Фотограмметрия
Введение
Термин «фотограмметрия» происходит от трех греческих слов: photos – свет, gramma - запись, metrio – измерение. Дословно – измерение светозаписи.
Фотограмметрия это научно-техническая дисциплина, занимающаяся определением характеристик объектов, таких как форма, размеры, положение в пространстве и т.д., по их изображениям.
Фотограмметрия использует все существующие виды изображений, полученные с помощью фотокамер, цифровых камер, телевизионных камер, сканерных съемочных систем, радиолокационных и лазерных съемочных систем и т.д.
Фотограмметрия развивается по трем основным направлениям. Первое направление связано с созданием карт и планов по снимкам. Это направление часто называют фототопографией. Второе направление связано с применением фотограмметрии для решения прикладных задач в различных областях науки и техники: в архитектуре, строительстве, медицине, криминалистике, автомобилестроении, робототехнике, военном деле, геологии и т.д. Это направление в фотограмметрии называют наземной или прикладной фотограмметрией. Третье направление – это космическая фотограмметрия. Снимки Земли, полученные из космоса, используются для изучения ее природных ресурсов и для контроля за охраной окружающей среды. Снимки других небесных тел, в частности Луны, Венеры, Марса, позволяют изучить их рельеф и получить много другой полезной информации.
Такое широкое применение фотограмметрии обусловлено следующими ее достоинствами:
1. Высокая точность, потому что снимки объектов получают прецизионными камерами, а обработку снимков выполняют строгими методами.
2. Высокая производительность, достигаемая благодаря тому, что измеряют не сами объекты, а их изображения. Это позволяет автоматизировать процессы измерений по снимкам и последующую обработку на компьютере.
3. Объективность и достоверность информации, за счет того, что информация об объекте получается фотографическим путем.
4. Возможность повторения измерений в случае получения спорных результатов.
5. Возможность получения в короткий срок информации о состоянии, как всего объекта, так и отдельных его частей.
6. Безопасность выполнения работ, так как измерения выполняются неконтактным методом. Это имеет особое значение, когда объект недоступен или пребывание в его зоне опасно для здоровья человека.
7. возможность изучения неподвижных, а также медленно и быстро движущихся объектов, скоротечных и медленно протекающих процессов.
Фотограмметрия как наука появилась в середине 19 столетия вскоре после изобретения фотографии. Однако использование перспективных изображений при составлении топографических карт осуществлено значительно раньше. Теоретическое обоснование возможности определения формы, размеров и положения объекта в пространстве по его перспективному изображению было дано в 1759 году И.О.Ламбертом в работе «Свободная перспектива». В 1764 году великий русский ученый М.В.Ломоносов в инструкции для географических исследований России предложил составлять перспективные рисунки местности с помощью камеры-обскуры. В 1839 году французский ученый Ж..М. Дагер применил для фиксации изображения, получаемого с помощью такой камеры, светочувствительное серебро, которое наносилось на металлическую пластинку. На этой пластинке получалось позитивное фотографическое изображение. Так появилась фотография.
Применять фотографии для создания топографических карт впервые предложил французский геодезист Доминик Ф. Араго примерно в 1840 г., а в 1860 г. французский военный инженер Э. Лосседа выполнил фотографирование Парижа с крыши высокого здания и по фотоснимкам создал план, точность которого оказалась выше плана, полученного геодезическим методом. Этой работой было положено начало фотограмметрического метода съемки, который в последующие годы совершенствовался и стал применяться во многих странах.
В России первые фототопографические съемки были выполнены в 1891-1898 гг.инженерами Н.О. Виллером, Р.Ю. Тиле, П.И. Щуровым для целей трассирования железных дорог в Закавказье и Восточной Сибири.
В истории развития фотограмметрии можно выделить три основных периода, которые можно условно назвать как аналоговая, аналитическая и цифровая фотограмметрия.
Аналоговая фотограмметрия берет свое начало с изобретения в 1901 г. К. Пульфрихом стереокомпаратора. Этот прибор позволяет измерять координаты точек снимков составляющих стереопару. Далее развитие фотограмметрии пошло по пути создания специальных оптических и механических приборов, предназначенных для непосредственного создания карт по аэро и наземным снимкам. Эти приборы позволяют выполнить все процессы преобразования снимков в карту. Первый такой прибор, стереоавтограф, был разработан в 1909г. (Е. Орель) для создания карт по наземным снимкам. В 1915г Газзер запотентовал стереопроектор, который стал прототипом мультиплекса, позволяющего построить стереоскопическую модель на экране по множеству снимков и измерять ее с целью создания карты. В 1932г. Ф.В.Дробышев изобрел стереометр, позволяющий нарисовать рельеф местности непосредственно на снимках. Контурную часть карты получали по фотопланам, составленных по множеству трансформированных снимков. Трансформирование снимков выполняли на специальных приборах, называемых фототрансформаторами, которые позволяют преобразовать наклонный снимок в горизонтальный. В этот период было разработано достаточно много различных универсальных фотограмметрических приборов, как в России, так и за рубежом, которые используются в некоторых предприятиях и в настоящее время.
Аналитическая фотограмметрия. Этот этап в развитии фотограмметрии начинается с появлением ЭВМ (примерно в 1950г.). Начиная с этого времени стали развиваться аналитические методы фотограмметрической обработки снимков, которые продолжают совершенствоваться и по настоящее время. В 1957 г. У.В. Хелава (Канада) разработал первый аналитический универсальный прибор, представляющий собой сочетание стерекомпаратора и электронной вычислительной машины. На стереокомпараторе выполнялись измерения координат точек снимков, а на ЭВМ – все преобразования этих измерений в проекцию карты. По сравнению с аналоговыми приборами аналитические позволяют значительно повысить точность обработки снимков и производительность. Таких приборов и систем было разработано достаточно много (Швейцария, Германия, Франция, Италия, Россия и Украина). В настоящее время они не выпускаются, но используются на производстве.
Цифровая фотограмметрия начала развиваться с появлением цифровых изображений. В начале 90-х годов прошлого столетия появились первые коммерческие цифровые фотограмметрические системы, позволяющие решать все фотограмметрические задачи на компьютере, включая стереоскопическое наблюдение и измерение снимков на экране компьютера. Отличительной особенностью цифровых фотограмметрических систем является возможность широкой автоматизации всех процессов преобразования снимков в карту. Это направление в развитии фотограмметрии в настоящее время является основным и уже широко применяется на производстве.
Теория одиночного снимка
Снимок как центральная проекция местности.
Если предположить, что на снимке отсутствуют искажения, вызываемые дисторсией объектива съемочной камеры, атмосферной рефракцией и другими причинами, то снимок можно рассматривать как центральную проекцию объекта на плоскость.
Проекция объекта, полученная в результате пересечения плоскости с проектирующими лучами, пересекающимися в одной точке, называется центральной, а точка пересечения этих лучей - центром проекции.
Совокупность проектирующих лучей, при помощи которых получен снимок, называют связкой проектирующих лучей.
В дальнейшем мы будем исследовать свойства снимка как центральной проекции с целью использования этих свойств для определения координат точек местности, а так же для создания топографических планов и карт.
При центральном проектировании различают негативное (обратное) и позитивное (прямое) изображения (рис.1.1).
Рис. 1
Позитив P получают в случае, когда объект и плоскость проекции расположены по одну сторону от центра проекции S, а негатив N – в в случае когда объект и плоскость проекции расположены по разные стороны от центра проекции S.
Негатив и позитив располагаются симметрично по разные стороны от центра проекции S. Если негатив развернуть на 180о вокруг оси, проходящей через центр проекции S параллельно плоскостям негатива и позитива, а затем развернуть вокруг оси, лежащей в плоскости позитива и перпендикулярной оси первого разворота, то все точки негатива совпадут с точками позитива. Поэтому при анализе снимка можно рассматривать как негатив, так и позитив. В дальнейшем чаще будем рассматривать позитив, который, как и негатив, будем называть снимком.
Рассмотрим некоторые элементы центральной проекции (рис.1.2).
Рис.1.2
P – плоскость снимка.
E – предметная (горизонтальная) плоскость.
S – центр проекции (точка фотографирования).
о – главная точка снимка – след пересечения плоскости снимка главным лучом. Главный луч – это луч, проходящий через центр проекции S перпендикулярно плоскости снимка.
So = f – фокусное расстояние съемочной камеры – расстояние от центра проекции до снимка вдоль главного луча.
n – точка надира – пересечение отвесной линии, проходящей через центр проекции, с плоскостью снимка.
N – проекция точки надира снимка на плоскость Е.
SN = H – высота фотографирования - высота центра проекции относительно предметной плоскости.
αо – угол наклона снимка.
Из этого рисунка легко получить следующее выражение, определяющее расстояние между важнейшими точками центральной проекции:
