Лобанов А.Н. Фотограмметрия

Подождите немного. Документ загружается.

Пусть л = 10; т

= ± 0,01 мм; / = Ъ = 70 мм. Тогда т

= ± 0,35 мм; т

Уп

= ±0,18 мм; т

2п

= ± 0,30 мм в масштабе

снимка.

Если пространственная сеть ориентирована по опорным точ-

кам, расположенным на концах маршрута, то наибольшие ошибки

следует ожидать в середине сети. Их можно подсчитать по форму-

лам (22.25), если подставить в эти выражения га/2 вместо п и резуль-

тат разделить на л/2 .

=0,27 т«„п

;

ту =0,14 ттп

;

с ч

= 0,23 т — т

Ъ2

(22.26)

Для тех же данных (п = 10) получим: т

Хс

= ± 0,08 мм;

Ус

= ± 0,05 мм; т

2с

= ± 0,08 мм в масштабе снимка.

3. Если при построении маршрутной сети величины Ъ

устанав-

ливаются по показаниям статоскопа, то ошибки т

и т

можно

найти по выведенным выше формулам, так как передача масштаба

сети в этом случае, как и в предыдущем, осуществляется по связую-

щим точкам.

Закон накопления высотных ошибок т

при использовании по-

казаний статоскопа изменяется по сравнению с выражениями,

(22.26), так как элемент Ь

устанавливается независимо для каж-

дой модели.

Путем преобразования третьего равенства (22.22) можно полу-

чить следующую формулу для подсчета ошибки т

точки 2 одиноч-

ной модели:

+ (22.27)

где т

Ьг

— ошибка определения и установки величины Ь

, выра-

женная в масштабе снимка.

Если сеть свободная и состоит из л моделей, то в конце сети

тг

= т

У7Г. (22.28)

Если сеть ориентирована по опорным точкам, находящимся на

концах, то в середине сети

2с

= 0,50т

Уп . (22.29)

Пусть п = 10; т

= ± 0,01 мм; ть = ± 0,04 мм; / = Ь. Тогда

= ±0,04мм; т

2п

= ±0,13 мм и т

2с

= ±0,06 мм.

Сравнивая эти результаты с полученными выше, видим, что

использование показаний статоскопа позволяет повысить точность

определения высот, особенно при построении длинных маршрут-

ных сетей.

460

4. Если при построении маршрутной сети используются показа-

ния статоскопа и радиовысотомера, то для каждой модели незави-

симо устанавливают величину Ъ

и масштаб.

Положив йВ : В — Ш : Я, путем преобразования формул

(22.22) применительно к этому случаю получим следующие значе-

нии ошибки определения положения точки 2 одиночной модели:

"П.2

== т

0 Ь

3 т

1 р

Н + Щ,

1.2

ту = ш,; } (22.30)

- '

у К +

где и — ошибки определения и установки высоты фотогра-

фирования по показаниям радиовысотомера и разности высот фо-

тографирования по показаниям статоскопа, выраженные в масш-

табе снимка.

В конце свободной сети

тх

х 1 « ;

ту

= ту Уп ;

>П2

= т

Уп .

Если сеть опирается по концам на геодезические точки, то в се-

редине сети

= 0,50тх Уп ;

Ус

= 0,50ту ]ЛГ; (22.32)

2с

= 0,50т

У п

Пусть п -- 10; ! =

Ъ\

/п

= ±0,01 мм; т

=т

^=± 0,04 мм.

Тогда т

= ± 0,06 мм;

(22.31)

и'х =±0,18 мм;

ту = ±0,01 мм; т

± 0,06 мм",

= ±0,03 мм; т

2п

= ± 0,18 мм; т

Хс

±0,9 мм; т

Ус

---

±0,02 мм; т

2с

= ±0,09 мм в масштабе сни-

мка.

5. Допустим, что при построении маршрутной сети исполь-

зуются угловые элементы внешнего ориентирования снимков и по-

казания высотомера.

В этом случае независимо устанавливаются углы наклона и по-

порота снимков, а также масштаб каждой модели. Поэтому ошибки

определения координат точки 2 одиночной модели можно предста-

вить в соответствии с формулами (22.22) в таком виде:

--- т 2т^„

ту -- тт

_у

1,2

т,

1,2

(22.33)

461.

а ожидаемую точность сети подсчитать по формулам (22.31) и

(22.32).

Пусть п = 10; / = Ь = 70 мм; т, = ± 0,01 мм; т

Да

= ± 0,5';

АН

= ±0,01 мм в масштабе снимка. Тогда т

= ±0,020 мм; т

—

= ±0,010 мм; т

= ±0,017 мм; т

Хс

= ±0,032 мм; т

Ус

= ±0,015 мм;

гс

= ±0,027 мм в масштабе снимка.

Чтобы сократить полевые работы при съемке труднодоступных

районов, прокладывают каркасные маршруты, перпендикулярные

к заполняющим маршрутам. В этом случае опорные точки для

каркасных маршрутов определяют на местности, а опорные точки

для заполняющих маршрутов получают в результате пространст-

венной фототриангуляции по каркасным маршрутам. В данном

случае наибольшие ошибки определения координат точек местно-

сти следует ожидать на заполняющем маршруте. Эти ошибки можно

найти по формулам

/ Л н2 \1.2 I , "

\ 1 2

( '2 ,

-2 ч 1.2

)

+ ;

= [

) •

+ 'Пг

) •}

(22.34)

где индекс ' имеют ошибки, возникшие при построении ряда фото-

триангуляции по каркасному маршруту, а индекс " — ошибки,

возникшие при построении ряда по заполняющему маршруту. Эти

ошибки находятся по выведенным выше формулам.

Исследованию точности построения пространственных фото-

грамметрических сетей посвящены работы М. Д. Коншина, Г. В. Ро-

мановского, Р. П. Овсянникова, В. И. Павлова, В. В. Вайнаус-

каса и др. [12, 20, 36].

Глава 23

АВТОМАТИЗАЦИЯ СТЕРЕОИЗМЕРЕНИЙ

§ 158. Сканирование снимков и корреляция сигналов

Технико-экономический анализ камеральных фотограмметриче-

ских работ показывает, что наибольшее количество рабочего вре-

мени и средств расходуется на съемку контуров и рельефа, дешиф-

рирование снимков и подготовку составительского оригинала к из-

данию. Поэтому автоматизация данных процессов является весьма

актуальной проблемой.

Производительность труда при съемке контуров и рельефа на

обычных универсальных стереоприборах ограничена возможно-

стями зрительного аппарата человека. Предельная скорость дви-

жения измерительной марки по снимку в процессе вычерчивания

контура или горизонтали для среднего наблюдателя колеблется

от 2 до 10 мм/с в зависимости от характера местности и качества

снимков. Автоматизация процесса стереоизмереиий позволяет соз-

дать новые приборы, отличающиеся большим быстродействием.

462

Первые исследования в этой области были выполнены в

МИИГАИКЕА. С. Скиридовым в 1924—1932 гг. Полагая, что до-

статочно малые идентичные участки стереопары подобны, он пред-

ложил преобразовать фотографические изображения в электриче-

ские сигналы и анализировать эти сигналы для ряда точек, равно-

мерно расположенных в пределах этих участков.

/Однако в то время это предложение не получило развития глав-

ным образом из-за отсутствия технических средств для его реали-

зации.

В 1960 г. А. С. Скиридов возобновил свои исследования и вместе

с Г. Д. Федоруком приступил к созданию изогипсографа для авто-

матического проведения горизонталей по снимкам. К этому вре-

мени за рубежом появились опытные приборы, фактически разви-

вающие и реализующие принцип, предложенный А. С. Свиридо-

вым, на основе достижений электронной техники.

Во всех автоматических стереоприборах идентификация соот-

ветственных точек стереопары выполняется без участия оператора.

При автоматическом определении высот по стереопаре измеряется

продольный параллакс.

В основу измерения продольного параллакса положена дина-

мическая теория стереозрения, согласно которой изображения

объекта, полученные на сетчатках, сканируются в результате ма-

лых непроизвольных движений глаз. Раздражения колбочек, воз-

никшие в процессе сканирования изображений, поступают в мозг

в виде сигналов. Движения глаз согласованы и синхронизированы.

Если два сигнала, поступившие в мозг от пары соответственных

точек, совпадают во времени, то наблюдаемая точка объекта на-

ходится в начальной плоскости. Наоборот, при несовпадении т

соответственных сигналов по времени наблюдаемая точка объекта

пе лежит в начальной плоскости. Таким образом, величина несов-

падения т (задержка) соответственных сигналов служит критерием

оценки пространственного положения наблюдаемых объектов.

Для совмещения измерительной марки с поверхностью модели

в универсальном стереоприборе, например в двойном проекторе,

достаточно определить величину взаимного смещения идентичных

точек на экране измерительного столика и устранить это смещение.

Чтобы автоматизировать решение такой задачи, сначала преобра-

зуют стереопару в электрические сигналы. Это осуществляется

путем одновременного сканирования левого и правого снимков

световым пятном электронно-лучевой трубки.* При этом пятно

имеет одинаковую интенсивность, а интенсивность света, прошед-

шего через снимок, зависит от плотности изображения сканируе-

мых точек. Пройдя снимок, световые лучи попадают на фотоэле-

мент, преобразующий световую энергию в электрические сигналы

(видеосигналы). Интенсивность видеосигналов зависит также от

плотности фотографического изображения. Затем с помощью кор-

* Сканировать снимки целесообразно по соответственным базисным ли-

ниям, так как идентичные точки находятся на этих линиях.

463.

релятора видеосигналы, идущие от левого и правого снимков, ана-

лизируются. В результате анализа вырабатывается новый сигнал,

который приводит в движение мотор, перемещающий экран изме-

рительного столика до тех пор, пока смещение соответственных

точек на экране не будет устранено.

/Пусть А

и А

— сигналы, поступившие в коррелятор от пары

соответственных точек. Сдвиг т одного сигнала относительно дру-

гого можно найти путем вычисления значений функций, связываю-

щих эти сигналы. Для решения такой задачи можно использовать

различные функции, например, среднее за некоторый период вре-

мени значение разности сигналов

1 +

Бх = ? + (23.1)

2 Т _

или квадрата разности

1 +

= С [Л

(0- А

{1 +

%)]*<11,

(23.2)

2Т _

или произведения

= Л(0Л

(Н-т)Л, (23.3)

или частного

«г.^Тм+1,,

(23

.4)

2 Т ) А

{1)

—т

При т = 0 эти функции принимают предельное значение. Сле-

довательно, фиксируя предельное значение какой-либо из этих

функций, можно определить положение, при котором соответствен-

ные точки совмещены.

Кроме сигнала о степени совмещения пары соответственных

точек коррелятор может выработать и другие сигналы, указываю-

щие на направление ошибки совмещения или на направление на-

клона местности, что необходимо для проведения горизонталей.

Сканирующая и корреляционная системы автоматических уни-

версальных стереоприборов определяют высоту точек местности

и ее наклон с помощью заложенных в вычислительное устройство

программ управления. Эти программы объединяют в единую замк-

нутую систему все четыре устройства: наблюдательное, вычисли-

тельное, сканирующее и корреляционное.

Эти же устройства служат основой автоматизации и других

процессов составления по снимкам топографической карты. До-

бавляются только программы, управляющие автоматическим вы-

черчиванием. При этом вычислительное устройство осуществляет

две дополнительные функции: 1) вырабатывает движения, необхо-

димые для нанесения горизонталей или профиля местности, и 2) уп-

равляет вычерчиванием горизонталей и профилей на столе коор-

динатографа.

464.

Выработка движений для нанесения горизонталей и управле-

ние рисовкой рельефа — задачи более трудные, чем составление

профилей. Поэтому ряд автоматических универсальных стерео-

приборов позволяет строить только профили и не может проводить

горизонтали. В этом случае горизонтали наносят вручную путем

обработки профилей, вследствие чего процесс занимает много вре-

мени.

Кроме выработки движений каретки координатографа процесс

картографирования требует выполнения ряда других промежуточ-

ных действий. К ним относятся управление работой карандаша ко-

ординатографа; определение конца вычерчиваемой линии и переход

к следующей линии; определение условий, когда автоматическое

вычерчивание становится невозможным, и переход к соответствую-

щим корректирующим операциям. Все эти действия выполняются

вычислительным устройством.

Автоматическое вычерчивание продолжается до тех пор, пока

изображение местности достаточно хорошее. Если же изображение

на каком-либо участке плохое, то поверхность модели может быть

потеряна стереовоспринимающей системой. В этом случае система

останавливается. Момент потери поверхности определяется глав-

ным образом по признаку малой измеренной корреляции. Потеря

поверхности происходит главным образом на участках, где отсутст-

вуют детали изображения, например на озерах или крупных одно-

образных полях, острых гребнях и узких ущельях.

Вычислительное устройство запрограммировано так, что при-

бор пытается выйти из условий потери поверхности путем систе-

матического поиска.

§ 159. Изогипсограф

Изогипсограф разрабатывался в МИИГАиК по, предложению

Л. С. Скиридова для автоматического проведения горизонталей по

снимкам.

Рассмотрим узел изогипсографа, созданный для нахождения

идентичных точек стереопары. На рис. 291 представлены основные

части этого узла: электронно-лучевая трубка 1, блок управления 2,

оптический расщепитель 3, фотоумножители 4, блок регулировки

яркости 5, усилители 6, схема обработки сигналов 7, блок сравне-

ния сигналов 8, индикатор наличия сигнала 9, схема совпадений 10,

печатающее устройство 11.

Формирование видеосигналов производится электронно-луче-

ной трубкой и фотоумножителями. В приборе применена схема оп-

тического расщепления и проектирования растра одной электронно-

лучевой трубки на снимки Р

и Р

. Блок регулировки яркости слу-

жит для автоматического поддержания определенного уровня сиг-

пала путем изменения яркости экрана электронно-лучевой трубки.

Увеличенные усилителями и нормализованные по величине сигналы

поступают в блок обработки и блок сравнения сигналов. Сигналы

сравниваются по их мгновенным значениям. Если они идентичны,

465.

то выделяется импульс на схему совпадений, которая служит дат-

чиком для запуска печатающего устройства 11. Разрешение на пе-

чать дается лишь в том случае, если в схему совпадений кроме сиг-

нала, поступающего из схемы сравнений, подается сигнал 9 о на-

личии изображений в пределах проектируемого участка снимка

в одной из ветвей оптической системы.

Автоматическое сравнение видеосигналов, поступающих от то-

чек левого и правого снимков, выполняется двумя методами.

Первый метод называется амплитудным и позволяет сравнивать

сигналы по их мгновенным значениям в течение каждой строки.

Сигналы воспринимаются как одинаковые в том случае, если их

Рис. 291 Рис. 292

мгновенные значения не превышают заданной величины АЛ. В про-

тивном случае сигнал совпадения не выдается. Для сравнения

сигналов, полученных от отдельных участков на снимках, исполь-

зуется принцип накопления расхождений в течение строки (кадра).

При этом отдельные расхождения фиксируются, накапливаются

блоком образования интегральной функции и анализируются схе-

мой совпадения. Сравниваемые сигналы подводятся к паре откло-

няющих пластин электронно-лучевой трубки. Когда сигналы не-

одинаковы, светящееся пятно, находившееся в центре экрана

трубки, отклоняется вверх или вниз. Центральная часть трубки

закрыта не прозрачной пластинкой. При выходе светового пятна

за пределы пластинки срабатывает электронный умножитель, уста-

новленный перед экраном трубки, и подается сигнал в схему сов-

падения о наличии рассогласования. Данный метод позволяет срав-

нивать сигналы в весьма широком диапазоне частот.

Второй метод основан на применении схемы сравнения сигналов

по времени и может быть использован самостоятельно или сов-

местно с амплитудным методом. Обычно сигналы Л

и Л

, полу-

466.

ченные от соответственных участков левого и правого снимков,

различаются по амплитуде (рис. 292, а). Однако в пределах малых

участков взаимные соотношения плотностей отдельных деталей

не нарушаются. Поэтому отрезки, образованные пересечением кри-

вых А

и А

и прямых среднего уровня, для каждого сигнала будут

равны

= аф

\ Ь^ = 6

и т. д.

Исходя из этого, сигналы, поступающие с фотоэлектронного

умножителя, усиливаются и ограничиваются сверху и снизу,

в результате чего образуются П-образные импульсы длительностью,

обусловленной точками перехода сигналов через границу среднего

уровня (рис. 292, б). Полученные таким образом сигналы посту-

пают в схему сравнения, где производится вычитание одного сиг-

нала из другого. При идеальном соотношении плотностей изобра-

жений на снимках в результате сравнения получается нуль

(рис. 292, в).

§ 160. Аналитический фотокартограф

Аналитический фотокартограф предложен А. Н. .Лобановым

и И. Г. Журкиным для автоматической цифровой обработки сте-

реопар с целью получения ортофотоснимков с изображением

рельефа местности.

На рис. 293 представлена блок-схема этого прибора. Основными

частями его служат: два передающих фотоэлектрических узла ПУ,

два узла формирования растра ФР, два узла преобразования ин-

формации снимка в код ЭЦВМ П, блок корреляции БК, местное

устройство управления МУУ, узел предварительного накопления

информации ПН, узел обработки информации, считанной со сте-

реопары, ЭЦВМ, приемный фотоэлектрический узел ПРУ.

Существенной особенностью автоматического фотокартографа

является полное отсутствие механических связей, благодаря чему

уменьшается инерционность прибора. Это обеспечивается узлами

формирования растра и программным управлением разверткой,

что дает возможность непосредственно со снимка вводить в машину

информацию о любых его точках, координаты которых задаются

машиной. Программное управление разверткой кроме указанного

обладает еще и тем преимуществом, что при таком способе считы-

вания память машины не загружается лишней информацией, так

как сам снимок служит запоминающим устройством, к которому

можно обращаться в любое время в соответствии с программой,

реализующей заложенный в машину алгоритм обработки стерео-

пары.

Конечный результат обработки стереопары получается также

без применения механических устройств: он изображается на эк-

ране электронно-лучевой трубки и фиксируется фотографическим

способом.

467.

С целью повышения скорости стереоизмерений процесс идентифи-

кации соответственных точек стереопары разбит на два этапа:

1) идентификация соответственных участков стереопары с помощью

быстродействующего коррелятора и 2) идентификация соответст-

венных точек с помощью ЭЦВМ.

Кроме повышения скорости стереоизмерений такой метод иден-

тификации точек имеет еще одно существенное достоинство: умень-

шается объем информации, необходимой для ввода в ЭЦВМ, что

значительно снижает требования к машине.

В аналитическом фотокартографе задача идентификации точек

на стереопаре рассматривается как статистическая задача по рас-

познаванию образов при на-

личии случайных искажений

или помех.

Под образом на снимке

понимается отдельная область

снимка со всей информацией,

которая заключена в эту

область, причем размеры и

конфигурация образа могут

быть самыми различными.

Следовательно, снимок

рассматривается как совокуп-

ность отдельных образов,

каждый отдельный образ —

как совокупность новых об-

разов, более элементарных.

Совокупность элементарных образов, составляющих другой, бо-

лее общий образ К, будем рассматривать как векторное поле об-

раза К, а каждый элементарный образ в отдельности примем за

единичный вектор этого поля р,-.

Используя эти понятия, задачу идентификации точек стерео-

пары можно представить как нахождение на левом и правом сним-

ках двух образов, расстояние между которыми минимально, т. е.

отыскание

тш|Я

— Яп|, (23.5)

где — образ вокруг точки левого снимка; Я

— образ вокруг

точки правого снимка. Причем образ К

задан в поле р,-

л>

а образ

— в поле р1п- В этом случае р;

— единичные векторы образа

, а р

1п

— единичные векторы образа

Итак, если на левом снимке стереопары точка выбрана, то за-

дача нахождения идентичной ей точки на правом снимке сводится

к определению кратчайшего расстояния между неизвестным обра-

зом на правом снимке и заданным образом на левом снимке. Из-

вестно, что данный критерий является оптимальным при шумах,

обладающих следующими характеристиками:

468.

Рис. 293

1) плотность вероятности для шума есть некоторая монотонно

убывающая функция суммы квадратов его компонент

Р (Г) = / (Г«). (2.3.6)

где

= X (23.7)

а гс — компоненты вектора шума;

2) плотность шума не зависит от параметров самого изображе-

ния объекта.

Такими свойствами обладает, например, гауссов шум с незави-

симыми компонентами и равными для всех компонент дисперсиями.

Кроме того, можно показать, что при любом законе распределе-

ния шумов вероятность ошибочного распознавания на основе дан-

ного критерия стремится к нулю, когда отношение дисперсии шума

к квадрату минимального расстояния между двумя любыми обра-

зами, взятыми на правом снимке, неограниченно убывает.

В качестве простого способа для определения функционала

(23.5) применительно к оптическому изображению использован

известный метод скалярного перемножения двух образов, т. е.

вычисление коэффициента

к = • (23.8)

Дл||Лп|

После преобразований можно получить следующее выражение,

описывающее нахождение идентичных образов на стереопаре:

(Р,"л-Рл) (Р<п-Рп)

, , (23.9)

(Р.Л-Р;)

где

Рл

2Р;л

;

р;=-1-2р

{п

, (23.10)

N - размерность образа.

Таким образом, нахождение идентичных точек сводится к оп-

ределению максимального коэффициента к при сравнении задан-

ного образа на левом снимке со всем разнообразием образов пра-

вого снимка.

Для сужения области поиска идентичных точек накладываются

дополнительные условия (трансформирование снимков, предельные

значения продольных параллаксов). Благодаря этому уменьшается

число образов на правом снимке, которые непосредственно должны

участвовать в процессе идентификации точек, и резко возрастает

эффективность метода.

469.