Лобанов А.Н. Фотограмметрия

Подождите немного. Документ загружается.

управление вводом и выводом данных и др. В этот блок входят и

устройства питания для четырех приводов снимкодержателей.

Вычислитель выбран так, чтобы он удовлетворял следующим

требованиям. Импульсы со штурвалов и ножного диска должны

считываться достаточно часто, обрабатываться и передаваться в

виде смещений снимкодержателей и каретки координатографа. Уп-

равление должно быть практически свободно от инерции, если

выполняется не менее 40 вычислительных циклов в секунду и вы-

водимые значения смещений преобразуются в линейные значения

сервосистемой раньше, чем начнется следующий цикл ввода. Кроме

большой скорости вычислений необходима и высокая точность их,

которая должна соответствовать точности фотограмметрических

измерений, равной Ю

-5

и эквивалентной примерно 20 битам.

Поэтому для планикомпа выбран вычислитель «Хевлетт Паккард

НР 21 МХ», который имеет внутреннюю память 32 К (1024 X 32)

слов и блок магнитных дисков емкостью 4,9 мегабайта, распреде-

ленной между стационарным и взаимозаменяемым дисками. Точ-

ность вычислений этой ЭЦВМ повышена путем переоборудования

на режим работы с плавающей запятой. При этом скорость вычис-

лений существенно не снижена.

Емкость внутренней памяти может быть увеличена в дальней-

шем до 64, 128 и 256 К- Могут быть добавлены обычные внешние

устройства — ленточный перфоратор, вводное устройство для пер-

фолент, магнитные ленты, дополнительный дисковод, печатная ма-

шинка.

Блок программного обеспечения содержит около 70 программ.

Они подразделяются на операционные и обслуживающие программы.

Операционные программы предназначены для распределенйя

памяти, запуска внешних устройств, управления программными

циклами, считывания импульсов и преобразования их в линейные

смещения кареток, ввода в действие обслуживающих программ,

а также для выполнения других операций.

Обслуживающие программы составлены на языке Фортран.

Они моделируют работу универсального стереоприбора аналого-

вого типа: позволяют выполнять внутреннее ориентирование сним-

ков, взаимное ориентирование снимков и внешнее ориентирование

модели.

Программа внутреннего ориентирования снимков предусматри-

вает измерение координат двух или четырех координатных меток

и вычисление параметров, определяющих положение снимков в при-

боре, и величин, необходимых для обработки результатов измере-

ний. При использовании четырех координатных меток можно учесть

аффинную деформацию снимков.

Программа взаимного ориентирования снимков позволяет вы-

полнять этот процесс путем последовательных приближений по

поперечным параллаксам, измеренным на точках, количество ко-

торых можно изменять в пределах от 6 до 24. При этом выдаются

остаточные поперечные параллаксы и их среднее квадрэтическое

значение.

480.

Программа внешнего ориентирования модели может использо-

вать до 24 плановых, высотных и планово-высотных опорных то-

чек, расположенных произвольно. В основе этой программы лежит

итерационный метод с выдачей остаточных ошибок на опорных точ-

ках.

Рассмотрим и другие обслуживающие программы.

Программа ориентирования планшета вычисляет параметры

связи модели и планшета, установленного на координатографе. Для

этого измеряются координаты двух точек модели, соответствующих

двум опорным точкам на планшете. При использовании большего

количества опорных точек, но не более 24, производится уравнива-

ние и вычисляются остаточные ошибки. Программа позволяет вво-

дить поправки за деформацию основы.

Программа ручного ориентирования обеспечивает выполнение

ориентирования снимков и модели так, как это принято для ана-

логовых универсальных стереоприборов.

Программа записи цифровых моделей местности обеспечивает

запись координат точек цифровой модели и хранение этих данных.

Аналогичная программа имеется для записи профиля мест-

ности.

Программа составления карты состоит из ряда подпрограмм,

позволяющих вычерчивать контуры и рельеф обычными приемами,

принятыми при обработке снимков в аналоговых приборах, или

частично механизировать этот процесс: нанести на планшет любой

текст и условный знак, предварительно набрав их на клавиатуре,

построить координатную сетку, провести прямую через две данные

точки, зарегистрировать координаты любой точки местности, изоб-

разившейся на стереомодели, и т. п.

Имеются программы для вычисления средних отсчетов при мно-

гократном визировании на точку модели, горизонтальных и верти-

кальных расстояний, длин прямых и кривых линий, азимутов, уг-

лов наклона местности, а также площадей и объемов сфотографиро-

ванных объектов путем непрерывного или дискретного прослежи-

вания их границ.

Для фототриангулирования предназначены две программы.

Первая служит для построения маршрутной сети способом частично

зависимых моделей, внешнего ориентирования ее и уравнивания.

Вторая позволяет создавать независимые модели и объединять их

в маршрутную или блочную сеть.

Координатограф обеспечивает составление карт, управляемое

вычислителем или производимое вручную. Он снабжен устройст-

вами, позволяющими изменять масштаб вычерчивания в значитель-

ных пределах, проводить сплошные или штриховые линии и управ-

лять работой чертежного инструмента.

Планикомп позволяет стереоскопически обрабатывать плановые,

перспективные и конвергентные снимки, полученные с летательных

аппаратов, а также снимки наземной фотосъемки с любыми фокус-

ными расстояниями, имеющие достаточное перекрытие и- допусти-

мое различие масштабов.

Уг'-б Зак. 1505 481

Система планикомп относится к универсальным, высокоточным,

надежным и быстродействующим системам. Она имеет существен-

ные преимущества перед аналоговыми приборами. По данным

фирмы, внутреннее и взаимное ориентирование снимков и внешнее

ориентирование модели выполняются в течение 10—20 мин. На ана-

логовых приборах на это затрачивается 40—120 мин. Обработка

одной модели (12—15 точек) длится не более 30 мин. На аналого-

вых^приборах только наблюдение точек требует 20 мин.

Основные характеристики планикомпа

Формат снимков До 23X23 см

Фокусные расстояния снимков Любые

Углы наклона и углы поворота снимков Любые

Увеличение наблюдательной системы 8 * и 16

Диаметр измерительной марки 40 мкм

Поле зрения при увеличении 8

30 мм

ЭЦВМ:

Внутренняя память вычислителя 32 К

Емкость магнитных дисков 4,9 мегабайта

Шаг измерительного винта 1 мм

Число импульсов за один оборот винта 1000

Размер стола координатографа 120Х 120 см

Пределы изменения масштаба карты по сравнению с масшта-

бом модели 9 : 1—1 : 9

Точность координатографа 0,01 мм

§ 164. Цифровая автоматическая картосоставительская

система

В цифровой автоматической картосоставительской системе

(США) электронная вычислительная машина служит для обработки

всей информации, получаемой от снимков и из геодезических из-

мерений.

Система состоит из электронной цифровой вычислительной ма-

шины 1ВМ-7094, стереокомпаратора 5ТК-1 Вильда и фотоцифро-

вого устройства. Имеются системы двух типов: система с последо-

вательным программированием, отличающаяся большой точностью,

и система с предварительным программированием, имеющая мень-

шую точность, но обеспечивающая более высокую скорость работы.

Фотоцифровое устройство состоит из блока магнитных лент

и сканирующего печатного устройства.

Блок магнитных лент используется в качестве запоминающих

устройств для входных и выходных данных вычислительного уст-

ройства и выдает синхронизирующие импульсы для всей системы.

Сканирующее печатное устройство в сочетании со стереокомпа-

ратором выполняет две функции: 1) сканирует снимки, преобразуя

фотоизображение в цифровую форму, и вводит полученные данные

в вычислительную машину; 2) преобразует цифровые данные, за-

писанные на магнитной ленте, в фотографическое изображение,

т. е. производит печать. Разрешающая способность сканирующего

устройства 16 или 32 точки на 1 мм. Для кодирования плотностей

482.

фотоизображения используются три шкалы — 8, 16 и 32 ступени.

Система, с последовательным программированием, блок-схема

которой показана на рис. 299, имеет замкнутый цикл и включает

пять программ: 1) ориентирования, 2) трансформирования, 3) срав-

нения цифровых изображений снимков, 4) получения ортофото-

снимков и вычерчивания горизонталей, 5) нанесения километровой

сетки.

| I

Фокусиру-

ющая

катушка

Отклоня •

пщая

катушка

Управление

фокуси-

ровкой

Сигнал отклоне-

ния по оси Л

Усилитель

отклоняю-

* щей

системы

Мотор

' Стереокомпара-

>1^— I

—I

тор

^Рит.

I житель •

У с или-1—».

Схема

коррекции

X, У

Ус/,

кос

положения

вала

теми

Аналого-циф-

ровой преоб'-

разоВатель

Аналого-риф-

оовоцпреоо-

разоВатель

Генератор

и схема

переклю-

чения

^налогсщид, -

роВой '

.преобра-

зователь

Видеоу-

силитель

Счетчик

отклонения"

иоутерная

схема

• Система

•

управле-

ния

Блок ко-

дирования

и записи

ч,

Й*

Рис. 299

Программа ориентирования служит для вычисления элементов

внешнего ориентирования снимков по опорным точкам. Геодезиче-

ские координаты этих точек, координаты их изображений на снимке

и элементы внутреннего ориентирования снимка вводятся в вычис-

лительную машину. Элементы внешнего ориентирования снимков

используются при сканировании и являются исходными для тран-

сформирования стереопары. Кроме того, для трансформирования

необходимы результаты измерения снимков, полученные при ска-

нировании их на стереокомпараторе.

Программа трансформирования вычисляет поправки в коорди-

наты точек стереопары и исправленные значения этих координат.

Эти данные используются для коррекции сканирования и служат

исходными для программы сравнения и отождествления (корреля-

ции) цифрового изображения стереопары, а также для определе-

ния продольных параллаксов.

В программе сравнения цифровых изображений стереопары

использован метод статистической корреляции для определения

16* 483

соответственных точек. Участок левого снимка сравнивается с не-

сколькими участками правого снимка и вычисляется коэффициент

корреляции (совпадения). Самый большой коэффициент корреля-

ции служит признаком идентичности изображений. Затем участки

сравнения уменьшаются с целью повышения в точности идентифи-

кации точек.

Программа получения ортофотоснимков позволяет вносить по-

правки в положение точек на снимках за влияние рельефа и тем

самым приводить центральную проекцию к ортогональной. Кроме

того, эта программа по исправленным параллаксам определяет

отметки точек, соответствующие заданному сечению рельефа. Вы-

ходные данные используются для получения ортофотоснимков и на-

несения горизонталей.

Программа нанесения километровой сетки вычисляет коорди-

наты пересечений линий этой сетки по геодезическим координа-

там опорных точек.

Система с предварительным программированием позволяет вы-

бирать различные режимы работы в зависимости от заданной точ-

ности и быстродействия. Она имеет три основные программы обра-

ботки цифровых данных: 1) управления системой, 2) нанесения го-

ризонталей, 3) составления ортофотоснимков.

Обработка стереопары с выдачей ортофотоснимка и горизонта-

лей с помощью данной системы выполняется в среднем за 1 ч (фор-

мат снимка 23 X 46 см).

Выходные результаты этой системы и других цифровых систем

требуют дальнейшей ручной обработки: вычерчивания контуров,

укладки и вычерчивания горизонталей и др. [15, 42].

§ 165. Перспективы развития автоматизации

стереоизмерений

В области автоматизации процессов стереовосприятия и состав-

ления топографических карт на универсальных стереоприборах

достигнуты существенные успехи. Современные сканирующие и кор-

реляционные устройства, а также программы вычислительных уст-

ройств позволяют получать ортофотоснимки и проводить горизон-

тали без участия оператора. Однако в отдельных случаях возмож-

ности автоматического прибора оказываются недостаточными и тре-

буется помощь оператора. Автоматическая система в этих случаях

останавливается, так как сканирование и корреляция не обеспе-

чивают возможности получения от стереопары достаточной инфор-

мации для выработки направляющего сигнала.

Можно отметить следующие основные направления совершенст-

вования автоматических стереоприборов:

1. Усовершенствование процесса корреляции. Автоматическое

устройство, дублируя функции оператора, сопоставляет детали

изображения только вблизи измерительной марки. Однако этот

способ, основанный на изучении небольших участков снимков,

имеет существенные недостатки. Информация о наклоне поверхно-

484.

сш и о параллаксе, по которой вычислительное устройство выра-

батывает направляющие сигналы, засоряется шумами, вызван-

ными микрорельефом, и не включает данных о важных деталях

местности, если они не находятся вблизи измерительной марки.

Поэтому весьма желательно расширить область сканирования для

получения большей информации о местности. Однако при обра-

ботке снимков пересеченной местности площадь сканирования ог-

раничивается главным образом плоскостной аппроксимацией по-

верхности. Чтобы снять это ограничение, необходимо приспособить

процесс сканирования к кривизне поверхности, выполняя его по

более сложным законам. Это не только улучшит информацию о

направлении движения, но и повысит чувствительность и точность

сканирования и корреляции.

Такое регулирование формы площади сканирования можно осу-

ществить в сканирующих устройствах с бегающим пятном. Но это

требует значительного усовершенствования коррелятора, чтобы

сн воспринимал дополнительные параметры, относящиеся к кри-

гизне и степени пересеченности местности. Кроме того, необходимы

программы для расчета информации о дополнительном регулиро-

вании формы площади сканирования. Потребуется усовершенство-

вать и генератор развертки, который должен генерировать сигналы

более сложной развертки.

При наличии на стереопаре деталей с высокой оптической плот-

ностью и малым контрастом сканирующее устройство с бегающим

лучом имеет малую чувствительность. Это устройство может быть

заменено когерентным оптическим коррелятором. Он обладает спо-

собностью одновременно обрабатывать большие площади изображе-

ний и исключает процесс сканирования изображения, превращая

его во временные сигналы. Необходимое отношение сигнала к шуму

в оптическом корреляторе обеспечивается применением мощных

лазеров.

2. Развитие методов, позволяющих воспринять и передать вы-

числительному устройству дополнительную информацию. Особый

интерес представляют методы распознавания образов, так как они

способствуют идентификации точек и дешифрированию снимков.

Разрабатываются системы по распознаванию образов с примене-

нием статистического анализа сигналов сканирующего устройства

для выходных сигналов коррелятора. Система распознавания об-

разов в сочетании с автоматическим стереоприбором может выпол-

нять несколько дополнительных функций. Одна из них — автома-

тическое распознавание деревьев и зданий, вызывающих значи-

тельные ошибки определения высот точек местности. Другой до-

полнительной функцией может быть автоматическое определение

этих ошибок с целью исключения их влияния.

3. Расширение роли вычислительного устройства. В известных

автоматических стереоприборах вычислительное устройство осу-

ществляет главные функции при выработке движений для вычер-

чивания. Однако значительная часть возможностей вычислитель-

ного устройства остается неиспользованной. К ним относятся:

16 Зак. 1505 485

более детальная обработка основных данных, поступающих для

автоматического вычерчивания;

усложнение программ управления вычерчиванием с целью более

эффективной обработки снимков горной местности;

повторная обработка для исключения сомнительной информа-

ции, а также для корректуры и генерализации результатов первич-

ной обработки.

4. Использование голографии — метода получения изображе-

ний объектов и обработки оптических сигналов, основанного на

интерференции света. Голограммы отличаются подробным отобра-

жением различных характеристик объекта, высокой разрешающей

способностью и возможностью построения пространственного об-

раза по одной фотографии и даже по части голограммы.

5. Применение телеметрических методов, позволяющих исполь-

зовать в автоматических системах вместо снимков информацию,

получаемую непосредственно с самолета, искусственного спутника

Земли или с межпланетного космического корабля. Эти методы обес-

печат значительное сокращение сроков картографирования.

Дальнейшее усовершенствование автоматических универсаль-

ных стереоприборов и систем может расширить их возможности до

такой степени, что они будут способны обрабатывать снимки лю-

бых районов без помощи оператора, и существенно повысить про-

изводительность фотограмметрических работ.

Глава 24

СТЕРЕОТОПОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД

СОЗДАНИЯ КАРТ

§ 166. Универсальный и дифференцированный способы

Стереотопографический метод в отличие от комбинированного

позволяет получить в камеральных условиях по снимкам не только

контурную часть карты, но и изображение рельефа. Полевые ра-

боты в этом случае включают лишь определение опорных точек

для внешнего ориентирования фотограмметрических сетей и де-

шифрирование или проверку камерального дешифрирования сним-

ков.

Для составления карты по снимкам используют обычно универ-

сальные стереоприборы, а в отдельных случаях — дифференци-

рованные. В соответствии с этим в стереотопографическом методе

различают два способа составления карты — универсальный и диф-

ференцированный.

К основным процессам стереотопографического метода отно-

сятся:

аэрофотосъемка;

определение опорных точек и дешифрирование снимков в поле;

фотограмметрическое сгущение опорной сети;

486.

съемка контуров и рельефа по снимкам.

Масштаб снимков выбирается в зависимости от масштаба соз-

даваемой карты и физико-географических условий района карто-'

графирования.

Фокусное расстояние съемочной камеры, масштаб снимков и их

качество должны обеспечивать возможность создания достаточно

подробной и точной карты при наименьшем объеме полевых и ка-

меральных работ. Щр

Из выражения (14.8) следует

вА=//1

_вДЕ_, (24.1)

т. е. точность определения высот точек местности по-снимкам тем

выше, чем меньше высота фотографирования. Последняя будет

меньше, если меньше фокусное расстояние съемочной камеры. Поэ-

тому для стереотопографического метода создания карт применяют

короткофокусные аэрофотоаппараты. Однако не во всех случаях

можно использовать короткофокусную оптику. Например, при

съемке горных и высокогорных районов нельзя применять фото-

камеры с очень коротким фокусным расстоянием, так как полу-

чаются слишком большие разности продольных параллаксов и за-

трудняется, а в некоторых случаях и вовсе исключается стереоско-

пическое изучение снимков. Опытным путем установлено, что раз-

ности продольных параллаксов не должны превышать 15 мм.

Для определения зависимости между фокусным расстоянием

фотокамеры и разностью продольных параллаксов подставим в ра-

венство (14.8) значение Я

= /т, где т — знаменатель масштаба

снимка. Получим

(24.2)

тр

Пусть к = 1000 м; т — 40 ООО; р = 60 мм и Др = 15 мм. Тогда

[ = 100 мм. Таким образом, в данном случае не следует пользо-

ваться аэрофотоаппаратом с фокусным расстоянием меньше 100 мм.

Из выражения (24.1) следует, что высоту фотографирования,

соответствующую заданной точности определения высот точек ме-

стности б к, можно получить по формуле

Я=—6й,1 (24.3)

6Д р

где р — продольный параллакс; б к — средняя ошибка, допусти-

мая при определении высот точек, подписываемых на карте; 6Др —

средняя ошибка определения разности продольных параллаксов.

Ошибка 6Др = 20 мкм, если карта составляется на аналити-

ческом стереоприборе; б Ар = 0,04 мм, если снимки обрабатываются

на стереопроекторе или стереографе, и 6Д/? = 0,07 мм, если при-

меняется стереометр. Подставим эти значения 6Др в формулу (24.3),

полагая, что р — 70 мм.

16* 487

Тогда для аналитического стереоприбора

Н = 36006/г,

для стереопроектора и стереографа

Я = 18008Л

и для стереометра

Н = 10006Л.

(24.4)

(24.5)

(24.6)

Пусть требуется составить на стереопроекторе карту масштаба

1 : 25 ООО горного района. Согласно наставлениям по топографиче-

ской съемке в данном случае средняя ошибка высот, подписывае-

мых на карте, не должна превышать 2,5 м. Таким образом, высота

фотографирования, как следует из равенства (24.4), может быть

4500 м, а масштаб снимков при / = 100 мм будет равен 1 : 45 ООО.

Для фотографирования местности применяют аэрофотоаппараты

с фокусными расстояниями от 50 до 200 мм. Равнинные и холмистые

районы фотографируют короткофокусными аэрофотоаппаратами

с большим полем зрения, чтобы обеспечить необходимую точность

определения высот. Горные и высокогорные районы фотографи-

руют аэрофотоаппаратами с фокусными расстояниями '100—200 мм.

Перекрытия снимков в равнинных и холмистых районах

60 X 30 %, а в горных и высокогорных увеличиваются в соответст-

вии с рельефом местности. Часто и в равнинных или холмистых

районах увеличивают продольное перекрытие снимков до 80 %,

чтобы обеспечить возможность двукратного независимого построе-

ния фотограмметрических сетей (по четным и нечетным снимкам).

Аэрофотосъемка производится с применением гиростабилизи-

рованной установки. В процессе фотографирования местности фик-

сируются показания статоскопа и радиовысотомера. Кроме того,

при картографировании недоступной и труднодоступной местности

в полете регистрируются показания радиогеодезической системы,

позволяющие определить плановые координаты точек фотографи-

рования. В этом случае точки фотографирования служат плановым

обоснованием съемки.

Вместо черно-белой аэропленки часто используют спектрозо-

нальную или цветную, значительно расширяющие возможности

дешифрирования снимков.

Отдельные районы, например обжитые горные, фотографируют

дважды: для дешифрирования в масштабе, приблизительно равном

масштабу создаваемой карты, или в более крупном масштабе и для

составления карты в масштабе в 2—4 раза меньше масштаба карты.

Точки полевой подготовки снимков (опознаки) могут быть пла-

ново-высотными, плановыми и высотными. В качестве таких то-

чек выбирают резко очерченные контурные точки, уверенно опозна-

ваемые на снимках. Опорные точки отмечают на снимках. Кроме

того, для каждого опознака составляют абрис, показывающий его

положение относительно ближайших контуров. Если на местности

нет естественных контуров, уверенно опознаваемых на снимках,

то опознаки маркируются. Эту работу выполняют до аэрофото-

488

съемки. Для маркировки опорных точек применяют знаки, учитывая

при этом масштаб снимков и условия местности. Например, в сплош-

ном лесу или кустарнике вырубают площадки в виде квадрата или

прямого угла. Пункты триангуляции и реперы, если они не могут

быть опознаны на снимках, также маркируют.

Для определения геодезических координат опознаков приме-

няют аналитические геодезические способы и метод фототеодолит-

пой съемки (в высокогорных районах).

Количество опознаков и их расположение зависят от приме-

няемого способа фотограмметрического сгущения и масштаба

карты; они рассчитываются при составлении проекта полевой под-

готовки снимков по формулам, характеризующим накопление оши-

бок в фотограмметрических сетях.

Обозначим через т

среднюю квадратическую ошибку опреде-

ления планового положения точки фотограмметрической сети. Оче-

видно,

где т

Хс

и т

Ус

— составляющие ошибки т^ по осям координат

Пусть опорная сеть сгущается способом маршрутной простран-

ственной фототриангуляции без использования элементов внеш-

него ориентирования снимков. Тогда составляющие ошибки \т

можно найти по формулам (22.26). В результате получим

где т — знаменатель масштаба снимка; т

— средняя квадрати-

ческая ошибка измерения поперечного параллакса; п — число

стереопар между плановыми опознаками.

Величина

пц — Мгп1,

где т

— допустимая средняя квадратическая ошибка определе-

ния планового положения точки сети на карте, а М — знаменатель

масштаба карты. Подставив это значение т

в выражение (24.7),

получим

Наставления по топографическим работам требуют, чтобы сред-

няя ошибка 81 определения на карте планового положения точки

фотограмметрической сети не превышала 0,35 мм. Следовательно,

= 1,25 X 81 = 0,44 мм.

Пусть для аналитического способа пространственной фототри-

ангуляции т

= 20 мкм, а для фототриангуляции на универсаль-

ном стереоприборе т

= 40 мкм. Тогда по формуле (24.8) найдем

X и V.

т^ = 0,30 ттдП

3/2

(24.7)

(24.8)

(24.9)

489.