Области применения фотограмметрии

Фотограмметрия (от Фото…, греч. grбmma — запись, изображение и… метрия (См. …метрия) научно-техническая дисциплина, занимающаяся определением размеров, формы и положения объектов по их изображениям на фотоснимках. Последние получают как непосредственно кадровыми, щелевыми и панорамными фотоаппаратами, так и при помощи радиолокационных, телевизионных, инфракрасных-тепловых и лазерных систем (см. Аэрометоды). Наибольшее применение, особенно в аэрофотосъёмке (См. Аэрофотосъёмка), имеют снимки, получаемые кадровыми фотоаппаратами. В теорииФ. такие снимки считаются центральной проекцией объекта. Уклонения от центральной проекции, вызванные дисторсией (См. Дисторсия) объектива, деформацией фотоматериала и др. источниками ошибок, учитываются по данным калибровки аэрофотоаппарата и снимков. В Ф. используются одиночные снимки и стереоскопические их пары. Эти стереопары позволяют получить стереомодель объекта. Раздел Ф., изучающий объекты по стереопарам, называется стереофотограмметрией.

Положение снимка в момент фотографирования определяют три элемента внутреннего ориентирования — фокусное расстояние фотокамеры f, координаты x0, y0 главной точки о (рис. 1) и шесть элементов внешнего ориентирования — координаты центра проекции S — XS, YS, ZS, продольный и поперечный углы наклона снимка б и щ и угол поворота ч.

Между координатами точки объекта и её изображения на снимке существует связь:

где X, Y, Z и XS, YS, ZS — координаты точек М и S в системе OXYZ; X', Y', Z' - координаты точки m всистеме SXYZ, параллельной OXYZ, вычисляемые по плоским координатам х и у:

Здесь.

a1 = cos бcosч — sinбsinщsinч.

a2 = - cosбsinч — sinбsin щcosч.

a3 = - sinбcos щ.

b1 = cosщsinч.

b2 = cosщcosч (3).

b3 = -sinщ.

c1 = sinбcosч + cosбsinщsinч,.

c2 = - sinбcosч + cosбsinщcosч,.

c3 = cosбcosщ.

— направляющие косинусы.

Формулы связи между координатами точки М объекта (рис. 2) и координатами её изображений m1 и m2на стереопаре P1 — P2 имеют вид:

BX, BY и BZ — проекции базиса В на оси координат. Если элементы внешнего ориентирования стереопары известны, то координаты точки объекта можно определить по формуле (4) (метод прямой засечки). По одиночному снимку положение точки объекта можно найти в частном случае, когда объект плоский, например равнинная местность (Z = const). Координаты х и у точек снимков измеряются на монокомпараторе или Стереокомпараторе. Элементы внутреннего ориентирования известны и результатов калибровки фотоаппарата, а элементы внешнего ориентирования можно определить при фотографировании объекта или в процессе фототриангуляции (См. Фототриангуляция). Если элементы внешнего ориентирования снимков неизвестны, то координаты точки объекта находят с использование мопорных точек (метод обратной засечки). Опорная точка — опознанная на снимке контурная точка объекта, координаты которой получены в результате геодезических измерений или из фототриангуляции. Применяя обратную засечку, сначала определяют элементы взаимного ориентирования снимков P1 — P2 (рис. 3) — б'1,ч'1, a'2, щ'2, ч'2 в системе S1X'Y'Z'; ось Х которой совпадает с базисом, а ось Z лежит в главной базиснойплоскости S1O1S2 снимка P1. Затем вычисляют координаты точек модели в той же системе. Наконец, используя опорные точки, переходят. от координат точек модели к координатам точек объекта.

Элементы взаимного ориентирования позволяют установить снимки в то положение относительно друг друга, которое они занимали при фотографировании объекта. В этом случае каждая пара соответственных лучей, например S1m1 и S2m2, пересекается и образует точку (m) модели. Совокупность лучей, принадлежащих снимку, называется связкой, а центр проекции — S1 или S2 — вершиной связки. Масштаб модели остаётся неизвестным, т.к. расстояние S1S2 между вершинами связок выбирается произвольно. Соответственные точки стереопары m1 и m2 находятся в одной плоскости, проходящей через базис S1S2. Поэтому.

Полагая, что приближённые значения элементов взаимного ориентирования известны, можно представить уравнение (6) в линейном виде:

a дб1' + b дб2' + с дщ2' + d дч1' + e дч2' + l = V.

где дб1',… e дм2' - поправки к приближённым значениям неизвестных, а,…, е — частные производные от функции (6) по переменным б1',… ч2', l — значение функции (6), вычисленное по приближённым значениям неизвестных. Для определения элементов взаимного ориентирования измеряют координаты не менее пяти точек стереопары, а затем составляют уравнения (7) и решают их способом последовательных приближений. Координаты точек модели вычисляют по формулам (4), выбрав произвольно длину базиса В и полагая Xs1 = Ys1 = Zs1 = 0, BX = В, BY = BZ = 0. При этом пространственные координаты точек m1 и m2находят по формулам (2), а направляющие косинусы — по формулам (3): для снимка P1 по элементам б1', щ1' = 0, ч1', а для снимка P2 по элементам б2', щ2', ч2'.

По координатам X' Y' Z' точки модели определяют координаты точки объекта:

где t — знаменатель масштаба модели. Направляющие косинусы получают по формулам (3), подставляя вместо углов б, щ и ч продольный угол наклона модели о, поперечный угол наклона модели з иугол поворота модели и.

Для определения семи элементов внешнего ориентирования модели —, , о, з, и, t — составляют уравнения (8) для трёх или более опорных точек и решают их. Координаты опорных точек находят геодезическими способами или методом фототриангуляции. Совокупность точек объекта, координаты которых известны, образует цифровую модель объекта, служащую для составления карты и решения различных инженерных задач, например для изыскания оптимальной трассы дороги. Кроме аналитических методов обработки снимков, применяются аналоговые, основанные на использовании фотограмметрических приборов — Фототрансформатора, Стереографа, Стереопроектора и др.

Щелевые и панорамные фотоснимки, а также снимки, полученные с применением радиолокационных, телевизионных, инфракрасных-тепловых и других съёмочных систем, существенно расширяют возможности Ф., особенно при космических исследованиях. Но они не имеют единого центра проекции, и элементы внешнего ориентирования их непрерывно изменяются в процессе построения изображения, что осложняет использование таких снимков для измерительных целей.

Основные достоинства фотограмметрических методов работ: большая производительность, т.к.измеряются не объекты, а их изображения; высокая точность благодаря применению точных аппаратов и инструментов для получения и измерения снимков, а также строгих способов обработки результатов измерений; возможность изучения как неподвижных, так и движущихся объектов; полная объективность результатов измерений; измерения выполняются дистанционным методом, что имеет особое значение вусловиях, когда объекты недоступны (летящий самолёт или снаряд) или когда пребывание в зоне объекта не безопасно для человека (действующий вулкан, ядерный взрыв). Ф. широко применяется для создания карт Земли, других планет и Луны, измерения геологических элементов залегания пород и документации горных выработок, изучения движения ледников и динамики таяния снежного покрова, определения лесотаксационных характеристик, исследования эрозии почв и наблюдения за изменениями растительного покрова, изучения морских волнений и течений и выполнения подводных съёмок, изысканий, проектирования, возведения и эксплуатации инженерных сооружений, наблюдения за состоянием архитектурных ансамблей, зданий и памятников, определения в военном деле координат огневых позиций и целей и др.

Приложения

Рис. 1. к ст. Фотограмметрия

Рис. 2. к ст. Фотограмметрия

Рис. 3. к ст. Фотограмметрия