Лобанов А.Н. Фотограмметрия

Подождите немного. Документ загружается.

вариант этой аппаратуры (рис. 100) создан на базе аэрофотоаппа-

ратов АФА-41/20 и имеет следующие параметры: формат кадра

18 X 18 см, фокусное расстояние 200 мм, диапазон выдержек

1/60 — 1/500 с, минимальный интервал времени между экспози-

циями 2,25 с, фотопленка выравнивается на стекло, на котором

награвирована контрольная сетка. Автоматическое управление

фотокамерами обеспечивается двумя командными приборами,

соединенными с блоками синхронизации. Сигналы управления

передаются по кабелю или по радио. Обработка материалов съемки

выполняется аналитическим методом с применением электронной

цифровой вычислительной машины. С целью повышения мобиль-

ности второй вариант аппаратуры создан на базе малоформатного

аэрофотоапгшрата АФА-М-31 и управляется по радио. Основные

характеристики этого варианта: формат снимков 7,5 X 7,5 см, фо-

кусное расстояние 31 мм, диапазон выдержек 1 : 60 — 1 : 100 с,

минимальный интервал времени между экспозициями 5 с. Эта аппа-

ратура успешно применяется для изучения дымовых факелов

труб мощных промышленных предприятий, следов от пиротехниче-

ских средств и других объектов и явлений.

130

§ 48. Решение других нетопографических задач

методами наземной фотограмметрии

В географии фотограмметрия служит для изучения статических

и динамических элементов различных ландшафтов, а также для

выявления и оценки природных взаимосвязей и закономерностей.

Наземную стереосъемку успешно применяют для картографи-

рования ледников и определения скорости их движения, а также

для изучения морских полярных льдов [11].

Геоморфологи по снимкам изучают селеновые потоки, камне-

пады, осыпи и другие природные явления, обусловленные рельефом

и его взаимосвязями с почвами и подстилающими коренными по-

родами.

Наземная фотограмметрия завоевала признание в горных ра-

ботах как эффективный метод съемки угольных карьеров. Выпол-

няемые периодически съемки позволяют определить объем извле-

ченных вскрыши и угля для расчета с личным составом и опера-

тивного планирования работ [18].

Большое развитие наземная стереосъемка получила в гидроло-

гических и океанографических исследованиях. Еще в 1907 г. ака-

демик А. Н. Крылов применил фотограмметрию для изучения вол-

нения водной поверхности. Теперь этот метод систематически ис-

пользуется для определения параметров волн. Современные гидро-

логические фототеодолиты позволяют получать серию последова-

тельных снимков волнения и находить по ним не только высоту,

длину и крутизну волны, но также скорость и период ее. Кроме

того, можно изучать процесс изменения формы волны по мере при-

ближения ее к берегу (Л. Ф. Титов, Ф. А. Коршак, Д. М. Кудриц-

кий, С. Ф. Городецкий, А. А. Пугин и др.).

Методы фотограмметрии помогают исследовать и подводный

мир, для чего создана специальная съемочная аппаратура.

По инициативе П. М. Орлова наземная стереосъемка приме-

няется для определения скорости течения рек и направлений по-

верхностных струй, что имеет большое значение для проектирова-

ния гидротехнических сооружений.

Институт прикладной геофизики АН СССР и кафедра фотограм-

метрии МИИГАиК использовали наземную фотограмметрию для

изучения серебристых облаков. Съемка выполнена с базисов дли-

ной порядка 20 км фототеодолитами с фокусным расстоянием 180 мм

и аэрофотокамерами с фокусным расстоянием 500 мм. Высота се-

ребристых облаков, полученная в результате решения прямой фо-

тограмметрической засечки на сфере, оказалась равной 83 км. По

снимкам определены также направление и скорость движения се-

ребристых облаков.

В медицине создана стереофотограмметрическая аппаратура для

точного определения количественных характеристик глаза

(Л, С. Урмахер), а также для изучения внутренних органов челове-

ческого тела по рентгеновским снимкам (А. Н. Черний). Современ-

131

ная антропометрия широко использует снимки как объективные

и точные документы [37, 40].

В судебной медицине, криминалистике и автоинспекции фото-

грамметрия нашла признание как достоверный метод фиксации

и анализа обстановки, в которой совершено преступление или ка-

тастрофа.

Рис. 101

Для изучения микрогеометрии деталей машин и приборов раз-

работан стереофотограмметрический метод, основанный на приме-

нении микроскопов и электронных микроскопов. На рис. 101 изо-

бражен план точечной поверхности детали. Масштаб снимков 20 : 1.

Обработка их выполнена на стереокомпараторе. Горизонтали про-

ведены через 20 мкм (работа В. И. Саркина).

Кроме рассмотренных выше к быстропротекающим процессам

относится также взрыв, видимая активная фаза которого длится

132

обычно всего лишь несколько секунд. Большое применение взрыв-

ные работы нашли в горнодобывающей промышленности и в строи-

тельстве. Они позволяют в весьма ограниченные сроки разрушать

и перемещать огромные массы грунта. Стереофотограмметрическая

съемка инженерных взрывов доставляет ценную информацию о ха-

рактере движения разлетающихся кусков горной породы и о дру-

гих параметрах взрыва, имеющих существенное значение для пла-

нирования и безопасного ведения взрывных работ. Успешно вы-

полнены съемки взрывов спаренной кинокамерой КСР-1. При этом

каждая из двух камер КСР-1 соединена с теодолитом и таким об-

разом преобразована в кинотеодолит. Камеры снабжены сменными

объективами с фокусными расстояниями 28, 35, 50, 75 и 135 мм.

Съемка производится на кинопленку шириной 35 мм. Размер кадра

16 X 22 мм, частота съемки от покадровой до 32 кадров в 1 с. В ре-

зультате этих исследований определены размеры разлетающихся

кусков горной породы и их пространственное положение, а также

элементы движения этих кусков [30].

В ядерных исследованиях стереофотограмметрическая съемка

служит для изучения следов элементарных частиц в камерах Виль-

сона, пузырьковых или водородных камерах. Под действием маг-

нитного поля эти следы теряют свою прямолинейность. Зная ве-

личину напряженности магнитного поля, величину заряда частицы

и измерив радиус кривизны трека, определяют импульс частицы,

представляющий собой произведение массы частицы на ее скорость.

М. М. Русинов создал специальные приборы для фотографирова-

ния треков и измерения по снимкам радиуса их кривизны [27].

ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ

АЭРОФОТОГРАММЕТРИЯ

Глава 9

АНАЛИЗ ОДИНОЧНОГО СНИМКА

§ 49. Основные определения

Допустим, что с точки 5 (рис. 102) получен аэрофотоснимок

местности. Будем считать, что на нем нет искажений, вызванных

дисторсией объектива фотокамеры, атмосферной рефракцией и дру-

гими источниками ошибок. Тогда снимок можно рассматривать

как центральную проекцию объекта съемки на плоскость [2, 6, 12].

На рис. 102 показаны основные элементы центральной проек-

ции: Е — горизонтальная плоскость, проходящая через какую-

либо точку местности и называемая плоскостью основания; Р —

плоскость снимка; 5 — центр проекции или точка фотографирова-

ния; 8о — главный луч — прямая, проходящая через центр про-

екции перпендикулярно к плоскости снимка; о — главная точка —

пересечение главного луча со снимком; / — фокусное расстояние

фотокамеры — расстояние от центра проекции до снимка; Я —

высота съемки — высота центра проекции относительно плоскости

основания; а

— угол наклона снимка; ТТ — линия основания —

пересечение плоскости основания с плоскостью снимка; <2 — пло-

скость главного вертикала — вертикальная плоскость, проходя-

134

щая через главный луч; 5

О — линия направления съемки — пе-

ресечение плоскости главного вертикала с плоскостью основания;

Х)Х)

— главная вертикаль — пересечение плоскости главного вер-

тикала с плоскостью снимка; V — пересечение линии основания

с главной вертикалью; п — точка надира — пересечение отвесной

линии, проходящей через центр проекции, с плоскостью снимка;

— главная горизонталь — прямая на снимке, проходящая че-

рез главную точку перпендикулярно к главной вертикали; 1З1 —

плоскость действительного горизонта — горизонтальная плоскость,

проходящая через центр проекции; И — линия действительного

горизонта — пересечение плоскости действительного горизонта с

плоскостью снимка; / — главная точка схода — пересечение линии

действительного горизонта с главной вертикалью; с — точка ну-

левых искажений — пересечение биссектрисы угла с плоскостью

снимка (такое название точка с получила потому, что углы в ней

равны соответствующим углам в плоскости основания и масштаб

по всем направлениям имеет постоянное значение); С — точка ос-

нования, соответствующая точке нулевых искажений.

В фотокамерах с главным лучом совмещают главную оптиче-

скую ось объектива. Поэтому главный луч часто называют оптиче-

ской осью фотокамеры.

Получим формулы, определяющие расстояния между важней-

шими точками снимка:

оп = {а

;

ос

= /

1/2 ос

;

о1 = /с!§а

Расстояние

81 = /Узт а

. (9.4)

Совокупность лучей, при помощи которых получен снимок,

называется связкой.

§ 50. Системы координат, применяемые

в аэрофотограмметрии

По аэрофотоснимкам положение точки местности определяется,

как и в наземной фотограмметрии, в левой системе прямоугольных

координат Гаусса 0

или в правой фотограмметрической

прямоугольной системе координат 0ХУ2, (рис. 103).

Начало и направления осей фотограмметрической системы ко-

ординат можно выбрать произвольно. В частном случае начало

совмещают с какой-либо точкой местности, например с точкой А,

или с центром проекции 5, а плоскость ХУ устанавливают гори-

зонтально.

При решении фотограмметрических задач на большие расстоя-

ния, а также в случае космических исследований применяют пра-

вую геоцентрическую систему координат 0[Х'

У[2'

(рис. 104). За

начало этой системы принимают центр земного эллипсоида, ось 2'

135

(9.1)

(9.2)

(9.3)

совмещают с полярной осью 0'

Р, а ось Х'

устанавливают в плоско-

сти начального меридиана.

Для определения положения точки на аэрофотоснимке приме-

няют плоскую прямоугольную систему координат. В отличие от

Рис. 103 Рис. 104

системы, принятой в наземной фотограмметрии, ее обозначают че-

рез о'ху (рис. 105). Начало координат находится в пересечении

прямых, соединяющих координатные метки 1, 2 к 3, 4. Ось х сов-

гп'

А.

Рис. 105

//77

/ .

/—

Рис. 106

мещают с прямой 1—2 (см. рис. 105) или устанавливают

параллельно прямой 3—2 (рис. 106). Часто начало координат на

снимке совмещают с точкой, координаты которой равны средним

значениям координат меток 1—4.

§ 51. Элементы ориентирования одиночного аэрофотоснимка

Элементами внутреннего ориентирования аэрофотоснимка, т.^е.

величинами, позволяющими определить положение центра проек-

ции относительно снимка и восстановить связку лучей, существо-

вавшую в момент фотографирования, являются координаты глав-

ной точки х

и у о и фокусное расстояние фотокамеры /.

136

Для определения положения связки в момент фотографирования

в аэрофотограмметрии служат две системы элементов внешнего

ориентирования.

К первой системе (рис. 307) относятся: Х

, У

, —

координаты точки фотографирования, в которой находился центр

проекции 5; а

— угол наклона снимка или угол отклонения оп-

тической оси фотокамеры от отвесной линии; I — дирекционный

угол оптической оси фотокамеры — угол между осью X и проек-

цией главного луча на плоскость ХУ; к — угол поворота снимка —

угол на снимке между главной вертикалью и осью у.

Вторая система элементов внешнего ориентирования

аэрофотоснимка (рис. 108) включает: Х

, У

, — координаты

точки фотографирования; а — продольный угол наклона снимка,

заключенный между осью 2 и проекцией главного луча на пло-

скость ХЪ\ со — поперечный угол наклона снимка, составленный

главным лучом с плоскостью Х2\ к — угол поворота снимка —

угол на снимке между осью у и следом плоскости, проходящей че-

рез главный луч и ось У.

Итак, аэрофотоснимок, как и наземный снимок, имеет девять

элементов ориентирования: три элемента внутреннего ориентиро-

вания и шесть элементов внешнего ориентирования. Из шести эле-

ментов внешнего ориентирования три — линейные, они определяют

положение центра проекции, а остальные угловые. Из них а

и I

или а и со фиксируют направление главного луча, а к — поворот

снимка вокруг главного луча.

Рис. 107

Рис. 108

137

Аэрофотоснимки делят на горизонтальные, плановые и перспек-

тивные.

Горизонтальные снимки (а

= 0) в настоящее время

при аэрофотосъемке получить нельзя.

Плановыми называют снимки, полученные при неболь-

ших углах наклона, когда в процессе аэрофотосъемки выполняется

горизонтирование камеры. В этом случае угол а

— ошибка при-

ведения оптической оси фотокамеры в вертикальное положение.

Если горизонтирование камеры производится вручную, то угол а

редко превышает 3°. В случае применения гиростабилизирующей

аэрофотоустановки угол а

в среднем равен 10', а предельное зна-

чение — примерно 40'.

Для перспективных снимков характерны большие

углы наклона, достигающие иногда 70—80° (для получения на

снимке изображения видимого горизонта).

Для создания топографических карт в настоящее время приме-

няются плановые аэрофотоснимки.

§ 52. Построение на снимке изображений точек и прямых

Любая точка местности на снимке изображается точкой

(рис. 109).

Прямой линии на снимке соответствует в общем случае тоже

прямая. В частном случае, когда прямая проходит через центр

проекции, например СО, изо-

бражение ее на снимке полу-

чается в виде точки.

Построим изображения пря-

мых АА

и ВВ

расположен-

ных в плоскости основания

параллельно направлению съем-

ки (рис. 110). Для этого продол-

жим данные прямые до пересече-

ния их с плоскостью снимка.

Пересечение получается на ли-

нии основания в точках Л

и В

. Точки, лежащие на линии

основания, одновременно явля-

ются и изображениями их в плос-

кости снимка. Поэтому изо-

бражения прямых АА

и ВВ

должны проходить через точки А

и В

. Теперь продолжим прямые АА

и ВВ

в обратную сторону

и получим изображение бесконечно удаленных точек, находящихся

на этих прямых. Проектирующий луч, идущий от бесконечно уда-

ленной точки прямой ААх, параллелен этой прямой и пересекает

плоскость снимка в главной точке схода /. Луч, идущий в центр

проекции от бесконечно удаленной точки прямой В В

оче-

видно, сливается с лучом 13 и пересекает снимок в той же точке /.

138

. Таким образом, в главной точке схода изображаются бесконечно

удаленные точки любых прямых, параллельных линии направле-

ния съемки.

Конечные отрезки А

1 и В

1 являются изображениями прямых,

начала которых находятся на линии основания, а концы бесконечно

удалены. Проведем лучи из концов прямых АА

и ВВ

в центр про-

екции. В пересечении этих лучей с прямыми Л

/ и В

1 получим

изображения а, а

, Ь, Ъ

точек А, А

, В, В

. Следовательно, от-

резки аа

и ЬЬ

представляют собой изображения прямых АА

и ВВ

Итак, параллельные прямые изображаются на снимке сходя-

щимися прямыми. Точкой схода изображений прямых, параллель-

ных линии направления съемки, служит главная точка схода.

Если параллельные линии находятся в горизонтальной плоскости,

то точка схода их изображений лежит на линии действительного

горизонта.

Рис. 110 Рис. 111

Из изложенного выше вытекают следующие правила построе-

ния изображений параллельных прямых: 1) продолжить прямые

до пересечения с плоскостью снимка; 2) провести через центр про-

екции луч, параллельный данным прямым. Пересечение этого луча

с плоскостью снимка определяет точку схода изображений данных

прямых; 3) точку схода соединить прямыми линиями с точками

встречи данных прямых с плоскостью снимка; 4) провести проек-

тирующие лучи из концов данных прямых в центр проекции. Пе-

ресечение этих лучей с соответствующими прямыми, полученными

в плоскости снимка, определяют положение изображений данных

прямых.

По этим правилам на рис. 111 построено изображение прямой,

лежащей в плоскости основания под углом ср к направлению съемки.

В этом случае точка схода I находится на линии действительного

горизонта и удалена от главной точки схода на расстояние Н =

= 5/ Ф-

Подставим сюда значение 5/ из выражения (9.4)

И = /(1§фЫп а

(9.5)

139