Технологии, основанные на стереообработке фотоснимков

Классификация универсальных аналоговых стереоприборов

Эти приборы предназначены для составления планов и карт по паре фотоснимков, а также для сгущения сети съемочного обоснования. Они реализуют решение двойной обратной пространственной фотограмметрической засечки.

Не смотря на то, что их век заканчивается, приборы заслуживают внимания, так как изучение процессов обработки снимков на них позволяет понять алгоритмы, используемые в аналитической и цифровой фотограмметрии.

Считается, что в процессе развития средств измерения стереопар создано два поколения универсальных аналоговых стереофотограмметрических приборов. При конструировании приборов первого поколения опирались в основном на достижения оптики и механики. Основными их частями являлись моделирующая, измерительная, наблюдательная системы и координатограф. Иногда они компоновались на одной станине. Но чаще координатограф выпускался в качестве самостоятельного прибора, который связывался с измерительным блоком редуктором (механического или электрического типов). Это обеспечивало более богатый выбор соотношений между масштабами снимков (модели) и составляемой карты.

Появление приборов второго поколения это результат развития вычислительной техники. На направляющие устанавливались регистраторы перемещений, что позволяло автоматизировать процесс передачи результатов измерений в ЭВМ, а значит организовать процесс обработки пары в режиме реального времени (в том числе и процесс построения цифровой модели объекта). Вместо координатографов стали применять графопостроители, использовались различного вида накопители информации и сервисные устройства. Было создано программное обеспечение, облегчающее процесс ориентирования модели и ее измерения. Многие комплекты обеспечивались ортофотоприставками.

По способу построения пространственной засечки, рассматриваемые приборы можно разделить на оптические, оптико-механические и механические. В двух последних вариантах роль проектирующих лучей частично или полностью играют металлические стержни или линейки (ленкеры). Причем может быть только одна их пара, и торец одного из них моделирует положение точки местности. В этом случае 3 взаимно перпендикулярных направляющих образуют в приборе пространственную систему координат XYZ. Иногда используются две пары ленкеров: одна для определения только плановых координат, вторая – для определения высот. Таким образом, пространственная система координат образуется двумя плоскостными системами.

По точности аналоговые приборы подразделяются на 3 класса. Если класс точности 1, то ошибки измерения координат в плоскости снимка не превосходят 0.01мм, а пространственной координаты Z - 1/10 000 от высоты проектирования. У приборов 3 класса точности указанные показатели соответственно равны 0.05мм и 1/2 000.

Существуют приборы, у которых плановые снимки устанавливаются на каретки снимкодержателей горизонтально (как на стереокомпараторе). Тогда они снабжены коррекционными приспособлениями, позволяющие автоматически вводить поправки за наклон (выполнять трансформирование). У большинства Западных приборов проектирующие камеры наклоняются на углы a и w.

Засечка в приборах осуществляется по принципу треугольника, параллелограмма или треугольник плюс параллелограмм. Что это означает, рассмотрено ниже.

Приборы отличаются по способу наблюдения и измерения модели. Основным является оптический способ наблюдения с помощью бинокулярной системы. Для измерения используется мнимая марка. Реже применяются способы анаглифов и поляроидов, а для измерения – действительная марка.

Есть приборы, на которых снимки обрабатываются с преобразованием связок проектирующих лучей (то есть фокусные расстояния проектирующих камер не равны фокусным расстояниям установленных на каретках снимков).

Оптические универсальные аналоговые стереоприборы

В таких приборах, различного класса точности и разной конструкции, связка лучей восстанавливается, и пространственная модель строится оптическим способом (Рис. 67). В нашей стране широкое распространение на производстве получили двойной проектор и мультиплекс. Рассмотрим устройство двойного проектора, так как это позволит уяснить принцип работы всех остальных приборов.

Основными частями проектора являются штанга 1, кронштейны 2, на которых крепятся проектирующие камеры, и планшет, где устанавливается действительная марка с экраном E. Точки S₁ и S₂ (задние узловые точки объективов камер) являются центрами проекций. Через них проходят проектирующие лучи Aa₁ и Aa₂. Камеры можно перемещать вдоль трех взаимно перпендикулярных направляющих, наклонять на углы a, и w и поворачивать в своей плоскости на угол k. Указанные движения обеспечивают построение модели. Штангу можно перемещать относительно планшета и наклонять в трех направлениях, при этом построенная модель не разрушается, что позволяет выполнить ее внешнее ориентирование. При проектировании используются не аэрофотоснимки, а их уменьшенные в 3 – 4 раза копии. При этом во столько же раз уменьшаются фокусные расстояния проектирующих камер относительно фокусного расстояния АФА, которым производилось фотографирование. Значит, модель строится подобными связками проектирующих лучей. Снимки через красный и синий светофильтры проецируются на один планшет, и полученное изображение рассматривается через анаглифические очки. В результате появляется объемное изображение, при условии, конечно, что модель построена, а помещение затемнено. Измерение модели осуществляется действительной маркой, расположенной на экране E. Ее можно установить в любой точке планшета. Причем сам экран может подниматься и опускаться относительно планшета с помощью микрометренного винта со шкалой для измерения высот точек. Это и позволяет совместить марку с любой точкой модели и нанести ее на планшет.

Мультиплекс - это многокамерный проектор (до 24 камер на одной штанге), что обеспечивает построение общей модели для маршрута.

Предположим теперь, что в приборе используется не общий экран E, а для каждого снимка свой E₁ и E_{2 ,} и что положение точки модели в пространстве характеризуется не пересечением проектирующих лучей, а точкой пересечения левого проектирующего луча с экраном E₁. С помощью наблюдательной системы, например, оптического типа обеспечим рассматривание экрана E₁ с маркой только левым глазом, а экрана E₂ с маркой– только правым. Следствия таких конструктивных изменений:

1. Будет наблюдаться объемное изображение с одной мнимой маркой, стереоскопически совмещенной с точкой A модели.

2. Масштаб этой модели будет определяться не отрезком S₁S₂, а отрезком S₁S₂¢.

3. Расстояние K между точками S₁ и S₂ может быть произвольным. Оно названо постоянной прибора, и устанавливается из конструктивных соображений. Понятно, что засечка в этом случае осуществляется по принципу треугольник (S₁S¢₂E₁) плюс параллелограмм (S¢₂ S2E₂ E₁).

4. Базис проектирования можно устанавливать изменением положения точки E₂ относительно точки E_o (точка пересечения отрезка, проходящего через правый центр проекции S₂ параллельно левому проектирующему лучу, с прямой E₁E₂). Два последних следствия оказались столь конструктивными, что именно по этому принципу и стали строить большинство универсальных аналоговых стереоприборов.

5. Точку S₂ можно поместить и в любое другое положение, например, переместив ее в поперечном относительно штанги направлении, тогда образуется засечка, построенная по принципу двух треугольников.

6. Совместное перемещение экранов E₁ и E₂ вдоль главного луча (вдоль оси Z) без изменения расстояния между ними, будет увеличивать или уменьшать угол засечки, а значит и взаимно перемещать снимки (при этом, конечно, предполагается жесткая связь проектирующих лучей с экранами и снимкодержателями). Такое движение равносильно действию винта продольных параллаксов стереокомпаратора.

Прибор оптического типа с двумя экранами, выпускался в Иене (ГДР) и назывался Топофлекс. Измерялись на нем не копии, а непосредственно снимки, использовался оптический способ рассматривания стереопары, а для измерения применялись две светящиеся марки, которые в процессе измерений модели сливались в одно мнимое изображение. К высокоточным приборам оптического типа относится стереопланиграф Цейса. Он был достаточно распространен в нашей стране. Важное преимущество прибора – возможность переключения осей визирования относительно глаз наблюдателя (то есть правым глазом можно было рассматривать левый снимок, и наоборот), что облегчало построение на приборе сетей фототриангуляции. Из отечественных приборов оптического типа следует упомянуть стереоскопический рисовальный прибор М.Д. Коншина, в котором благодаря конструкции оптической системы обеспечивалось наложение мнимой модели на план или карту.

Универсальные приборы механического типа

Приборам механического типа конструкторы явно отдавали предпочтение. В них засечка осуществляется с помощью одной, а иногда двух пар рычагов или линеек. В нашей стране выпускались и были широко распространены на производстве стереопроектор Романовского (СПР), стереограф Дробышева (СД) и его модификация стереограф ЦНИИГАиК (СЦ). Далее будет рассмотрен только СПР, потому, что он составлят инструментальную базу лаборатории фотограмметрии института, да и принципиально другие приборы от него мало чем отличаются.

СПР (Рис. 68) это прибор 1 класса точности, предназначенный для составления топографических карт и планов по плановым снимкам формата 18C18см и с фокусным расстоянием 35 –350мм. Он применяется и для построения пространственных фотограмметрических сетей. Засечка в приборе осуществляется по принципу треугольник плюс параллелограмм. Снимки могут обрабатываться, как с преобразованием, так и без преобразования связок проектирующих лучей, роль которых выполняют пара металлических стержней. Они проходят через средние карданные центры S₁ и S₂ (центры проекций), вокруг которых могут вращаться, и которые жестко закреплены на каретке фокусных расстояний. Стержни верхними карданными центрами жестко связаны с горизонтально расположенными каретками снимкодержателей. Их нижние концы шарнирно прикреплены к мостику отстояний.

Мостик, а значит и нижний торец левого проектирующего рычага, моделирующий положение точки A местности, при вращении штурвалов X и Y перемещается в горизонтальной плоскости. В результате поворачиваются сами проектирующие рычаги вокруг центров проекций, и по своим направляющим перемещаются снимкодержатели относительно объективов. Вращение ножного штурвала Z вызывает взаимное перемещение снимкодержателей (при условии, что проектирующие рычаги между собой не параллельны). В поле зрения окуляров введены светящиеся измерительные марки, которые в процессе указанных выше движений, можно совместить с любой парой соответственных точек (то есть стереоскопически совместить одну мнимую пространственную марку с любой точкой модели).

На каретке отстояниий, которая перемещается ножным штурвалом вдоль оси Z, расположено базисное устройство моделирующей системы с тремя суппортами для установки базисных составляющих b_{x ,} b_y и b_z. Перемещением каретки фокусных расстояний можно сдвигать центры проекций S₁ и S₂ и, тем самым, менять фокусные расстояния проектирующих камер в пределах 150 – 300мм.

Поскольку снимки в снимкодержателях устанавливаются горизонтально, прибор снабжен коррекционными механизмами, обеспечивающими автоматическое введение поправок за наклон (выполняют процесс трансформирования снимков). Каждое коррекционное приспособление решает уравнение . Причем, r⁰ это расстояние от точки нулевых искажений c до проекции a⁰ точки A местности на горизонтальном снимке; r – тоже на плановом снимке; dr – поправка за наклон. На СПР указанная поправка вводится путем смещения на требуемую величину объектива, через который рассматривается снимок (смотри рисунок 69) Величина смещения зависит от положений точки на снимке и опорного пальца, который перемещается в плоскости тарелки коррекционного механизма винтами a и w.

В соответствии с теорией, если проектирующий рычаг занимает отвесное положение, то измерительная марка должна быть совмещена с точкой надира. Данное условие не выполняется, так как при установке снимков их координатные метки совмещают с рисками на стекле снимкодержателя и марка в этом случае совмещена с центром снимка. Для устранения указанного несоответствия методикой предусмотрено дифференциальные смещения снимков по осям x и y. Их величины вычисляют по формулам, которые приводятся в руководстве по эксплуатации прибора

Под направляющей X прибора расположен планшет, на который, с помощью пишущего элемента, прикрепленного к каретке X, можно наносить ситуацию и вычерчивать горизонтали. Величины перемещения всех кареток определяются по соответствующим счетчикам. Причем, у каретки Z их два. Один позволяет определять превышение между точками в миллиметрах в масштабе модели. Второй с помощью специальных шкал и редуктора – в метрах. В принципе к СПР может быть подключен и координатограф.

Прибор обеспечивает выбор формы и размеров марок их цвета, а также, с помощью реостатов, степени яркости марок и освещенности снимков.

Составление планов на СПР

В начале отметим, что нельзя вращать штурвалы и винты прибора, если он не включен в сеть, так как в этом случае не работает предупредительная сигнализация и возможна поломка тех или иных его узлов.

Исходными данными для составления плана являются:

-стереопара, у которой должны быть известны масштаб 1/ m и фокусное расстояние снимков f;

-не менее трех опознаков (урезы воды, если в зоне перекрытия есть водоемы);

-масштаб 1/ M составляемого плана и высота сечения рельефа h;

-снимки эталоны с результатами полевого дешифрирования.

Основные процессы при обработке снимков на приборе включают: подготовительные работы; взаимное ориентирование снимков (построение модели); внешнее ориентирование модели; измерение модели, камеральное дешифрирование и составление плана.

В процессе подготовительных работ на листе высококачественной бумаге (пластика) изготовляется основа в масштабе составляемого плана, на которую наносятся все точки геодезической сети (опознаки), хорошо опознающиеся на снимках. На шкалах a_л, w_л, a_п и w_п коррекционных приспособлений, dx_{л ,} dy_{л ,} dx_п и dy_п децентраций снимков b_z и b_y базисных составляющих устанавливаются отсчеты, равные их местам нулей, которые определяются в процессе проверок и юстировок прибора, а на шкале базисной - начальный отсчет b^¢_x. При работе на СПР, с координатографом совмещенным с измерительным блоком прибора, масштаб построенной модели, в конечном итоге, должен быть равен масштабу составляемого плана. Поэтому формула для расчета имеет вид:

,

где b – базис фотографирования в масштабе снимков, который легко измерить линейкой, используя продольное перекрытие.

При установке снимков в снимкодержателях необходимо тщательно совмещать их координатные метки с рисками на стекле, и помнить, что диапозитивы укладываются эмульсией вверх, а негативы – вниз.

Каретку фокусных расстояний на СПР устанавливают так, чтобы обеспечить оптимальное перемещение каретки высот (диапазона ее перемещений должно хватать при наведении измерительной марки, как на высоко, так и низко расположенные точки земной поверхности).

Взаимное ориентирование снимков сводится к устранению поперечных параллаксов на шести стандартно расположенных точках.

Пусть на рис. 70 S ₁ и S ₂ – центры проекций камер, в которые установлены снимки P ₁ и P ₂, составляющие стереопару. С помощью объективов S ₁ и S ₂ соответственные точки a₁ и a₂ снимков проецируются на экран Е.

Допустим, что соответственные лучи S₁a₁ и S₂a₂ пересекаются. В этом случае, опуская или поднимая экран Е, можно установить его в такое положение, при котором точки a¢₁ и a¢₂ на нем сольются в одну (рис. 70,а). Если соответственные лучи не пересекаются, то при любой установке экрана по высоте на нем будут наблюдаться раздельно две точки. (рис. 70,б), и можно добиться лишь такого положения, при котором расстояние между точками a¢₁ и a¢₂ окажутся наименьшим из всех возможных. Это наименьшее расстояние между соответственными точками на экране называется поперечным параллаксом в пространстве модели и обозначается через Q. Поперечный параллакс точки модели направлен перпендикулярно к базису проектирования S ₁ S ₂. Для плановых снимков видимый параллакс Q определяется из выражения:

(156)

Высота проектирования Z зависит от длины базиса S ₁ S ₂. Примем, что он равен продольному параллаксу b=p точек а ₁ и а ₂, а высота проектирования Z равна фокусному расстоянию f. Тогда поперечный параллакс Q, наблюдаемый на какой–либо точке модели, будет равен соответствующему поперечному параллаксу q на стереопаре.

Для построения модель местности по паре снимков добиваются устранения поперечных параллаксов q в точках ориентирования (стандартно расположенных точках, рис. 37). Делать это можно, как в базисной системе координат, движениями обеих проектирующих камер (первый способ), так и в системе координат одного из снимков (чаще левого), движениями только одной камеры (второй способ).

В начале рассмотрим первый способ. Согласно уравнению (100), можно записать:

(157)

где x, y – координаты точки на левом снимке стереопары.

Для установления порядка действий при устранении поперечных параллаксов рассмотрим, как влияет каждое из движений на поперечный параллакс в каждой из стандартно расположенных точек.

Движение левой камеры вызывает вращение снимка, а значит и его изображения на экране вокруг главного луча. Возникающие при этом поперечные параллаксы численно равны четвёртому слагаемому уравнения (158):

Значит они появятся на точках 4, 2 и 6, причем будут равны друг другу; а на точках 1, 3 и 5 параллаксы будут отсутствовать.

Поворот правой камеры на угол действует аналогично. Но формула для оценки возникающего параллакса будет иметь вид:

Теперь на точках 4, 2, 6 он будет равен нулю, а на точках 1, 3 и 5 некоторому значению.

Движение камеры по направлению преобразует изображение квадрата в трапецию. Возникающие при этом параллаксы в точках модели можно оценить по формуле:

И видно, то в точках 1, 2, 3 и 5 они нулевые, а 4 и 6 - равны по величине и противоположны по знаку.

Аналогичным будет результат наклона и правой камеры на угол , но формула для вычисления параллакса примет вид:

Поворот правой камеры на угол вокруг линии базиса также преобразует квадрат в трапецию, но возникающие поперечные параллаксы на стандартных точках определяются соотношениями:

причем:

.

Очевидно, что составляющая постоянна для всех точек, а величина зависит от y.

При взаимном ориентировании снимков устранение поперечных параллаксов на стандартных точках выполняют в такой последовательности, чтобы последующие действия, по возможности, не нарушали предыдущих. Поэтому, вначале поперечный параллакс устраняют на точке 1 (рис. 71), поворотом правой камеры на угол c₂. Затем это делают на точке 2, вращением левой камеры на угол c₁. Далее на точке 3 – наклоном и, наконец, на точке 4

– наклоном Нетрудно заметить, что при этом на всех точках модели будет компенсирована и составляющая , правда, не поворотом второй камеры на угол , а разворотом обеих камер вокруг главных лучей, что несущественно. Но поскольку наклоны на углы , как в отдельности, так и совместно, действуют иначе, чем , на точках 5 и 6 возникает новый поперечный параллакс, равный . Отношение поперечного параллакса в точках 5 (6) к поперечному параллаксу , наблюдаемому после устранения параллаксов на точках 1-4, называется коэффициентом взаимного ориентирования. Этот коэффициент может быть получен и по формуле:

(158)

Используют его для введения на точке 5 нового параллакса , равного существующему значению, умноженному на коэффициент(но с противоположным знаком).

Второй способ. Согласно (101) уравнение взаимного ориентирования в этом случае имеет вид:

(159)

где .

Поэтому влияния поворотов на поперечные параллаксы точек модели аналогичны влияниям рассмотренных выше поворотов на углы . Согласно уравнению (153) смещение камеры вдоль составляющей базиса by вызывает появление параллаксов на всех точках модели, равных величине смещения. Передвижение камеры вдоль составляющей bz влечёт за собой равномерное изменение масштаба изображения второго снимка.

При взаимном ориентировании (рис. 72) поперечные параллаксы устраняют сначала на точке 2 – движением by, затем на точке 1 – движением далее на точке 4 – движением bz, и, наконец, на точке 3 – движением На точке 5, вращением правой камеры на угол , вводят новый параллакс, величину которого рассчитывают, как и в предыдущем способе.

Отметим, что как в первом, так и во втором способах действовать можно и в несколько иной последовательности. Главное – устранить поперечные параллаксы.

Ориентирование выполняют методом последовательных приближений до тех пор, пока остаточный поперечный параллакс на контрольной точке не окажется меньше 0.015мм (1/4 диаметра марки наименьшего размера). Если такого результата не достичь, вычисляют децентрации dx и dy и на эти величины смещают снимкодержатели. Формулы для определения децентраций приведены в паспорте прибора. После этого взаимное ориентирование повторяют. Если при взаимном ориентировании используется второй вариант, децентрацию нужно вводить только в один снимок, в этом его преимущество по сравнению с первым вариантом.

Иногда при взаимном ориентировании вычисляют и используют вспомогательный коэффициент, позволяющий уменьшить число приближений.

Внешнее ориентирование построенной модели начинают с выбора и установки таких шестеренок в редукторе счетчика высот и таких шкал, чтобы отсчеты можно было брать в метрах. При этом необходимо учесть, что связки проектирующих лучей преобразованы, то есть фокусные расстояния F^¢ проектирующих камер не равны фокусным расстояниям f снимков. Поэтому вначале вычисляют знаменатель вертикального масштаба модели M¢_в (из-за преобразования связок он не равен знаменателю горизонтального масштаба M). Очевидно M¢_в=Mf/F^¢. Полученная величина является входом в таблицу установок шкал и шестерен, которая имеется в инструкции по эксплуатации прибора. Из этой таблицы выбирают окончательное значение M_в вертикального масштаба (наиболее близкое к вычисленному), а также ему соответствующие шкалу и пару шестерен, которые и устанавливают на каретке высот. В заключении следует пересчитать фокусное расстояние проектирующих камер и установить его на шкале каретки фокусных расстояний.

Сам процесс внешнего ориентирования делится на два этапа. Первый этап называется масштабированием модели. Его осуществляют изменением базисной составляющей b_x во столько раз, во сколько отрезок l_o между парой опознаков на основе отличается от соответствующего ему отрезка l_м на бумаге, нанесенного по результатам измерения модели, т.е. новое значение b_x= l_o b^¢_x/ l_м. Возникший при этом поперечный параллакс в центре модели и на одном из верхних ее краев устраняется соответственно винтами b_y и b_z. После операции ориентирования полезно установить на планшет (координатограф) основу, отцентрировать ее и сориентировать. Для центрирования измерительная марка стереоскопически совмещается с одним из опознаков, а острие пишущего элемента (карандаша) с соответствующей точкой на основе. Затем марку совмещают с другим опознаком и основу вращают вокруг первого до тех пор, пока острие карандаша не окажется над второй точкой. Операции центрирования и ориентирования выполняют методом последовательных приближений, а результат контролируют по невязкам на опознаках, которые в них не участвовали.

Второй этап внешнего ориентирования называется горизонтированием. Его цель поворотом модели добиться того, чтобы при стереоскопическом совмещении измерительной марки с любым опознаком отсчет на счетчике высот был равен их высотам. Поворот вначале осуществляют в поперечном направлении одновременным вращением винтов w коррекционных механизмов левого и правого снимков. Делается это, например, так (Рис. 73). Измерительная марка стереоскопически совмещается с опознаком I, а на счетчике высот устанавливается отсчет, равный высоте этого опознака. Затем измерительная марка совмещается с опознаком II, берется отсчет по счетчику высот и на счетчике ножным диском устанавливается среднее между высотой второго опознака и полученным отсчетом. И, наконец, измерительную марку вновь совмещают с опознаком, совместным вращением винтов w коррекционных механизмов левого и правого снимков. При этом следят, чтобы не возникал поперечный параллакс. Указанные действия на первых двух опознаках выполняют последовательными приближениями до тех пор, пока разности между отсчетами по счетчику высот, полученными при стереоскопическом наведении марки и исходными высотами не окажутся меньше инструктивных допусков (например, одной трети от принятой высоты сечения рельефа).

Закончив горизонтирование в поперечном направлении, ножным диском на счетчике высот устанавливают отсчет, равный исходной высоте опознака III. К нему штурвалами X и Y перемещают и измерительную марку. Стереоскопически ее совмещают с опознаком вращением винта a_л, а возникающий поперечный параллакс устраняют винтом b_z. После этого следует вернуться к одному из первых опознаков и устранить возникший там поперечный параллакс винтом a_п. При необходимости указанные операции на всех опознаках повторяют. Если же допуск выдерживается, вновь вычисляют и вводят децентрации, теперь уже и левого и правого снимков, уточняют взаимное ориентирование и горизонтирование. Так действуют до тех пор, пока, вычисленные после очередного горизонтирования, децентрации не станут меньше погрешностей их установки на приборе.

Измерение модели и составление плана осуществляется после центрирования, ориентирования и закрепления основы на столе координатографа. При нанесении ситуации пишущий элемент с помощью ножного пульта опущен и касается основы, а движение измерительной марки по контуру осуществляется штурвалами X, Y и ножным диском. Штурвалы имеют переключатели для регулирования скорости движения. Некоторые контура (например, дороги, строения, столбы линий связи и т.д.) целесообразнее отображать на планшете нанесением отдельных пикетов. Распознавание объектов производится путем анализа прямых и косвенных признаков и снимков эталонов.

Для вычерчивания горизонтали, на счетчике ножным штурвалом устанавливают ее высоту, вращением штурвалов X и Y находят точку, где измерительная марка касается поверхности модели, опускают пишущий элемент и этими же штурвалами ведут марку по поверхности модели. Следует отметить, что чем ярче выражен рельеф, тем легче его отображать на планшете (наносить горизонтали).

Другие приборы механического типа

Стереоавтограф (Рис. 74) был создан специально для обработки наземных фотоснимков формата 13х18 см, полученных при нормальном и равноотклоненном случаях съемки. На нем следует немного остановиться потому, что прибор широко использовался в нашей стране при составлении маркшейдерских планов открытых горных выработок (карьеров). Его особенность в том, что используются две пары ленкеров: нижняя L₁ и L₂ решает задачу определения только плановых координат X и Y точек модели, верхняя (на рисунке показана только левая высотная линейка L₁^¢) - их высоты Z. Таким образом, пространственная система координат образуется двумя плоскостными системами.

Мостик отстояний прибора может перемещаться вдоль направляющей Y на расстоянияот 50 до 400 мм.

То, что моделирующая система решает уравнения прямой пространственной фотограмметрической засечки именно для равноотклоненного случая съемки, легко получить из схемы прибора, которая приведена на рисунке. Действительно, пространственное положение точки местности моделируется в приборе точками A в плане и A¢ по высоте. Из подобия двух правых треугольников:

Но, как видно из схемы, E₁E₂=b_yx₂/f и E₁E₀=b_x, поэтому:

Из рисунка, кроме того, следует, что X=Yx₁/f и Z=Yz₁/f. Формула для аппликаты получена из подобия треугольников, образованных левой высотной линейкой L^¢, изогнутой в точке S₁ под прямым углом. Полученные соотношения, таким образом, действительно соответствуют уравнениям (131-132).

Точно такие же уравнения решает аналоговое устройство другого прибора для составления планов по наземным снимкам - технокарта.

Следует отметить, что при обработке фототеодолитных снимков взаимное ориентирование не выполняется совсем, так как считается, что элементы внешнего ориентирования в процессе фотографирования устанавливаются с достаточной точностью, и поперечный параллакс отсутствует. Кроме того, несколько иначе осуществляется и внешнее ориентирование модели. Практически оно сводится к процессу центрирования и ориентирования основы на столе координатографа и устранения затем невязок на корректурных точках. В приборах предусмотрен учет угла конвергенции, если этот угол невелик (первые градусы).

Фирма Оптон выпускала серию приборов Планимат механического типа 1 класса точности. Модель D2 предназначалась для обработки как аэро, так и наземных снимков. Ее особенность – возможность установки карданных центров, вокруг которых вращаются проектирующие рычаги, как над снимкодержателями, так и под ними, что существенно расширяет диапазон отстояний.

В Швейцарии наиболее известными производителями стереофотограмметрических приборов являются фирм Kern и Wild. Первая из них производила серию приборов PG. Вторая модель, например, предназначалась для составления карт в средних и мелких масштабах и имела ортофотоприставку. Третья модель использовалась в крупномасштабном картографировании. Фирма Wild известна своими автографами: A7 – A10 и B8S. Все это приборы 1 класса точности механического типа. В комплект автографа A8 входила ортофотоприставка, A7 – позволял обрабатывать и фототеодолитные снимки, A9 – сконструирован специально для составления карт по аэрофотоснимкам, полученным широкоугольными АФА. Для картографирования в мелких масщтабах фирмой выпускался Aviograph. Кроме того, известны приборы Aviomap (AM, AMM и AMU).

В Италии разработкой и изготовлением фотограмметрических приборов в основном занималась фирма GALILEO. Известны Stereosimpleks – прибор механического типа 2 класса точности (он выпускался в различных модификациях), и Stereomecometr – для составления карт среднего масштаба. Фирмой Нистри выпускался Стереокартограф, неплохой прибор 1 класса точности, предназначенный для обработки аэро и наземных снимков, в том числе и широкоформатных.

Достаточно хорошо известны: Стереотопограф Пуавулье (Франция) и прибор Томпсона (Англия).

Ортофототрансформирование

Как ранее отмечалось, трансформирование снимков холмистой и горной местности следует выполнять по зонам для того, чтобы смещение точек за рельеф довести до приемлемых величин. Однако при большом числе зон этот путь снижает точность создаваемых карт и увеличивает их стоимость. Более эффективный вариант – ортофототрансформирование, в результате которого получают фотографическое изображение местности в ортогональной проекции. Называют такое изображение ортофотоснимком.

Идея метода в том, что если взять не весь фотоснимок, а только небольшую его часть, то в ее пределах смещения и за наклон и за рельеф для всех точек будут примерно одинаковыми. Иначе, искажениями можно пренебречь и считать, что там и масштаб постоянный и изображение подобно плану. Конечно, у каждого такого элементарного участка на снимке будет свой масштаб. Значит суть ортофототрансформирования в том, чтобы снимок разбить на элементарные участки, привести их к одному масштабу и составить из них единое изображение. Для того, чтобы это осуществить нужны углы наклона главного луча и информация о рельефе местности, которая изображена на фотоснимке. Все это есть после построения модели, например, на аналоговом приборе, поэтому для них были сконструированы ортопроекторы (ортоприставки).

На рис. 75 приведена схема ортофототрансформирования с помощью аналогового прибора. На нем изображены: построенная по паре снимков модель рельефа (точки A и B принадлежат этой модели); один из снимков пары P; плоскость T трансформирования, куда спроектированы точки модели; экран E, на котором строится ортофотоизображение.

Из рисунка следует, что для того чтобы на экране изобразилась ортогональная проекция окрестности точки A (ограничена вертикальными штришками) в заданном масштабе, его нужно опустить в положение E₁, а для изображения указанной проекции точки B наоборот поднять в положение E_{n .} Обеспечить такое перемещение экрана (или что все равно проектирующей камеры ортопроектора, где расположена копия трансформируемого снимка) можно связав его каретку (электрически или механически) с кареткой мостика отстояний стереоприбора. Тогда совмещение оператором измерительной марки с точкой модели автоматически приведет к установке экрана (или проектирующей камеры ортопроектора) в нужное положение. Для того чтобы зафиксировать ортогональную проекцию окрестности точки построенную на экране, изображение снимка в ортопроекторе проектируется через щель на светочуствительный слой фотопленки. Размер щели подбирается так, чтобы искажения на ее краях вызванные наклоном трансформируемого снимка и рельефом местности не превышали установленных допусков.

Общее изображение на экране получается путем сканирования установленного в ортопроекторе снимка (положения 1, 2 … n на рис 75) параллельными маршрутами, расстояние между осями которых равны длине щели. Направление движения может быть принято по оси X или Y в зависимости от направления скатов на местности. Оператор при движении марки совмещает ее с поверхностью модели, устанавливая тем самым экран ортопроектора. в нужное положение. Во время сканирования изображение снимка проектируется через щель на светочувствительный материал, в результате чего фиксируется изображение в виде полоски. Затем фиксируется следующая полоска и т.д.

Сканирование одной модели позволяет получать ортофотоизображение только части снимка, расположенной в зоне продольного перекрытия. Чтобы трансформировать снимок полностью следует построить следующую модель.

Автоматизация обработки снимков на фотограмметрическом оборудовании

Уже в семидесятых годах двадцатого столетия стало очевидным, что от графических продуктов (планов и карт), которые получают в процессе съемок нужно переходить к их цифровым аналогам. Связано это было с бурным развитием вычислительной техники, увеличением ее мощности и быстродействия. В результате появилась реальная возможность заменить в качестве носителей информации картографические материалы на цифровые модели объектов. На основе таких моделей автоматизация решения различных прикладных задач, в том числе и проектирования, а также составления необходимых графических документов становилась делом техники.

Получить цифровые модели можно, например, путем цифрования карт и планов. Но гораздо производительнее совместить их построение с процессом съемки (с процессами выполнения линейно-угловых измерений в тахеометрии или обработки снимков в фотограмметрии). В тахеометрической съемке это привело к появлению полевых регистраторов информации, а затем и электронных тахеометров, исключивших ручной ввод данных из журналов в компьютер. В фотограмметрии было создано второе поколение универсальных аналоговых стереофотограмметрических приборов. Они были обеспечены аналого-цифровыми преобразователями, пакетами прикладных программ, обеспечившими автоматизацию процессов внешнего ориентирования модели, построенной на приборе, регистрацию результатов измерения снимков и построения цифровых моделей. Иногда такое сочетание аналоговых приборов со средствами автоматизации называют гибридными системами

Когда речь идет об автоматизации обработки снимков, то предполагается, что автоматизированными должны быть следующие процессы решения двойной обратной пространственной засеки:

1. Внутреннее ориентирование снимков;

2. Построение фотограмметрической модели (взаимное ориентирование снимков);

3. Внешнее ориентирование модели по опознакам;

4. Съемка ситуации и рельефа.

При этом на всех этапах должна быть обеспечена автоматическая регистрация измерений снимков и программная поддержка построения цифровой модели на ПЭВМ. Для реализации процесса автоматизированной обработки необходимы аппаратные и программные средства. Аппаратные средства, как правило, включают:

- Компьютер типа IBM PC или совместимый с ним. Требования к его техническим характеристики во многом зависят от объема обрабатываемых данных. Но лучше, если это Pentium современной конфигурации.

- Мониторы цветные лучше SVGA от 800Х600 пикселов с размером экрана по диагонали 17 дюймов или больше, (но допустимо и меньше).

- Графопостроитель рулонный перьевой формата АО, с количеством перьев не менее 4.

- Принтер, лучше лазерный.

- Дискеты и расходные материалы в необходимом количестве.

Автоматическая регистрация измерений обеспечивается сопряжением стереоприборов для обработки снимков с ПЭВМ. При использовании аналогового фотограмметрического прибора механического типа на его ходовые винты устанавливают инкрементальные (дифференциальные) датчики типа «угол-код». Они преобразуют механические перемещения кареток прибора в электрические импульсы (т.е. при вращении винтов вырабатываются электрические импульсы). Чтение импульсов, их суммирование, контроль и регистрацию в ПЭВМ выполняются с помощью интерфейсного устройства (коордиметр, блок Marcgraf, ZIF и др.). В результате и получается так называемая гибридная система. Для того, чтобы регистрация осуществлялась не в импульсах, а в миллиметрах, перед началом измерений необходимо определить цену импульса, используя для этого, например, результаты измерения сетки Готье.

Что касается программного обеспечения, то в нашей стране разработано несколько пакетов, обеспечивающих и решение двойной обратной пространственной засечки, и построение цифровой модели объекта, при чем как по результатам аэрофотосъемки, так и по результатам наземной стереофотограмметрической съемки. Из них заслуживает внимание, например, программный комплекс «Карьер», разработанный в фотограмметрической лаборатории ВНИМИ. Это специализированный пакет для обработки материалов фотограмметрической и тахеометрической съемок карьеров. Но его можно использовать и при решении ряда задач инженерной фотограмметрии.

Достоинство пакета в том, что в процесс обработки наземных снимков включен этап корректирования фотограмметрической модели, позволяющий существенно ее улучшить, уменьшить невязки на опознаках и в итоги повысить точность конечного продукта. Для этого геодезические координаты опознаков преобразуются в фотограмметрическую систему координат. Разности между перевычисленными координатами опознаков и координатами полученными в процессе измерения не откорректированной модели (невязки в фотограмметрической системе координат), позволяют понять природу их возникновения и принять обоснованные решения по их устранению.

В основу автоматизированного корректирования фотограмметрической модели положен хорошо известный приближенный метод основанный на раздельном устранении невязок вначале по оси Y_{Ф ,} а затем X_Ф и Z_{Ф .} Программа предусматривает два метода выполнения этой операции: автоматический и ручной. Первый вариант является основным. Для его выполнения необходимо обеспечить стереопару как минимум тремя опознаками. Максимальное их число – 20, но три из них должны иметь, так называемое, стандартное расположение: все на дальнем плане, точка 1 вблизи главного луча правого снимка, точки 2 и 3 – соответственно у левой и правой границы стереопары. Ручное корректирование всегда выполняется по трем стандартно расположенным точкам, в случае если в процессе обработки предполагается рисовка горизонталей, а также для устранения больших невязок (более 10 м) перед автоматической корректурой.

В целом автоматизированная обработка снимков при наземной стереофотограмметрической съемке включает в себя следующие этапы:

1. Подготовительные работы;

2. Корректирование фотограмметрической модели;

3. Геодезическое ориентирование фотограмметрической модели (ее внешнее ориентирование);

4. Сгущение съемочного обоснования и фотограмметрическую съемку объекта.

Подготовительные работы заключаются в создании каталогов координат опознаков и базисов фотографирования, а также предварительном построении фотограмметрической модели на приборе. На экране монитора указывают имя стереопары, и заполняют таблицу с параметрами фотографирования. На отсчетных устройствах обрабатывающего прибора устанавливают значения данных из таблицы и согласовывают начальные отсчеты интерфейсного устройства с началом фотограмметрических координат прибора.

Геодезическое ориентирование осуществляется после корректирования модели простым переходом в соответствующий режим. После завершения ориентирования, на экране монитора можно получить протокол обработки стереопары. В нем будут отражены параметрами фотографирования и невязками в фотограмметрической и геодезической системах координат. Если они удовлетворяют требованиям технической инструкции, работа продолжается либо в режиме фотограмметрического сгущения сети либо в режиме фотограмметрической съемки.

В процессе съемки на экран монитора выдаются: положение измерительной марки прибора и ее геодезические координаты, редактируемая линия в белом цвете, нанесенные уже контура и элементы местности в розовом цвете, изображение цифровой модели, если она существует, в голубом цвете. Указанное изображение можно перемещать, выполнять его центровку и масштабировать. Регистрацию пикетов можно осуществлять в ручном и автоматическом режимах. Можно задавать тип регистрируемых линий, и если необходимо, их направление и т.д.

В программе предусмотрены операции склеивания и фильтрации информации. Склеивание это логическая операция, в результате которой два элемента имеющие одинаковую часть заменяются одним элементом. Она обеспечивает объединение одноименных структурных элементов объекта, расположенных в зоне перекрытия съемки соседних стереопар; съемки, выполненной с различных базисов, а также при пополнении цифровой модели объекта. Эта операция осуществляется автоматически, если расхождение в положении точек перекрывающихся объектов не превосходит допусков.

Фильтрация это операция автоматического удаления избыточной информации. Параметрами фильтрации являются: минимальное и максимальное расстояние между пикетами и допустимое расстояние между исключаемой точкой и прямой проходящей через два смежных с ним пикетов. Следует заметить, что на производстве стремятся экспортировать результаты автоматизированной обработки в более развитые программные продукты, оперирующие с векторными данными, например в Автокад.

Понятие об универсальных стереоприборах аналитического типа

Как уже отмечалось, создание аналитических универсальных стереоприборов связано, прежде всего, с успехами в развитии электронно-вычислительной техники. Это фактически фотограмметрический комплекс, основными частями которого являются: высокоточный прибор для измерения снимков (то есть той или иной конструкции стереокомпаратор), быстродействующая управляющая ПЭВМ, графопостроитель, программное обеспечение и различные сервисные устройства.

Измерительный прибор связан с ПЭВМ с помощью датчиков и аналого-цифровых преобразователей. Важная особенность – существование между ними обратной связи, необходимой для дифференциальных перемещений снимков с целью устранения поперечных параллаксов. Осуществляются эти перемещения приводными двигателями, которые и управляются ПЭВМ. Программное обеспечение должно включать фотограмметрические модули для внутреннего и взаимного ориентирования снимков, внешнего ориентирование модели, а также пакеты, обеспечивающие регистрацию координат в процессе измерений модели, поддержку файлов данных (например, каталога координат, цифровой модели местности и рельефа и т.д.), пакет прикладных программ. Хорошо, когда программное обеспечение открыто для программ пользователя. Следует отметить, что приборы аналитического типа обеспечивают наивысшую точность картографирования по снимкам, так как для измерений используются высокоточные стереокомпараторы, и нет ограничений на учет факторов, которые приводят к искажениям изображений. Важно, чтобы их влияние было записано аналитически.

Основные процессы при обработке снимков:

- Загрузка исходных данных в ПЭВМ и установка снимков на каретках снимкодержателей;

- Внутреннее ориентирование, которое сводится к выполнению измерений на координатных метках или на крестах, если впечатана сетка. Результат – параметры, позволяющие пересчитывать фиксируемые в процессе измерений отсчеты в фотокоординаты;

- Взаимное ориентированиек снимков. Оно заключается в измерении координат не менее чем на 5 соответственных точках. На самом деле точек берут больше, и их расположение не обязательно должно быть стандартным. Результат – элементы взаимного ориентирования, используемые для вычисления смещений снимков, осуществляемых приводными двигателями. Если ориентирование выполнено корректно, то поперечный параллакс будет отсутствовать при наведении на любую пару соответственных точек (то есть будет построена модель);

- Внешнее ориентирование модели состоит в измерении координат опознаков и вычислении матрицы преобразования. Важной характеристикой качества построенной модели и результатов внешнего ориентирования являются остаточный поперечный параллакс и невязки на опознаках.

- Измерение модели и составление плана начинают после согласования систем координат модели и основы распложенной на столе графопостроителя.

Перед выполнением того или иного процесса с помощью меню в оперативную память ПЭВМ загружается соответствующий пакет. На современных ПЭВМ возможна и параллельная обработка результатов измерений (например, составление плана и создание цифровой модели).

Изготовителей аналитических приборов рассматриваемого типа много. Отмечается тенденция к производству недорогих систем по возможности полностью интегрированных в Географическую информационную систему (ГИС). Почти в каждой модели реализовано оптическое наложение данных, то есть, возможно совмещение стереомодели с твердой копией.

Из аналитических приборов особенно хорошо известны Планикомпы фирмы Оптон (Германия). Существуют две их серии: C100, C110, C120, C130 и C140, а также P1, P2 и P3. Вторая серия имеет комплексное математическое обеспечение PHOCUC. Оно обеспечивает фототриангулирование по способу связок, построение ЦМР при различных вариантах выбора точек, выполнение операций картосоставления в режимах on line и off line, формирование базы данных ГИС с объектно-ориентированной структурой, позволяющей осуществлять анализ данных по тематическим критериям, выполнять обработку наземных и спутниковых снимков.

Известны серия приборов DSR Фирма Kern (Швейцария), приборы:Wild BC3, APY, S9-AP, RAP (Wild Швейцария), SD2000 (Leika Швейцария), Дигикарт 40 (Италия) и т.д.

В приборе TRASTER фирмы MATRA (Франция) снимки проецируются на один экран в поляризованном свете, что позволяет через очки наблюдать модель сразу нескольким специалистам.

Класс малогабаритных приборов упрощенной конструкции производился Австралийской фирмой ADAM Technologi, это G2, G3 –стереокорды, G3/PC? ASP – 2000.

В нашей стране был сконструирован и используется на производстве прибор аналитического тип Анаграф.