Аналитический метод построения модели местности по паре макетных аэроснимков
Государственное
образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Сибирская
Государственная Геодезическая Академия"
(ГОУ
ВПО "СГГА")
Институт
дистанционного обучения
Кафедра
Фотограмметрии и ДЗ
Курсовая
работа
"Аналитический
метод построения модели местности по
паре макетных аэроснимков"
Новосибирск
2013
Содержание
Введение
. Теоретические основы технологии
создания модели местности, основанной на аналитическом методе фотограмметрии
1.1 Аэрофотосъёмка
для создания топографических карт
.2 Элементы
внутреннего ориентирования снимков
.3 Элементы
взаимного ориентирования снимков в базисной системе
1.4 Элементы
внешнего ориентирования модели
2.
Основные процессы построения модели аналитическим методом
2.1 Составление
технического проекта построения одиночной модели местности и измерения
координат запроектированных точек
Заключение
Литература
аэрофотосъёмка
топографический карта снимок
Введение
Фотограмметрия-технология дистанционного
зондирования Земли, позволяющая определять геометрические, количественные и
другие свойства объектов на поверхности земли по фотографическим изображениям,
получаемым с помощью летательных аппаратов любых видов. В настоящее время
изображения для фотограмметрии получают как кадровыми, щелевыми и панорамными
фотоаппаратами, так и с помощью радиолокационных, телевизионных, тепловых и
лазерных систем. Фотограмметрия позволяет определить по снимкам исследуемого
объекта его форму, размеры и пространственное положение в заданной системе
координат, а также его площадь, объём, различные сечения на момент съёмки и
изменения их величин через заданный интервал времени
Фотограмметрия появилась в середине XIX века,
практически одновременно с появлением самой фотографии. Применять фотографии
для создания топографических карт впервые предложил французский геодезист
Доминик Ф. Араго примерно в 1840 г.
Области применения фотограмметрии:
Фотограмметрия находит применение в различных
видах деятельности:
создание топографических карт и ГИС;
геологические изыскания;
охрана окружающей среды (изучение
ледников и снежного покрова, бонитировка почв и исследование процессов эрозии,
наблюдения за изменениями растительного покрова, изучение морских течений);
проектирование и строительство зданий и
сооружений;
археологические раскопки;
киноиндустрия (совмещение игры живых актёров с
компьютерной анимацией, например, в фильмах "Бойцовский клуб",
"Аватар" и др.).
автоматизированное построение
пространственная моделей объекта по снимкам
Общие принципы фотограмметрии:
пространственные координаты определяют
положение точек объекта в пространстве;
координаты на фотографии определяют
положения точек объекта на плёнке или цифровом снимке;
элементы внешнего ориентирования
фотоаппарата определяют его положение в пространстве и направление съёмки;
элементы внутреннего ориентирования
определяют геометрические характеристики процесса съёмки.
Достоинства фотограмметрии
Высокая точность измерений;
Высокая степень автоматизации процесса
измерений и связанная с этим объективность их результатов;
Большая производительность (поскольку
измеряются не сами объекты как таковые, а лишь их изображения);
Возможность дистанционных измерений в
условиях, когда пребывание на объекте небезопасно для человека.
Фотограмметрия подразделяется на аналоговую,аналитическую
и цифровую
Аналоговая фотограмметрия и аналитическая
фотограмметрия охватывают теорию и практику определения формы, размеров,
положения и типов объектов в пространстве по аналоговым полутоновым
фотоизображениям. При этом, аналоговая фотограмметрия характеризуется тем, что
фотограмметрическая засечка решается оптико-механическим путем, т.е. с
использованием оптико-механических приборов. Были сконструированы и построены
самые различные аналоговые приборы, предназначенные для решения всего ряда задач
по обработке фотоснимков.
Аналитическая фотограмметрия характеризуется
тем, что для воспроизведения изображения так же использует оптико-механические
устройства, а для построения геометрической модели объекта - вычислительные
устройства.
Цифровая фотограмметрия охватывает теорию и
практику определения формы, размеров, положения и типов объектов на плоскости и
в пространстве по цифровым полутоновым изображениям на фотограмметрических
приборах, в которых для воспроизведения изображения и построения геометрической
модели объекта используются цифровые вычислительные устройства.
Цифровая фотограмметрия, характеризуется, по
крайней мере, двумя признаками:
. наличием на входе системы изображения в
цифровой форме;
.обработкой цифрового изображения на электронно-вычислительной
машине.
Для цифровой фотограмметрии не имеет значения
каким образом было получено цифровое изображение, либо сразу в результате
съемки цифровой съемочной камерой, либо путем растрового сканирования ранее
полученного аналогового изображения.
Цель курсовой работы состоит в
изучении метода построения модели местности по материалам аэрофотосъемки.
Выполнении расчетов и получении пространственных координат точек модели в
фотограмметрической системе координат.
.
Теоретические основы технологии создания модели местности, основанной на
аналитическом методе фотограмметрии
.1 Аэрофотосъёмка для создания
топографических карт
Аэрофотосъемка - один из основных методов
получения объективной информации о земной поверхности и объектах, расположенных
на ней, с воздуха с использованием цифровых или аналоговых фотокамер.
Цифровая аэрофотосъемка выполняется современными
топографическими аэрофотосъемочными системами, обладающими высокой
производительностью, геометрической точностью, пространственным разрешением и
фотометрическим качеством изображения. Материалы аэрофотосъемки, получаемые с
помощью полноформатных цифровых аэрофотокамер, представляют собой набор цветных
и мультиспектральных снимков в четырех спектральных зонах (красной, зеленой,
синей, ближней инфракрасной). Снимки спектральных каналов могут использоваться
для создания спектрозональных снимков (снимков в условных цветах, в которых
присутствует ближний инфракрасный канал и два выбранных канала видимой зоны
спектра), которые обладают высокими дешифровочными свойствами.
Цифровая аэрофотосъемка
выполняется с использованием бортовых систем определения положения и
ориентации, позволяющих непосредственно в полете определить элементы внешнего
ориентирования снимков и тем самым сократить затраты на планово-высотную
подготовку аэрофотоснимков и сроки выполнения работ.
Помимо плановой аэрофотосъемки,
выполняемой при вертикальном положении оптической оси, может быть выполнена
перспективная аэрофотосъемка (под наклоном оптической оси), позволяющая более
эффективно распознавать объекты местности и анализировать их пространственное
взаимное положение.
Цифровая аэрофотосъемка
эффективно применятся для решения задач:
· Создание и
обновление топографических и специальных карт;
· Создание
картографической основы кадастра объектов недвижимости;
· Экология и
природопользование (сельское и лесное хозяйство);
· Мониторинг
различного типа объектов;
· Создание 3D моделей
объектов и местности;
· Реагирование на
чрезвычайные ситуации;
· Создание визуальных
информационных систем.
Преимущество цифровой
аэрофотосъемки перед аналоговой:
· Отсутствие
процессов фотохимической обработки и необходимости в фотолаборатории;
· Отсутствие процесса
сканирования аэрофотоснимков;
· Отсутствие
деформации фотоматериала и связанных с ней геометрических искажений
аэрофотоснимков;
· Более высокое
фотометрическое качество: проработка деталей в глубоких тенях;
· Отсутствие следов
механических повреждений и пыли на изображении.
.2 Элементы внутреннего ориентирования
снимков
Положение снимка в момент фотографирования
определяют элементы ориентирования. Они разделяются на две группы: элементы
внутреннего ориентирования и элементы внешнего ориентирования
Элементы внутреннего ориентирования - фокусное
расстояние съемочной камеры и ,
,
координаты главной точки снимка о , определяют положение центра проекции относительно
снимка. Эти элементы позволяют восстановить связку лучей, существовавшую в
момент фотографирования.
Координаты точки снимка во вспомогательной
системе координат с учетом элементов
внутреннего ориентирования будут равны: ,
,
а вектор положения точки на снимке
1.3 Элементы взаимного
ориентирования снимков в базисной системе
Принято различать две системы элементов
взаимного ориентирования.
В первой системе неподвижным считают базис
фотографирования, во второй левый снимок стереопары.
Первая система (базисная система, Рис (1.8.)).
Элементами взаимного ориентирования в этой системе являются:
-- угол в главной
базисной плоскости левого снимка
между главным лучом (оптической осью) левой связки и
перпендикуляром к базису:
-- угол на левом
снимке между осью и следом плоскости
;
-- угол в главной базисной
плоскости левого снимка между перпендикуляром к базису и проекцией главного
луча (оптической оси) правой связки ;
-- угол между
проекцией главного луча (оптической оси) правой связки на базисную плоскость
левого снимка и главным лучом :
-- угол на правом
снимке между осью и следом плоскости
.
Рис. 1.8. Первая система элементов взаимного
ориентирования
Углы и называются
продольными углами наклона снимков относительно базиса фотографирования, --
взаимным поперечным углом наклона, а углы и
--
углами поворота.
Началом пространственных координат в первой
системе служит центр проекции левого снимка, ось совмещена
с базисом, а ось находится в
главной базисной плоскости левого снимка. Система координат параллельна
системе координат .
Вторая система ( система левого снимка, Рис
(1.9.)). Элементами взаимного ориентирования в этой системе являются:
-- угол на левом
снимке между осью и следом главной
базисной плоскости левого снимка;
-- угол наклона
базиса относительно левого снимка;
-- взаимный
продольный угол наклона снимков, составлен осью с
проекцией главного луча (оптической оси) правой связки на плоскость ;
-- взаимный
поперечный угол наклона снимков, заключенный между плоскостью и
главным лучом (оптической осью) правой связки;
-- взаимный угол
поворота снимков, угол на правом снимке между осью и следом плоскости
;
Рис. 1.9. Вторая система элементов взаимного
ориентирования
Началом фотограмметрических координат служит
центр проекции левого снимка, но координатные оси и
направлены
параллельно соответствующим осям и
левого
снимка. Ось совмещена с
главным лучом (оптической осью) левой связки. Система координат параллельна
системе координат.
Зная элементы взаимного ориентирования снимков
можно найти координаты любой точки модели в фотограмметрической системе
координат.
.4
Элементы внешнего ориентирования модели
Элементы внешнего ориентирования определяют
положение связки лучей относительно пространственной прямоугольной системы
координат в момент фотографирования. К ним относятся:
· три линейных элемента внешнего
ориентирования;
· три угловых элемента внешнего
ориентирования.
Всего элементов внешнего ориентирования --
шесть.
Линейные элементы внешнего ориентирования --
координаты центра проекции -- по
отношению к началу выбранной пространственной системы координат (Рис.
1.4).
Вектор положения
точки фотографирования относительно начала
системы координат , будет иметь
компоненты:
. (1.4)
Угловые элементы внешнего ориентирования
определяют положение плоскости снимка (изображения) относительно осей выбранной
системы координат. Системы угловых элементов внешнего ориентирования,
используемых в фотограмметрии, являются системами углов Эйлера.
Как известно, существует 12 систем углов Эйлера.
Число систем углов может быть увеличено если один или несколько углов Эйлера
взять с противоположным знаком, более того, иногда пользуются левыми системами
координат. В фотограмметрии используется несколько систем углов Эйлера, ниже
дано описание наиболее распространенных систем углов.
Первая система углов .
К этой системе относятся (Рис. 1.5),
- угол наклона
снимка или угол отклонения оптической оси фотокамеры от отвесной линии; t
- дирекционный угол оптической оси фотокамеры - угол между осью и
проекцией главного луча на плоскость ;
-
угол поворота снимка - угол на снимке между главной вертикалью и осью y.
Вторая система углов .
Эта система углов включает (Рис. 1.6): -
продольный угол наклона снимка, заключенный между осью и
проекцией главного луча на плоскость ;
-
угол поворота снимка - угол в плоскости снимка между осью y
и следом плоскости, проходящей через главный луч и ось SY.
Рис. 1.5. Первая система углов АФС Рис. 1.6.
Вторая система углов АФС
Таким образом, аэроснимок имеет девять элементов
ориентирования три элемента внутреннего ориентирования и шесть элементов
внешнего ориентирования. Из шести элементов внешнего ориентирования три -
линейные, три угловые. Из них и или
и
фиксируют
направление главного луча, а -
поворот вокруг главного луча. Знание
угловых элементов внешнего ориентирования снимка дает возможность сформировать
матрицу ортогональных преобразований ,
позволяющую осуществить переход от вспомогательной системы координат к
системе координат и, тем самым найти
в этой системе вектор положения точки на
снимке:
. (1.5)
Матрица ортогональных преобразований будет
определяться системой углов Эйлера и для 1-ой и 2-ой систем углов
ориентирования соответственно равна (см. Рис. 1.5, Рис. 1.6):
Компоненты матрицы определяться:
· для углов :
;
· для углов :
.
2.
Основные процессы построения модели аналитическим методом
2.1 Составление технического
проекта построения одиночной модели местности и измерения координат
запроектированных точек
Указания по выполнению
экспериментальной части
Выполнение расчетно-графической
части курсовой работы состоит из следующих этапов:
. Получить исходные
данные
. Вычислить масштаб
аэроснимка по заданному фокусному расстоянию f
и высоте фотографирования Нф:
.
. Определить площадь
территории, покрываемой аэрофотоснимком формата 18*18 см:
,
где lx
и ly
-
линейные размеры снимка.
. Построить контур
левого и правого снимка формата 18*18 см, показать на снимках положение осей
координат х1, у1, х2, у2. Нанести
по координатам положение точек 16 в соответствии с
вариантом.
. Вычислить продольные и
поперечные параллаксы:
,
.
.
Вычислить вспомогательные величины а и b:
,
.
. Вычислить элементы взаимного
ориентирования по приближенным формулам:
,
,
,
,
.
. Вычислить по элементам взаимного
ориентирования направляющие косинусы для левого снимка а1,….., с3
:
a1=
cos α1
· cos κ1
- sin α1
· sin ω1
· sin κ1,2=
- cos α1
· sin κ1
- sin α1
· sin ω1
· cos κ1,3=
- sin α1
· cos ω1,1=
cos ω1
· sin κ1,2=
cos ω1
· cos κ1,3=
- sin ω1,1=
sin α1
· cos κ1
+ cos α1
· sin ω1
· sin κ1,2=
- sin α1
· sin κ1
+ cos α1
· sin ω1
· cos κ1,3=
cos α1
· cos ω1.
и правого снимка
….. :
a1`=
cos α2
· cos κ2
- sin α2
· sin ω2
· sin κ2,2`=
- cos α2
· sin κ2
- sin α2
· sin ω2
· cos κ2,3`=
- sin α2
· cos ω2,1`=
cos ω2
· sin κ2,2`=
cos ω2
· cos κ2,3`=
- sin ω2,1`=
sin α2
· cos κ2
+ cos α2
· sin ω2
· sin κ2,2`=
- sin α2
· sin κ2
+ cos α2
· sin ω2
· cos κ2,3`=
cos α2
· cos ω2.
(Обратить внимание, что углы для снимков будут
разные! Всего нужно посчитать 18 величин).
. Вычислить трансформированные координаты
точек левого и правого снимков:
.
(Не забывать, что для разных снимков координаты
считаются по разным направляющим косинусов!)
. Вычислить базис фотографирования В
(данные из пункта 6):
.
.
Вычислить продольный и остаточный поперечный параллаксы по трансформированным
координатам (данные из пункта 9):
;
.
(Помнить, что остаточный поперечный параллакс
является критерием правильности трансформирования! Если
> 0,05мм, предыдущие вычисления ошибочны и нужно проверить их правильность!)
. Определить пространственные
фотограмметрические координаты точек модели:
,
,
.
1. Исходные данные
(вариант № 3)
Все расчетные данные приведены
в отдельном файле Microsoft Office Excel
Вариант
|
№
3
|
f,мм
|
100
|
H, м
|
800
|
|
Координаты
соответственных точек на паре снимков
|
|
Левый
снимок
|
Правый
снимок
|
№
|
х1,мм
|
y1,мм
|
х2,мм
|
y2,мм
|
1
|
0,66
|
-1,19
|
-82,08
|
0,14
|
2
|
79,75
|
-1,4
|
-0,79
|
2,08
|
3
|
0,86
|
77,08
|
-80,48
|
76,30
|
4
|
78,67
|
76,40
|
-4,81
|
77,96
|
5
|
0,44
|
-79,65
|
-82,6
|
-71,19
|
6
|
-81,82
|
1,07
|
-71,59
|
2. Вычислить масштаб
аэроснимка по заданному фокусному расстоянию f
и высоте фотографирования Нф: m=8000
3. Определить площадь территории, покрываемой
аэрофотоснимком формата 18*18 см: S=
2,0736 км2
4. Построить контур левого и правого снимка
формата 18*18 см, показать на снимках положение осей координат х1, у1,
х2, у2. Нанести по координатам положение точек 16
в соответствии с вариантом.
Примечание: В данном примере
линейные размеры снимков уменьшены в 2 раза.
5. Вычислить продольные и
поперечные параллаксы точек стереопары:
№
|
p
|
q
|
1
|
82.74
|
-1.33
|
2
|
80.54
|
-3.48
|
3
|
81.34
|
0.78
|
4
|
83.48
|
-1.56
|
5
|
83.04
|
-8.46
|
6
|
79.78
|
-10.23
|
6. Вычислить
вспомогательные величины а и b:
7. Вычислить элементы взаимного
ориентирования по приближенным формулам:
α1
= -0,0686
|
α2
= -0,0731
|
ω2
= -0.0397
|
κ1
=-0.0061
|
κ2
= -0.0329
|
Примечание: Учесть, что рассчитываются, а так же
используются в дальнейших расчетах, величины в радианах. В примере приведены
величины в градусах (итоговые).
8. Вычислить по элементам
взаимного ориентирования направляющие косинусы для левого снимка:
a1= 0,99762751, a2=
0,0061139 a3= 0,06857095,1= 0,0061283, b2=
0,9999812, b3= 0, 1= -0,0686, c2= 0.0004, c3=
0,99765.
и правого
снимка
….. :
a1 =0,9968816, a2`=
0,0299345, a3`= 0,07301366,1`=
-0,0328964, b2`=
0,9986697 b3`=
0,03971,
c1`=
-0,0717, c2`=
-0,042, c3`=
0,99654.
.
Вычислить трансформированные координаты точек левого и правого снимков:
№
|
x10
|
y10
|
x20
|
y20
|
1
|
-6.2177892
|
-1.197530733
|
-95.0398524
|
-1.20573773
|
2
|
69.08052334
|
-1.794794505
|
-8.05202832
|
-1.87328283
|
3
|
-5.5358499
|
77.1844394
|
-87.8061725
|
77.1237623
|
4
|
68.53560619
|
-9.51693606
|
72.1801724
|
5
|
-6.92163073
|
-79.8417639
|
-101.139927
|
-79.7314281
|
6
|
69.62857053
|
-78.19011349
|
-8.66136341
|
-78.0568189
|
10. Вычислить базис фотографирования В, 641792.8
м.
11. Вычислить продольный и остаточный
поперечный параллаксы по трансформированным координатам (данные из пункта 9):
№
|
P0
|
|
1
|
88.8220632
|
0.008207
|
2
|
70.87531785
|
0.07848832
|
3
|
82.27032259
|
0.060677094
|
4
|
78.05254225
|
-0.010143364
|
5
|
94.21829619
|
-0.13329454
|
6
|
78.2899339
|
-0.13329454
|
. Определить пространственные
фотограмметрические координаты точек модели:
№
|
X
|
Y
|
Z
|
1
|
-44927.26615
|
-8652.8797
|
-722560.136
|
2
|
625540.5309
|
-16252.29013
|
-905523.729
|
3
|
-43185.30199
|
602117.7205
|
-780102.473
|
4
|
563539.108
|
593423.4199
|
-822257.421
|
5
|
-47148.51673
|
-543863.2724
|
-681176.424
|
6
|
570790.0678
|
-640974.5287
|
-819764.162
|
Заключение
При вычислении остаточного поперечного
параллакса не выявлено серьезных нарушений правильности трансформирования, т.к меньше
0.05мм
Курсовая работа помогла хорошо разобраться в
основах технологии создания модели местности, основанной на аналитическом
методе фотограмметрии, т.к. в ходе работы было произведено много теоретических
исследований по технологии выполнения аэрофотосъемки, и основных процессах
построения модели аналитическим методом.
Литература
1. Назаров А.С. Фотограмметрия
[Текст]: пособие для студентов вузов / А. С. Назаров, 2010. - 398, [2] с.
. Наземное лазерное сканирование
[Текст]: монография / В. А. Середович, А. В. Комиссаров, Д. В. Комиссаров, Т.
А. Широкова, 2009. - 261 с.
. Чекалин С. И. Основы картографии,
топографии и инженерной геодезии [Текст] : учеб. пособие для вузов / С. И.
Чекалин, 2009. - 393 с.
5. Трубина
Л.К. Прикладная фотограмметрия: Методические указания и контрольные задания для
студентов заочного факультета… - Новосибирск: СГГА, 1998. - 27с.
6. Лобанов, А.Н. Фотограмметрия
[Текст]: учебник для вузов / А. Н. Лобанов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.:,
Недра, 1984
. Чандра, А.М. Дистанционное
зондирование и географические информационные системы /. А.М. Чандра,С.К. Гош-
М.: Техносфера, 2008 - 312 с.
. Савиных, В. П. Аэрокосмическая
фотосъемка [Текст]: учеб. для вузов / В. П. Савиных, А. С. Кучко, А. Ф.
Стеценко. - М.: Картгеоцентр - Геодеиздат, 1997