Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

ВИДЫ И НАЗНАЧЕНИЕ АЭРОФОТОСЪЕМОЧНЫХ РАБОТ

по междисциплинарному курсу МДК.03.01.

«Геодезия с основами картографии и картографического черчения»

профессионального модуля ПМ.02. «Геодезия с основами картографии и картографического черчения»

Оглавление

Введение

1. Общие понятия об аэрофотосъемке

1.1 Аэрофотоаппарат

1.2.1 Фотографический объектив и его характеристики

1.2.2 Светочувствительные слои и их основные показатели

2. Виды аэрофотосъемки. Носители съемочной аппаратуры

2.1 Основные технические требования к топографической аэрофотосъемке

3. Специальное традиционное аэросъемочное оборудование

4. Аэрофотосъемочные работы

5. Современная аэрофотосъёмка

6. Космическая съёмка

6.1 Картографирование

6.2 Сельское и лесное хозяйство

6.3 Планирование и управление

6.4 Окружающая среда и устранение последствий катастроф

Заключение

Список используемых источников

Введение

В России до середины тридцатых годов комплекс работ по созданию карт по фотоснимкам местности, полученным с летательного аппарата называли аэрофотосъёмкой. Впоследствии термин аэрофотосъёмка отнесли только к лётно-съёмочному процессу, включая проектирование, самолётовождение, фотографирование и вспомогательные операции. Аэрофотографией назвали процессы экспонирования и фотолабораторной обработки аэрофотоснимков.

Понятие аэрофототопография охватывает комплекс процессов по созданию топографических карт по фотоснимкам местности, полученным с авиационного летательного аппарата. Сюда входят лётно-съёмочные работы, привязка снимков, дешифрирование, построение сетей фототриангуляции, изготовление фотоосновы карты, стереоскопическая съёмка рельефа, составление топографической карты и др.

В конце двадцатых - начале тридцатых годов в России внедряется аэрофотограмметрический метод в геодезическое производство. Появляется название аэрогеодезическое производство и термин «аэрогеодезия», который в большей степени дублирует аналогичный термин «аэрофототопография», но охватывает более широкий спектр применения различного рода аэроснимков для получения отраслевых видов информации.

Прикладные тематические направления трансформировали понятие термина «фототопография» и изменили его содержание. Выделилась фотограмметрия, которая стала включать в себя комплекс процессов, непосредственно использующих геометрию изображения (измерение, преобразование, построение сетей, рисовку рельефа и т.п.).

В традиционной фотограмметрии излагаются теория и технология, построенные на математическом аппарате и практических приемах, в основе которых лежит представление о статической центральной проекции местности, получаемую в условиях, когда фотоаппарат и местность взаимно неподвижны (фототеодолитная съёмка) или их передвижением во время экспонирования кадра можно пренебречь (топографическая аэрофотосъёмка).

В условиях космических съёмок применяют динамические съёмочые системы. Первыми динамическими съёмочными системами были телевизионные и тепловизионные сканеры. Геометрия сканерных снимков отличается от обычных аэрофотоснимков тем, что процесс построения проекции местности в пределах снимка растянут по времени и значительно зависит от подвижности носителя.

Качественной особенностью ряда динамических систем является то, что они работают в более широком невидимом диапазоне электромагнитных волн, что даёт возможность получать более полную информацию об окружающей среде и о земных ресурсах.

В настоящее время динамические съёмочные системы широко применяются не только в космических съёмках, но и в аэросъёмках.

Аппаратуру, с помощью которой в съёмочных системах воспринимается энергия, несущая информацию об объектах съёмки называют съёмочными устройствами (СУ). Разновидностями СУ являются фотокамеры, телекамеры, сканеры, тепловизоры, ИК - и СВЧ - радиометры, радарные установки и т.п.

1. Общие понятия об аэрофотосъемке

Одним из важнейших применений фотографии является воздушное и космическое фотографирование, т. е. получение снимков земной поверхности с летательных аппаратов самолетов, вертолетов, искусственных спутников Земли и др.

Аэрофотосъемкой называют совокупность работ по получению аэронегативов и аэроснимков или цифровых снимков местности с целью последующего их использования для создания планов и карт местности. Термин «Аэрофотосъемка» объединяет ряд взаимосвязанных процессов, в частности:

- летно-съемочные работы, включающие разработку технических условий аэрофтосъемки, составление проекта и его исполнение;

- полевые фотолабораторные работы, в случае традиционной аэрофотосъёмки, включающие фотографическую обработку экспонированных аэрофильмов, изготовление по ним отпечатков и иной первичной продукции;

- полевые фотограмметрические работы, включающие регистрацию материалов эрофотосъемки и оценку качества исполненной фотосъемки.

Результатом традиционных работ являются аэронегативы, аэрснимки, а также зафиксированные в полете показания специальных приборов.

Аэронегативы (аэроснимки) - фотографические изображения местности, покрывающие без разрывов заданный участок земной поверхности - используются для последующего преобразования и создания по ним карт и планов. Для обеспечения последующих работ смежные аэронегативы (аэроснимки) должны иметь перекрытия расчетной величины. Метрические и фотометрические характеристики аэронегативов в значительной степени зависят от выполнения технических условий аэрофотосъемки и выбора параметров применяемых для аэрофотосъемки фотографических материалов и оптических систем. Точность и качество аэронегативов, в свою очередь, определяет качество создаваемых по ним карт и планов, сроки фотограмметрической обработки, организацию работ и т.п. Для получения полноценных аэронегативов и их эффективного использования необходимо согласование летно-съемочных работ, и в первую очередь их параметров, с организацией всего топографо-геодезического производства.

В отличие от традиционной аэрофотосъёмки цифровая аэрофотосъёмка выполняется по двум технологиям, которые зависят от типа цифровых камер:

· летно-съемочные работы, в которых используют камеры с ПЗС линейками обязательно сочетаются две системы GPS + INS, то есть Глобальная система позиционирования и Инерциальная система, для определения положения изображения ПЗС-линейки в пространстве в каждый момент времени. Эта съёмочная система часто используется также при космических съёмках. Бортовой компьютер и программное обеспечение позволяют интегрировать обработку данных GPS -приёмника и данных INS - инерциальной системы и объединить трансформированное по ним изображение в полные снимки.

В самолётном варианте изменения в высоте платформы, на которой установлена камера, трудно предсказуемы. Поэтому разработан и реализован второй технологический подход - матричный сенсор.

· летно-съемочные работы, выполняемые на основе матричного сенсора (ПЗС - матрица), больше напоминают традиционный аналоговый метод аэрофотосъёмки, когда все элементы матрицы одновременно экспонируются. В этом методе внутри пиксельная геометрия известна и строго определена, по сравнению с линейной технологией, в которой размеры пикселя меняются в зависимости от продольной скорости носителя. В матричной технологии в настоящее время проблема в том, что большие матричные решётки сложны в изготовлении. Поэтому комбинируют: делают большие по площади решётки из нескольких маленьких по площади. Например, из четырёх. Четырех линзовый объектив формирует четыре отдельных изображения, которые трансформируют в центральную проекцию и автоматически стыкуют. Такие снимки обрабатываются по существующим программам аналитической обработки.

Результатом цифровой аэрофотосъёмки являются цифровые аэрофотоснимки, а также зафиксированные в полете элементы внешнего ориентирования (линейные - Xs, Ys, Zs - координаты центра фотографирования; угловые - , , - ориентирование камеры относительно осей координат).

В соответствии с законами центрального проектирования, по которым строится изображение местности, аэронегатив (аэроснимок) содержит ряд искажений, величины которых определяются углом наклона оптической оси аэрофотоаппарата и колебанием рельефа местности. Устранение этих искажений осуществляется в процессе их фотограмметрической обработки, и в частности - фотографического или цифрового преобразования, называемого трансформированием. В связи с этим использование аэроснимков без их предварительного трансформирования для картографического (топографического) обеспечения выполняемых работ, в том числе в качестве основы ГИС, ограничивается влиянием указанных искажений.

Показания специальных приборов и оборудования, зафиксированные в процессе аэрофотосъемки, обеспечивают стабилизацию съемочной камеры в полете или последующее определение по ним пространственного положения аэроснимков в абсолютной или относительной системе координат с целью последующего их использования при выполнении фотограмметрических работ и преобразовании аэроснимков в планы и карты. К числу таких приборов относят гироскопы, системы глобального позиционирования, оборудование для определения высоты полета, превышений между центрами фотографирования, а также аэронавигационные системы и др. Наличие указанных данных во многом определяет технологию камеральной обработки материалов аэрофотосъемки, существенно влияет на оперативность, точность фотограмметрических построений и объемы полевых работ по их обеспечению.

Аэрофотосъемочные работы выполняются специализированными подразделениями топографо-геодезической или землеустроительной службами на специально оборудованных летных средствах.

1.1 Аэрофотоаппарат

Основным средством, позволяющим получить аэрофотоснимки, является аэрофотоаппарат (АФА) - сложный высокоточный оптико-механический и электронный прибор. АФА не имеет приспособлений для наводки на резкость, поскольку высота фотографирования всегда больше гиперфокального расстояния (1.6).

Типы и конструкции современных АФА различны, но все они в своей основе имеют единую принципиальную схему. Основными их узлами является корпус, конус, кассета и командный прибор (рис. 1.).

Рис. 1. Принципиальная схема аэрофотоаппарата.

Корпус АФА служит для размещения механизмов, обеспечивающих работу всех частей фотокамеры счетчика кадров, часов, уровня, числового индекса фокусного расстояния и др. В верхней части корпуса размещена прикладная рамка, плоскость которой совпадает с главной фокальной плоскостью объектива.

Конус АФА крепится к нижней части корпуса и содержит оптическую систему, в которую входит объектив, светофильтры, компенсатор сдвига изображения и др.

Кассета служит для размещения фотопленки и приведения ее светочувствительного слоя при экспонировании в соприкосновение с плоскостью прикладной рамки. В промежутке между экспозициями фотопленка перематываетя с подающей катушки на принимающую. Перематываемый участок пленки соответствует формату кадра с учетом промежутка между кадрами. Выравнивание пленки в плоскость выполняется механическим прижимом к плоскому стеклу или путем откачивания воздуха из промежутка между пленкой и прикладной рамкой.

Командный прибор предназначен для дистанционного управления всеми механизмами аэрофотоаппарата - измерения времени между экспозициями и их продолжительности, подачи команд на срабатывание затвора АФА, перемотки фотопленки, отсос воздуха между фотопленкой и прикладной рамкой и т. п. В современных аэрофотоаппаратах командный прибор управляет двумя тремя съемочными камерами.

Аэрофотоустановка служит для крепления аэрофотоаппарата на борту носителя, ориентирования его в пространстве и предохранения от толчков и вибрации.

В плоскости прикладной рамки размещены четыре механические координатные метки (рис. 2), изображающиеся на каждом снимке. Прямые, соединяющие противоположные метки, должны быть взаимно перпендикулярны, а точка их пересечения o - совпадать с главной точкой снимка o.

Современные АФА имеют в плоскости прикладной рамки 4-8 оптических координатных меток, размещенных по углам кадра, или равномерно распределенную по полю сетку крестов с шагом 1-2 см. Причем оптические координатные метки имеют специальные признаки (рис. 3), что допускает автоматическое определение их номеров и распознавание точки, к которой отнесены координаты.

Рис. 2 Прикладная рама аэрокамеры

Рис. 3 Первая оптическая метка

Параметры аэрофотоаппарата (фокусное расстояние f и координаты главной точки o, расстояния между механическими метками, координаты оптических меток или крестов) определяют по результатам ее калибровки при строго определенном положении, одновременно с величинами остаточной дисторсии. Координаты точки o пересечения линий, соединяющих противоположные координатные метки прикладной рамки (рис. 2), определяют исходя из условия симметричности фотограмметрической дисторсии.

Современные аэрофотоаппараты (АФА) имеют формат кадра 1818 или 2323, или 3030 см. АФА оснащены специальными устройствами, обеспечивающими: автоматическое вычисление интервалов между экспозициями (для аэрофотосъемки с заданным перекрытием), впечатывание в кадр сенситометрического клина и навигационных данных; автоматическое регулирование экспозиции, измерение контрастности изображения и компенсацию его сдвига; смену светофильтров; индикацию снимаемого ландшафта на мониторе и т. п.

Основные технические характеристики некоторых современных АФА приведены в табл. 1.

Таблица 1

Тип АФА	Фокусное расстояние, Мм	Разрешающая способность линий, мм	Остаточная дисторсия, мкм
АФА ТЭС-10М (РФ)	100	33	10
АФА ТЭ-50 (РФ)	500	35	10
ТК-350 (РФ)	350	35-80	20
АТ-204 (РБ)	150, 300	50-100	3
RC Wild/Leica	153	120	2
RC Wild/Leica	305	107	2

В конце XX в. начали появляться цифровые съемочные системы, основанные на использовании приборов с постоянной зарядовой связью в виде матриц, помещаемых в плоскости прикладной рамки, или линеек. Способы получения цифровых изображений, их основные характеристики и особенности фотограмметрической обработки рассмотрены в главе 6 .

1.1.1 Фотографический объектив и его характеристики

Фотографический снимок (аэроснимок, аэронегатив), в соответствии с законами геометрии, представляет собой перспективное изображение, построенное в центральной проекции, в которой все лучи света, отраженные от объекта съемки, проходят через одну точку, называемую центром проекции.

В действительности фотографическое изображение строится при помощи объектива, представляющего собой сложную оптическую систему, состоящую из комбинации собирательных и рассеивающих линз и предназначенную для получения действительного обратного изображения фотографируемого объекта. Все линзы объектива ограничены шаровыми поверхностями различных радиусов и точно центрированы относительно прямой, проходящей через центры кривизны всех линз. Эта прямая называется главной оптической осью, а совпадающий с ней луч главным оптическим лучом.

На рис. 4 представлена идеальная оптическая система, состоящая из двух сферических поверхностей.

Рис. 4 Построение изображения с помощью оптической системы

На главной оптической оси расположены передняя (S₁) и задняя (S₂) узловые точки, отнесенные к пространству предметов и пространству изображения соответственно. Передняя узловая точка называется центром фотографирования, а задняя центром проектирования. Луч, попадающий в переднюю узловую точку S₁, при выходе из задней узловой точки S₂ сохраняет первоначальное направление.

Плоскости H₁ иH₂, проходящие через узловые точки перпендикулярно к главной оптической оси, называются главными плоскостями объектива, в которых и происходит преломление лучей.

Луч, параллельный главной оптической оси, после преломления пересекает ее в точке, называемой главным фокусом. Таких точек две: передний фокус F₁в пространстве предмета и задний фокусF₂ в пространстве изображения.

Плоскость, в которой получается резкое изображение фотографируемого объекта, называется фокальной плоскостью. В зависимости от расстояния между объективом и фотографируемым объектом положение фокальной плоскости изменяется, и при достаточном удалении объекта она проходит через главный фокус. Плоскости, проходящие через главные фокусыF₁ и F₂ перпендикулярно к главной оптической оси, называются главными фокальными плоскостями. Расстояние между узловыми точками объективов и точками фокуса одинаково. Оно называется фокусным расстоянием объектива и обозначается символом f.

Луч, проходящий через передний фокус, после преломления становится параллельным главной оптической оси.

В фотограмметрических построениях узловые точки объектива S₁ и S₂ (рис. 4) объединяют в одну, рассматриваемую как центр фотографирования и одновременно как проектирования. В связи с этим обе части каждого проектирующего луча будут представлять одну прямую линию.

Рис. 5 Масштаб аэроснимка

При аэрофотосъемке можно полагать, что объект находится в бесконечности, и величиной 1/Dв можно пренебречь. В этом случае d = f, т. е. изображение объекта (местности) строится в главной фокальной плоскости. В этой плоскости и помещают светочувствительный материал (фотопленку), на которой получается резкое изображение фотографируемой местности. Это позволяет применять для определения масштаба горизонтального аэроснимка простую зависимость, вытекающую из подобия треугольников Sab и SAB.

Реальный фотографический объектив характеризуются фокусным расстоянием, полем и углом зрения и изображения, относительным отверстием (диафрагмой), светосилой, глубиной резкости, разрешающей способностью и искажениями, называемыми аберрациями.

Если на экран P (рис. 6), установленный в фокальной плоскости, спроектировать через объектив удаленный ландшафт, то в центральной части экрана получится четкое, равномерно освещенное изображение, которое по мере удаления от центральной части к краям становится все более размытым, а его освещенность уменьшается до нуля.

Рис. 6 Угол поле зрения и изображения

Полем зрения объектива называется часть изображения, в пределах которой наблюдается хотя бы минимальная освещенность. Угол 2 между лучами к диаметрально противоположным точкам поля зрения называется углом зрения.

Полем изображения называется часть поля зрения, в пределах которого изображение получается одинаково ярким и достаточно резким. Вписанный в это поле квадрат называется форматом кадра. Угол 2 между лучами к диаметрально противоположным точкам поля изображения называется углом изображения.

Практически все поле изображения не используется, поскольку его освещенность E связана с освещенностью в центре поля зренияE₀ и углом, составленным направлением луча с главной оптической осью, следующей зависимостью

(1)

Например, при угле зрения 120⁰ освещенность на краю изображения падает в 16 раз, поэтому уменьшение потерь света в оптических системах является одной из основных задач при их создании.

Относительное отверстие объектива характеризует количество проходящего через него света и, следовательно, его способность создавать изображение с определенной степенью яркости. Величина относительного отверстия 1/n связана с диаметром действующего отверстия d и фокусным расстоянием объектива f зависимостью

. (2)

Величина действующего отверстия регулируется с помощью диафрагмы. Поскольку количество пропускаемого диафрагмой света пропорционально квадрату относительного отверстия, то величину 1/n² называют светосилой объектива.

Глубина резкости объектива характеризует его способность строить резкие изображения объектов, расположенных от него на различных расстояниях. На рис. 7 изображены проекции двух точек пространства, одна из которых расположена в бесконечности, а вторая на конечном расстоянии от объектива. Изображение первой получено в точке фокуса F, а второй в виде точки a, расположенной на расстоянии x от нее. Изображение точки пространства A в главной фокальной плоскости будет представлено кружком нерезкости диаметром aa=. Из подобных треугольников (рис. 7) следует, что

Рис. 7 К определению глубины резкости пространства

или .(3)

Заменив в основной формуле оптики величину d на f+x, получим(f+x)f+Df=D(f+x) или x=f²/(D-f). После постановки этого выражения в (3) получим

(4)

Отсюда минимальное удаление объекта, начиная с которого и до бесконечности величина кружка нерезкости не превысит :

 (5)

Найденная по формуле величина D называется гиперфокальным расстоянием.

При n = 4,5, = 0,1 мм и f = 200 ммD = 88,8 м.

Разрешающая способность объектива, выражаемая числом раздельно различаемых линий (штрихов) на 1 мм, характеризует его возможность воспроизводить раздельно мелкие детали изображения. Теоретически возможная разрешающая способность объектива R_об вычисляется по следующей формуле, полученной на основе дифракционной теории света:

R_об=1480d/f=1480/n, (6)

где d - диаметр действу0ющего отверстия объектива.

Коэффициент 1480 применяется, когда раздельно воспринимаемые элементы изображения различаются по яркости на 25 %; при использовании для обработки изображений оптических приспособлений этот коэффициент может достигать 1800.

Найденная по формуле (6) теоретическая разрешающая способность объектива при d = 44,5 мм может колебаться в пределах 300 - 400 линий на 1 мм.

Фактическая разрешающая способность, определяемая путем фотографирования специального теста (миры) на оптической скамье, существенно ниже теоретической разрешающей способности из-за влияния различного рода искажений и доходит до 40-60 линий на 1 мм. Лучшие современные аэрофотосъемочные камеры имеют разрешение 100-150 линий на 1 мм.

Качественные показатели получаемого с помощью объектива изображения зависят от качества составляющих его линз и их конструктивного сочетания. Последним, как известно, присущи оптические недостатки, называемые аберрациями.

Хроматическая аберрация вызывается неодинаковым преломлением лучей с различной длиной волны. Наиболее преломляемыми лучами являются синие (их фокус ближе), а наименее - красные. Хроматическая аберрация устраняется подбором линз с различными коэффициентами преломления.

Сферическая аберрация вызывается несовпадением коэффициентов преломления линзы в точках, различно удаленных от главной оптической оси. Устраняется комбинацией выпуклых и вогнутых линз и отсечением крайних лучей с помощью диафрагмы.

Астигматизм возникает из-за несоответствия точек фокуса для горизонтальных и вертикальных лучей и устраняется подбором линз по кривизне, толщине и коэффициенту преломления.

Кривизна поля изображения проявляется в том, что фокальная поверхность линзы представляет собой не плоскость, а искривленную поверхность сложной формы. Степень кривизны этой поверхности определяется конструктивными особенностями объектива.

Дисторсия является следствием нарушения подобия (ортоскопии) построенного объективом изображения объекта, расположенного в плоскости, перпендикулярной к главной оптической оси. Эти нарушения приводят к смещению точек изображения как в радиальном направлении (радиальная дисторсия), так и перпендикулярно к ней(тангенциальная дисторсия). Лучшие современные объективы имеют дисторсию, не превышающую 2 мкм.

Все виды аберраций, кроме дисторсии, ухудшают разрешающую способность объектива, и их стремятся уменьшить или свести к минимуму путем подбора линз. Такие объективы, к которым относятся и аэрофотосъемочные, называют анастигматами.

К объективам предъявляется ряд требований специального характера. К ним относится высокая разрешающая способность, достаточные углы зрения и изображения, высокая точность в части подобия изображений объектам местности (ортоскопия), минимальная дисторсия и все виды аберраций, достаточная светосила и постоянство показателей при колебании температуры окружающей среды от -50⁰до + 60⁰.

Четкой классификации объективов, основанной на каком-либо признаке, не существует. Однако известны характерные группы обективов, различающиеся некоторыми параметрами и имеющие определенную область применений (табл. 2).

Таблица 2

Наименование объектива	2 (градусы)	F (мм)
Узкоугольный	менее 450	более 350
Нормальноугольный	450 … 750	350 … 180
Широкоугольный	750 … 120	180 … 100
Сверхширокоугольный	более 1200	36 … 90

Сверхширокоугольные объективы удобны для обзорных съемок и пригодны для высокоточного изображения рельефа местности, широкоугольные и нормальноугольные объективы - при контурных съемках, а узкоугольные - при съемках с больших высот.

1.1.2 Светочувствительные слои и их основные показатели

Фотопластинки, фотопленки и фотобумаги получают в результате нанесения на соответствующую подложку (стекло, целлулоид или бумагу) фотографической светочувствительной эмульсии, представляющей собой водный раствор желатина. Желатин несет в себе во взвешенном состоянии чувствительные к свету зерна галоидных солей серебра бромистого, хлористого или йодистого.

Светочувствительные слои характеризуются зернистостью и связанной с ней разрешающей способностью, цветопередачей и др.

Зернистость. Фотографическое изображение, кажущееся невооруженному глазу непрерывным, на самом деле состоит из массы отдельных точек светочувствительных зерен, число которых на 1 мм² поверхности колеблется от 0,5 до 5 млн. и более, а размер от 0,1 до 8 мкм, иногда достигая 35 мкм. По этой причине с увеличением фотоизображения снижается его резкость.

Разрешающая способность фотографической эмульсии определяется максимальным числом линий, раздельно изображаемых на протяжении одного миллиметра плоскости изображения. Она выражается числом линий на миллиметр или расстоянием между этими линиями в мкм, и зависит от размера светочувствительных зерен. Считают, что разрешающая способность фотоэмульсии R_э связана с размером зерен(в мм) зависимостью

(7)

и для современных аэропленок составляет 400 и более линий на 1 мм.

Суммарная разрешающая способность изображения 1/R связана с разрешающей способностью объектива 1/R_оби фотоэмульсии 1/R_э .

Цветопередача (цветовая чувствительность) фотоэмульсии обусловлена избирательным поглощением цветовых излучений. Известно, что галоидные соли серебра обладают естественной чувствительностью к лучам фиолетовой части спектра. По мере перехода к другим лучам их чувствительность снижается и полностью исчезает в зеленой части спектра. В то же время глаз человека обладает повышенной чувствительностью к желто-зеленой части спектра (рис. 8).

По этой причине фотографическое изображение многоцветного объекта на обыкновенной фотоэмульсии по сравнению со зрительным впечатлением дает совершенно иное представление об относительных яркостях, часть которых не изображается вообще.

Для исключения этого несоответствия выполняют оптическую сенсибилизацию фотоэмульсии путем введения в нее тех или иных добавок (красителей), меняющих ее спектральную чувствительность путем поглощения лучистой энергии в соответствующих частях спектра и передачи ее микрокристаллам галоидного серебра. В зависимости от наличия добавок и характера их действия различают фотоэмульсии :несенсибилизированную (с естественной цветочувствительностью, рис. 1.8); ортохроматическую и изоортохроматическую(с расширенной цветочувствительностью до желтой и зеленой частей спектра);изохроматическую и изопанхроматическую (с цветочувствительностью ко всем лучам спектра);инфрахроматическую(с естественной цветочувствительностью в сине-фиолетовой, дополнительной в инфракрасной частях спектра и полным отсутствием цветочувствительности в диапазоне от оранжево-красной до зеленой частей спектра).

Рис. 8 Спектральная чувствительность глаза

В практике аэрофотосъемочных работ применяются и другие фотографические эмульсии цветную, спектрозональную и пр.

2. Виды аэрофотосъемки. Носители съемочной аппаратуры

Аэрофотосъемку можно классифицировать по нескольким критериям по величине угла наклона, масштабу, способу прокладки аэросъемочных маршрутов и др.

В зависимости от величины угла наклона между главной оптической осью съемочной камеры и отвесной прямой, аэрофотосъемку подразделяют на плановую ( 3⁰) и перспективную ( > 3⁰).

В зависимости от поставленной задачи и размеров фотографируемого участка местности различают аэрофотосъемку:

одинарную когда объект фотографирования размещен на одном двух снимках;

маршрутную когда выполняется фотографирование узкой полосы местности (реки, дороги, береговые линии и др.);

площадную или многомаршрутную когда снимаемый участок по своим размерам не может быть изображен на снимках одного маршрута, и для его фотографирования необходимо несколько параллельных маршрутов на определенном расстоянии один от другого.

В зависимости от масштаба фотографирования аэрофотосъемку подразделяют на : мелкомасштабную (масштаб аэрофотоснимка 1:50 000 и мельче), среднемасштабную (1:10 000 1:50 000) и крупномасштабную (1:10 000 и крупнее).

В зависимости от целей и поставленных задача эрофотосъемка выполняется в границах топографических планшетов или в границах административно-территориальных единиц.

В некоторых случаях, при выполнении площадной аэрофотосъемки, прокладываются дополнительные аэросъемочные маршруты, пересекающие основные. Такие маршруты размещаются, как правило, в начале и конце основных маршрутов и называются каркасными.

К носителям аэрофотосъемочной аппаратуры предъявляется ряд технических требований общего и специального характера. Технические требования общего характера определяют: условия размещения аппаратуры, максимальную высоту полета (потолок), рабочую (крейсерскую) скорость, дальность и длительность полета, устойчивость во время съемки, наличие вибрации при работе винтомоторной группы и т. п.

Все это делает пригодными для аэрофотосъемки ряд самолетов, а для съемки малых участков и вертолетов, мини-самолетов, подвесных аэростатов, радиоуправляемых авиамоделей и даже мотодельтапланов. Технические требования к ним и показатели для некоторых, применяемых на территории России, самолетов и вертолетов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Показатели	Технические требования	Характеристики носителей
		Ан-30	Ан-2	Ил-14ФК	Ка-26
Максимальная высота, м	3500	6000	5000	6000	3000
Средняя скорость, км/час	100-350	440	180	300	140
Дальность, км	1200	2000	1300	2000

Вертолет Ка-26 и самолет Ан-2 применяют для аэрофотосъемки небольших участков местности в крупных масштабах, самолеты Ил-14ФК - для аэрофотосъемки в средних масштабах, а Ан-30 - для аэрофотосъемки в средних и мелких масштабах.

2.1 Основные технические требования к топографической аэрофотосъемке

При топографической аэрофотосъемке должен быть выполнен ряд требований, соблюдение которых обеспечивает последующую фотограмметрическую обработку аэрофотоснимков. Контроль за соблюдением этих требований производится как в процессе аэрофотосъемки, так и по ее завершению, при оценке качества полученных материалов.

Высота фотографирования - это расстояние, измеряемое по отвесной линии от узловой точки объектива установленного на самолете аэрофотоаппарата до некоторой поверхности. В зависимости от выбора этой поверхности различают (рис. 9): абсолютную высоту фотографированияH₀ над уровнем моря (плоскость A) , относительную высоту фотографирования H_a над аэродромом (B), высоту фотографирования H над средней плоскостью съемочного участка (C), истинную высоту фотографирования H_i над какой-либо точкой местности (E).

Рис. 9 Высота фотографирования

Высота фотографирования над средней плоскостью съемочного участка определяется в период предполетной подготовки в зависимости от параметров аэрофотосъемки (f, m) и масштаба создаваемого плана (M):

(8)

где коэффициент увеличения снимка

(9)

При аэрофотосъемке равнинных районов реальная высота фотографирования может отличаться от расчетной не более чем на 3 % .

Перекрытия аэроснимков, выражаемые в процентах от размера аэронегатива, обеспечивают возможность фотограмметрической обработки аэроснимков, и требование их соответствия расчетным является одним из основных.

Продольное перекрытие P_x (рис. 10,а) должно быть в среднем 60% при минимальном 56%, что обеспечивает наличие 12-процентной зоны тройного продольного перекрытия. В некоторых случаях (например, при съемке населенных пунктов с многоэтажной застройкой) продольное перекрытие может устанавливаться равным 8090%(±5%). Это позволяет обрабатывать маршруты, в которых снимки взяты через один (P_x =80 %) или через два (P_x =90 %).

Рис. 10 Продольное(а) и поперечное(б) перекрытие аэрофотоснимков

Зона продольного перекрытия определяет границы стереопары, в пределах которой выполняется фотограмметрическая обработка изображений. Зону тройного продольного перекрытия используют для связи смежных стереопар по общим точкам и передачи от одной из них к другой системе координат и масштаба фотограмметрических построений.

Поперечное перекрытие P_y (рис. 10,б) должно быть не менее 20% при среднем 3035% и используется для размещения в нем опорных точек и точек связи смежных маршрутов. Иногда оно устанавливается равным 60%, что позволяет формировать и обрабатывать маршруты через один с целью повышения точности измерений и сокращения объема полевых работ.

Наличие продольного и поперечного перекрытий обусловливает целесообразность практического использования не всей площади аэроснимка, а только его центральной части. К тому же величины искажения положения точек под влиянием факторов физического и характера в центральной части снимка заметно меньше, чем по краям. Эта часть аэроснимка, ограниченная средними линиями продольного и поперечного перекрытий, называется рабочей площадью. В ее границах выполняется дешифрирование снимка и любые измерительные действия; из этих площадей создаются фотопланы, ортофотопланы и т. п.

Прямолинейность маршрутов характеризуется отношением стрелки прогиба l (максимального удаления центра какого-либо снимка маршрута от линии, соединяющей первый и последний снимки) к длине маршрута L. Прямолинейность подсчитывается в процентах, а ее величина не должна превышать двух - трех процентов.

Непараллельность стороны аэроснимка (базиса фотографирования) направлению полета затрудняет фотограмметрическую обработку снимков и не должна превышать 5-10 (в зависимости от фокусного расстояния съемочной камеры и высоты фотографирования).

Угол наклона аэроснимков оказывают влияние на фотограмметрические работы только при использовании приборов аналогового типа. Тем не менее, действующие нормативные документы, регламентирующие аэрофотосъемочные работы, устанавливают критерии ее оценки и по величине угла наклона, которая не должна превышать 1⁰ при аэрофотосъемке с использованием средств стабилизации аэрофотоаппарата и 3без них. Причем число снимков с максимальным углом наклона не должно превышать 10 % от их общего числа.

Ряд требований регламентирует метеорологические условия съемки, определяющие фотографическое качество снимков.

В частности, аэрофотосъемка должна выполняться при безоблачном небе, поскольку на снимках недопустимо изображение ни самих облаков, ни отбрасываемой ими тени. Отрицательное влияние на фотографическое качество оказывает также туман, дымка, избыточная влажность воздуха и пр. Все это меняет отражательную способность аэроландшафта, делает границы между объектами плохо различимыми и т. п. Нежелательно выполнять аэрофотосъемку ранней весной, поздней осенью, после распускания деревьями листвы, и совершенно недопустимо зимой, при наличии снежного покрова. Считается, что аэрофотосъемочный сезон начинается через две недели после весеннего снеготаяния и завершается с наступлением периода систематических осенних дождей.

Аэрофотосъемка выполняется в ранние утренние часы, при высоте Солнца над горизонтом не более 20-25, когда сквозь отбрасываемые объектами тени можно узнать закрываемые ими элементы местности.

3. Специальное традиционное аэросъемочное оборудование

При топографической аэрофотосъемке кроме аэрофотоаппарата устанавливают вспомогательное оборудование, которое обеспечивает стабилизацию съемочной камеры, контроль высоты, скорости, прямолинейности полета, интервал между экспозициями. Кроме того, обеспечивает заход на очередной съемочный маршрут и определение данных для последующей фотограмметрической обработки - высоты фотографирования, превышений между центрами фотографирования, их координаты и др. С этой целью на борту самолета устанавливают статоскоп, радиовысотомер, гиростабилизирующую установку и др.

Статоскоп представляет собой высокочувствительный дифференциальный барометр, позволяющий измерять изменение давления воздуха, возникающие при колебании высоты фотографирования. Способ основан на известном положении, что при малых разностях высот (порядка 50-100 м) колебание высоты полета H связано с разностью давления p и барометрической ступенью Q_H простой линейной зависимостью

(10)

Поскольку барометрическая ступень для стандартной атмосферы известна, для определения превышения между центрами фотографирования необходимо лишь измерить разность давлений в точках съемки.

В аэрофотосъемочном производстве применяются статоскопы-автоматы непрерывного действия С-51и С-51М. Определяются превышения между центрами фотографирования с точностью ±1 м.

Радиовысотомер представляет собой радиолокационную установку, предназначенную для измерения высоты полета в моменты фотографирования. Принцип его действия основан на использовании импульсного метода измерения расстояний и измерении времени прохождения радиоволны, направленной к земной поверхности и отраженной обратно. Тогда пройденный радиоволной путь, соответствующий высоте фотографирования:

(11)

гдеv_c - скорость распространения радиоволн, равная 300 000 км/сек; t - время прохождения радиоволной расстояния от самолета до ближайшей точки местности и обратно.

Принцип работы радиовысотомера заключается в следующем. В момент экспонирования передатчик 1 (рис. 11) генерирует и через антенну 2 излучает импульс, который, отразившись от земли, улавливается приемной антенной 3 и через приемник 4 передается на экран индикатора 5. Изображения направленного и принятого радиоимпульсов строятся в виде развертки шкалы на экране электронно-лучевой трубки, которая в моменты срабатывания затвора фотокамеры фотографируется на фотопленку, называемую высотограммой.

Рис. 11 Принцип работы высотометра

Кадры высотограммы содержат изображение индикатора со шкалой развертки от 0 до 500 м и два выступа («выброса»), соответствующие моментам регистрации начального и отраженного импульсов. Для определения высоты фотографирования к разности отсчетов по высотограмме прибавляется произведение 500 м на целую часть частного от деления найденной по формуле (8) приближенной высоты фотографирования на 500. Так, при m= 17000 и f=100 мм целая часть равна 0,117000/500=3, и отсчету по высотограмме на рис. 11 соответствует высота фотографирования H = 175 + 3500 =1675 м.

Широкая направленность антенны (120) и выбранная длина волны (68 см) обеспечивают отражение радиоволн от точек земной поверхности (а не от растительности), расположенных на различных расстояниях. После приема первого отраженного импульса приемник радиоволн запирается, что исключает многозначность определений.

С увеличением рельефа местности показания радиовысотомера начинают отличаться от истинного значения высоты фотографирования и приближаются к наклонному расстоянию до ближайшей точки.

Применяемые при аэрофотосъемке радиовысотомеры РВТД и РВТД-А обеспечивают определение высоты фотографирования над равнинной местностью с точностью 1,2-1,5 м.

Гиростабилизирующая установка предназначена для стабилизации в полете положения съемочной камеры и уменьшения углов отклонения ее главной оптической оси от отвесной линии. В основе конструкции современных гироскопов лежит принцип волчка, стремящегося сохранить неизменным пространственное положение своей оси вращения при наклоне плоскости, на которой он установлен. Применяемые гиростабилизирующие установки Н-55, ТАУ, ГУТ-9 и др. использует трехстепенные гироскопы, стабилизирующие положение съемочной камеры с точностью 10-15 минут.

Системы определения координат центров фотографирования в процессе аэрофотосъемки применяют с 50-х гг. прошлого столетия. В начале это были радиотехнические системы, основанные на фазовых методах измерения расстояний от самолета до двух наземных станций. Широко применяемые в то время радиогеодезическая станция ЦНИИГАиК (РГСЦ) и самолетный радиодальномер (РДС) обеспечивали определение координат центров с ошибкой 1-5 метров.

Системы глобального позиционирования GPS(Global Positioning System), появившиеся в 90-х гг., заменили радиогеодезические системы. Они работают по принципу измерения дальностей (расстояний) от самолета до геодезических спутников и скоростей их изменения (вследствие перемещения этих спутников). Определяемые с помощью системы пространственные координаты центров фотографирования могут использоваться как для целей навигации, так и последующей фотограмметрической обработки снимков. В обоих случаях через заданный промежуток времени определяются координаты точки и заносятся на магнитный носитель вместе со временем их определения и временем срабатывания затвора фотокамеры (экспозиции).

Последующая обработка данных позволяет вычислить пространственные координаты центров фотографирования путем интерполяции GPS_измерений на моменты экспозиции и учесть положение антенны приемника относительно узловой точки объектива фотокамеры. Ошибка определения координат центров фотографирования этим методом не превышает 0,1 м при удалении от базовой станции не более 20 км.

4. Аэрофотосъемочные работы

Летно-съемочным работам предшествует расчет параметров аэрофотосъемки, к числу которых относят площадь участка, высоту фотографирования, расстояние между центрами фотографирования и смежными маршрутами, интервал между экспозициями и др.

Прежде всего, исходя из назначения материалов аэрофотосъемки, имеющегося оборудования, принятой технологии и пр., устанавливают масштаб создаваемого плана 1:M, аэрофотосъемки 1:m, фокусное расстояние съемочной камеры f, ее тип и формат кадра l. Все эти данные отражаются в техническом проекте на производство работ.

Высоту фотографирования H над средней плоскостью участка съемки определяют по формуле (8), по фокусному расстоянию и масштабу аэрофотосъемки. Одновременно по топографической карте определяют максимальную (A_max), минимальную (A_min) отметки точек на участке работ (без учета отдельных вершин), колебание рельефа h и вычисляют абсолютную высоту фотографирования (высоту полета самолета) над уровнем моря:

Расчетные перекрытия p и q смежных снимков, выражаемые в процентах от их размера, всегда задаются по отношению к средней плоскости съемочного участка. Однако их фактические значения не должны быть меньше минимально допустимых и для других плоскостей, встречающихся на съемочном участке (например, перекрытие p₁ в плоскости E₁ (рис. 12) меньше, чем p в плоскости E)

В связи с этим расчет продольного (p) и поперечного (q) перекрытий выполняют по эмпирическим формулам, учитывающим поправки к их оптимальным значениям (62% и 32%), зависящие от величины превышения h над средней плоскостью съемочного участка и высоту H фотографирования над ней:



Рис. 12 Влияние рельефа местности на величину перекрытия снимков

. (12)

Базис фотографирования B_x(расстояние между центрами фотографирования) и расстояние между маршрутами B_y зависят от размера кадра фотокамеры l, величин продольного p, поперечного q перекрытий и знаменателя масштаба аэрофотосъемки m:

(13)

Интервал между экспозициями определяет продолжительность полета самолета со скоростью W км/час между двумя последовательными экспозициями, т.е. время, в течение которого самолет преодолеет расстояние B_x:

(14)

Минимальную выдержку определяют, исходя из того, что за время экспонирования t^S самолет, двигаясь со скоростью W, пролетает расстояние Wt^s. Так как в течение времени t^S объектив фотокамеры открыт, то изображение на аэроснимке окажется смазанным, причем величина смаза в масштабе аэроснимка составит Wt^S/m. Отсюда минимальное время экспонирования t^S, при котором величина смаза изображения не превысит мм в масштабе создаваемого плана с учетом соотношения масштабов аэроснимка и плана (10), должна быть

(15)

Минимальную выдержку определяют, исходя из предельно допустимого смаза изображения, не превышающего 0,1 мм на снимке.

Число аэроснимков подсчитывают, исходя из размеров участка L_x, L_y, базиса фотографирования B_x и расстояния между маршрутами B_y:

(16)

По завершению расчетов готовят полетную карту, на которую наносят границы съемочного участка, оси маршрутов и ориентиры в начале и конце каждого из них. Масштаб карты должен быть в 10-20 раз мельче масштаба создаваемого плана.

Подготовительные работы завершаются установкой, проверкой основного и вспомогательного оборудования, подбором светофильтров и определением выдержки при фотосъемке. Важным их элементом является установка GPS-оборудования и определение положения антенны приемника относительно узловой точки объектива аэрокамеры, что определяет точность последующего определения координат центров.

При выполнении аэрофотосъемки с запада на восток и с востока на запад первый аэросъемочный маршрут прокладывают по северной стороне границы съемочного участка, последний - по южной, а оси маршрутов продолжают за границы участка на один - полтора базиса, что обеспечивает последующую сводку результатов фотограмметрической обработки по границам съемочных участков.

Непосредственно аэрофотосъемка выполняется в соответствии с подготовленными расчетами и техническими условиями.

Во время подлета к съемочному участку набирают нужную высоту полета, по намеченным на полетной карте ориентирам выполняют заход в створ первого маршрута и включают аэрофотоаппарат за полтора-два базиса фотографирования до границы съемки. С этого момента аэрофотоаппарат выполняет все операции автоматически, в том числе соблюдение заданной величины продольного перекрытия. В моменты срабатывания затвора съемочной камеры показания всех приборов и датчиков, определяющих положение гиростабилизирующей платформы на определенные моменты времени, заносятся на магнитный носитель для последующего использования при расшифровке данных GPS-измерений. В конце маршрута на границе съемки с запасом полтора-два базиса аэрофотоаппарат отключают и выполняют заход на очередной маршрут по ориентирам полетной карты. Так что если какой-то маршрут направлен, например, проложен с запада на восток, то следующий за ним - с востока на запад. Направление маршрута учитывают при аналитической и цифровой фотограмметрической обработке снимков.

По завершению аэрофотосъемочных работ выполняют фотолабораторную обработку материалов съемки, их регистрацию, изготовление репродукций накидного монтажа и оценку качества летносъемочных работ по фотографическим, фотометрическим и фотограмметрическим показателям др.

5. Современная аэрофотосъёмка

Современные топографические аэрофотоаппараты таких известных фирм как Карл Цейсс и Вильд достигли практически верхних пределов значений разрешающей способности и дисторсии объектива.

Современные аэрофотосъёмочные комплексы оснащены устройствами компенсации сдвига изображения (КСИ). Идея улучшения качества изображения путём компенсации продольного сдвига изображения заключается в использовании больших выдержек для малочувствительных аэроплёнок высокого разрешения. Но использование больших выдержек имеет и побочный эффект - «смаз» изображения вследствие угловых колебаний АФА. Избежать «смаз» возможно, снабдив АФА устройством компенсации угловых сдвигов изображения, базирующееся на гиростабилизирующей подвеске.

Аэрофотосъёмочная система RC-30 (Рис. 13) швейцарской фирмы Leicaимеет и линейное устройство КСИ, и устройство компенсации углового сдвига изображения. Такие аэрофотосъёмочные камеры обладают улучшенными измерительными и изобразительными характеристиками и позволяют за счёт умельчения масштабов фотографирования уменьшить число снимков на единицу площади. Система объектив - камера - фильм для новых АФА способна обеспечить разрешение 2-3 раза выше, чем при использовании традиционных АФА. Революционное значение имеет вопрос использования при аэрофотосъёмке приемников глобальной спутниковой системы определения местоположения GPS. Оснащение аэросъёмочных систем компьютерами, обрабатывающие сигналы получаемые спутниковыми приёмниками и фиксирующие данные о времени экспонирования и данные углов наклона АФА позволяют решать две задачи:

1. Повысить качество и уровень автоматизации проектирования и самолётовождения при аэрофотосъёмке;

2. Высокоточно определять координаты центров проектирования аэрофотоснимков, которые используются в качестве опорных точек при фотограмметрическом сгущении геодезического съёмочного обоснования.

Рис. 13 Фотоснимок аэрофотосъёмочной системы RC-30

Что касается второй задачи - определение координат центров фотографирования, её решение позволяет значительно сократить объём полевых геодезических работ по планово-высотной привязке снимков.

Система управления аэрофотосъёмкой осуществляется по программе ASCOT - (Aerial Survey Control Tool) и предназначена для сбора данных и поддержки с помощью GPS навигации в полёте. Планирование полёта начинается с составления проекта. Программа поддерживает три типа проектирования: «блоки», «маршруты», «точки», вычисляет расположение центров снимков в маршруте. Точку можно рассматривать как частный случай маршрута с одним снимком. Для составления проекта вводятся необходимые параметры аэрофотосъёмки и координаты поворотных точек границы объекта. Параметры могут отличаться для каждого маршрута. Программный комплекс позволяет не только управлять аэрофотосъёмкой в полёте, но и осуществлять имитацию аэрофотосъёмочного полёта с камерой или без неё в целях обучения, демонстрации или проверки аппаратуры. Существует отдельная программа для проверки компонентов системы ASCOT и их связи с поддерживаемыми внешними устройствами (аэрофотоаппарат RC-30, гиростабилизирующая платформа PAV-30, см. фотографию комплекта, Рис. 13. Послеполётная обработка осуществляется модулем, который имеет мощные функции анализа полёта.

В последние годы наметился переход от получения изображений традиционными плёночными камерами с последующим сканированием негативов с целью обработки снимков на цифровых фотограмметрических станциях (ЦФС) к непосредственному получению цифровых снимков в полёте. В традиционных технологиях полученные снимки после фотохимической обработки сканируются на высокоточных сканерах с разрешением, как правило, не хуже 7-15 мкм. Разрешающая способность современных цифровых камер также 7-15 мкм сравнима с разрешающей способностью фотографических систем. Учитывая размеры негатива 23*23 см (или 18*18 см), получается цифровое изображение минимально объёмом более 200 мегапикселей. В настоящее время промышленность не производит светочувствительные матрицы (ПЗС или КИОП) таких размеров. Это приводит к появлению специальных приёмов при производстве цифровых аэрофотокамер.

...