографирование началось со съемки обратной стороны Луны (автомат. станция «Луна-3» , 7 октября 1959 г.). Применение космических фотоснимков для топографических целей началось в 1963 г. в одной из частей ТС. В 1973 г. был образован центр «Природа» с задачей изучения природных ресурсов Земли по материалам космических съемок. Основным содержанием второго периода (1976 -1985) является внедрение аналитических УФП и комплексов. В 1977 г. принят на вооружение комплекс «Аналит» . К концу 70 -х годов началось серийное производство фототрансформатора ФТА, а затем – ФПА. С 1979 г. используется аналитический стереопроектор СПА, а с 1984 – комплекс – «Ортомат» , пришедший на смену «Аналиту» . В 60 -егоды появился новый вид информации о местности – цифровые модели и цифровые карты (ЦК). Впервые задача разработки ЦК в нашей стране была поставлена в 1973 г. К концу 70 -х была внедрена технология создания ЦКМ по картографическим материалам. Задача создания ЦК по фото- снимкам могла быть решена только с применением аналитических методов фотограмметрии.
Начало четвертого этапа отнесено к 1986 г. К этому времени были разработаны оптико-электронные съёмоч- ные системы на базе ПЗС, позволяющие получать пер- вичную информацию о местности в цифровой форме. Кроме того, были созданы первые приборы, позволя- ющие преобразовывать фотоснимки в цифровую форму, а затем эту информацию обрабатывать. К 1986 г в СССР были созданы АЦР(комплекс «Рельеф»), АЦК(комплекс «Контур), АКи. Р (комплекс «Редактор»). В настоящее время создано много средств цифровой обработки. Такие приборы назвали цифровыми фоторам- метрическими рабочими станциями (ЦФРС), а также цифровыми фотограмметрическими системами (ЦФС). Главным в этих приборах и системах является программное обеспечение. В качестве аппаратных средств могут использоваться персональные компьютеры, фотограмметрические сканеры, плоттеры, специальные устройства. Вместе с тем продолжают совершенствоваться средства воздушных и космических съемок. Созданы и ис- пользуются космические топографические комплексы. Созданы новые АФА и КФА. Для космического фото- графирования используются фотоаппараты ТК-350 и КВР 1000.
Аппаратные и программные средства цифровых технологий Фотограмметрическое рабочее место «Леграндит» Состав: стереомонитор; джойстики; очки для стерео наблюдения; УВК. Продукция: Выходными данными ФРМ является цифровая информация о рельефе местности в виде ЦМР
Фотограмметрические методы создания геопространственной информации: а) виды, методы и способы создания т/карт; Основным процессом создания топографической карты является топографическая съемка (или составление). Топо- графическая съемка – это комплекс работ с целью создания съемочного (составительского) оригинала карты. Топографическая съемка, при которой все измерения, необходимые для создания съемочного оригинала карты, выполняются непосредственно на местности, называется мензульной топографической съемкой. Теорией и практикой создания карт по фотоснимкам занимается раздел фотограмметрии – ф о т о п о г р а ф и я. Топографические съемки с применением фотоснимков называются фототопографическими. Обычно фототопо- графическая съемка включает три этапа: фотографирование местности; полевые работы; камеральные работы.
В зависимости от места, откуда выполняется фотогра- фирование, различают следующие в и д ы фототопографи- ческих съемок: наземная фототопографическая; аэрофототопографическая; комбинированная фототопографическая и космическая фототопографическая. Наземная фототопографическая съемка основана на приме- нении наземных (фототеодолитных) фотоснимков. Фотографи- рование производится с точек земной поверхности специаль- ным прибором – фототеодолитом. Поэтому съемку называют еще фототеодолитной. При аэрофототопографической съемке (АФТС) фотог- фотографирование местности производится с самолета или любого другого летательного аппарата, перемещаю- щающегося в воздушном пространстве. Если при создании съемочного оригинала карты сочетается наземная и аэрофототопографическая съемки, то такая съемка называется комбинированной фототопогра- фической съемкой. Снимки, полученные из космоса, составляют основной исходный материал для космической фототопографической съемки.
АЭРОФОТОТОПОГРАФИЧЕСКАЯ СЪЕМКА КОМБИНИРОВАННАННЫЙ МЕТОД А Ф Т С СПОСОБЫ НА ОРИЕНТИРОВАННОМ ФОТОПЛАНЕ НА НЕОРИЕНТИРОННОМ ФОТОПЛАНЕ НА ОТДЕЛЬНЫХ ФОТОСНИМКАХ СТЕРЕОТОПОГРАФИЧЕСКИЙ М Е Т О Д СПОСОБЫ ДИФЕРРЕНЦИРОВАННЫЙ универсальный
КМ АФТС основан на свой- ствах одиночного снимка. Сущ- ность его в следующем. Контур- ную часть карты получают в результате обработки фото- снимков – создают фотоплан. После дешифрирования объекты местности на фотоплане отображают условными знаками. Рельеф снимают в поле приемами мензульной съемки. Технологию КМ АФТС (на ориентированном фотоплане) нам предстоит изучить в курсе фотограмметрии. СТМ АФТС (стереотопо- графический метод аэрофо- тотопографической съёмки) основан на использовании свойств пары фотоснимков и позволяет по фотосним- кам составить не только контурную часть карты, но и рельеф. СТМ АФТС имеет свои особенности. Его мы также изучим в курсе фотограм- метрии.
б)общее представление о современных видах геопространственной информации Во второй половине прошлого века появилась, а затем быстро стала распространяться цифровая информация о местности. Вначале это были цифровые модели местности. Эти модели на первых порах содержали только информацию рельефе – это были по существу цифровые модели рельефа (ЦМР). Затем цифровая информация о рельефе была дополнена информацией о ситуации, т. е. появилась полная цифровая модель местности (ЦММ). Первые ЦМР потребовались для проектирования дорог. Но они были востребованы и в военном деле. Следующим шагом в развитии цифровой информации о местности стали цифровые карты (ЦК). ЦММ и ЦК создавались по аналоговым топографическим картам. Однако вскоре по вполне понятным причинам стали использовать фотоснимки. При этом для создания ЦММ и ЦК использовали УФП аналитического типа.
В 1980 -х годах в фотограмметрическую обработку фотоснимков стали проникать цифровые технологии. Особенность применения цифровых технологий в фотограмметрии – это использование исходной информации (первичной информации о местности) в цифровой форме, т. е. цифровых снимков. Цифровые снимки получают двумя методами: непосредственно в процессе съёмки цифровыми фотоаппаратами и сканированием аналоговых фотоснимков. Фотограмметрическая обработка в цифровых технологиях выполняется аналитическим способом, а результаты получают в цифровой форме, которые при необходимости могут быть выданы затем в графической форме (в виде карт и планов или в виде трансформированного фотоизображения). Основными аппаратными средствами реализации современных цифровых технологий являются компьютеры с соответствующими приспособлениями. При необходимости используются фотограмметрические сканеры, а также плоттеры или широкоформатные принтеры.
Развитие и применение компьютерной графики способствовало появлению нового вида геопространственной информации – электронных карт, а в последующем объёмных изображений местности – пространственных моделей, в том числе и измерительных. Вполне очевидно, что цифровая обработка невозможна без специализированного программного обеспечения. Специализированных программных комплексов в настоящее время созданы десятки. К ним относятся и программнотехнологические комплексы, разработанные в нашей стране: ФОТОМОД, Талка, Фотоплан, Панорама и др. Из зарубежных наиболее известные ЕRDAS и др. Усвоение настоящего курса является необходимым условием формирования профессиональных качеств и навыков выпускников картографической специальности.
в)Задачи и содержание курса, литература Основная задача курса – изучение теоретических основ фотограмметрии, усвоении ее методов, овладение отдельными технологическими процессами создания и топографических карт, получения цифровой информации о местности и решения других задач по фотоснимкам. Курс дисциплины изучается на протяжении 4 -х семестров. В процессе усвоения программного материала предстоит выполнить задания по практическим работам, ко-торые. Практические работы будут выполняться на приборах (стереокомпараторы и стереопроекторы) и на персональных компьютерах с использованием специализированного технологического программного обеспечения. По практическим работам составляются отчёты. По дисциплине проводится два экзамена – в 6 -м и 8 -м семестрах. Кроме того, вопросы по «Аэрокосмическим методам» входят в программу государственного экзамена.
Основной учебник: 1. Хрущ Р. М. , Волков Д. А. , Волков В. Я. , Глухов Б. А. «Фотограмметрия» (1989). , а также учебное пособие: 1. Хрущ Р. М. Сканироание фотоснимков. Учеб. пособие. СПб. : Изд-тво С. -Петерб. ун-та, 2007. 108 с. Кроме того, в настоящее время готовятся к изданию два учебных пособия: 1. Хрущ Р. М, Глухов Б. А. Аэрокосмические методы. Ч I. СПб. : Изд-тво С. -Петерб. ун-та, 200. . . , 160 с. 2. Хрущ Р. М. Аэрокосмические методы. Ч II. СПб. : Изд-тво С. -Петерб. ун-та, 200. . . , 170 с. В качестве дополнительной литературы можно использовать учебники других авторов и учебные пособия. Студентам желательно знакомиться с периодическими специальными изданиями, а именно: «Геодезия и картографии» , « Изв. Вуз. Геодезия и аэрофотосъемка» , реферативным журналом «Геодезия и аэросъемка» .
Заключение Фотограмметрия – сравнительно молодая научная дисциплина. За полторы сотни лет она прошла путь от первых примитивных опытов по использованию наземных фотоснимков для измерительных целей до космического фотографирования и получения изображений из космоса нефотографическими системами. Они находят применение при решении сложных научных, хозяйственных и военных задач. От простых графических способов обработки фотоснимков до использования строгих аналитических способов с применением самой современной электронно-вычислительной техники. От простейших инструментов до современных автоматизированных приборов и систем. От простых приемов до автоматической обработки фотоснимков. Таков путь развития фотограмметрии. Для успешного усвоения теории и практики фотограмметрии, ее методов и технологий необходимы прочные знания курса математики, основ картографии и геодезии, теории ошибок и математической обработки измерений, основ устройства компьютерной техники и программирования и других дисциплин.
Курс фотограмметрии – одна из основных дисциплин, необходимых для формирования инженера - аэрофотогеоде- зиста. В настоящее время училище перешло на новые учебные планы и программы (с 2001 г.). Поэтому состав дисциплин кафедры изменился. На кафедре изучаются девять дисциплин: геодезия-4, аэрокосмические съемки, аэрофотография, топографическое дешифрирование снимков, фотограм- метрия, фототопография, географические информацион- ные системы (ГИС), автоматизированная обработка аэрокосмической информации, основы земельного и городского кадастра.
РУКОВОДСТВО
ПО ПРИМЕНЕНИЮ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
ДЛЯ СОСТАВЛЕНИЯ ОБМЕРНЫХ ЧЕРТЕЖЕЙ
ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Москва, 1984
Приведены методы геодезических, фотосъемочных и фотограмметрических работ для составления обмерных чертежей инженерных сооружений.
Для инженерно-технических работников проектных и изыскательских организаций.
Рекомендовано к изданию секцией инженерной геодезии научно-технического совета ПНИИИС Госстроя СССР
ПРЕДИСЛОВИЕ
Руководство по применению фотограмметрических методов для составления обмерных чертежей инженерных сооружений разработано с целью установления единой технологии создания архитектурных планов инженерных сооружений и содержит рекомендации по составу и способу выполнения комплекса полевых и камеральных работ по наземной стереофотограмметрической (фототеодолитной) съемке.
В основу Руководства положены возможности и преимущества наземной стереофотографической съемки, используемой в качестве основного способа при решении различных измерительных задач, встречающихся при проектировании, реконструкции и исследований инженерных сооружений. Руководство составлено по технологическому признаку выполнения работ, в нем отражены следующие основные вопросы: полевые геодезические и фотосъемочные работы; особенности камеральной обработки снимков сооружений на различных универсальных стереофотограмметрических приборах; аналитическая обработка снимков. В Руководстве нашел отражение отечественный и зарубежный опыт инженерной фотограмметрии, а также действующие нормативные и другие методические документы, регламентирующие порядок работ по наземной стереофотограмметрической съемке при инженерных изысканиях для строительства.
Руководство подготовлено Киевским государственным университетом (проф. В.М. Сердюков, канд. техн. наук Г.А. Патыченко, инженеры В.А. Катушков, И.К. Шумилова, Б.П. Довгий, Г.М. Хихлуха) и Производственным и научно-исследовательским институтом по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС) Госстроя СССР (канд. техн. наук В.К. Львов, инженеры А.А. Тинт, Н.П. Калинин, Т.С. Белоцерковская).
1. Общие положения
Общие требования к выполнению архитектурно-строительных обмеров
Технологические варианты выполнения обмеров фотограмметрическим методом
Приборы для полевых и камеральных работ
- Приборы для полевых работ
- Приборы для камеральных работ
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Общие требования к выполнению архитектурно-строительных обмеров
1.1. Одной из основных задач фотограмметрии в архитектуре является выполнение архитектурно-строительных обмеров с целью реконструкции и реставрации зданий, а также в научно-исследовательских целях. В зависимости от назначения архитектурно-строительные обмеры подразделяются на схематические, архитектурные и архитектурно-археологические.
1.2. Схематические обмеры выполняются для общего обзорного представления сооружений и архитектурных ансамблей. Архитектурные обмеры выполняются для разработки проектов реставрационных работ и реконструкции. Архитектурно-археологические обмеры выполняются для разработки проектов реставрации с одновременным натурным исследованием сооружения и фиксацией состояния памятника.
1.3. Масштабы обмерных чертежей, планов и отдельных фрагментов, требования к полноте и точности их составления определяются в техническом задании в зависимости от назначения архитектурно-строительных обмеров.
1.4. Исходя из технических возможностей современной технологии фотограмметрических методов съемки устанавливается следующая классификация точностей выполнения обмерных работ.
При создании фотопланов фасадов зданий, составляемых для обзорных целей, допускаются перспективные смещения второстепенных деталей (карнизов, балконов), превышающие допуски, приведенные в табл. Таблица 1.
Прецизионные измерения I класса точности выполняются только аналитическим методом с указанием на чертежах размеров всех необходимых деталей.
Для разработки технических проектов реставрации крупных архитектурных ансамблей обмерные чертежи составляются в масштабах 1:100 и 1:200.
Для выполнения обмерных работ на стации рабочих чертежей планы сооружений составляются в масштабах 1:20, 1:50.
Обмерные чертежи отдельных фрагментов составляются в масштабе 1:10 или 1:5.
Технологические варианты выполнения обмеров фотограмметрическим методом
1.5. Методом фотограмметрии архитектурные обмеры можно выполнять путем измерения:
Одиночных снимков;
- пары снимков.
1.6. Методом измерения одиночных снимков можно выполнять обмеры сооружений, состоящих главным образом из плоских элементов с крупными формами. В зависимости от заданной точности работ, их назначения и имеющихся фотограмметрических приборов архитектурные обмеры по одиночным снимкам можно выполнять различными камеральными методами обработки снимков:
Фототрансформированием;
- оптико-графические;
- аналитическим;
- графическим.
1.7. Методом фототрансформирования могут составляться фотопланы фасадов зданий, интерьера, памятников в заданном масштабе. При необходимости составления чертежных планов контуры фотоплана вычерчиваются тушью, а фотоизображение отбеливается. Фототрансформирование выполняется на фототрансформаторах ФТБ, ФТМ, «Ректимат» и др.
Оптико-графический метод заключается в том, что контуры трансформированного изображения обводятся карандашом и сразу получается чертежный план в заданном масштабе. Обычно при оптико-графическом трансформировании используются одиночные проекторы, имеющие формат прикладной рамки 8×6 см. Поэтому при больших, форматах снимков с них следует изготовлять уменьшенные диапозитивы.
Оптико-графическое трансформирование можно выполнять и с использованием фототрансформаторов. Метод оптико-графического трансформирования технологически более прост, чем метод трансформирования, но имеет меньшую производительность и создает затруднения при контроле чертежей.
Аналитический метод заключается в вычислении координат точек с использованием формулы связи координат одиночного снимка и объекта. Снимки измеряются на стереокомпараторах, вычисления целесообразно выполнять на ЭВМ. Аналитическим методом по измерениям одиночных снимков можно определить главным образом размеры между точками, лежащими в одной плоскости, что ограничивает возможности метода.
Графический метод заключается в составлении чертежного плана с использованием приемов начертательной геометрии и свойств изображения в центральной проекции. Графический метод имеет меньшую точность, чем остальные, и малопроизводителен.
1.8. Методом измерения пары снимков можно определять размеры между любыми точками сооружения, расположенными в различных плоскостях. Этот метод имеет наибольшие возможности для выполнения архитектурных обмеров. Необходимым условием этого метода является наличие снимков, полученных с разных точек. Снимки могут быть получены одним фотоаппаратом или разными фотоаппаратами. Снимки могут составлять стереопару (т.е. по снимкам можно наблюдать стереоэффект), и можно использовать пару снимков, по которым нельзя получить стереоэффект (обычно архивные снимки).
Пара снимков может обрабатываться методами:
Универсальным;
- аналитическим.
1.9. При обработке снимков универсальным методом необходимо иметь снимки, составляющие стереопару и подученные одним фототеодолитом. Снимки стереопары обрабатываются (измеряются) на универсальных приборах: стереопроекторе, стереографе, стереоавтографе и др.
При использовании приборов, у которых фокусное расстояние проектирующих камер устанавливается независимо один от другого (стереограф, стереоавтограф и др.), можно использовать стереопару снимков, полученных разными фотокамерами.
В результате обработки снимков на универсальных приборах получается чертежный план фасада сооружения в заданном масштабе. На универсальных приборах можно определять и координаты точек, расстояния между точками, высоту конструктивных элементов сооружения. Такой метод определения размеров получил название аналого-аналитического.
Универсальный метод имеет наибольшие возможности для архитектурных обмеров.
При аналитическом методе снимки измеряются на стереокомпараторах или монокомпараторах. Снимки могут составлять стереопару, и могут использоваться снимки, по которым нельзя получить стереоэффект, но такие снимки должны иметь перекрытие, т.е. на них должны быть изображены общие детали сооружения.
Аналитический метод основан на использовании математических зависимостей между координатами пары снимков и объекта.
В результате аполитической обработки получается цифровая модель сооружения (координаты X, Y, Z отдельных точек), пользуясь которой можно определить размеры между любыми точками, составить графический план. Наиболее удобно составлять чертежные планы с использованием автоматических координатографов и графопостроителей.
Архитектурные обмеры могут выполняться и комбинированными методами, когда используются различные методы, например метод фототрансформирования и аналитический и т.д.
Кроме этого, в ряде случаев возникает необходимость досъемки невидимых деталей («мертвых мест») путем натурных измерений или использования малоформатных камер.
Приборы для полевых и камеральных работ
Приборы для полевых работ
1.10. Полевые работы при наземной стереофотограмметрической съемке местности выполняются с помощью фототеодолита или специальных фотокамер.
1.11. В настоящее время имеется много типов фототеодолиты, которые можно классифицировать по формату кадра (6×9, 10×15, 13×18, 18×24 см), по углу поля зрения, фокусному расстоянию и другим характеристикам. Комплект фототеодолита состоит из фотокамеры, теодолита, дальномерного устройства, штативов, кассет и других принадлежностей.
Наиболее широко у нас применяются фототеодолиты формата 13×18 см с фокусным расстоянием около 200 мм, как, например, фототеодолиты «Геодезия» (СССР), фирмы «Цейсс» (ГДР) С-3в, С-5в, ТАН, «Фотео-19/1318» и др.
Фототеодолит «Фотео-19/1318» с фокусным расстоянием f = 19 см, со снимком размером 13×18 см в настоящее время широко применяется в нашей стране для наземной стереофотограмметрической съемки местности и для специальных инженерных целей.
1.12. Особую группу составляют стереофотограмметрические камеры, позволяющие выполнять одновременное фотографирование объекта. Такие камеры обычно используются для специальных инженерных съемок с близких расстояний.
Обычно у фототеодолитов, предназначенных для топографических съемок, прикладную рамку устанавливают в фокальной плоскости объектива, что соответствует резкости изображения при наведении на бесконечность. При съемке с близких расстояний для фокусировки необходимо было бы перемещать объектив. Для придания жесткости фотокамере, упрощения ее конструкции и сохранения элементов внутреннего ориентирования объектив не имеет перемещений для фокусировки, поэтому при съемке таким теодолитом с близких расстояний возникает нерезкость изображения. В этих случаях следует или применять специальные фотокамеры с выдвигающимися объективами, или реконструировать существующие, вводя в них удлиняющие тубусы.
Приборы для камеральных работ
1.13. Камеральная обработка материалов фототеодолитной съемки может производиться аналитическим, графическим и графомеханическим методами. При аналитическом и графическом методах сначала измеряют координаты точек снимков на стереокомпараторе для определения координат точек x, z и продольного параллакса p.
Наиболее распространены в Советском Союзе отечественный стереокомпаратор СК-2 и стереокомпаратор 1818 фирмы «Цейсс» (ГДР). Часто вместо стереокомпараторов используются прецизионные стереометры СМ-3 и СМ2-4 конструкции проф. Ф.В. Дробышева. В настоящее время получают распространение стереокомпараторы с автоматической регистрацией результатов измерений на перфокартах, перфоленте или с помощью электрической пишущей машины. К ним относится стекометр фирмы «Цейсс» (ГДР), высокоточный стереокомпаратор СКВ-1, разработанный в ЦНИИГАиК, и др.
1.14. Графомеханический метод заключается в обработке снимков на специальных стереофотограмметрических приборах - стереоавтографах или на универсальных приборах типа стереопланиграфа. Этот метод применяется для составления карт, а также чертежей инженерных сооружений и имеет наиболее высокую производительность.
В Советском Союзе имеются стереоавтографы фирмы «Орель-Цейсс», малый автограф фирмы «Цейсс», стереоавтограф проф. Ф.В. Дробышева. Наибольшее распространение получил, стереоавтограф 1318 фирмы «Цейсс» (ГДР).
Стереоавтограф и стереопланиграф позволяют по фототеодолитным снимкам рисовать ситуацию, горизонтали, определять отметки точек и их плановое расположение. Кроме того, благодаря переключению координатных осей стереоавтографа можно строить продольные и поперечные профили, проекцию на фронтальную и боковую плоскости, в чем возникает необходимость при инженерной фотограмметрии. При помощи стереоавтографа, стереопланиграфа и других универсальных приборов можно составлять по фототеодолитным снимкам чертежи инженерных сооружений, архитектурных памятников и т.д.
