Аналитический метод построения модели местности по паре макетных аэроснимков

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

" Сибирская Государственная Геодезическая Академия"

(ГОУ ВПО «СГГА»)

Институт дистанционного обучения Кафедра Фотограмметрии и ДЗ Курсовая работа

" Аналитический метод построения модели местности по паре макетных аэроснимков"

Новосибирск 2013

Содержание Введение

1. Теоретические основы технологии создания модели местности, основанной на аналитическом методе фотограмметрии

1.1 Аэрофотосъёмка для создания топографических карт

1.2 Элементы внутреннего ориентирования снимков

1.3 Элементы взаимного ориентирования снимков в базисной системе

1.4 Элементы внешнего ориентирования модели

2. Основные процессы построения модели аналитическим методом

2.1 Составление технического проекта построения одиночной модели местности и измерения координат запроектированных точек Заключение Литература аэрофотосъёмка топографический карта снимок

Введение

Фотограмметрия-технология дистанционного зондирования Земли, позволяющая определять геометрические, количественные и другие свойства объектов на поверхности земли по фотографическим изображениям, получаемым с помощью летательных аппаратов любых видов. В настоящее время изображения для фотограмметрии получают как кадровыми, щелевыми и панорамными фотоаппаратами, так и с помощью радиолокационных, телевизионных, тепловых и лазерных систем. Фотограмметрия позволяет определить по снимкам исследуемого объекта его форму, размеры и пространственное положение в заданной системе координат, а также его площадь, объём, различные сечения на момент съёмки и изменения их величин через заданный интервал времени Фотограмметрия появилась в середине XIX века, практически одновременно с появлением самой фотографии. Применять фотографии для создания топографических карт впервые предложил французский геодезист Доминик Ф. Араго примерно в 1840 г.

Области применения фотограмметрии:

Фотограмметрия находит применение в различных видах деятельности:

— создание топографических карт и ГИС;

— геологические изыскания;

— охрана окружающей среды (изучение ледников и снежного покрова, бонитировка почв и исследование процессов эрозии, наблюдения за изменениями растительного покрова, изучение морских течений);

— проектирование и строительство зданий и сооружений;

— археологические раскопки;

— киноиндустрия (совмещение игры живых актёров с компьютерной анимацией, например, в фильмах «Бойцовский клуб», «Аватар» и др.).

— автоматизированное построение пространственная моделей объекта по снимкам Общие принципы фотограмметрии:

— пространственные координаты определяют положение точек объекта в пространстве;

— координаты на фотографии определяют положения точек объекта на плёнке или цифровом снимке;

— элементы внешнего ориентирования фотоаппарата определяют его положение в пространстве и направление съёмки;

— элементы внутреннего ориентирования определяют геометрические характеристики процесса съёмки.

Достоинства фотограмметрии

— Высокая точность измерений;

— Высокая степень автоматизации процесса измерений и связанная с этим объективность их результатов;

— Большая производительность (поскольку измеряются не сами объекты как таковые, а лишь их изображения);

— Возможность дистанционных измерений в условиях, когда пребывание на объекте небезопасно для человека.

Фотограмметрия подразделяется на аналоговую, аналитическую и цифровую Аналоговая фотограмметрия и аналитическая фотограмметрия охватывают теорию и практику определения формы, размеров, положения и типов объектов в пространстве по аналоговым полутоновым фотоизображениям. При этом, аналоговая фотограмметрия характеризуется тем, что фотограмметрическая засечка решается оптико-механическим путем, т. е. с использованием оптико-механических приборов. Были сконструированы и построены самые различные аналоговые приборы, предназначенные для решения всего ряда задач по обработке фотоснимков.

Аналитическая фотограмметрия характеризуется тем, что для воспроизведения изображения так же использует оптико-механические устройства, а для построения геометрической модели объекта — вычислительные устройства.

Цифровая фотограмметрия охватывает теорию и практику определения формы, размеров, положения и типов объектов на плоскости и в пространстве по цифровым полутоновым изображениям на фотограмметрических приборах, в которых для воспроизведения изображения и построения геометрической модели объекта используются цифровые вычислительные устройства.

Цифровая фотограмметрия, характеризуется, по крайней мере, двумя признаками:

1. наличием на входе системы изображения в цифровой форме;

2.обработкой цифрового изображения на электронно-вычислительной машине.

Для цифровой фотограмметрии не имеет значения каким образом было получено цифровое изображение, либо сразу в результате съемки цифровой съемочной камерой, либо путем растрового сканирования ранее полученного аналогового изображения.

Цель курсовой работы состоит в изучении метода построения модели местности по материалам аэрофотосъемки. Выполнении расчетов и получении пространственных координат точек модели в фотограмметрической системе координат.

1. Теоретические основы технологии создания модели местности, основанной на аналитическом методе фотограмметрии

1.1 Аэрофотосъёмка для создания топографических карт Аэрофотосъемка — один из основных методов получения объективной информации о земной поверхности и объектах, расположенных на ней, с воздуха с использованием цифровых или аналоговых фотокамер.

Цифровая аэрофотосъемка выполняется современными топографическими аэрофотосъемочными системами, обладающими высокой производительностью, геометрической точностью, пространственным разрешением и фотометрическим качеством изображения. Материалы аэрофотосъемки, получаемые с помощью полноформатных цифровых аэрофотокамер, представляют собой набор цветных и мультиспектральных снимков в четырех спектральных зонах (красной, зеленой, синей, ближней инфракрасной). Снимки спектральных каналов могут использоваться для создания спектрозональных снимков (снимков в условных цветах, в которых присутствует ближний инфракрасный канал и два выбранных канала видимой зоны спектра), которые обладают высокими дешифровочными свойствами.

Цифровая аэрофотосъемка выполняется с использованием бортовых систем определения положения и ориентации, позволяющих непосредственно в полете определить элементы внешнего ориентирования снимков и тем самым сократить затраты на планово-высотную подготовку аэрофотоснимков и сроки выполнения работ.

Помимо плановой аэрофотосъемки, выполняемой при вертикальном положении оптической оси, может быть выполнена перспективная аэрофотосъемка (под наклоном оптической оси), позволяющая более эффективно распознавать объекты местности и анализировать их пространственное взаимное положение.

Цифровая аэрофотосъемка эффективно применятся для решения задач:

· Создание и обновление топографических и специальных карт;

· Создание картографической основы кадастра объектов недвижимости;

· Экология и природопользование (сельское и лесное хозяйство);

· Мониторинг различного типа объектов;

· Создание 3D моделей объектов и местности;

· Реагирование на чрезвычайные ситуации;

· Создание визуальных информационных систем.

Преимущество цифровой аэрофотосъемки перед аналоговой:

· Отсутствие процессов фотохимической обработки и необходимости в фотолаборатории;

· Отсутствие процесса сканирования аэрофотоснимков;

· Отсутствие деформации фотоматериала и связанных с ней геометрических искажений аэрофотоснимков;

· Более высокое фотометрическое качество: проработка деталей в глубоких тенях;

· Отсутствие необходимости внутреннего ориентирования снимков по координатным меткам при фотограмметрической обработке;

· Отсутствие следов механических повреждений и пыли на изображении.

1.2 Элементы внутреннего ориентирования снимков Положение снимка в момент фотографирования определяют элементы ориентирования. Они разделяются на две группы: элементы внутреннего ориентирования и элементы внешнего ориентирования Элементы внутреннего ориентирования — фокусное расстояние съемочной камеры и, , координаты главной точки снимка о, определяют положение центра проекции относительно снимка. Эти элементы позволяют восстановить связку лучей, существовавшую в момент фотографирования.

Координаты точки снимка во вспомогательной системе координат с учетом элементов внутреннего ориентирования будут равны:, , а вектор положения точки на снимке

1.3 Элементы взаимного ориентирования снимков в базисной системе Принято различать две системы элементов взаимного ориентирования.

В первой системе неподвижным считают базис фотографирования, во второй левый снимок стереопары.

Первая система (базисная система, Рис (1.8.)). Элементами взаимного ориентирования в этой системе являются:

— угол в главной базисной плоскости левого снимка между главным лучом (оптической осью) левой связки и перпендикуляром к базису:

— угол на левом снимке между осью и следом плоскости ;

— угол в главной базисной плоскости левого снимка между перпендикуляром к базису и проекцией главного луча (оптической оси) правой связки ;

— угол между проекцией главного луча (оптической оси) правой связки на базисную плоскость левого снимка и главным лучом :

— угол на правом снимке между осью и следом плоскости .

Рис. 1.8. Первая система элементов взаимного ориентирования Углы и называются продольными углами наклона снимков относительно базиса фотографирования, — взаимным поперечным углом наклона, а углы и — углами поворота.

Началом пространственных координат в первой системе служит центр проекции левого снимка, ось совмещена с базисом, а ось находится в главной базисной плоскости левого снимка. Система координат параллельна системе координат .

Вторая система (система левого снимка, Рис (1.9.)). Элементами взаимного ориентирования в этой системе являются:

— угол на левом снимке между осью и следом главной базисной плоскости левого снимка;

— угол наклона базиса относительно левого снимка;

— взаимный продольный угол наклона снимков, составлен осью с проекцией главного луча (оптической оси) правой связки на плоскость ;

— взаимный поперечный угол наклона снимков, заключенный между плоскостью и главным лучом (оптической осью) правой связки;

— взаимный угол поворота снимков, угол на правом снимке между осью и следом плоскости ;

Рис. 1.9. Вторая система элементов взаимного ориентирования Началом фотограмметрических координат служит центр проекции левого снимка, но координатные оси и направлены параллельно соответствующим осям и левого снимка. Ось совмещена с главным лучом (оптической осью) левой связки. Система координат параллельна системе координат.

Зная элементы взаимного ориентирования снимков можно найти координаты любой точки модели в фотограмметрической системе координат.

1.4 Элементы внешнего ориентирования модели Элементы внешнего ориентирования определяют положение связки лучей относительно пространственной прямоугольной системы координат в момент фотографирования. К ним относятся:

· три линейных элемента внешнего ориентирования;

· три угловых элемента внешнего ориентирования.

Всего элементов внешнего ориентирования — шесть.

Линейные элементы внешнего ориентирования — координаты центра проекции — по отношению к началу выбранной пространственной системы координат (Рис. 1.4).

Вектор положения точки фотографирования относительно начала системы координат, будет иметь компоненты:

. (1.4)

Угловые элементы внешнего ориентирования определяют положение плоскости снимка (изображения) относительно осей выбранной системы координат. Системы угловых элементов внешнего ориентирования, используемых в фотограмметрии, являются системами углов Эйлера.

Как известно, существует 12 систем углов Эйлера. Число систем углов может быть увеличено если один или несколько углов Эйлера взять с противоположным знаком, более того, иногда пользуются левыми системами координат. В фотограмметрии используется несколько систем углов Эйлера, ниже дано описание наиболее распространенных систем углов.

Первая система углов. К этой системе относятся (Рис. 1.5),

— угол наклона снимка или угол отклонения оптической оси фотокамеры от отвесной линии; t — дирекционный угол оптической оси фотокамеры — угол между осью и проекцией главного луча на плоскость; - угол поворота снимка — угол на снимке между главной вертикалью и осью y.

Вторая система углов. Эта система углов включает (Рис. 1.6): — продольный угол наклона снимка, заключенный между осью и проекцией главного луча на плоскость; - угол поворота снимка — угол в плоскости снимка между осью y и следом плоскости, проходящей через главный луч и ось SY.

Рис. 1.5. Первая система углов АФС Рис. 1.6. Вторая система углов АФС Таким образом, аэроснимок имеет девять элементов ориентирования три элемента внутреннего ориентирования и шесть элементов внешнего ориентирования. Из шести элементов внешнего ориентирования три — линейные, три угловые. Из них и или и фиксируют направление главного луча, а — поворот вокруг главного луча. Знание угловых элементов внешнего ориентирования снимка дает возможность сформировать матрицу ортогональных преобразований, позволяющую осуществить переход от вспомогательной системы координат к системе координат и, тем самым найти в этой системе вектор положения точки на снимке:

. (1.5)

Матрица ортогональных преобразований будет определяться системой углов Эйлера и для 1-ой и 2-ой систем углов ориентирования соответственно равна (см. Рис. 1.5, Рис. 1.6):

Компоненты матрицы определяться:

· для углов :

;

· для углов :

.

2. Основные процессы построения модели аналитическим методом

2.1 Составление технического проекта построения одиночной модели местности и измерения координат запроектированных точек Указания по выполнению экспериментальной части Выполнение расчетно-графической части курсовой работы состоит из следующих этапов:

1. Получить исходные данные

2. Вычислить масштаб аэроснимка по заданному фокусному расстоянию f и высоте фотографирования Нф:

.

3. Определить площадь территории, покрываемой аэрофотоснимком формата 18*18 см:

где l_x и l_y — линейные размеры снимка.

4. Построить контур левого и правого снимка формата 18*18 см, показать на снимках положение осей координат х₁, у₁, х₂, у₂. Нанести по координатам положение точек 16 в соответствии с вариантом.

5. Вычислить продольные и поперечные параллаксы:

.

6. Вычислить вспомогательные величины, а и b:

.

7. Вычислить элементы взаимного ориентирования по приближенным формулам:

.

8. Вычислить по элементам взаимного ориентирования направляющие косинусы для левого снимка а₁,…, с₃ :

a₁= cos б₁ · cos к₁ — sin б₁ · sin щ₁ · sin к₁,

a₂= - cos б₁ · sin к₁ — sin б₁ · sin щ₁ · cos к₁,

a₃= - sin б₁ · cos щ₁,

b₁= cos щ₁ · sin к₁,

b₂= cos щ₁ · cos к₁,

b₃= - sin щ₁,

c₁= sin б₁ · cos к₁ + cos б₁ · sin щ₁ · sin к₁,

c₂= - sin б₁ · sin к₁ + cos б₁ · sin щ₁ · cos к₁,

c₃= cos б₁ · cos щ₁.

и правого снимка … :

a₁`= cos б₂ · cos к₂ — sin б₂ · sin щ₂ · sin к₂,

a₂`= - cos б₂ · sin к₂ — sin б₂ · sin щ₂ · cos к₂,

a₃`= - sin б₂ · cos щ₂,

b₁`= cos щ₂ · sin к₂,

b₂`= cos щ₂ · cos к₂,

b₃`= - sin щ₂,

c₁`= sin б₂ · cos к₂ + cos б₂ · sin щ₂ · sin к₂,

c₂`= - sin б₂ · sin к₂ + cos б₂ · sin щ₂ · cos к₂,

c₃`= cos б₂ · cos щ₂.

(Обратить внимание, что углы для снимков будут разные! Всего нужно посчитать 18 величин).

9. Вычислить трансформированные координаты точек левого и правого снимков:

.

(Не забывать, что для разных снимков координаты считаются по разным направляющим косинусов!)

10. Вычислить базис фотографирования В (данные из пункта 6):

.

11. Вычислить продольный и остаточный поперечный параллаксы по трансформированным координатам (данные из пункта 9):

;

.

(Помнить, что остаточный поперечный параллакс является критерием правильности трансформирования! Если > 0,05 мм, предыдущие вычисления ошибочны и нужно проверить их правильность!)

12. Определить пространственные фотограмметрические координаты точек модели:

.

1. Исходные данные (вариант № 3)

Все расчетные данные приведены в отдельном файле Microsoft Office Excel

2. Вычислить масштаб аэроснимка по заданному фокусному расстоянию f и высоте фотографирования Нф: m=8000

3. Определить площадь территории, покрываемой аэрофотоснимком формата 18*18 см: S= 2,0736 км²

4. Построить контур левого и правого снимка формата 18*18 см, показать на снимках положение осей координат х₁, у₁, х₂, у₂. Нанести по координатам положение точек 16 в соответствии с вариантом.

Примечание: В данном примере линейные размеры снимков уменьшены в 2 раза.

5. Вычислить продольные и поперечные параллаксы точек стереопары:

6. Вычислить вспомогательные величины, а и b:

7. Вычислить элементы взаимного ориентирования по приближенным формулам:

Примечание: Учесть, что рассчитываются, а так же используются в дальнейших расчетах, величины в радианах. В примере приведены величины в градусах (итоговые).

8. Вычислить по элементам взаимного ориентирования направляющие косинусы для левого снимка:

a₁= 0,99 762 751, a₂= 0,61 139 a₃= 0,6 857 095,

b₁= 0,61 283, b₂= 0,9 999 812, b₃= 0,

c₁= -0,0686, c₂= 0.0004, c₃= 0,99 765.

и правого снимка … :

a₁ =0,9 968 816, a₂`= 0,299 345, a<sub>3</sub>`= 0,7 301 366,

b₁`= -0,328 964, b<sub>2</sub>`= 0,9 986 697 b₃`= 0,3 971,

c₁`= -0,0717, c<sub>2</sub>`= -0,042, c₃`= 0,99 654.

9. Вычислить трансформированные координаты точек левого и правого снимков:

10. Вычислить базис фотографирования В, 641 792.8 м.

11. Вычислить продольный и остаточный поперечный параллаксы по трансформированным координатам (данные из пункта 9):

12. Определить пространственные фотограмметрические координаты точек модели:

Заключение

При вычислении остаточного поперечного параллакса не выявлено серьезных нарушений правильности трансформирования, т. к меньше 0.05мм Курсовая работа помогла хорошо разобраться в основах технологии создания модели местности, основанной на аналитическом методе фотограмметрии, т.к. в ходе работы было произведено много теоретических исследований по технологии выполнения аэрофотосъемки, и основных процессах построения модели аналитическим методом.

1. Назаров А. С. Фотограмметрия [Текст]: пособие для студентов вузов / А. С. Назаров, 2010. — 398, с.

2. Наземное лазерное сканирование [Текст]: монография / В. А. Середович, А. В. Комиссаров, Д. В. Комиссаров, Т. А. Широкова, 2009. — 261 с.

3. Евстратова, Л. Г. Трансформирование космических снимков с использованием программного комплекса ENVI [Электронный ресурс]: учеб.пособие. — Новосибирск: СГГА, 2008. — 53 с.

4. Чекалин С. И. Основы картографии, топографии и инженерной геодезии [Текст]: учеб. пособие для вузов / С. И. Чекалин, 2009. — 393 с.

5. Трубина Л. К. Прикладная фотограмметрия: Методические указания и контрольные задания для студентов заочного факультета… — Новосибирск: СГГА, 1998. — 27с.

6. Лобанов, А. Н. Фотограмметрия [Текст]: учебник для вузов / А. Н. Лобанов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М., Недра, 1984

7. Чандра, А. М. Дистанционное зондирование и географические информационные системы /. А. М. Чандра, С.К. ГошМ.: Техносфера, 2008 — 312 с.

8. Савиных, В. П. Аэрокосмическая фотосъемка [Текст]: учеб. для вузов / В. П. Савиных, А. С. Кучко, А. Ф. Стеценко. — М.: Картгеоцентр — Геодеиздат, 1997