Лекция 9. Аэрофотоснимки и глобальные системы позиционирования

Конспект лекции курса «Геодезия с основами космоаэросъёмки» (МГУ, геофак, доц. А.И. Прасолова).

Лекция 9. Основы космоаэросъёмки: аэрофотоснимки и глобальные системы позиционирования

Лекция «Геодезия с основами космоаэросъёмки»; лектор — доцент кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ Прасолова Анна Ивановна.

Где это в общей картине

До сих пор курс двигался «снизу вверх»: от фигуры Земли и систем координат через ориентирующие углы и картографические проекции — к картам, а затем к полевым измерениям (нивелирование, теодолитные ходы), дающим планово-высотную основу карты и её содержание в виде условных знаков. Лекция 9 закрывает тему съёмки с «воздушно-космической» стороны. Её первая половина — аэрофототопографическая съёмка: как по аэрофотоснимкам (снимок → трансформирование → монтаж → стереоизмерения) получают топографическую карту, ЦМР и ортофотоизображение. Вторая половина — глобальные спутниковые системы позиционирования (GPS, ГЛОНАСС), которые определяют трёхмерные координаты наблюдателя или объекта и сегодня служат главным способом создания геодезического обоснования.

Тема прямо опирается на материал семинаров. Элементы ориентирования снимка — это та же логика, что системы координат и ориентирующие углы: внутреннее ориентирование задаёт систему координат снимка, внешнее (крен, тангаж, рысканье) описывает его положение в пространстве, как углы ориентирования линии — её направление. Контрольные точки (GCP), по которым трансформируют снимки, — это точки планово-высотного обоснования, которые на практике получают теодолитными ходами и нивелированием; схема залёта с перекрывающимися снимками напоминает разграфку и номенклатуру листов карт. Стереоизмерения по снимкам дают превышения (аналог нивелирования) и позволяют строить рельеф, а конечный продукт — карта, оформляемая теми самыми условными знаками. Спутниковое позиционирование, в свою очередь, — современная замена классических способов определения координат, разбиравшихся в начале курса.

Аэрофотоснимок: центральная проекция и главная точка

Съёмка, обслуживающая создание топографических карт по снимкам с летательного аппарата, называется аэрофототопографической. Изображение на аэрофотоснимке формируется камерой: лучи света, отражающиеся от объектов местности (на схеме — точки А и Б), проходят через оптический центр объектива камеры и попадают на фотоплёнку (точки а и б). Поскольку все лучи проходят через одну точку — оптический центр объектива, проекция аэрофотоснимков называется центральной.

Оптическая ось камеры перпендикулярна плоскости фотоплёнки и проходит через оптический центр объектива. Точка О, в которой оптическая ось пересекает снимок, называется главной точкой снимка. Средний масштаб аэрофотоснимка выражается через фокусное расстояние камеры f и высоту фотографирования H_{\text{ф}}:

1/m = f / H_{\text{ф}}

Масштаб называется средним потому, что он неодинаков по площади снимка: масштаб изменяется по площади снимка потому, что на нём присутствуют искажения.

Искажения на аэрофотоснимке. Плановые и перспективные снимки

Искажения на снимках делят на виды по их происхождению. Выделяют искажения, связанные:

• со съёмочной аппаратурой;
• с параметрами атмосферы;
• с условиями съёмки — прежде всего с невертикальностью оптической оси; угол отклонения оптической оси от вертикали называется углом наклона снимка \alpha;
• с подстилающей поверхностью — с рельефом.

По величине угла наклона снимки разделяют на два класса: при \alpha \le 3° снимок называется плановым, при \alpha > 3° — перспективным.

Элементы ориентирования снимка

Чтобы использовать снимок как измерительный документ, нужно знать, как он расположен в момент съёмки. Для этого служат элементы ориентирования снимка двух родов.

Элементы внутреннего ориентирования — x_0, y_0, f — задают систему координат снимка.

Элементы внешнего ориентирования ориентируют снимок в пространстве. Их шесть: три линейных — координаты центра проектирования X_s, Y_s, Z_s — и три угловых — крен, тангаж и рысканье, обозначаемые \omega, \lambda, \ae.

Трансформирование снимков

Из-за искажений (наклон оптической оси, рельеф) аэрофотоснимок не является точным планом местности. Процесс избавления от искажений на фотоснимках называется трансформированием. Существуют два способа трансформирования.

1. Аналитический. Известны: координаты центра фотографирования (X, Y, H), углы наклона оптической оси (крен, тангаж и рысканье), высота фотографирования. По формулам пересчитываются координаты точек снимка.
2. С использованием контрольных точек. Известны координаты точек на местности — GCP (ground control points); измеряются координаты этих же точек на снимке; находятся зависимости между измеренными и известными координатами и составляются формулы пересчёта координат.

Сводка снимков: накидной монтаж, фотоплан, ортофотоплан

Часто картографируемая территория не покрывается одним снимком — подбирают группу снимков и увязывают их между собой. По степени трансформирования различают три продукта:

1. Накидной монтаж — используются нетрансформированные снимки.
2. Фотоплан — используются трансформированные снимки, но с остаточными искажениями за рельеф.
3. Ортофотоплан — на снимках отсутствуют все виды искажений.

Стереоскопические свойства снимков и стереоэффект

Если одна и та же местность снята с двух точек, получают стереопару: левый и правый снимки с центрами Ол и Оп; расстояние между центрами проектирования называется базисом и измеряется на снимках в миллиметрах — b [мм].

]

При рассматривании стереопары возникает стереоэффект — рельефное изображение местности. Для стереоскопических измерений служат приборы: стереоскопы, стереокомпараторы, стереопроекторы, а в наши дни — цифровые фотограмметрические станции.

Параллаксы и определение превышений по стереопаре

Количественную основу стереоизмерений составляют параллаксы. Параллакс — разность координат одной и той же точки на левом и правом снимках стереопары. Различают два параллакса:

• продольный параллакс — разность абсцисс: p = x_{\text{л}} - x_{\text{п}};
• поперечный параллакс — разность ординат: q = y_{\text{л}} - y_{\text{п}}.

По продольным параллаксам судят о превышениях точек. Если для двух точек 1 и 2 измерены продольные параллаксы

p_1 = x_{1\text{л}} - x_{1\text{п}}, \qquad p_2 = x_{2\text{л}} - x_{2\text{п}},

то их разность \Delta p = p_1 - p_2 связывает разность высот точек с параметрами съёмки по формуле

h = \frac{H_{\text{ср}}\,\Delta p}{b},

где H_{\text{ср}} — средняя высота съёмки, b — базис съёмки в масштабе снимков.

Технологическая схема аэрофототопографической съёмки

Обработка снимков выстраивается в цепочку. Исходные данные — стереопара снимков и дополнительная информация. По ним строится фотограмметрическая модель местности. Дальнейшая работа включает стереоцифрование (сбор данных по стереомодели), построение ЦМР (цифровой модели рельефа) и создание ортофотоизображения.

Наземная стереотопографическая (фототеодолитная) съёмка

Наряду с воздушной аэрофотосъёмкой топографическую съёмку местности выполняют и с земной поверхности: наземная стереотопографическая съёмка ведётся фототеодолитом (отсюда её второе название — фототеодолитная съёмка).

По положению оптических осей к базису различают различные случаи съёмки. При нормальном случае оси ориентированы определённым образом относительно базиса b; при равноотклонённом случае углы наклона левой и правой камер к базису равны между собой:

\alpha_{\text{л}} = \alpha_{\text{п}}.

Глобальные системы позиционирования: понятие и достоинства

Позиционирование — определение с помощью спутниковых систем местонахождения наблюдателя или объекта в трёхмерном земном пространстве.

Достоинства спутниковых систем позиционирования:

• глобальность;
• оперативность;
• всепогодность.

Структура спутниковых систем

Спутниковая система позиционирования состоит из трёх сегментов (подсистем):

1. подсистема космических аппаратов (спутников);
2. подсистема наземного контроля и управления;
3. подсистема навигационной аппаратуры потребителей.

Подсистема спутников: GPS и ГЛОНАСС

Действующие системы — американская GPS и российская ГЛОНАСС. Их спутниковые группировки сравниваются по следующим характеристикам:

Подсистема наземного контроля и управления

В состав подсистемы входят центр управления навигационной системой с мощным вычислительным центром и развёрнутая сеть станций.

Задачи подсистемы:

• контроль правильности функционирования спутников;
• непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации.

Подсистема аппаратуры пользователей

Подсистема состоит из навигационных приёмников и устройств обработки, предназначенных для приёма навигационных сигналов спутников и вычисления собственных координат, скорости и времени.

Принцип определения координат

Определение координат основано на трёх положениях:

• у спутников известны эфемериды (параметры орбит);
• все спутники, приёмники и наземные станции синхронизированы по атомным часам;
• применяется беззапросный метод линейной пространственной засечки — измеряются дальности до 3 и более спутников.

Для определения трёх координат точки на земной поверхности достаточно четырёх спутников.

Источники погрешностей и пути повышения точности

На определение дальностей влияют:

• ионосфера;
• тропосфера;
• физические препятствия;
• многолучевость;
• несинхронность часов.

Повышают точность позиционирования:

• увеличение времени позиционирования;
• использование нескольких спутниковых систем;
• использование многочастотных приёмников;
• одновременное наблюдение несколькими приёмниками.

Потренируйся сам: превышение по стереопаре

← все материалы