Лобанов А.Н. Фотограмметрия

Подождите немного. Документ загружается.

АК ЛОБАНОВ ФОТО

ГРАММЕТРИЯ

А.Н. ЛОБАНОВ

ФОТО

ГРАММЕТРИЯ

Издание второе, переработанное и

дополненное

Допущено Министерством

высшего и среднего специального образования СССР

в качестве учебника для студентов вузов,

обучающихся по специальности «Аэрофотогеодезия»

789904

Н«рн|г1всьна державЙА

обласна

6 1БЛ10ТЕКА

1и. В. Г. КОРОЛЕНКА

МОСКВА "НЕДРА" 1984

УДК Л'2Н.7'(((7Л.М)

Лобанов А. Н. Фотограмметрия: Учебник для пузон. 2 е изд., перераб. и

доп.—М., Недра, 1984, 5П2 с.

Во втором издании (1-е изд. 1974 г.) изложена теория фотограмметрии

и методы обработки снимков с целью создания топографических карт и фо-

тодокументов и решения различных нетопографических задач. Приведены

общие сведения, описаны наземная фотограмметрия, аэрофотограмметрия

и космическая фотограмметрия. Рассмотрены теория и устройство основных

фотограмметрических и стереофотограмметрических приборов л автоматизи-

рованных систем, а также перспективы развития фотограмметрии.

Для студентов аэрофотогеодезической специальности институтов инже-

неров геодезии, аэрофотосъемки и картографии.

Табл. 22, ил. 314, список лит.— 45 назв.

Рецензенты:

кафедра фотограмметрии ВИА им. В. В. Куйбышева

и д-р техн. наук М. Д. Коншин (ЦНИИГАиК)

Алексей Николаевич Лобанов

ФОТОГРАММЕТРИЯ

Издание второе, переработанное и дополненное

Редакторы издательства Н. Т. Куприна, 3. Н. Чумаченко

Переплет художника И. А. Слюсарева

Художественный редактор Е. Л. Юрковская

Технический редактор Е. С. Сычева. Корректор К• С. Торопцева

ИБ 5464

Сдано в набор 14 06.83. Подписано в печать 28.10.83. Т-20346. Формат 60X907,6. Бумага

№ 1. Гарнитура «Литературная». Печать высокая. Усл.-печ. л. 34,5. Усл. кр.-отт. 31,5.

Уч.-изд. л. 35,55. Тираж 7900 экз. Заказ 1505/9280—15. Цена 1 р. 50 к.

Ордена «Знак Почета» издательство «Недра», 103633, Москва, К-12,

Третьяковский проезд, 1/19

Ленинградская типография № 4 ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского

объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой Союзполигрпфиром.ч при Го-

сударственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и кпнжннП торговли.

191126, Ленинград, Социалистическая ул., 14.

1902020000—011 , ,,

Л 043(01)—84—

17-84 1

И щшглм щи -Нгцрн., 1984

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебник создан на кафедре фотограмметрии Московского ордена

Ленина института инженеров геодезии, аэрофотосъемки и карто-

графии по программе, утвержденной Учебно-методическим управ-

лением по высшим учебным заведениям МВ и ССО СССР.

После выхода в свет первого издания (1974 г.) учебника «Фото-

грамметрия» (авторы Н. Я. Бобир, А. Н. Лобанов, Г. Д. Федорук)

в фотограмметрии получили широкое развитие аналитические ме-

тоды обработки снимков, основанные на применении автоматизи-

рованных высокоточных измерительных приборов и электронных

цифровых вычислительных машин, созданы новые фотограмметри-

ческие и стереофотограмметрические приборы для фотографирова-

ния объектов и камеральной обработки снимков, обеспечивающие

высокую точность и большую производительность, выдающиеся

успехи достигнуты в новом научном направлении — в космиче-

ской фотограмметрии, значительно расширилось применение фо-

тограмметрии для решения нетопографических задач.

Эти особенности современного развития фотограмметрии учиты-

вались при подготовке второго издания учебника.

Автор выражает глубокую благодарность проф. В. Д. Больша-

кову за содействие и помощь в разработке учебника, проф. Н. Я. Бо-

биру, проф. Ф. В. Дробышеву и проф. М. Д. Коншину за денные

замечания и пожелания, проф. Р. П. Овсянникову, д-ру техн. наук

М. Н. Булушеву, доцентам М. И. Бурову и Е. И. Калантарову и

преподавателям кафедр фотограмметрии ВИА им. В. В. Куйбы-

шева и МИИГАиК за активное участие в обсуждении рукописи

учебника.

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Глава 1

ВВЕДЕНИЕ

§ 1. Фотограмметрия и ее связи с другими дисциплинами

Фотограмметрия* определяет формы, размеры и по-

ложение объектов по их фотографическим изображениям.

Фотограмметрия применяется в различных областях науки и

техники: в геодезии и астрономии, военно-инженерном деле и ар-

тиллерии, архитектуре и строительстве, географии и океанологии,

судебной медицине и криминалистике, при атомных испытаниях

и в космических исследованиях.

Широкое использование фотограмметрии в народном хозяйстве

и обороне страны обусловлено следующими ее достоинствами [15]:

1) высокой точностью измерений, так как съемка, объектов

выполняется прецизионными фотокамерами, а обработка снимков

проводится строгими методами на точных приборах и электронных

цифровых вычислительных машинах;

2) большой производительностью труда, достигаемой благодаря

тому, что измеряют не сами объекты, а их изображения;

3) полной объективностью и достоверностью результатов изме-

рений, так как изображения объектов получаются фотографиче-

ским способом;

4) возможностью получения в короткий срок информации о

состоянии всего объекта и отдельных его частей. Например, снимки

всей поверхности земного шара можно получить с искусственного

спутника Земли за несколько суток;

5) возможностью изучения неподвижных и быстро или медленно

движущихся объектов, а также скоротечных или медленно прохо-

дящих процессов, например летящего снаряда, вулканического

извержения, деформации колеса автомобиля в момент движения,

интенсивности движения городского транспорта, эрозии почвы,

движения ледников, осадки и деформации зданий и других соору-

жений и т. д.;

6) исследованием объектов дистанционным (бесконтактным) ме-

тодом, что имеет особое значение в условиях, когда объект недо-

ступен или когда пребывание в зоне объекта по безопасно для

жизни человека, например в случае атомных исследовании.

* Происходит от греческих слон: р1ю(ох пит, кглиппа — запись и

ше1гео — измеряю.

Форму, размеры и положение объекта можно определить, если

сфотографировать его с двух точек (рис. 1). Пусть Р

и Р

— пара

снимков объекта О, полученная с точек 5

и 5

; а

и Ь

—

изображения точек А и В объекта. Вообразим, что объект после

фотографирования удален. По снимкам можно получить модель

фотографирования. Тогда каждая пара соответственных лучей, на-

пример а

и а

или Ь

и Ь

. будет пересекаться, в резуль-

тате чего образуется модель, подобная объекту. Изменяя расстоя-

ние 5

между вершинами связок, можно получить модель в лю-

бом масштабе. Модель используют для измерения объекта. В ча-

стности, после ориентирования модели относительно планшета Е

составляют карту. Точка а на планшете получена в результате

ортогонального проектирования точки А модели и указывает по-

ложение соответствующей точки объекта на карте.

Метод измерения объектов, основанный на использовании

свойств пары снимков, называется стереофотограммет-

р и ч е с к и м*.

В частном случае, когда объект плоский, задачи фотограмметрии

решаются по одиночным снимкам. Так, на рис. 2 модель объекта

получена по снимку Р в результате пересечения восстановленной

связки с плоскостью О. В этом случае масштаб модели зависит от

удаления плоскости О от вершины связки 5.

Метод измерения объектов, основанный на свойствах одиноч-

ного снимка, называется фотограмметрическим.

объекта. Для этого достаточно

придать снимкам то положение,

которое они занимали относи-

Рис. 1

Рис. 2

* Стерео — от греческого слова з1егеоз — пространственный.

Фотограмметрия тесно связана с точным приборостроением,

авиацией, космонавтикой, физикой, химией, электронной техникой,

математикой, геодезией и картографией.

Точное приборостроение обеспечивает фотограмметрию высоко-

качественными фотоаппаратами и приборами для измерения сним-

ков. Самолеты как носители фотоаппаратов позволяют быстро фо-

тографировать земную поверхность. Более широкие возможности

для фотограмметрического исследования Земли, Луны и других

небесных тел открыли космические корабли.

Достижения физики и особенно оптики способствуют совершенст-

вованию фотограмметрических приборов и методов. Например,

создание сверхширокоугольных объективов позволило заменить фо-

тограмметрический метод съемки равнинной и холмистой местности

стереофотограмметрическим, т. е. получать по снимкам не только

контуры, но и высоты.

Химическая промышленность создает черно-белые и цветные

фотоматериалы и химикалии.

Электронная техника используется для самолетовождения и уп-

равления космическими кораблями, а также для определения эле-

ментов внешнего ориентирования снимков в полете и автоматиза-

ции процессов фотограмметрической обработки снимков.

Математика применяется в теории фотограмметрии и при реше-

нии многих практических задач. Например, для определения ко-

ординат точек местности по снимкам используются строгие мате-

матические методы и современная вычислительная техника [37, 38].

Геодезия обеспечивает фотограмметрию опорными точками,

необходимыми для сгущения по снимкам опорной сети с целью со-

ставления топографических карт. Методы картографии исполь-

зуются при составлении по снимкам и оформлении топографических

карт.

§ 2. Фототопография. Виды и методы

фототопографических съемок

Фототопография определяет координаты отдельных

точек местности и создает топографические карты по снимкам. Фо-

тотопография является составной частью фотограмметрии.

Комплекс процессов, позволяющих создать по снимкам карту

местности, называется фототопографической съем-

кой. В этот комплекс входят: фотографирование местности, по-

левые геодезические работы и камеральные фотограмметрические

работы.

В зависимости от технических средств, применяемых для фото-

графирования местности, различают четыре вида фототопографи-

ческой съемки: наземную фототопографическую, аэрофототопогра-

фическую, комбинированную и космическую.

Наземная фототопографическая съемка

основана на фотографировании местности фототеодолитом, с точек

земной поверхности. Этот вид съемки часто называют фототео-

долитной или наземной стереофотограмметрической съемкой.

Аэрофототопографическая съемка преду-

сматривает фотографирование местности аэрофотоаппаратом, уста-

новленным на самолете или вертолете.

Комбинированная фототопографиче с~к а я

съемка представляет собой сочетание фототеодолитной съемки

и аэрофототопографической. При этом местность фотографируется

дважды: фототеодолитом с наземных станций и аэрофотоаппаратом

с самолета. По наземным снимкам обычно сгущается опорная сеть,

и по аэрофотоснимкам составляется топографическая карта.

В космической съемке снимки получают с искус-

ственных спутников и космических кораблей.

Наземная фототопографическая съемка использовалась для

картографирования горных районов. В настоящее время при изу-

чении больших территорий она менее эффективна, чем аэрофото-

топографическая или космическая съемка, и применяется для соз-

дания планов небольших участков, например карьеров.

Для аэрофототопографической съемки применяются два ме-

тода — комбинированный и стереотопографи-

ч е с к и й.

Комбинированный метод использует свойства оди-

ночного снимка и позволяет получить контурную часть карты, а

рельеф зарисовать в поле приемами мензульной съемки или изо-

бразить в лаборатории по данным старой карты. Этот метод широко

применялся для съемки равнинных и холмистых районов. По мере

развития стереотопографического метода роль комбинированного

метода уменьшалась. В настоящее время он используется для

съемки плоскоравнинных районов, когда рельеф местности плохо

просматривается стереоскопически и не может быть достаточно

точно изображен по снимкам.

Стереотопографический метод использует

свойства пары снимков и позволяет снимать в камеральных усло-

виях не только контуры, но и рельеф местности. Он является ос-

новным методом картографирования, так. как обеспечивает: а) вы-

сокое качество карт при минимальных затратах сил и средств;

б) детальное изучение территории по снимкам в лабораторных ус-

ловиях в любое время и независимо от погоды; в) исследование

труднодоступных и вовсе недоступных районов — тундр, пустынь,

горных хребтов, территории противника и т. д.; г) возмож-

ность механизации и автоматизации всех производственных про-

цессов.

Стереотопографическим методом создаются карты высокогор-

ных, горных, холмистых и равнинных районов. Его применяют

и для съемки плоскоравиинных районов, например в мелиорации.

В стереотопографическом методе различают два способа состав-

. ления карты по снимкам — универсальный и диффе-

ренцированный.

Универсальный способ основан на использовании

прибора, позволяющего выполнить все процессы обработки пары

снимков: получить модель, ориентировать ее относительно план-

шета, зарисовать контуры и рельеф.

Дифференцированный способ решает задачу

составления карты на двух приборах — стереометре и проекторе

(фототрансформаторе). Стереометр служит для изображения на

снимках рельефа в горизонталях, а проектор — для переноса кон-

туров и горизонталей со снимков на планшет.

Для ориентирования модели при составлении карты необходимы

опорные точки — опознанные на снимках контурные точки, поло-

жение которых определено в системе координат, принятой в гео-

дезии. Опорные точки определяются в поле геодезическим методом

или в камеральных условиях методом фототриангуляции, которая

позволяет сгущать по снимкам опорную геодезическую сеть. Фо-

тотриангулирование заключается в том, что новые опорные точки

определяются по модели, для построения которой использованы

снимки, принадлежащие одному или нескольким маршрутам

(рис. 3). При этом ориентирование такой модели относительно

геодезической системы координат выполняется по опорным точкам,

полученным геодезическим методом.

Для составления карты необходимо еще опознать объекты ме-

стности, изобразившиеся на снимках, и уметь определить их ха-

Рис. 3

рактеристики, т. е. выполнить дешифрирование снимков. Оно мо-

жет быть полевым, камеральным и комбинированным. Чаще ис-

пользуется комбинированное дешифрирование — в поле состав-

ляются снимки эталоны с результатами дешифрирования наиболее

характерных для данного района объектов, а затем эти образцы

применяются для камерального дешифрирования остальных сним-

ков.

Глава 2

ОПТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЦЕНТРАЛЬНОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ

§ 3. Принципиальная схема построения

изображения объекта

В основе построения изображения объекта при помощи идеаль-

ного объектива лежат законы геометрической оптики: прямолиней,

иость распространения света в однородной среде, законы отраже-

ния и преломления лучей на границе двух сред [2].

н н' ^

1 1

Я'

г'

р / ^

1 1

Я'

г'

^ \

>—<

. /

^ \

>—<

/ Ль

Рис. 4

И деальный сбъектив удовлетворяет следующим условиям:

1) пучок лучей, исходящий из одной точки, т. е. гомоцентрический

пучок, после прохождения объектива остается гомоцентрическим.

Отсюда следует, что каждая точка изображается точкой; 2) пло-

скость, перпендикулярная к оптической оси, изображается также

плоскостью, перпендикулярной к этой оси; 3) изображение пло-

ского объекта, расположенного перпендикулярно к оптической оси,

подобно самому объекту.

Н а рис. 4 представлен идеальный объектив и его основные эле-

менты: Р и Р' — передний и задний фокусы, РР' — оптическая ось,

Н и Н' — передняя и задняя главные плоскости, 5 и 5' — перед-

няя и задняя главные точки, с которыми совпадают передняя и

задняя узловые точки (предполагается, что объектиз находится