Введение
Фотограмметрические методы в геодезии являются одними из наиболее рентабельных и
высокопроизводительных. Основными превосходствами фотограмметрического метода является
значительное сокращение времени полевых работ, возможность повторить или дополнить измерения
при исходных условиях.
На сегодняшний день, существующие аналоговые камеры типа фототеодолит морально устарели,
и, кроме того, не производятся аналоговые светочувствительные материалы. Профессиональные
цифровые камеры имеют высокую цену и, при небольших объёмах наземной съемки, их использование
будет неприбыльным.
Для успешного решения задачи изучения памятников архитектуры, наблюдения за деформациями
сооружений требуется наличие их достоверных изображений. Определение натурных размеров
сооружений по измерениям моделей выполняют для таких проектируемых сооружений,
формы которых не могут быть выражены математическими уравнениями, – скульптур, барельефов и т.д.
Составление проекта наземной фотограмметрической съемки.
Первым этапом эксперемента была наземная стереофотограмметрическая съемка. Объектом съемки был
выбран фасад 5го корпуса ДонНТУ, съемка производилась 5 мПикс фотоаппаратом Olympus E-20P.
Виды наземной стереофотограмметрической съемки классифицируются в зависимости от расположения
осей камеры относительно базиса. При выполнении съемки использовался конвергентный случай
фотографирования, базис 4 м.
При конвергентном случае фотографирования оптические оси фотокамер пересекаются,
коородинаты объекта определяют путем измерения стереомодели. За начало фотограмметрической
системы координат принимают оптический центр объектива на левой точке базиса фотографирования,
т. е. центр проекции левого снимка, за ось ординат – направление оптической оси фотокамеры на
левой точке базиса, перпендикулярное ему направление в горизонтальной плоскости – за ось абсцисс
Х, за ось аппликат – направление, перпендикулярное плоскости, образованной осями X, Y.
Значение элементов внешнего ориентирования, необходимые для ычисления фотограмметрических
координат определяют в процессе фотографирования. Элементы внутреннего ориентирования известны,
т.к. фотокамера цифровая, или определяются по результатам исследования камеры.
После выбора станций приступают к проектированию базисов, которые должны удовлетворять
следующим требованиям:
– съемочные трапеции должны покрывать весь снимаемый участок без разрывов и больших перекрытий.
Концы базиса располагаются в удобных местах;
– в пределах съемочных трапеций не должно быть участков, в которых не видно объекта или стереоэффекта.
Для расчета рамок съемочных трапеций используют следующие формуламы:
где tmin – коэффициент, учитывающий отклонение осей съемки (мы принимаем 1);
mp – точность снятия координат на изображении; mr – допустимая с.к.о. определения
координат контура.
На основании расчетов и выбранной камеры, намечается положение базиса.
На каждой съемочной трапеции намечают положение корректурных точек. Это такие
точки, для которых известны измеренные геодезические координаты (опорная точка)
или направления (угол между направлением на корректурную точку и направлением на базис).
Координаты опорных точек будут получены из результатов съемки электронным тахеометром в
безотражательном режиме.
Расчет длины базиса выполняется исходя из дальности фотографирования и требуемой точности определения координат съемочных пикетов.
Предрасчет точности можно выполнить по следующим формулам:
где ml – с.к.о. съемочного пикета (1см); mx=my=mp=0.5 пикселя.
Обработка снимков
Следующим этапом работы была обработка стереопары с ЦФС Erdas Imagine.
При нанесении на снимки, координаты опорных точек, предварительно полученных в результате
тахеометрической съемки в безотражательном режиме, вводят вручную, а координаты дополнительных
точек определяются автоматически. Математические соотношения между снимками, составляющими блок,
устанавливается функцией Триангуляция, и в процессе ее выполнения вычисляются окончательных значений
для параметров внешнего ориентирования. В отчете триангуляции представлена оценка точности уравнивания
стереопары.
Схема расположения снимков стереопары, опорных и связующих точек после уравнивания представлена. Поле этого проект
готов к финальной части создания цифровой модели.
В процессе отрисовки структурных линий использовался Planar Dual-LCD Professional 3D Mnitor,
который позволяет просматривать объемное изображение высокого качества. Это позволяет ускорит
процесс обработки, значительным образом влияет на удобство работы.
Следующим этапом была обработка маршрута в ЦФС Delta Digitals.
Другие способы сканирования
Следует знать, что фотограмметрия — не решение всех задач. Существуют другие способы сканирования, в некоторых случаях срабатывающие лучше.
- Лидар — это геодезический способ измерения расстояния до цели подсветкой цели лазером. Лидар может быть быстрее в сборе 3D-данных, и он определённо эффективнее при сканировании растительности и полей, хотя этот способ и довольно дорогой. Лидар-сканнер тяжёлый, поэтому сложно будет прикрепить его к дрону, хотя некоторым компаниям удалось создать собственных дронов. Вот короткое видео, опубликованное Capturing Reality, в котором используется Reality Capture для комбинирования данных лазера с фотографиями для создания точной модели. Также в видео рассматриваются преимущества обоих способов.
- David Laserscanner — это гораздо более дешёвая самодельная альтернатива, в которой для измерения и сканирования объекта тоже используется лазер. Её можно применять для сканирования мелких и средних объектов (например, катеров). Стоит заметить, что владельцем этого ПО недавно стала HP.
- Сканер Artec — это ручной лазерный сканер, обеспечивающий хорошие результаты. Можно использовать для сканирования мелких предметов.
- Microsoft Kinect тоже можно использовать для сканирования объектов и людей, но у него довольно низкое разрешение.
- RTI — это вычислительный фотографический способ, снимающий форму поверхности объекта и позволяющий интерактивно изменять освещение объекта с любого направления. RTI также позволяет выполнять математическое усовершенствование формы поверхности объекта и цветовых атрибутов.
Компьютер
Требования к компьютеру зависят от выбранного ПО, однако с помощью исследований и экспериментов я выяснил, что для большинства пакетов рекомендуемыми минимальными требованиями являются следующие:
- Процессор: рекомендую core i7 с не менее чем 4 физическими ядрами. Xeon — это хорошо, но многие пакеты, например, Reality Capture предпочитают количеству ядер их скорость. Рекомендуется компьютер с одним процессором.
- Графический процессор: карта NVidia GTX с минимум 4 ГБ VRAM (больше 4 ГБ может и не понадобиться). Quadro по сравнению с GTX даёт малый прирост производительности, и GTX гораздо дешевле. Также можно использовать карты AMD, показавшие немного лучшую производительность в Agisoft, но, к сожалению, Reality Capture поддерживает только NVidia. Сдвоенные графические процессоры могут дать прирост производительности, например, двойные GTX 1060 или GTX 1080 (TITAN уже будет избыточным). При использовании Agisoft придётся отключить одно логическое (не физическое) ядро процессора на каждый графический процессор. Вот ссылка на оценки графических процессоров в Agisoft. Можно всегда найти самые новые оценки центральных и графических процессоров в Гугле.
- ОЗУ: 32 ГБ — хороший выбор. Протестировав разные объёмы ОЗУ и изучив темы на форумах, я выяснил, что 32 ГБ — беспроигрышный вариант. Большинство сканов будет работать на 16 ГБ «со скрипом». Pix4D и Reality Capture без проблем работают с 32 ГБ, а Agisoft требуется увеличение объёма памяти в зависимости от количества и разрешения изображений. Важно добавить, что большинство процессоров i7 поддерживает до 64 ГБ ОЗУ.
- Накопитель: большинство пакетов кэширует результаты на накопитель, чтобы снизить объём занимаемого ОЗУ, поэтому SSD снизит время обработки. Нужен накопитель ёмкостью не менее 240 ГБ, рекомендуется 512 ГБ. Всегда можно использовать дополнительный жёсткий диск для более дешёвого хранения изображений. Но это увеличит время первого этапа обработки, когда ПО загружает изображения с накопителя в память.
- Система охлаждения: давайте не будем забывать, что обработка изображений занимает множество времени — дни, иногда даже недели. Поэтому нужно вложиться в хорошую систему охлаждения, чтобы снизить риск повреждения оборудования. Не работайте на ноутбуке, даже если у вас хороший игровой ноутбук с хорошей вентиляцией (например, MSI или Alienware). Он не рассчитан на такую нагрузку. (Я понимаю, что вы можете быть ограничены в средствах и настольный компьютер слишком дорог для вас, у всех бывали такие проблемы. Иногда я сам нарушал своё правило и использовал ноутбук, но это снижает срок его службы).
Практика
Теперь, когда вы кое-что знаете о фотограмметрии, вот несколько интересных примеров, которые стоит попробовать:
- Отсканируйте камень, это лёгкая мишень и хорошая задача для начала. Постарайтесь сделать как можно меньше снимков для реконструкции полной сетки, а потом начните добавлять изображения для увеличения разрешения деталей.
- Отсканируйте статую: статуя похожа на камень с интересными вогнутыми формами, которые немного повысят сложность работы.
- Отсканируйте ботинок. Не знаю, зачем все так делают. Возможно, это какой-то ритуал инициации, или что-то подобное.
- Отсканируйте узкий тоннель или лестничные проёмы. Сложность здесь в том, что у вас не будет достаточно пространства для перемещения и съёмки с разных углов. Хитрость в том, чтобы пересечь туннель, делая один снимок того, что перед вами при каждом шаге вперёд.
- Отсканируйте интерьер. У Valve есть интересный подход, который вы можете попробовать.
- Отсканируйте здание или даже замок, попробуйте сделать это с дроном и без него. Можно вскарабкаться на здание или воспользоваться длинным шестом с камерой. Подсказка.
- Отсканируйте отражающую поверхность. Изучите это видео студии ten24 по 3D-сканированию отражающих объектов с помощью фотограмметрии.
- Отсканируйте голову одной камерой. Это сложно, постарайтесь не двигаться, или попробуйте использовать поворотный стол.
- Отсканируйте насекомое. Есть хороший пример отсканированного 2cgvfx насекомого.
- Отсканируйте рельеф. Изучите ещё один подход Valve, но я крайне рекомендую исследовать подход с пролётом дрона по надиру.
Предмет изучения фотограмметрии
Измерения по световым записям это, пожалуй, самое короткое и точное определение фотограмметрии, происходящее из греческого перевода этого сложного слова. Более детальное академическое объяснение можно сформулировать в следующем виде. Наука, позволяющая с помощью фотографирования, способов обработки снимков и специальных технологий получать изображения и определять по ним пространственное положение физических объектов на местности и их характеристики имеет название фотограмметрия.
Кроме этого фотограмметрию можно считать новой технологией дистанционного зондирования при определении геометрических свойств предметов, процессов, их анализа и предоставления в графическом виде сведений по группе фотоснимков, снятых из разных положений фотокамеры.
Основой метода фотограмметрии являются фотоснимки. Изучение и измерения геометрии физического изображения снимков придает этой основе уровень научного подхода и практического применения.
Использование для изучения объектов и их количественных характеристик и свойств одиночных фотоснимков является фотограмметрическим способом. Применение для этого двух снимков уже считается стереофотограмметрическим методом.
В современных условиях фотограмметрические способы используются в трех направлениях по развитию:
- методов картографирования;
- космической фотограмметрии и технологий по получению спутниковой фотографической информации с объектов земной и планетных поверхностей из космоса;
- прикладной фотограмметрии и специального применения в различных областях общественной, производственной и медицинской деятельности.
Программное обеспечение
Существует множество программ для фотограмметрии, которые можно использовать для обработки снятых изображений. Обычно все они дают достаточно хорошие результаты. Однако одни приложения могут иметь преимущества в некоторых областях. Но всё-таки стоит заметить, что хотя правила съёмки фотографий и одинаковы для всего ПО, существуют специфические для разных приложений рекомендации, потому что каждая программа обрабатывает данные по-своему. Эти рекомендации позволяют полностью использовать возможности ПО, и я советую потратить время на ознакомление с ними.
Например, из-за медленности вычислений в Agisoft вы можете стремиться записать в одно изображение как можно деталей. А Reality Capture стремится отфильтровывать эти фоновые детали, потому что они могут вносить шум. Однако Reality Capture быстрее, поэтому для неё можно просто сделать больше фотографий.
И ещё одно примечание: все описания основаны на моём личном опыте работы с этим ПО, который может отличаться от вашего. Рекомендую изучить эти варианты ПО (или другие) и самостоятельно сделать выбор.
- Autodesk Remake: возможно, вы слышали о мобильном приложении Autodesk 123DCatch, облачном ПО для фотограмметрии, ограниченном 50 изображениями на проект, которые сжимаются до 3 мегапикселей. После него было выпущено ПО для ПК Memento, которое позже переименовали в Remake. Оно может работать как офлайн, так и в облаке. В Remake процесс генерации выполняется одним кликом, и пользователь почти не может контролировать обработку данных. Существуют бесплатная и профессиональная версии. В бесплатной версии есть ограничение в 125 изображений на проект и доступна только облачная обработка. Подписка на версию Pro стоит 30$ в месяц, ограничена 250 изображениями на проект, и имеет опцию офлайн-обработки. После обработки скана можно отредактировать его, очистить внутри Remake или импортировать сетку в другое ПО. Это полезная опция, которой я часто пользуюсь, хотя неплохо было бы иметь больше контроля над процессом генерирования сетки. В приложении также есть оптимизатор, снижающий количество полигонов сетки и опции запекания текстур, позволяющие быстро создать болванки объектов для уровней игры. Изучите также условия лицензии ваших сканов, потому что она может позволить Autodesk использовать их в качестве рекламных материалов.
- Agisoft Photoscan: это очень популярное приложение, широко используемое в индустрии развлечений. Agisoft обеспечивает отличные результаты сканирования. предоставляет контроль над процессом генерирования сеток и имеет удобный интерфейс с подробной документацией. Стандартная версия стоит 180$, однако если вам нужна опция опорной точки, которая очень полезна при выполнении сканирования больших масштабов, то придётся купить профессиональную версию за 3500$. Несмотря на то, что в Agisoft нет ограничений на количество изображений, чем больше фотографий вы используете, тем более мощный компьютер вам нужен для обработки. Не говоря уж о том, что время обработки может быть достаточно большим. Изучите руководства и советы на веб-сайте техподдержки Agisoft. Вот полезное руководство по требованиям PhotoScan к памяти, где есть полезные таблицы. Например, вот таблица требований к ОЗУ для модели здания из изображений разрешением 12 мегапикселей.
Список источников
- Буров М.И. Практикум по фотограмметрии / Буров М.И. – М.: НЕДРА, 1987. – 302 с.
- Могильный С.Г. Фотограмметрия / Могильный С.Г., Беликов И.Л., Ахонина Л.И., и др. – Киев: Вища школа, 1985. – 278 с.
- Назаров А.С. Фотограмметрия: учебное пособие для студентов вузов / Назаров А.С. – Минск: ТетраСистемс, 2006. – 368с.
- Агапов С.В. Фотограмметрия сканерных снимков / Агапов С.В. – М.: Геодезиздат, 1996. – 178 с.
- Калантаров Е.И., Говоров А.В., Никишин Д.А. Универсальные методы цифровой фотограмметрии. // Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка. – 2003. – №6. – С. 47-55
- Калантаров Е.И., Никишин Д.А. Развитие процессов фотограмметрии перспективными методами. // Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка. – 2003. – №1. – С. 95-104
- Антипов И.Т. Пространственная фототриангуляция с использованием координат центров проектирования // Геодезия и картография. – 2004. – №8. – С. 21-30
- Катушков В.А., Сердюков В.М. Моделирование макетных снимков для задач наземной фотограмметрии. // Геодезия и картография. – 1999. – С. 22-25
- Гельман Р.Н., Никитин А.В. О стереофотосъемке фасада здания // Геодезия и картография. – 2008. – №1. – С. 29-33
- Гельман Р.Н. Возможности использования обычных цифровых камер для наземной стереосъемки. // Геодезия и картография. – 2000. – №4. – С. 39-41
Фотограмметрия как наука и ее связь с другими дисциплинами
Фотограмметрия – наука, изучающая способы определения форм, размеров, пространственного положения и степени изменения во времени различных объектов, по результатам измерений их фотографических изображений.
Термин “фотограмметрия” происходит от греческих слов: photos – свет, gramma – запись, metreo – измерение. Следовательно, его дословный перевод – измерение светозаписи.
Предметы изучения фотограмметрии это геометрические и физические свойства снимков, способы их получения и использования для определения количественных и качественных характеристик сфотографированных объектов, а также приборы и программные продукты, применяемые в процессе обработки.
В настоящее время в фотограмметрии выделяют три направления исследований. В первом изучаются и развиваются методы картографирования земной поверхности по снимкам. Второе связано с решением прикладных задач в различных областях науки и техники. В третьем развиваются технологии получения информации об объектах Земли, Луны и планет солнечной системы с помощью аппаратуры, установленной на космических летательных аппаратах. Задачи и методы последнего из указанных направлений существенно отличаются от первых двух, и далее детально не рассматриваются.
Современная фотограмметрия как техническая наука тесно связана с науками физико-математического цикла, достижениями радиоэлектроники, вычислительной техники, приборостроения, фотографии. Она органически связана с геодезией, топографией и картографией.
На основе достижения физики и особенно оптики созданы современные объективы съемочных и обрабатывающих приборов.
Успехи в развитии электроники, радиоэлектроники, вычислительной техники и космической геодезии способствовали автоматизации процессов самолетовождения и управления полетами космических кораблей созданию сенсоров, для получения изображений в цифровом виде, а также приборов для определения положения снимков в момент фотографирования, автоматизации процессов обработки и хранения информации, которой обладают снимки.
Благодаря химии освоен выпуск черно-белых и цветных фотоматериалов. Математика широко применяется в разработке теории фотограмметрии при решении практических задач.
Методами, известными в астрономии и геодезии, снимки обеспечиваются опорными точками, необходимыми для создания съемочной сети с целью составления топографических карт и планов или решения прикладных задач.
При создании по фотоснимкам планов и карт и их оформлении используются достижениями картографии.
Фотограмметрия применяется главным образом для составления топографических карт и планов. Однако в настоящее время она находит все более широкое применение при решении различных прикладных задач. Для какой бы цели не применялась фотограмметрия, основные принципы ее остаются теми же самыми. Фотограмметрическое оборудование, используемое, прежде всего, в картографических целях, можно применить и в других областях науки и техники.
В нашей стране фотограмметрические методы применяют:
– для изысканий и проектирования различного рода линейных сооружений (автомобильных и железных дорог, трубопроводов, линий электропередачи и т.д.). В этих случаях обычно составляют изыскательские планы, которые могут иметь меньшую точность и условную систему координат, фотосхему полосы местности и профиль местности, построенный по измерениям снимков;
– в строительстве при определении качества строительства, повышении надежности и долговечности промышленных и гражданских сооружений и т.д.;
– в геологоразведочных работах. Аэро- и космические снимки позволяют по данным дешифрирования более рационально подойти к выбору территорий, перспективных для поиска и разведке полезных ископаемых, наметить точки для бурения скважин и определить их координаты;
– в геофизике для получения координат и высот заданных точек местности и определения топографических поправок в измеренные значения силы тяжести;
– в архитектуре при производстве обмеров, составлении планов фасадов, изготовлении объемных моделей, съемке и воспроизведении архитектурных памятников, изучении и измерении архитектурных композиций, скульптур и т.д.
– в горном деле для съемки открытых горных разработок с составлением маркшейдерских планов карьеров, дражных участков, бульдозерных полигонов, складов готовой продукции и т.д.;
– в географических исследованиях (изучение ледников, селей, оползней и др.);
– при картировании дна и получении глубин шельфа, изучении морского волнения, определении скорости и направления течения в открытом море;
– в медицине и хирургии для диагностики и лечении заболеваний отдельных органов человека, а также для обнаружения в организме посторонних предметов и опухолей;
– в военном деле и т.д.
Фотографические материалы и их свойства
Фотографические материалы (фотоматериалы) классифицируют:
· по назначению (аэрофотопленки, фототехнические пленки и др.);
· по цвету получаемого фотографического изображения (черно-белые, спектрозональные и цветные);
· по строению (фотопленки, фотопластинки, фотобумага).
Все фотоматериалы имеют подложку (основу) и светочувствительный или эмульсионный слой.
В аэрофотографии применяются подложки из прозрачных (триацетатных или лавсановых) пленок. При фототеодолитных съемках подложкой используемых фотоматериалов обычно служат тонкие стеклянные пластинки.
Светочувствительный слой фотографических материалов представляет собой тонкую прозрачную пленку, большей частью желатиновую, содержащую во взвешенном состоянии галоидные соли серебра (бромистые, йодистые и хлористые) в виде отдельных кристалликов-зерен. Под воздействием света серебро освобождается, что и приводит к почернению эмульсионного слоя, тем большему, чем интенсивнее оно было. С помощью органических красителей (сенсибилизаторов) регулируют спектральную чувствительность эмульсии.
Для правильного использования фотографических материалов необходимо знать их фотографические свойства: светочувствительность, коэффициент контрастности, фотографическую широту, вуаль, цветоточувствительность, разрешающую способность и др.
Определяются они по данным сенситометрических испытаний фотоматериала. Сенситометрия – раздел фотографической науки, посвященный учению об измерении фотографических свойств светочувствительных слоев.
Светочувствительность — способность фотоэмульсионного слоя создавать большую или меньшую оптическую плотность при одинаковой экспозиции.
Светочувствительность может быть общей, если фотоматериал экспонировался излучением широкого спектрального интервала (например, 500…700 нм), или спектральной — для узкой зоны спектра (например, 520…560, 680…740 нм). Светочувствительность отечественных фотоматериалов определяется ГОСТом, и ее указывают на упаковке фотопленок, фотопластинок (например, 32 ед. ГОСТ, 250 ед. ГОСТ). Зарубежные фотоматериалы той же светочувствительности имеют другие числовые значения. Это вызвано различиями методик их определения.
При малой освещенности объекта или при коротких выдержках при съемке применяют фотопленки с высокой чувствительностью.
Спектральная чувствительность (цветочувствительность) фотоэмульсионного слоя характеризует его способность реагировать на лучи различных зон спектра.
По спектральной чувствительности фотоэмульсии могут быть несенсибилизированные и сенсибилизированные. В состав сенсибилизированных эмульсий входят вещества-сенсибилизаторы, расширяющие спектральную чувствительность фотоматериала. Несенсибилизированные фотоэмульсии таких веществ не содержат.
Различают следующие типы фотоэмульсий:
· несенсибилизированные — чувствительны к синим лучам спектра;
· ортохроматические и изоортохроматические — чувствительны к синим, зеленым и желтым лучам;
· пахроматические и изопахроматические взаимодействуют с лучами всей видимой зоны спектра;
· инфрахроматические фотослои обладают максимальной чувствительностью к лучам инфракрасной зоны спектра, причем максимум приходится на различные длины волн, что отражается в их маркировке, например И-840, И-960.
Коэффициент контрастности характеризует свойство фотоэмульсионного слоя реагировать на некоторое количество световой энергии образованием большей или меньшей разности оптической плотности соседних изображений. Его значение зависит также от времени проявления и типа проявляющих растворов. При фотографировании местности с высоким яркостным контрастом, например горных районов или застроенных городских территорий, применяют малоконтрастные фотопленки. При съемке малоконтрастных ландшафтов, например пустынных или степных районов, используют контрастные фотоматериалы.
Фотографическая широта — свойство фотоэмульсионного слоя сохранять пропорции оптических плотностей на снимке яркостям фотографируемых объектов. Чем больше фотографическая широта, тем больший интервал яркостей объектов будет изображаться на снимке без искажений.
Зернистая структура фотоэмульсионного слоя — важный фактор в получении снимков высокого изобразительного свойства. Зерна фотоэмульсии при экспонировании рассеивают световые лучи, что ограничивает воспроизведение мелких деталей, снижает резкость изображения и уменьшает пределы увеличения снимков. Для оценки зернистости фотоэмульсионного слоя применяют критерий, называемый коэффициентом зернистости (фактор зернистости). Коэффициент зернистости используют для визуальной оценки размеров зерна фотоэмульсии, и он является показателем предельного увеличения изображений. Рассчитывают его по формуле
где п — увеличение, при котором визуально определяется появление зерна на увеличенном изображении.
Вуаль — оптическая плотность не подвергнутого воздействию света (неэкспонированного) фотоматериала. Для аэропленок вуаль допускается не более 0,2.
Разрешающая способность фотоматериала определяет способность фотоэмульсионного слоя раздельно воспроизводить мелкие близко расположенные детали фотографируемого объекта.
Разрешающая способность зависит от размера зерна фотоэмульсионного слоя: чем больше зерно, тем меньше разрешающая способность. Современные аэропленки имеют разрешающую способность 60…250 мм-1.
Для получения изображений с высокими изобразительными свойствами необходимо применять мелкозернистые фотоматериалы. Мелкозернистые фотоэмульсионные слои обладают малой светочувствительностью. Однако специфика выполнения аэро- и космических фотосъемок предполагает применение высокочувствительных фотопленок. Это одна из причин, по которой аэро- и космические фотоснимки имеют ограничения в коэффициентах увеличения и резкости.
В аэрофотосъемочных работах применяются фотопленки: черно-белая панхроматическая, изопанхроматическая и инфрахроматическая; цветные спектрозональные для условной цветопередачи (спектрозональные); цветные для натурального воспроизведения объектов местности. При фототеодолитной съемке применяют изоортохроматические или панхроматические пластинки.
Цветные и спектрозональные пленки отличаются от черно-белых строением эмульсии. У цветных пленок эмульсия состоит из трех светочувствительных слоев (рис 1): верхнего, несенсибилизированного, чувствительного только к синим лучам; среднего, обладающего наибольшей чувствительностью к зеленым лучам; нижнего, имеющего максимальную чувствительность к красной области спектра. Между первым и вторым слоями эмульсии размещен желтый фильтровой слой. Он необходим для исключения влияния синих лучей на нижние слои.
На обратной стороне основы нанесен противоореольный слой. Окраска его так же, как и фильтрового слоя, уничтожается при фотохимической обработке. В процессе обработки, кроме того, все эмульсионные слои окрашиваются в цвета, дополнительные к цветам лучей, действовавших на них. Следовательно, правильная цветопередача изображения может быть получена только при позитивной печати с цветного негатива на цветную фотобумагу или диапозитивную пленку.
Спектрозональная пленка в отличие от цветной содержит эмульсию, состоящую из двух слоев, как правило, инфрахроматического и панхроматического. Цветопередача на этой пленке искажена, но она позволяет получать многие детали изображения, теряющиеся на черно-белой и цветной аэропленках.
Основные характеристики, применяемые для оценки черно-белых фотоматериалов: светочувствительность, коэффициент контрастности, фотографическая широта, фактор зернистости и разрешающая способность используются в цветной фотографии. Естественно, что методики их определения и формулы для их расчета имеют некоторые отличия.
Цветные изображения имеют в 2…3 раза меньшую разрешающую способность в сравнении с черно-белыми. Стоимость цветных снимков значительно больше стоимости снимков, полученных на черно-белых материалах.
Цветные негативные фотопленки имеют маркировку ЦН и ДС, например ЦН-3, ДС-5, а спектрозональные аэрофотопленки — СН-2, СН-4, СН-23 и т. д.
Фотобумага, применяемая в аэрофотографии, представляет собой бумажную основу с нанесенными на нее слоями сернокислого бария и фотоэмульсионным. Основу изготовляют из тонкой бумаги, картона, тисненого картона. В некоторых фотобумагах, например «фотокарт», бумажная основа «запечатана» между двумя тончайшими слоями полимерной пленки. Такая основа не размокает и практически не деформируется.
Светочувствительность фотобумаги невелика и не имеет такого практического значения, как светочувствительность пленки, так как при печати в лабораторных условиях выдержку можно менять в широком диапазоне.
Наиболее значимыми характеристиками фотобумаги являются полезный интервал экспозиций и средний градиент. Эти характеристики по физическому смыслу схожи соответственно с фотографической широтой и коэффициентом контрастности фотопленок.
Фотобумага чувствительна к синим лучам спектра, поэтому ее фотохимическую обработку проводят при красном или желтом освещении. Разрешающая способность значительно превышает разрешающую способность фотопленок.
Поперечный и продольный параллаксы точек снимков
Для получения метрической информации по паре снимков, необходимо сформулировать некоторые вводные определения.
Совокупность проектирующих лучей, проходящих через центр проекции, называется связкой проектирующих лучей. Плоскость, проходящая через базис съемки и любой проектирующий луч, — базисная плоскость. Если этим лучом будет главный луч, то базисную плоскость будут называть главной. Очевидно, что в момент съемки любая пара соответственных лучей будет располагаться в одной базисной плоскости — условие компланарности.
При фотограмметрической обработке снимков применяют такую систему координат: осью абсцисс служит линия, соединяющая противоположные, расположенные вдоль направления маршрута координатные метки, а осью ординат — линия, соединяющая оставшуюся пару координатных меток. Строго говоря, точка, получающаяся в пересечении указанных линий, не всегда совпадает с истинным положением главной точки. А начало координат должно находиться именно в главной точке. Величина несовпадения указывается в паспорте съемочной системы; поправки, по необходимости, вводятся в измеряемые на снимке координаты точек.
Пара горизонтальных снимков Р1 и Р2, полученных с горизонтального базиса B=S1S2, с осями абсцисс, лежащими на одной прямой (идеальный случай съемки) в позитивном варианте, (рис.2). Отвесная линия AD (на местности — столб, заводская труба и т. п.) отобразилась на снимках отрезками a1d1 и a2d2, направленными соответственно в точки о1 и о2, так как точки надира n1 и n2 на горизонтальных снимках совмещаются с главными точками. Точки а1 и а2 будут иметь равные ординаты yа1 =yа2, так как в идеальном случае съемки след сечения снимков базисной плоскостью будет параллелен общему направлению осей абсцисс этих снимков. Аналогичное
равенство будет справедливым для любой пары соответственных точек.
Разность ординат соответственных точек пары снимков называют поперечным параллаксом точки
yi1 – yi2 = qi
На реальных снимках в общем случае q?0. Такие снимки, если величина q превышает определенные допуски, подвергают преобразованию (трансформированию). Ординаты после преобразования называют трансформированными и обозначают символами yi10и yi20
Для трансформированных ординат должно выполняться условие
yi10– yi20= 0
Рис.3 Координаты концов отвесной линии, изображенной на паре снимков.
Из сказанного можно сделать вывод: поперечные параллаксы являются функцией некоторых величин, определяющих взаимное положение пары снимков (элементов взаимного ориентирования снимков). Следовательно, используя поперечные параллаксы определенного числа точек пары снимков, можно придать этим снимкам такое взаимное положение, в котором они находились в момент съемки. Свидетельством правильности выполнения этого процесса будет отсутствие недопустимых по значению поперечных параллаксов в любой точке изображения в пределах перекрытия снимков. Может быть решена и другая задача — по измеренным значениям в определенном числе точек можно определить элементы ориентирования пары снимков, используя при этом установленные взаимосвязи между поперечными параллаксами и элементами ориентирования.
Одна и та же пара снимков в различных ракурсах показана на рисунках 2 и 3. Из них видно, что абсциссы точек изображения изменяются в зависимости от высоты их положения относительно плоскости, принятой за начальную (на рис. 2 плоскость Е). С увеличением геодезической отметки точки масштаб изображения элементов, лежащих в горизонтальной плоскости, проходящей через эту точку, будет укрупняться. Следовательно, через абсциссы точек пары снимков можно получить информацию о высотах точек и, в частности, о рельефе местности.
Разность абсцисс пары соответственных точек на левом и правом снимках называют продольным параллаксом точки
pi= xi1 – xi2
На реальных снимках абсциссы и соответственно продольные параллаксы будут искаженными. Следовательно, продольные параллаксы определяемых точек предварительно должны быть освобождены от искажений, т. е. трансформированы. Аналогично предыдущему трансформированные абсциссы и продольные параллаксы обозначают добавочным символом
pi0= xi10– xi20.
Факторы, обусловливающие необходимость увеличения снимков
По экономическим соображениям съемку выгодно выполнять в масштабе более мелком, чем масштаб картографирования. Предел уменьшения съемочного масштаба регламентируется возможностями отображения на снимках необходимых объектов местности (деталей) и обеспечения достаточной точности выполнения метрических действий по ним. В большинстве случаев исходные снимки не обеспечивают достаточной точности, а иногда и возможности решения определенных задач.
Линейная разрешающая способность зрительного аппарата человека для монокулярного и бинокулярного зрения при благоприятных условиях наблюдения миры абсолютного контраста соответственно составляет 20 и 40 мм-1. При анализе реальных снимков случаи наблюдения деталей с абсолютным контрастом относительно фона очень редки. Поэтому реальная разрешающая способность зрительного аппарата уменьшается, по крайней мере, вдвое. К тому же многие из анализируемых объектов по их геометрической форме относятся к компактным (зрение первого рода). В итоге оказывается, что средняя реальная разрешающая способность зрительного аппарата при анализе снимков составляет 7… 10 мм-1 и менее.
Современные аэро- и космические снимки благодаря высокому качеству объективов съемочных систем, использованию компенсирующих «смаз» изображения устройств и устойчивых в полете носителей имеют разрешающую способность 60…80 мм-1 и более. Это дает возможность соответственно в 8… 10 раз уменьшить съемочный масштаб. Дешифрируемость таких снимков доводят до нужной, увеличивая их. Здесь может быть использовано два варианта — оптическое и фотографическое увеличение.
В первом варианте при извлечении из снимков семантической информации используют приспособления, увеличивающие изображение, — лупы, монокуляры и бинокуляры специализированных приборов. Этот вариант можно применять при дешифрировании объектов, регистрируемых на снимках внемасштабными условными знаками (колодцы, пункты геодезической опоры и т. п.), а также при наблюдении деталей, используемых в качестве индикаторов объектов, подлежащих нанесению на карту (печных труб при раздельном показе жилых и нежилых сельских построек и т. п.).
При дешифрировании малых по площади объектов, обозначаемых на снимках границами с условными знаками внутри контура, переход к более дорогому фотографическому увеличению неизбежен, если дешифрируют непосредственно снимок. Обратимся к примеру. При создании базовых карт земель в масштабе 1:10 000 пашни, многолетние насаждения и культурные пастбища на осушаемых землях подлежат нанесению на карту, если площадь их на карте превышает 2 мм2. Допустим, что участок имеет квадратную форму. Сторона участка будет равна 1,4 мм. На снимках, полученных с расчетом использования четырехкратного увеличения, размер стороны окажется равным 0,35 мм. Ограничение такого участка на контактном снимке и размещение внутри него хотя бы одного условного знака невозможны. Отметим, что в производстве используют значительно большие коэффициенты увеличения.
Необходимость увеличения снимков обусловливается также обеспечением достаточной точности выполнения метрических работ. Такие работы возникают в основном при полевой инструментальной досъемке не отобразившихся на снимках объектов. Абсолютная погрешность фиксации концов измеряемых на снимках отрезков остается примерно постоянной при значительном (4…6-кратном) увеличении изображения. Дальнейшее увеличение кратности приводит к монотонному возрастанию погрешности. Поэтому относительная погрешность измерения отрезков на оптимально увеличенном снимке сокращается примерно пропорционально кратности увеличения.
Очевидно, точность измерения координат точек по увеличенным снимкам с помощью дигитайзера, координатографа и других измерительных устройств будет аналогично повышаться.
Элементы взаимного ориентирования пары снимков
Взаимное ориентирование снимков стереопары это установка их в положение, при котором любая пара соответственных лучей пересекается, то есть обеспечивается построение модели. Величины, определяющие такое положение снимков, называются элементами взаимного ориентирования (ЭвзО).
На практике выполнение условия пересечения соответственных лучей достигается поворотом обоих снимков или поворотами и смещениями только одного из них при неподвижном положении второго. В соответствии с этим различают две системы элементов взаимного ориентирования. В первой неподвижными считают базис фотографирования и главную базисную плоскость левого снимка; во второй – левый снимок.
Первая система элементов. Начало системы координат S1X1‘Y1‘Z1‘- в центре проекции S1 левого снимка Р1 (рис. 4). Ось X1‘ совмещена с базисом фотографирования, а ось Z1‘ установлена в главной базисной плоскости левого снимка. Система координат S2X2‘Y2‘Z2‘ параллельна системе координат S1X1‘Y1‘Z1‘.
Элементами взаимного ориентирования являются:
– угол в главной базисной плоскости левого снимка между осью Z1‘ и главным лучом связки;
– угол на левом снимке между осью y1 и следом плоскости ;
– угол в главной базисной плоскости левого снимка между осью Z2‘ и проекцией главного луча правой связки на главную базисную плоскость левого снимка;
– угол между проекцией главного луча правой связки на главную базисную плоскость левого снимка и главным лучом;
– угол на правом снимке между осью y2 и следом плоскости .
Вторая система элементов. За начало пространственной фотограмметрической системы координат принимается центр проекции левого снимка S1. Координатные оси этой системы направлены параллельно соответствующим координатным осям x1, y1 левого снимка (рис. 5), а ось совпадает с главным лучом левой связки. Система координат параллельна системе координат .
Элементами взаимного ориентирования являются:
– угол между осью и проекцией базиса на плоскость (или элемент ориентирования By);
– угол наклона базиса S1S2 относительно плоскости (или BZ);
– взаимный продольный угол наклона снимков, составленный осью с проекцией главного луча правой связки на плоскость ;
– взаимный поперечный угол наклона снимков, заключённый между плоскостью и главным лучом правой связки;
– взаимный угол поворота снимков, угол на правом снимке между осью y2 и следом плоскости
Таким образом, каждая система включает пять элементов взаимного ориентирования. Зная их, можно найти пространственные фотограмметрические координаты любой точки модели.
