Целью преподавания дисциплины "Основы аэрогеодезии и инженерно-геодезические работы" является приобретение студентами достаточного объема знаний и практических навыков для производства аэрогеодезических работ в условиях дорожного хозяйства (изыскания, проектирования, строительства, реконструкции, эксплуатации транспортных сооружений) как продолжение изучения дисциплины "Инженерная геодезия".

Дисциплина "Основы аэрогеодезии и инженерно-геодезические работы" имеет комплексный характер.

Она является связующим звеном между дисциплинами: инженерной геодезией, инженерной графикой, математикой и специальными дисциплинами. Дисциплина "Основы аэрогеодезии и инженерно-геодезические работы" предусматривает:

создание топографических карт на универсальном приборе, построение УММ с использованием автоматизированного стереокомпаратора и ПЭВМ;

фотограмметрическое нивелирование трассы; оценку транспортно-эксплуатационных показателей автомобильной дороги по аэрофотоснимкам;

перенесение проектов инженерных сооружений в натуру;

основные элементы разбивки инженерных сооружений;

изучение и применение различных геодезических приборов и инструментов для разбивки инженерных сооружений.

В курс лекций вошли основные темы, отражающие содержание аэрогеодезических методов, используемых при аэрофотоизысканиях. Также сюда вошли разделы фотограмметрического нивелирования трассы; оценка транспортно-эксплуатационных показателей автомобильной дороги по аэрофотоснимкам; перенесение проектов инженерных сооружений в натуру; основные элементы разбивки инженерных сооружений и др.

аэроснимок аэрогеодезия изображение точка

Данный лекционный курс дисциплины разработан на 18…20 часов в пятом семестре для студентов 3 курса дневного отделения. Количество часов назначается преподавателем - лектором и может быть изменено.

Лекция № 1

Тема: Общие сведения об аэрогеодезии

1. Современные пути развития и совершенствования проектно-изыскательских работ

В настоящее время совершенствование проектно-изыскательских работ идет в двух основных направлениях: с одной стороны путем внедрения:

а) новой геодезической техники;

б) современных средств механизации;

в) аналитических расчетов;

г) новых геофизических методов геологических обследований и автоматизированных гидрологических определений.

С другой стороны:

а) путем применения при разработке проектов любых объектов современной аэрогеодезии;

б) инженерного дешифрирования аэроснимков;

в) электронной и радиоэлектронной техники

г) новых аэрогеодезических средств инженерно-геологических и гидрологических обследований;

д) использование ЭВМ и автоматизации графических процессов.

2. Аэрогеодезические и аэрогеофизические работы

Современные аэроизыскания местности при возведении и строительстве объектов, зданий и сооружений состоят в основном из аэрогеодезических и аэрогеофизических работ.

Аэрогеодезические работы. Они определяют топографическое содержание местности со всеми ее особенностями и деталями, важными для определения вида, размеров и расположения в натуре проектируемого сооружения и его отдельных элементов.

Под аэрогеофизическими работами при изысканиях дорог понимается комплекс воздушных, полевых и камеральных работ, определяющий геологические и почвенно-грунтовые характеристики местности, оказывающие влияние на размещение различных элементов сооружения на местности или обосновывающие их размеры (Производственные предприятия дорожного строительства: карьеры, АБЗ. ЦБЗ и др., мосты и т.д.).

Аэрофотоизысканиями называют комплекс аэроизыскательских работ, выполняемых при проектировании по аэрофотоснимкам местности.

3. Аэрогеодезия. Аэрогеодезические методы

Аэрогеодезия - наука об измерениях и преобразовании полученных с воздуха изображений земной поверхности для составления топографических планов и карт;

это наука по обработке и построению математических, геометрических или стереоскопических моделей местности;

а также это наука, используемая для решения ряда инженерных задач при проектировании и строительстве различных искусственных сооружений (автомобильных и железных дорог, мостов, аэродромов, плотин, каналов, трубопроводов, линий электропередач и т.д.).

Аэрогеодезия рассматривает те же вопросы, что и геодезия, но использует для этого вместо поверхности Земли ее аэросъемочное изображение.

Методы съемок местности с воздуха (самолетов, вертолетов, высотных зданий) носят название Аэрогеодезические методы.

Они являются основой всех современных топографических и картографических съемок местности, изыскательских работ и работ по проектированию различных инженерных искусственных сооружений.

Аэрогеодезические методы при проектировании объектов и сооружений входят в общий аэроизыскательский процесс, предусматривающий отыскание по результатам аэросъемки и воздушно-наземных обследований наиболее целесообразное положение форм и размеров проектных элементов, объекта или сооружения.

4. Комплекс аэрогеодезических работ

Все основные аэрогеодезические работы производят либо путем изучения, измерения и видоизменения фотоизображений местности на аэроснимках, фотосхемах и стереоскопической модели местности, либо путем преобразования записанных на магнитный носитель сигналов сканированной с самолета местности.

С помощью аэрогеодезических работ, например, при проектировании дорог в камеральных условиях производят трассирование дороги, измерение линий и углов, разбивку пикетажа и нивелирование трассы, топографическую съемку притрассовой полосы и отдельных участков местности, проектирования основных элементов сооружений и изображение в наглядном виде различных инженерных решений в наиболее ответственных и сложных местах проекта.

В комлекс аэрогеодезических работ входит аэрофотосъемка или электронная аэросъемка местности с радиогеодезическими измерениями и аэрорадионивелированием, различные геодезические и фотограмметрические определения и съемки, дешифрирование аэроснимков с полевым или воздушным обследованием отдельных участков местности, аналитические расчеты на ЭВМ, графический процесс и оформление результатов исполненных работ.

По характеру производства аэрогеодезические работы делятся на камеральные и полевые, а по технологии работ - на комбинированные стереофотограмметрические, электронно-фотограмметрические и радиоэлектронные.

Комбинированные аэрогеодезические работы предусматривают получение контурной части плана и плановое размещение проектируемых сооружений на основе камеральной фотограмметрической обработки аэроснимков. А получение высот точек местности, изображение рельефа и высотного размещения проектируемых сооружений - на основе полевых геодезических измерений.

Стереофотограмметрические работы предусматривают камеральную обработку аэроснимков и измерения, проводимые по стереомодели местности.

Электронно-фотограмметрические работы при обработке аэроснимков широко используют комплекс различных автоматизированных стереофотограмметрических и электронно-аналитических определений.

При радиоэлектронных аэрогеодезических работах, полученное при электронной аэросъемке с помощью специальных электронных автоматических устройств изображение местности преобразуют в топографические макеты, стереосхемы. Их используют также для решения сложных инженерных задач с показом результатов на указанных выше топографических материалах.

Лекция № 2

Тема: Общие сведения об аэрогеодезии

1. Аэросъемка и ее виды

Аэросъемкой называется процесс получения изображения местности с воздуха. При производстве аэросъемки фотоаппаратами она называется аэрофотосъемкой, а при выполнении специальными радиоэлектронными устройствами - электронной аэросъемкой.

Наиболее широко в настоящее время распространена кадровая аэрофтосъемка, которая делится на плановую и перспективную.

При плановой аэрофотосъемке оптическая ось аэрофотоаппарата устанавливается почти отвесно, с отклонениями от вертикали не более, чем на ±3⁰, а при перспективной - под углом до 50⁰ к отвесу.

При проектировании линейных сооружений применяют сплошную плановую аэрофотосъемку и лишь в отдельных случаях производят выборочное перспективное фотографирование отдельных мест.

2. Маршруты аэросъемок

При изысканиях линейных сооружений плановая аэрофотосъемка выполняется прямолинейными маршрутами, концы которых соединены между собой в продольном направлении под некоторым углом. В поперечном направлении соседние маршруты такой аэросъемки прокладывают параллельно друг другу. Иногда перпендикулярно к основным маршрутам через 6ч10 аэроснимков прокладывают короткие "каркасные" маршруты для создания фототриангуляционной и радионивелирной опорной сети.

Смежные аэроснимки каждого маршрута должно иметь взаимное продольное перекрытие (иметь общие участки с фотоизображением одной и той же местности), а аэроснимки соседних параллельных друг другу маршрутов - взаимное поперечное перекрытие.

Взаимное продольное Р_х и поперечное Р_у перекрытия аэроснимков определяются процентным отношением длины взаимно перекрывающейся части снимка (l_x и l_y) ко всей его длине l:

(1)

Рисунок 1 Маршрутная аэросъемка местности

1 основные аэромаршруты;

2 сложные места трассирования;

3 трасса;

4 каркасные маршруты

Рисунок 2 Площадная аэросъемка сложных мест

Рисунок 3 Взаимное перекрытие аэроснимков

l_х - продольное перекрытие; l_у - поперечное перекрытие

Аэросъемка при изысканиях дорог имеет продольное перекрытие аэроснимков около 60% и поперечное перекрытие 30ч60%.

Каркасные маршруты прокладывают с 80 - 90 % - ным перекрытием. Взаимное перекрытие аэроснимков рассчитывают по формулам:

(2)

где h - колебания превышений местности над средней исходной горизонтальной плоскостью в пределах одного аэроснимка;

H₀ - высота фотографирования местности над средней исходной горизонтальной плоскостью.

Лекция № 3

Тема: Производство аэрофотосъемочных работ

1. Аэросъемка и ее виды

Аэросъемку местности выполняют в заданном масштабе. Средний масштаб плановой аэросъемки устанавливается из пропорциональности сторон двух подобных треугольников

(3)

где f _k - фокусное расстояние фотоаппарата.

Рисунок 4 Схема к определению среднего масштаба аэросъемки

Масштаб аэрофотосъемки рассчитывают относительно того участка местности, где должна располагаться дорога и ее сооружения.

Масштаб фотографирования задается в несколько раз мельче, чем масштаб создаваемого фотоплана. Выбор масштаба фотографирования обусловлен возможными коэффициентами увеличения имеющихся фототрансформаторов, а также информационной емкостью аэроснимков, обеспечиваемой аэрофотоаппаратом.

Для получения фотопланов определенных масштабов установлены соответствующие масштабы фотографирования:

Известно, что при одном и том же масштабе фотографирования стереофотограмметрические определения высот точек местности получаются тем точнее, чем больше угол поля зрения аэрофотоаппарата. Поэтому для стереотопографического метода съемки незастроенных территорий широко применяются сверхширокоугольные аэрофотоаппараты.

Однако при съемках застроенных территорий применять эти аэрофотоаппараты нецелесообразно, так как перспективные изображения построек будут закрывать значительную часть проездов, тем большую, чем больше широкоугольность аэрофотоаппарата и чем выше застройка (то же самое и в горной и в лесистой местности). В частности, при фокусном расстоянии f_к = 70 мм и при нормальных перекрытиях снимков ширина "мертвой зоны" будет равна высоте построек. Поэтому при стереотопографической съемке застроенных территорий применяют широкоугольные аэрофотоаппараты с фокусном расстоянии f_к = 100 мм или 140 мм, а в некоторых случаях и более узкоугольные (например, при съемках в масштабах 1: 1000 и 1: 500). Применять сверхширокоугольные аэрофотоаппараты с фокусным расстоянием f_к = 70 мм для фотографирования застроенных территорий возможно только при малоэтажной застройке и при выполнении второго залета с нормальноугольными или узкоугольными аэрофотоаппаратами для составления фотопланов.

Выбор масштаба фотографирования зависит от характера местности - от заданной высоты сечения рельефа и точности определения высот точек местности.

Величины относительных ошибок фотограмметрических высот определенных по аэроснимкам масштабов 1: 10000 и крупнее составляют 1/3000 - 1/4000 при фокусном расстоянии f_к = 100 мм; 1/3500 - 1/5000 при фокусном расстоянии f_к = 140 мм; 1/4500 - 1/6000 при фокусном расстоянии f_к = 200 мм. При более мелких масштабах фотографирования величины относительных ошибок будут меньше.

Таким образом, стерео топографическая съемка с высотой сечения рельефа 1 м может обеспечить требуемую точность изображения рельефа со средней квадратичной ошибкой 0,3 м при масштабах фотографирования 1: 10000 - 1: 12000 при фокусном расстоянии f_к = 100 мм и при высоте фотографирования Н = 1000 - 1200 м.

2. Аэрофотоаппараты, их основные части

Аэрофотосъемка производится с самолетов или вертолетов специальным аэрофотоаппаратом. Современный аэрофотоаппарат состоит из аэрофотокамеры 1 с объективом, затвором и прикладной рамкой; кассеты 2 с катушками для пленки и выравнивающей доской; фотоустановки 3 с амортизаторами; командного прибора 4 и двигательного механизма 5, обеспечивающего автоматическое действие всех частей аэрофотоаппарата.

Рисунок 5 - Схема устройства аэрофотоаппарата

Аэрофотопленка перед фотографированием выравнивается в плоскости прикладной рамки аэрофотоаппарата. В момент открытия затвора на аэроснимке фиксируются изображение участка местности и координатные метки фотокамеры, определяющие направление осей координат аэроснимка и положение его главной точки.

Рисунок 6 - Координатные метки фотокамеры

Для получения фотопланов стремятся применять длиннофокусные нормальноугольные или узкоугольные аэрофотоаппараты для того, чтобы смещения изображений из-за рельефа местности, а также крыш построек (из-за их высоты) находились в допустимых пределах. Выбор фокусного расстояния аэрофотоаппарата, таким образом, будет зависеть от масштаба составляемого плана, характера рельефа и застройки. При формате аэроснимков 18 х 18 см для создания фотопланов можно применять аэрофотоаппараты с фокусным расстояниями f_к = 200 мм, 350 мм и 500 мм. При этом аэрофотоаппараты с фокусным расстоянием f_к = 200 мм следует применять только при создании фотопланов масштабов 1: 1000, аэрофотоаппараты с фокусными расстояниями f_к = 350 мм и 500 мм - при создании фотопланов масштаба 1: 500.

3. Производство аэрофотосъемочных работ

Аэрофотосъемка производится со специальных гиростабилизирующих фотоустановок, обеспечивающих автоматически почти отвесное положение оптической оси аэрофотоаппарата в процессе всего периода фотографирования (со средней ошибкой ±12¹).

Командный прибор в период аэрофотографирования осуществляет автоматическое регулирование работы всех частей аэрофотосъемочного оборудования. Для определения высоты полета самолета над местностью и исходной уровенной поверхностью в момент экспозиции каждого аэроснимка снимают показания со шкал радиовысотомера и статоскопа синхронно работающих с аэрофотоаппаратом.

Современный аэрофотоаппарат АФА-ТЭ имеет аэроснимки размером 18Ч18 см и выпускается с фокусным расстоянием аэрофотокамер f_к - 55, 70, 100, 200, 350 и 500 мм.

В настоящее время аэрофотоаппаратам придают затворы, снабженные устройством для автоматического изменения размера диафрагмы и длительности выдержки в зависимости от степени освещенности поверхности. А также существуют затворы, обеспечивающие автоматическое регулирование интервала аэрофотосъемки при полете для заданного продольного перекрытия снимков.

Аэрофотосъемочный процесс состоит из подготовительных, летносъемочных и фотолабораторных работ.

В подготовительный период намечают аэрофотосъемочные маршруты, границы, объемы и сроки работ, рассчитывают основные параметры аэросъемки и составляют рабочую карту.

Летносъемочные работы выполняют в благоприятное для съемки время при полном отсутствии облачности или при сплошной высокой облачности.

Фотолабораторные работы состоят из обработки, полученных съемочных материалов.

4. Накидной монтаж

По окончании аэрофотосъемочных работ производят оценку качества каждого залета раздельно по маршрутам. Для этого составляют накидной монтаж, по которому устанавливают допустимость отклонения от заданных величин продольного и поперечного перекрытия снимков, фотографическое качество снимков, отклонения от маршрутов и т.д.

Накидной монтаж составляют на монтажном фанерном листе последовательным наложением друг на друга смежных аэроснимков в порядке фотографирования с совмещением одноименных контуров. Снимки закрепляют кнопками.

Лекция № 4

Тема: Ориентирование аэроснимков

1. Аэроснимки и их свойства

При аэрофотосъемке изображение местности строится связкой проектирующих лучей, проходящих через переднюю узловую точку объектива S, являющуюся центром проекции.

В картинной плоскости проектирования этой проекции образуется аэронегатив (аэроснимок), на котором различают ряд точек, линий и плоскостей, обладающих рядом характерных свойств, важных для производства различных фотограмметрических работ.

Рисунок 7 Связка проектирующих лучей при аэросъемке

К ним относятся: главная точка о - основание перпендикуляра, опущенного из центра проекции на плоскость аэроснимка (негатива), направление этого перпендикуляра называется главным лучом связки проектирующих лучей, точка надира n, находящаяся в пересечении плоскости аэроснимка с отвесной линией, проходящей через центр проекции; угол наклона снимка б, образующийся между отвесной линией и главным лучом; главная вертикаль vv - прямая, проходящая на аэроснимке через его главную точку и точку надира; главный вертикал V - отвесная плоскость, пересекающая аэроснимок по главной вертикали; точка нулевых искажений с, лежащая на главной вертикали в ее пересечении с биссектрисой угла наклона; главная горизонталь hh - прямая, проходящая через главную точку снимка перпендикулярно к главной вертикали. Линии, параллельные главной вертикали, называется вертикалями, а перпендикулярные им - горизонталями.

Рисунок 8 Схема главных линий в координатных метках фотокамеры

Горизонталь, проходящая через точку нулевых искажений h₀h₀, является линией неискаженных масштабов. В пересечении горизонтальной плоскости, проходящей через центр проекции, с главной вертикалью образуется главная точка схода i.

2. Элементы ориентирования и построение изображений аэроснимков

Положение связок проектирующих лучей в пространстве в момент фотографирования каждого аэроснимка определяется элементами внутреннего и внешнего ориентирования аэроснимков.

Элементы внутреннего ориентирования восстанавливают положение проектирующих лучей в аэрофотоаппарате. К ним относятся фокусное расстояние аэрофотоаппарата f_к и координаты главной точки аэроснимка Х_о и У_о.

Рисунок 9 - Элементы внешнего ориентирования

Элементы внешнего ориентирования аэрофотоснимка определяют положение связки проектирующих лучей в пространстве относительно системы координат снимаемой местности X, Y и Z. Элементами внешнего ориентирования являются пространственные координаты центра проекции снимка X_s, Y_s и Z_s, продольный б_х и поперечный б_у углы наклона аэроснимка к горизонту и угол между главной вертикалью и осью абсцисс на снимке. Вместо поперечного угла наклона б_у часто берут угол щ. Кроме этой системы ориентирования снимков имеется также система, в которой наклон снимка выражен его общим углом наклона б и азимутом А.

Положительные направления углов наклона соответствуют их отклонению против хода часовой стрелки. Наибольшее распространение имеет первая система элементов внутреннего ориентирования аэрофотоснимков.

Положение в пространстве пары смежных аэрофотоснимков определяются 12 элементами: X_sл, Y_sл, H_sл, б_xл, щ_л, _л, X_sп, Y_sп, H_sп, б_xп, щ_п, _п.

Элементы внешнего ориентирования каждого последующего аэрофотоснимка могут быть найдены через элементы взаимного ориентирования аэрофотоснимков, которые определяют взаиморасположение снимков при фотографировании, а также через базис фотографирования В - расстояние между центрами проектирования аэроснимков.

К элементам взаимного ориентирования аэроснимков относятся следующие величины: взаимный продольный угол наклона аэрофотоснимков

б_х = б_хп - б_хп, (4)

взаимный поперечный угол наклона аэроснимков:

щ = щ_{п -} щ_л, (5)

взаимный угол разворота аэрофотоснимков:

= _п - _л, (6)

дирекционный угол базиса фотографирования , образованный отвесной базисной плоскостью и плоскостью координат XZ, и угол наклона базиса фотографирования к горизонту .

Тогда элементы внешнего ориентирования пары аэроснимков будут представлены следующими величинами: X_sл, Y_sл, H_sл, б_xл, щ_л, _п, B, , , б_x, щ_п, .

Из указанных величин первые семь определяют положение двух смежных снимков относительно геодезической системы координат и называются элементами геодезического ориентирования пары аэроснимков, а последние пять определяют взаиморасположение смежных аэроснимков между собой и являются элементами их взаимного ориентирования.

Для фотограмметрических работ при аэроизысканиях линейных сооружений достаточно знать положение аэроснимков между собой и относительно какой - либо условной уровенной поверхности Земли. В этих случаях положение каждой пары аэроснимков устанавливается всего девятью элементами ориентирования: H_sл, б_xл, щ_п, B, , , б_x, щ, .

Элементы взаимного ориентирования могут быть с достаточной точностью определены фотограмметрическим путем, а элементы внешнего ориентирования аэроснимков - либо непосредственно в полете, либо на основе геодезических определений координат резко выраженных хорошо опознанных на аэроснимках контурных точек местности.

Лекция № 5

Тема: Смещение изображений точек на аэроснимках за рельеф местности и за углы наклона, искажение направлений

1. Масштабы снимков

Из подобных треугольников А₀SB₀ и а₀Sb₀ видно, что масштаб горизонтального снимка в пределах участка равнинной местности будет иметь постоянное значение, равное отношению длины изображенного на нем отрезка местности а₀b₀ к соответствующей его длине А₀В₀ на местности или отношению фокусного расстояния f_к к высоте фотографирования Н₀, то есть:

или , (7)

Постоянство масштаба справедливо для точек, лежащих в одной горизонтальной плоскости. В пересеченной и горной местности масштаб изображения каждой точки на том же горизонтальном снимке будут отличаться от масштаба изображения других точек, имеющих иные высоты. Он бует устанавливаться следующей зависимостью:

, (8)

где

f_k - фокусное расстояние аэрофотоаппарата;

H₀ - высота фотографирования над средней исходной плоскостью Т_0;

h_i - превышение данной точки над исходной плоскостью;

H_i - высота фотографирования над определяемой точкой.

Рисунок 10 Схема к определению масштаба снимков

2. Смещение изображений точек на аэроснимках

Разномасштабность изображений на аэроснимках приводит к плановому смещению представленных на нем точек относительно их ортогонального положения в среднем масштабе, что в свою очередь вызывает искажение измеряемых на снимках линий и углов.

Однако эти смещения имеют определенную закономерность и могут быть учтены.

Примем плоскостью Т₀ за исходную горизонтальную а в качестве горизонтального аэроснимка будем считать плоскостью t₀.

Тогда из подобия треугольников А`А₀S и a a₀ S найдем, что:

(9)

а из подобия А` О S и a о S установим, что:

поэтому: , (10)

Так как в подобных треугольниках А`S О и А` А А₀ сторона

, (11)

то подставляя последнее выражение в предшествующую формулу, окончательно найдем смещение точек снимка плане за рельеф:

, (12)

а на местности:

, (13)

где r_a - расстояние по снимку от точки надира до определяемой точки, мм; h_а - превышение определяемой точки над исходной плоскостью, м;

H₀ - высота фотографирования над исходной плоскостью, м;

f_к - фокусное расстояние аэрофотоаппарата, мм.

Рисунок 11 Определение смещения точек в плане за рельеф

Смещения точек на аэроснимке, вызванные рельефом местности, происходят по радиальным направлениям от точки надира аэроснимка. Для нахождения ортогонального положения точек на снимках при положительном превышении над исходной плоскостью необходимо отложить величину смещения _hа от изображения точки вдоль радиального направления к точке надира снимка, а при отрицательном превышении, наоборот, - к краю снимка. Следовательно, точное измерение по снимку горизонтального расстояния производится между ортогональными проекциями конечных точек измеряемого отрезка.

Прохождение автомобильных и железных дорог на местности ограничено предельными уклонами, поэтому смещения изображений точек местности за рельеф невелики, так как ограничены сравнительно небольшими колебаниями высот по трассе в пределах максимально возможных уклонов трассирования.

Если для каждого аэроснимка вычислять масштаб относительно средней по высоте точки участка трассы (оси любого сооружения), разместившегося на снимке, то при симметричном расположении концов измеряемых отрезков трассы относительно точки надира снимка (r ₁= r₂) длины таких отрезков (d_yz) будут соответствовать их горизонтальным проекциям на ту же плоскость (d⁰_yz), так как смещения конечных точек таких участков трассы на аэроснимке будут равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку (_h1= - _h2).

Используя эту особенность, можно выполнять значительную часть измерительных работ по трассе на плановых аэроснимках с достаточно высокой точностью, даже при наличии у них вышеуказанных смещений.

Смещения точек за углы наклона снимков к горизонту также направлены вдоль радиусов, проведенных от точки нулевых искажений, и вычисляются по формуле:

, (14)

где - плановое смещение i-й точки на аэроснимке за угол наклона, мм; б - угол наклона аэроснимка; - угол между линией неискаженных масштабов и направлением на данную точку, отсчитываемый против хода часовой стрелки;

r_{i -} расстояние от данной i-той точки до точки нулевых искажений, мм.

С учетом масштаба снимка это смещение на местности соответствует отрезку:

, м (15)

где m_i - знаменатель масштаба снимка, определенный для данной точки.

Максимальные ошибки из-за углов наклона возникают в точках, расположенных вдоль главной вертикали снимка, а вдоль линии неискаженных масштабов - равны нулю.

Из указанных зависимостей видно, что концы прямолинейного отрезка, проходящего через точку нулевых искажений, и равноудаленные от нее, получат на снимке равные, но противоположные друг другу смещения за угол наклона.

При использовании в процессе аэрофотоизысканий гиростабилизированных снимков искажениями за углы наклона можно пренебречь ( = - 0,2 мм).

Для исключения смещений точек из-за рельефа местности по всей площади плановых снимков используются таблицы или номограммы.

3. Искажение направлений на аэроснимках за рельеф

Искажения направлений за рельеф местности на аэроснимке выражаются зависимостью:

, (16)

а для горизонтального аэрофотоснимка:

, (17)

где - угол при точке надира между горизонталью и линией, направленной на вершину данного направления;

r_а - расстояние из точки надира до вершины направления;

- угол при вершине направления между данными направлениями и горизонталью;

H₀ - высота фотографирования;

l - длина линии заданного направления;

i - уклон линии заданного направления;

h - превышение между концами отрезка направления.

Рисунок 12 Схема к определению искажений направлений линий за рельеф

Из формул видно, что направления, проведенные из точки надира, не имеют искажений, вызванных рельефом местности. Направления линий, вершины которых совпадают с главной точкой, имеют искажения, вызванные рельефом:

, (18)

4. Искажение направлений линий на аэроснимках за углы наклона снимков

Максимальные искажения направлений за углы наклона снимков при , исходящих из точки нулевых искажений, равны нулю, а из главной точки и точки надира не превышают ±1¹. Поэтому на снимках равнинной местности за вершины измеряемых на них углов часто принимают хорошо опознаваемую центральную контурную точку, лежащую вблизи главной точки снимка. При центральная точка должна находиться в пределах круга с радиусом от главной точки r не более .

Анализ данных зависимостей показывает, что центральные направления проведенные на плановых аэроснимках, даже при существенном рельефе будут иметь не значительные искажения.

Лекция № 6

Тема: Основы фотограмметрии

1. Стереоскопическая модель и стереоэффект

Стереоскопической моделью местности называется пространственное изображение поверхности Земли, образующаяся при стереоскопическом наблюдении двух соответствующим образом ориентированных между собой взаимно перекрывающихся аэроснимков. В отличие от стереоскопической модели поверхность, образующаяся от пересечения в пространстве множества пар соответственных (однородных) лучей, проходящих через центры проектирования снимков и через соответствующие им изображения точек местности, расположенных на двух смежных аэроснимках, называется геометрической моделью местности, а такая пара снимков - стереопарой.

Процесс восприятия пространственного изображения при обозрении стереомодели называется стереоскопическим эффектом. Для создания стереоэффекта при наблюдении невооруженным глазом два смежных взаимно перекрывающихся аэроснимка устанавливают так, чтобы левый снимок приходился против левого глаза, а правый - против правого и все одноименные точки при этом располагались по линиям параллельным глазному базису. Стереоэффект бывает:

прямым максимальным (с наибольшей пластичностью) в тех случаях, когда аэроснимки своими начальными направлениями установлены параллельно глазному базису; нулевым, когда пластичность у стереомодели отсутствует и угол между начальными направлениям снимков и базисом глаз равен 90⁰; обратным максимальным, возникающим при установке глазного базиса параллельно начальным направлениям аэроснимков, но с перестановкой аэроснимков под стереоскопом.

Если при прямом стереоэффекте стереоизображение соответствует обычному виду местности, то при обратном стереоэффекте все выпуклые формы превращаются в подобные им вогнутые.

2. Стереоскопы

Непосредственное наблюдение стереомодели без достаточной практики обычно быстро утомляет глаза, поэтому его ведут через стереоскопы. Стереоскопы бывают простые и измерительные (топографические). По конструкции стереоскопы разделяют на зеркальные, линзовые и зеркально-линзовые. Стереоскоп предназначен для дешифрирования в полевых условиях умеренного и холодного климата аэроснимков формата не более 300 х 300 мм. Стереоскоп состоит из двух пар больших и малых зеркал, наклоненных под углом 49⁰ к плоскости снимков и предназначенных для приведения горизонтального базиса к горизонту, а также двух в 1,6 кратных увеличительных стекол. Увеличительные стекла включены в окулярную плату с постоянным глазным базисом 64 мм. А зеркала - в оправы, шарнирно сочлененные с платой для компактной укладки стереоскопа.

Для доступа к рассматриваемой зоне стереоскоп приподнят над плоскостью снимка на четырех ножках оправ зеркал. Четырех кратное увеличение стереоскопа достигается при установке в гнездо окулярной платы бинокулярной телескопической насадки с увеличением 25 крат. Окуляры насадки имеют раздельную диоптрийную фокусировку и переменный глазной базис. При работе и переноске снимки крепятся зажимами к внутренней плоскости створок планшета. Створки щарнирно сочленены между собой петлями.

Раскрытие планшета производится открытием внутренней защелки путем приложения усилия к скобам. Закрытие планшета происходит при сложении створок вдоль оси относительно друг друга. Планшет переносят закрытым.

Для определения превышения между близко расположенными точками местности применяется параллаксометр, с помощью которого измеряют разность продольных параллаксов. На штоке закреплен стопорным винтом корпус с левой измерительной маркой; на другом конце штока установлена направляющая микрометренным устройством, обеспечивающим плавное перемещение правой марки относительно левой. Отсчет снимается по двум шкалам. Параллаксометр размещается на снимках так, чтобы марки показали поле зрения стереоскопа. Подготовка стереоскопа к работе заключается в следующем. Раскрывают планшет. Располагают на внутренней плоскости планшета аэроснимки зонами перекрытия друг к другу. Ориентирование снимков начинают с совмещения взаимно перекрещивающихся частей аэроснимков стереопары по сходимости контуров после укладки их под стереоскоп.

Для наблюдения стереомодели под стереоскопом стереоснимки ориентируют.

Углы снимков 180 х 180 мм совмещают с метками на створках планшета. Закрепляют снимки прижимами. Разворачивают оправы больших зеркал стереоскопа и устанавливают стереоскоп ножками на снимки. Наблюдая контур одного из снимков, совмещают с ним идентичный контур второго, перемещая и поворачивая его на планшете. Аналогично поступают с первым снимком. Добиваются хорошего стереоэффекта без заметного напряжения глаз. Расстояние вдоль центрального луча зрения между соответствующим глазом наблюдателя и аэроснимком называют главным расстоянием стереоскопа. От его величины зависят увеличение стереоскопа и масштаб изображения. Увеличение стереоскопа определяется из следующего соотношения:

, (18)

где f_r - расстояние наилучшего зрения глаз (примерно 250мм); d_{c -} главное расстояние стереоскопа, мм.

Порядок работы с параллаксометром.

При обработке снимков положения точек местности определяют как в процессе измерения координат соответствующих им изображений точек на стереомодели так и измерением координат и параллаксов изображений этих точек на аэроснимках.

Для просмотра всей зоны перекрытия стереоскоп перемещают по закрепленным снимкам. При ухудшении стереоэффекта уточняют положение снимков. Наблюдая через насадку удаленные объекты, выставляют ее глазной базис по всей своей глазной базе, а окуляры на резкое изображение объектов. Устанавливают насадку в гнездо окулярной платы стереоскопа и добиваются хорошего стереоэффекта. Для измерения разности продольных параллаксов расстояние между марками параллаксометра устанавливают приблизительно равным базису стереоскопа. Левую марку монокулярно совмещают с изображением точки на левом снимке, а правую с помощью параллактического винта стереоскопическим визированием с точкой стереомодели. Взаимное положение марок фиксируют отсчетом по шкалам винта. Аналогично производят взятие отсчета на вторую точку. Разность этих отсчетов является параллатическим смещением (разностью параллаксов). Для определения превышения между точками местности используют формулу: h = (H / B). P, (19) где H - высота фотографирования (м); B - базис съемки в масштабе аэроснимка (мм); P - параллактическое смещение изображений верхней и нижней точек местности (мм). Маркирование точек на снимках производят иглой (наколкой), развернув ее в держателе под удобным для работы углом.

3. Стереосхемы и их монтаж

В практике изысканий применяют несколько видов стереосхем, составляемых из аэроснимков и имеющих между собой взаимное продольное перекрытие не менее 53 %. Стереосхемы по ширине могут охватывать как один, так и несколько аэросъемочных маршрутов. Длинные многомаршрутные стереосхемы следует монтировать отдельными полосами в один - два маршрута с небольшим разрывом между каждой из них. В проектной работе может быть успешно использована и стереосхема, изготовленная в виде двух блокнотов-книг, составленных из одноименных половинок смежных аэроснимков и расставленных между собой под стереоскопом на величину базиса прибора. При рассмотрении такой стереосхемы наблюдатель при переходе к следующему участку стереомодели одновременно перелистывает страницы каждого блокнота и тем самым последовательно перемещается по маршруту.

Непрерывное обозрение стереомодели можно наблюдать в специальной стереоскоп на стереосхеме, состоящей из двух полос фотосхем, составленных соответственно из левых и правых половинок аэроснимков. Следует учитывать, что наблюдающееся на стереосхемах стереоизображение местами имеет искажение и для точных измерительных работ непригодно. Поэтому с помощью стереосхем успешно решают лишь те проектно изыскательские вопросы, в которых достаточна общая всесторонняя обзорная оценка местности или трассы.

Лекция № 7

Тема: Дешифрирование аэроснимков

1. Виды и основные признаки дешифрирования

Дешифрированием снимков называют процесс опознавания и раскрытия качественных и количественных характеристик различных объектов и элементов местности на аэроснимках.

В зависимости от назначения дешифрирование разделяют на топографическое и специальное. При топографическом дешифрировании устанавливают ситуацию и рельеф местности, а при специальном те объекты и элементы поверхности Земли, которые наиболее важны для решения ряда инженерных задач.

Характерные черты и особенности различных объектов местности называются признаками дешифрирования. Признаки дешифрирования делят на прямые и косвенные. К прямым признакам относятся: форма, размеры, тень, тон или цвет на поверхности определяемых объектов. К косвенным признакам относят существующую в природе и отразившуюся на аэроснимках взаимосвязь или взаимообусловленность различных объектов. Например, можно определить взаимосвязь между рельефом и сопротивляемостью грунтов или горных пород выветриванию. Чем темнее фон изображения поверхности грунта, тем больше его выветривание. Дешифрирование аэроснимков, в котором определение объектов местности и истолкование их характеристик ведут только в процессе камерального изучения фотоизображений, называют камеральным.

При непосредственном опознавании изображенных на аэроснимках объектов и их особенностей в натуре, дешифрирование называется полевым, а с воздуха - воздушным.

В практике изысканий дорог наиболее широко используют камерально - полевое дешифрирование, при котором полевым обследованием подвергают лишь небольшую часть заснятой территории, расположенной на специально выбранных для этой цели участках - эталонах. В пределах таких участков должны содержаться все основные геофизические характеристики местности, свойственных району изысканий. Сочетание дешифрирования с использованием участков - аналогов называют - комбинированным.

Дешифрирование выполняют на контактных отпечатках, или фотосхемах. Его производят специально подготовленные для этой цели инженеры.

2. Технология дешифрирования аэроснимков при изысканиях

При изысканиях дорог наиболее распространена схема, в которой принят метод камералъно - полевого дешифрирования с использованием эталонных участков. В этой схеме дешифрирование начинают с определения общей топографической, геологической и гидрологической характеристик местности. Работу ведут в камеральных условиях с использованием карты и накидного монтажа. Результаты такого предварительного дешифрирования дают возможность определить объем и характер предстоящих камеральных и полевых аэроизыскательских работ, разделить местность притрассовой зоны на однородные по основным геофизическим условиям участки, установить направление маршрутов - эталонов, а также направления воздушных маршрутов дешифрирования в натуру с местами высадки дешифровщиков для полевых обследований.

Совместно со стереоскопическим обследованием местности и назначением вариантов трассы по стереомодели производят более подробное камеральное дешифрирование снимков в полосе трассирования дороги и одновременно с ним полевое дешифрирование аэроснимков на маршрутах - эталонах. В процессе полевого дешифрирования закладывают шурфы, буровые скважины и т.д.

В завершающем этапе дорожных изысканий используя сведения, полученные в поле, и некоторые данные топографической карты, уточняют результаты камерального дешифрирования, ранее выполненного в зоне трассирования.

Кроме указанного метода в практике изысканий автомобильных дорог может быть использован метод камерально - воздушного дешифрирования снимков. Его наиболее целесообразно применять, в сложных условиях труднодоступной местности.

После предварительного камерального дешифрирования аэроснимков и разделения зоны трассирования на однородные по геофизическим условиям участки приступают к дешифрированию аэроснимков с вертолета. Перед вылетом в район изысканий на аэроснимки наносят положение всех ранее намеченных вариантов трассы и результаты камерального дешифрирования с указанием на обратной стороне снимков границ однородных по геодезическим условиям участков местности, участки и объекты, характеристики которых камерально не были определены или были установлены с сомнением места предполагаемых полевых обследований.

При дешифрировании с воздуха вертолет перемещается вдоль трассы с небольшой скоростью и на малой высоте с периодическими зависаниями в воздухе. В наиболее сложных местах производится высадка на местность изыскательского отряда для более детального обследования отдельных мест, изучения обнажений и взятия образцов грунтов и горных пород.

При изысканиях дорог детальным полевым обследованиям подлежат лишь стометровая притрассовая полоса местности, места размещения дорожных сооружений и места расположения дорожно-строительных материалов.

За пределами указанной полосы все объекты местности определяются только камерально.

Лекция № 8

Тема: Характерные черты аэрофотоизображений отдельных топографических объектов местности

1. Характерные черты дешифрирования населенных пунктов

При дешифрировании различают ряд характерных черт в фотоизображениях отдельных объектов и элементов местности.

Например, населенные пункты на аэроснимках видны в виде сочетания определенным образом расставленных четырехугольников, изображающих различные строения с системой линий дорог и оград. Жилые дома опознают по наличию труб и их теней на фоне крыш в виде черных черточек, по характеру расположенных строений в населенном пункте. Заборы и изгороди на снимках имеют вид тонких линий, окаймленных тенью. Пашня легко выявляется прямолинейностью границ, окаймляющих участки с различными тонами изображения их поверхности. Тон изображения зависит от вида посева, его состояния и степени влажности почвы.

Сухие луга и выгоны на снимках обладают светло - серым ровным тоном. Выгоны от луга различают по нарушению ровности тона в отдельных местах.

Огороды изображены в виде чередования темных и светлых узких полос различного тона.

Фруктовые сады опознаются посадкой деревьев в ряды. Кустарниковые сады отличаются от плодовых большей сомкнутостью и малой высотой фотоизображений крон.

2. Характерные черты дешифрирования лесов, кустарников, рек, ручьев, озер и болот

Леса и кустарники на снимках имеют резко очерченную зернистую поверхность. Лес лиственный от хвойного отличается на аэроснимках по форме крон и их теням, а также по теневым пятнам лесного массива или его отдельных деревьев на опушках и полянах.

Тени крон у лиственных деревьев имеют округлую форму, у ели и лиственницы - остроконечную вытянутую, у сосны - зубчатую. Еловые и пихтовые леса имеют беспорядочное чередование крон и их промежутков. У соснового леса характерна равномерная зернистость изображения и ровность поверхности полога при рассмотрении его под стереоскопом. Лиственный лес имеет на хроматических пленках светлый тон. Для определения пород лиственного, хвойного или смешанного лесов производят аэрофотосъемку на спектрозональных пленках. Высоту леса обычно определяют на фотограмметрических инструментах со средней ошибкой в 1-2 м.

Реки изображаются на снимках в виде извилистых полос различной толщины и плотности тона.

Ручьи легко выделяются на снимках своей значительной извилистостью; тонкие линии их изображений местами прерываются кронами деревьев; толщина линий русла ручья увеличивается по течению.

Озера и пруды изображаются на снимках в виде характерных однотонных поверхностей, ограниченных замкнутыми криволинейными контурами.

При пологих заболоченных берегах кромку воды определяют по плотности тона. Отмели на снимках изображены светлым тоном.

Поверхности болот на аэроснимках изображаются серым тоном с темными пятнами воды и переувлажненных мест или искривленными полосками волокнистого типа. Сплавинные травяные болота изображены ровным темно-серым тоном, обрамленным по краям светлыми полосами более сухих мест. Поверхности моховых болот на снимках выражены чередованием светлых моховых гряд с темными мочажинами (участки, покрытые водой).