Островський А.Л., Мороз О.І., Тарнавський В.Л. Геодезія, частина II

Подождите немного. Документ загружается.

І\Л6. Цифрове аерознімання

IV. 6.1. Цифрова аерознімальна система

Як нам уже відомо, аерознімання є основним методом створення та

оновлення великомасштабних топографічних планів та карт. Але аерозні-

мання виконувалося топографічними аерофотокамерами. З переходом від

паперових, графічних планів та карт до цифрових моделей місцевості

(ЦММ) та цифрових моделей рельєфу (ЦМР), з'явилась необхідність

виконувати аерознімання не фотокамерами, а цифровими камерами. Проте,

цифрових камер, здатних виконувати аерознімання з високою точністю та

високою роздільною здатністю, не було. Це стримувало широке застосу-

вання цифрової фотограмметрії. Проте, опрацювання матеріалів

аерофотознімання цифровими методами вимагало суттєвих виробничих

затрат і розтягувало технологічний цикл робіт, оскільки фотознімки, як уже

відзначалося, необхідно піддавати фотохімічному опрацюванню й скану-

ванню з метою перетворення їх у цифрову форму. Природним розв'язанням

цієї складної задачі могло стати

безпосереднє, дистанційне отримання

аерознімків цифровими камерами з

високою роздільною здатністю й

точністю. Цю задачу вдалось

розв'язати тільки в кінці XX століття.

Першою такою цифровою аерозні-

мальною системою, яка базувалася на

літаку, стала АБ840, створена ком-

панією ЬН ЗІ8ІЄШ5 і була представ-

лена на XIX конгресі Міжнародного

?ис іу 61 До пояснення

принципу

фотограмметричного товариства в роботи цифрової камери АОЗ.

2000 р. З цього часу, фотограмметрія

стає повністю цифровою.

В основі технічного рішення АБ840 лежить концепція трилінійного

сканера, уперше запропонована в 1970 році, яку активно використовувала

компанія БКЬ (Німецький аерокосмічний центр) в системі дистанційного

зондування, як космічного, так і літакового. Виходячи із цієї концепції, у

фокальній площині об'єктива системи паралельно розташовані три лінійки -

прилади зарядного зв'язку (ПЗЗ), віддалені одна від другої таким чином, що

одна з них забезпечує панхроматичне знімання в напрямку "вперед", друга -

у напрямку точки надира, а третя - у напрямку "назад" (рис. IV.6.1).

Суттєвою особливістю конструкції АБ840 є те, що замість однієї

лінійки ПЗЗ використовуються пари лінійок, зміщені одна відносно другої

на 0,5 поділок (пікселя). Кількість елементів у лінійці ПЗЗ дорівнює 12000, а

в результаті використання здвоєної лінійки зі зміщенням забезпечується

результуюча роздільність, ніби під час використання лінійки, що має 24000

461

елементів. Крім панхроматичних лінійок, у фокальній площині розташова

чотири поодинокі лінійки по 12000 елементів у кожній для мульті

спектрального знімання в чотирьох вузьких зонах спектру: червоного (6І<

660 мм), зеленого (535-585 мм), синього (430-490 мм) та ближнього інфрі

червоного (835-885 мм). На рис. IV. 6.2 показано загальний вигляд діючог

комплексу в салоні носія (літака або гелікоптера).

У таблиці

ІУ.6.1 подано ос-

новні технічні

характеристики

системи, які до-

зволяють оцінити

можливості вико-

ристання системи

АБ540 як джерела

інформації для

цифрової фото-

грамметрії. Рис. ІУ.6,2. Загальний вигляд системи та розташування

приладів в салоні носія.

Таблиця ІУ.6.1

Основні технічні характеристики цифрової аерознімальної системи АР540.

№№

Характеристика

Значення

Кут поля зору (поперек напрямку польоту)

64°

2 Фокусна віддаль об'єктива 62,77 мм

3 Розмір пікселя із ПЗЗ-лінійок

6,5 мкм

4 Час запису інформації із ПЗЗ-лінійок

1,2 мсек

Реєструвальна кількість пікселів для

панхроматичної лінійки (йому відповідає розмір

пікселя у фокальній площині 3,25 мм)

2 х 1200

Радіометрична роздільність

8 ЬіІ

Кути стереоспостережень

16°, 26°, 42°

Як бачимо, цифрова аерознімальна система володіє багатьма техніч-

ними показниками, необхідними для точного знімання.

IV. 6.2. Порівняння технічних можливостей фотограмметричної та

цифрової камери. Опрацювання цифрових знімків системою Ай340

Цифрова аерознімальна система АБ840 має як позитивні, так і нега-

тивні властивості в порівнянні з фотокамерою. Фактором, що обмежує

роздільну здатність зображення на місцевості для системи, є інтервал часу

(період) між зчитуванням інформації з лінійок, що дорівнює 1,2 мсек. Для

швидкості літака 100 м/с забезпечується роздільна здатність на місцевості в

напрямку руху літака близько 0,25 м. Така сама роздільна здатність на

460

місцевості може бути отримана й у поперечному напрямку для висоти літака

2400 м. Ширина смуги захоплення буде складати 3000 м. У таблиці ІУ.6.2

для порівняння подано характеристики аерознімання, виконані цифровою

системою та топографічною фотокамерою.

Таблиця ІУ.6.2

Характеристики

Значення

Характеристики

А0340

аззо

Масштаб фотографування

1:10000

Розмір пікселя під час сканування

Сканування не потрібне

12 мкм

Роздільна здатність на місцевості,

що відповідає розміру пікселя

0,25 м

Ширина ділянки знімання

3000 м

2300 м

З поданих даних видно, що знімання цифровою системою за роз-

дільною здатністю однакова з аерофотозніманням, але в масштабі 1:10000.

Тільки за умови сканування знімків із розміром пікселя 12 мкм можна

говорити про можливість картографування території в масштабі 1:2000 за

матеріалами цифрового знімання. Цифрова система забезпечує ширину

смуги знімання на 30% більшу.

Таким чином, система А0540 поєднує в собі роздільну здатність

топографічного аерофотоапарата й інформативність засобу дистанційного

зондування.

На жаль, слід зазначити, що геометричні властивості зображення,

отриманого таким способом, принципово відрізняються від геометрії

звичайних аерофотознімків, отриманих за допомогою топографічного

фотоапарата, які є центральною проекцією точок знімка. У випадку

описаного вище формування зображення кожний рядок, отриманий у

результаті зчитування інформації із ПЗЗ-лінійки, є центральною проекцією

деякої лінії на поверхні Землі. При цьому значення як лінійних, так і

кутових елементів внутрішнього орієнтування для кожного такого рядка

відрізняються між собою через зміни кутового орієнтування та переміщення

літака в просторі в процесі знімання. Працювати з такими, довільно

геометрично спотвореними зображеннями, у тому числі спостерігати їх

стереоскопічно, неможливо. По цій причині вихідні зображення (рівень 0)

потрапляють під геометричне трансформування з урахуванням значень

елементів внутрішнього орієнтування кожного рядка, отриманих за допо-

могою системи позиціонування та орієнтування РОЗ (Розііїоп апсі

Огіепіаііоп 8уз1еш). Отримані результати такого трансформованого зобра-

ження (рівень 1) можна вже спостерігати стереоскопічно, виконувати необ-

хідні вимірювання для цілей фототріангуляції. Після цього можна викону-

вати всі інші процеси фотограмметричного опрацювання на цифровій фото-

грамметричній станції (створення цифрової моделі рельєфу (ЦМР), ортофо-

461

тотрансформування й монтаж ортофотоплану стереознімання) з метою

отримання кінцевого продукту - геокодованого зображення або ортофото-

плану (рівень 2). Слід зазначити, що через особливості геометричних

властивостей зображень, отриманих за допомогою цифрової знімальної сис-

теми такого типу, ці зображення можна буде опрацювати тільки з викорис-

танням спеціального програмного забезпечення (ПЗ), яке дозволяє враху-

вати ці особливості. Це є суттєвим недоліком описаної цифрової системи.

IV.6.3. Цифрові аерознімальні комплекси з лазерним скануванням

В останнє десятиліття в зв'язку з бурхливим розвитком обчислю-

вальної техніки й засобів приймання зображень на основі приладів

зарядного зв'язку (ПЗЗ), тобто, комп'ютерного бачення, стало можливим

перейти від методів аерофотознімання до методів цифрового знімання. Так,

уже на початку 1990 р. значна частина робіт по опрацюванню матеріалів

була комп'ютеризована. Матеріали знімання - фотонегативи, оцифро-

вувались за допомогою сканерів. Така технологія й зараз залишається досить

розповсюдженою, Проте, послідовне використання фотографічної та

оптично-електронної техніки спонукає не тільки до необхідності виконання

додаткових процесів, таких як фотохімічна обробка та сканування знімків,

що затягує технологічний цикл і збільшує матеріальні затрати, але й

спонукає до втрати якості матеріалів знімання. Напевно, саме цим поясню-

ється те, що в середині 1990 років за кордоном з'явились дослідні зразки

цифрових аерофотокамер, а першим комерційним зразком стала камера

АШ40 тільки в 2000 році. Широке впровадження цифрової фотограмметрії

вимагає розв'язання цілого ряду супутніх задач. Принциповим, наприклад,

виявився вибір типу цифрових камер. Основним недоліком камери АБ340,

як уже зазначалося, є те, що вона дає зображення, яке принципово

відрізняється від центральної проекції, тобто, дає іншу геометрію

зображення. Перетворення таких знімків у центральну проекцію вимагає

спеціального обладнання та спеціального програмного забезпечення.

Камера А0540 працює на ПЗЗ-лінійках. Саме така будова камери

проводить до суттєвого спотворення принципу центральної проекції.

Цифрові камери, побудовані на ПЗЗ-матрицях, дозволяють зберегти

центральну проекцію й ліквідують цей недолік. Але поки що не вдається

створити цифрові камери з великоформатними ПЗЗ-матрицями й високою

роздільною здатністю та з великим захопленням місцевості. Тому,

наприклад, і в Росії також були створені цифрові камери ЦТК-140, ЦМК-70

на ПЗЗ-лінійках. Остання камера ЦМК-70 за своїми характеристиками

близька до АБ540. Російські камери мають такий самий головний недолік:

спотворюють центральну проекцію.

Технічне розв'язання цього складного питання знайдене в

застосуванні так званих інтегральних навігаційних комплексів типу

СР8/ІМ1І, які дозволяють, по-перше, з достатньою точністю визначати шість

параметрів зовнішнього орієнтування кожного знімка, що дає можливість

462

Кут'

станування^,\ ЩЩЩ;»

М5

Перше

відбиття

Друге

відбиття

•' 2 0Р8

без прив'язування знімків суттєво спростити створення фототріангуляційної

мережі та, по-друге, одночасно виконувати аерофотографічне та лазерно-

локаційне знімання.

Найновіший ?

розв'язок цієї задачі

знайдений завдяки

поєднанню ОРЗ-ПЧЗ і

цифрової аерофото-

знімальної системи з

лазерним скануван-

ням та їх інтеграція

на одному літаючому

апараті. Такі системи

дістали назву ЬГОАК

і ІВАК. На рис.

IV.6.3. показано ос-

новні компоненти

ЬШАК на літаку, що

низько летить над

поверхнею Землі.

Цифрова трилінійна

камера при цьому

часто спрацьовує;

сканер визначає від-

даль від датчика до

ґрунту. Кружками на

рисунку (на грунті)

показані лазерні пля-

ми. Приймачі ОР8 (на літаку та на поверхні Землі) визначають координати

центра проекції. ОР8-дані подаються в референцній системі ЖЇ884.

Довжина хвилі така сама, як у більшості лазерів: 1040-1060 нм. Механізм

лазера може записати до 5-ти різних відбитків (повертань). Якщо імпульс

лазера або частина імпульсу відбивається від даху будівлі або від вершини

дерева, датчик запише перше відбиття. Але частина імпульсу може

пронизати поверхню дерев і сягати Землі, як це показано на рисунку. У

такому разі датчик запише проміжні повернення, які відбилися від поверхні

дерев, так і ті, що відбилися від Землі (від фунту). У багатьох випадках

записується тільки єдине повернення (перше або останнє). Лазери також

можуть діяти як безперервні датчики хвилі, які зображають тільки взаємо-

дію між лазером та поверхнею. Використовуються лазери на літакових

платформах, що літають на висоті 50-3500 м. Найновіші системи ЬГОАК

мають частоту спрацьовування камери 100 Гц і можуть давати 30 точок на

квадратний метр.

Роздільна здатність

«х

сканування

Координатна

ситема Землі

Рис. ІУ.6.3. Аерознімальний комплекс з лазерним

скануванням.

463

1Л5АК - це синтетичний радар, який визначає кількість випроміненої

енергії, яка повертається до антени. Може діяти в ряді частот, поданих у

таблиці ІУ.6.3.

Таблиця ІУб ч

Групи

Довжина хвилі, см Частота, ГГц

3,0

9,6 —

С 5,3

5,6

24,0 1,3

68,0 0,3

Два зображення ІЇЗАК можуть бути об'єднані, щоб використовувати

техніку інтерферометри для генерування (створення) ОЗМ-цифрової моделі

рельєфу. Принцип роботи ІЇ5АК показаний на рис. ІУ.6.4.

На рисунку показані два поло-

ження антени в точках Д і А

. Нехай

Н - висота точки А, над референц-

еліпсоїдом, а к - висота поверхні Землі

(перевищення, яке визначають). Базова

лінія В, тобто віддаль між антеною в

положеннях 1 і 2. Похила віддаль від

антени А

до цілі А дорівнює Р і є

відомою. Кут 0 в точці А

між верти-

каллю й напрямком на ціль А також

відомий - це кут між осями цифрових

камер: вертикальною і направленою

вперед. Кут а між базовою лінією і

горизонтальним напрямком. Як видно

з рисунка:

—

р" сох©. (ІУ.6.1)

Із трикутника АА,А

можемо записати:

(р + 8

}=р

+В

-2рВ-005(90° -0 + а), (ІУ.6.2)

де 8

- зміна нахиленої віддалі, яка визначається за формулою:

Рис. ІУ.6.4. Геометрія

однопрохідного інтерферометра

8АК.

Д ф

~2к

(ІУ.6.3)

А<р

де —= N - кількість хвиль, Д - довжина хвилі, яку випромінює радар, Д</>

2яг

- зміна фази між двома відбитками (від дерева та грунту). Ця зміна фази

може бути виміряна тільки під час зміни фази в межах від 0 до 2я.

Визначити Д^ (кількість разів по 2ж) можливо завдяки супутниковим

464

аним про розташування антени в пунктах А, і А

. Проте, проникнення

лазера в поверхню дерев може спотворити їх істинну висоту. Таким чином,

вимірювання в місцях, покритих деревами, включають більше "шуму"

(похибок) вимірювання, ніж в місцях з "дзеркальними" відбиваючими

поверхнями. Проникнення сигналу в поверхню дерев різне для різних

довжин хвиль, наприклад, групи X та І. Це дає можливість визначити

степінь "проникнення" сигналу. Якщо дерева, кущі близько розташовані до

дороги, тоді це сприяє підвищенню точності побудови цифрової моделі

рельєфу 05М. Саме для побудови И8М - цифрової моделі рельєфу та ОЕМ

-цифрової моделі місцевості і використовуються комплекси ЬГОАК. і ІІ5АК.

Слід зазначити, що фіксація відбиття хвиль від поверхні дерев та від грунту

дозволятиме виконувати цифрове аерознімання в місцевості, закритій

рослинністю. До цього часу такі райони знімались тільки наземними або

комбінованими методами.

465

РОЗДІЛ V. АВТОМАТИЗАЦІЯ ПРОЦЕСІВ НАЗЕМНИХ

ТОПОГРАФО-ГЕОДЕЗИЧНИХ РОБІТ. ЦИФРОВІ ПЛАНИ

ТА КАРТИ

\Л1. Автоматизація процесів топографо-геодезичних робіт

V. 1.1. Основні напрямки та технології автоматизації топографо-

геодезичного вимірювання

Серед таких напрямків виділимо:

1) автоматизація польових робіт;

2) застосування комп'ютерів для математичного опрацювання ви-

мірів;

3) застосування автоматизованих та автоматичних графопобудову-

вачів та координатографів для складання графічних планів на папері,

пластиках та інших основах;

4) перехід від графічних паперових планів та карт до цифрових моделей

місцевості (ЦММ) та цифрових моделей рельєфу (ЦМР) із засто-

суванням перетворювачів аналогової (безперервної) інформації в

цифрову, дискретну, так званих дігітайзерів - оцифровувачів (сіі§іІ -

цифра) та сканерів.

Автоматизація технологічних процесів у будь-якому виробництві є

найбільш перспективним, революційним напрямком розвитку галузей

народного господарства.

Проте, об'єктивна оцінка показує, що стан автоматизації в різних

галузях не однаковий. У той час, коли ряд галузей, особливо машинобу-

дування, хімічне виробництво та деякі інші галузі знаходяться на високому

рівні, перш за все завдяки розв'язанню найбільш важливих комплексних

задач за допомогою комп'ютера, що дозволяє виділити загальні ланки

процесів автоматизації та систематизувати їх на державному рівні, то

одночасно існують галузі, у яких домінує ручна, низько кваліфікована та

малопродуктивна праця.

Автоматизація технологічних процесів топографічного вироб-

ництва не досягла ще тої широти, яка властива високоавтоматизованим

галузям виробництва. Особливо це стосується камерального (офісного)

виробництва.

Для ілюстрації характеру розподілу затрат та сучасної тенденції

автоматизації геодезичного виробництва доцільно навести таблицю за

даними США, узяту з роботи [19], де наводиться порівняльний аналіз

продуктивності п'яти видів технічних засобів, що застосовуються під час

наземного топографічного знімання однієї й тієї ж території послідовно

трьома виконавцями (реєчників - два).

466

Таблиця V. 1.1

Визначення затрат для існуючих тенденцій автоматизації топографічного

знімання

Тип приладу

Час у полі,

ч/м

Обчислення,

ч/м

Креслення,

ч/м

Загальний

час, ч/м

Кіпрегель

. 4-50

- -

4-50

Теодоліт 2-50 0-40

5-30 8-15

Тахеометр

круговий

3-10 0-40

5-45

9-35

Тахеометр 3-40 0-20

4-05

8-05

номограмний

-II- -II-

2-15*

6-15

Тахеометр 2-00 0-08 3-25

5-33

електронний

-II- -II-

2-13*

4-21

* Викреслювання на автоматичному графопобудовувачі.

Аналізуючи таблицю, неважко зауважити, що подані технології авто-

матизації малоефективні навіть у порівнянні з неавтоматизованим мензуль-

ним зніманням. Нижній рядок таблиці ілюструє межу перспектив у продук-

тивності праці навіть одним із найбільш автоматизованих приладів -

електронного тахеометра.

Хоча час затрат зменшився, проте ефективність від'ємна через велику

вартість приладу. У чому тоді зміст автоматизації? Відповідь на ці питання

слід шукати у визначенні: що таке автоматизація та яку степінь перспек-

тивності мають ті чи інші технічні рішення, направлені на автоматизацію.

Автоматизація - це такий розвиток виробництва, під час якого

людина звільняється від безпосередньої участі в ланках технологічного

процесу. Враховуючи таке визначення, можна сформулювати цілі авто-

матизації:

1. Підвищення ефективності суспільного виробництва за рахунок

зниження долі живої праці та підвищення продуктивності

обладнання;

2. Виконання робіт у небезпечних умовах або в місцях, недоступних

людині;

3. Підвищення об'єктивності та точності результатів.

Джерелами ефективності автоматизації є:

1. Різке підвищення швидкості виконання технологічних операцій за

рахунок ліквідації фізіології ручної праці, притаманної людині-

оператору;

2. Поєднання часу виконання технологічних операцій шляхом

універсалізації технічних засобів, тобто, об'єднання технічних

засобів зі збереженням їх функцій;

3. Підвищення частки чистого часу виконання технологічних

процесів за рахунок підготовчих та допоміжних операцій;

467

4. Заміна технологічного процесу у відповідності з вимогами тех-

нічних засобів автоматизації (за умови збереження якості

кінцевого продукту).

Таким чином, необхідно ретельно аналізувати технологічні процеси,

щоб відшукати технічні засоби для автоматизації всіх операцій. Звернемо

увагу на те, що майже половина затрат (див. табл. V. 1.1) припадає на

викреслювання паперових планів та карт навіть за умови застосування

автоматизованих графопобудовувачів. Щоб подолати цю перепону, є лише

один

шлях,

якому немає

альтернативи,

а саме: для успішного застосування

сучасних комп

'ютерів

та засобів автоматизації необхідно замінити

образно-знакові, паперові плани та карти на цифрові карти місцевості

(ЦКМ). Питанням цифрових карт відведено в цьому підручнику окремий

параграф. Значний успіх у підвищенні ефективності продуктивності праці

має універсалізація приладів. У наш час це створення тотальних наземних

станцій, а найновіші досягнення - це об'єднання наземних станцій із

методами супутникової геодезії.

Одним із засобів підвищення швидкості виконання технологічних

циклів є використання транспорту. Беззаперечно застосування транспорту в

топографо-геодезичному виробництві необхідно вдосконалювати. Питання

автоматизації аерофотознімання розглянуті в розділі IV.

В подальшому ми розглянемо автоматизацію наземних методів

визначення висот, планового та просторового положення точок земної

поверхні.

1.2. Автоматизація визначення висот

Геометричне нівелювання - поки що неперевершений за точністю

метод визначення висот. Проте, метод вимагає значних затрат праці,

особливо, якщо необхідно визначити перевищення між значно віддаленими

точками. Автоматизація нівелірних робіт починається із застосування

компенсатора. Зауважимо, що перший рідинний компенсатор був запропо-

нований конструктором Г.Ю.Стодолкевичем (СРСР) ще в 1945 році. Більше

розповсюдження отримали маятникові компенсатори.

Проте, дійсно автоматичними нівелірами стали електронні, цифрові

нівеліри, описані в розділі 1. Класична форма нівелювання - ходами із

застосуванням компенсаторів та спеціальних транспортних засобів дозволяє

на 30-40% підвищити продуктивність робіт.

Подібна технологія із застосуванням компенсаторів місця нуля (місця

зеніту) та автомашини виявилась ефективною для менших за точністю робіт

- під час тригонометричного нівелювання тахеометрами, що дозволило

скоротити час ще на 25-50% в порівнянні з геометричним нівелюванням.

Лазерні методи нівелювання підвищують об'єктивність та

оперативність реєстрації результатів нівелювання. Проте, застосування

позиційних випромінюючих нівелірів не демонструють помітних переваг

перед відомими методами. Можна відмітити систему контролю планування

468