Конспект лекций ДЗЗ. 1. Введение. Дистанционное зондирование Земли. 1 Основы дистанционного зондирования Земли
 Скачать 1.51 Mb.
|
|
5. Пространственная фототриангуляция 5.1 Назначение и классификация способов аналитической пространственной фототриангуляции. Маршрутная и блочная пространственная фототриангуляции. Сущность, назначение и классификация пространственной фототриангуляции (ПФТ). В основе пространственной фототриангуляции (ПФТ) – идея построения модели по группе снимков, принадлежащих одному или нескольким маршрутам. Это позволит использовать минимальное число опорных точек, что приведет к снижению затрат на полевые работы. ПФТ можно классифицировать[6]: 1) по количеству маршрутов: Г Z Y Г Z Z S X X 0 Г O Г Y Г X S Y Y 0 S Z Z 0 S Г X X Г Y 67 - одномаршрутная, которая строится по снимкам, принадлежащим одному маршруту; - многомаршрутная, или блочная, которая строится по снимкам, принадлежащим двум и более маршрутам; 2) по технологии построения сети фототриангуляции: - аналоговая, основанная на использование универсальных приборов; - аналитическая, основанная на применении высокоточных автоматизированных стереокомпараторов и ЭВМ; - цифровая, при которой используются цифровые изображения. Различают 3 способа построения ПФТ: 1) метод независимых моделей; 2) метод частично зависимых моделей; 3) метод связок. Достоинства цифровой фототриангуляции Цифровая фототриангуляция имеет следующие достоинства: 1) высокая степень автоматизации; 2) высокая точность благодаря: - возможности учёта геометрических искажений в координатах точек снимков; - возможности обработки избыточных измерений; - использованию мощных компьютеров; - использованию строгих алгоритмов обработки снимков; 3) возможность обработки снимков различного формата с различными элементами внутреннего и внешнего ориентирования снимков, снимков, полученных различными съемочными системами; 4) широкие функциональные возможности; 5) решена проблема старения материала; 6) возможность улучшения изобразительного качества снимков; 7) высокая производительность труда и культура производства; 8) нет необходимости в сложном обслуживании. 5.2 Методы пространственной фототриангуляции. Маршрутная фототриангуляция методом независимых моделей. Блочная фототриангуляция методом связок, объединения маршрутных и одиночных моделей. Технология аналитической фототриангуляции. Построение блочных сетей фототриангуляции методом связок Наиболее строгим методом построения блочных сетей пространственной фототриангуляции аналитическим и цифровым способами по сравнению с методом независимых моделей является метод связок. В основе метода связок лежат уравнения коллинеарности проектирующих лучей: * * 0 Z X f x x * * 0 Z Y f y y ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 3 3 3 2 2 2 1 1 1 S S S S S S S S S Z Z c Y Y b X X a Z Z Z c Y Y b X X a Y Z Z c Y Y b X X a X В уравнении будут известны f, x0, y0, x, y. Неизвестны элементы внешнего ориентирования снимков S S S Z Y X , а также X, Y, Z – координаты точек сети ПФТ. Достоинством метода связок является то, что сеть строится и уравнивается одновременно для всех точек, входящих в блок, а также поправки находятся 68 непосредственно к измеренным величинам, что обеспечивает более высокую точность построения сети. Недостатками этого метода являются: сложность задания приближённых значений неизвестных (для решения этой проблемы можно предварительно уровнять сеть менее строгим методом, а её результаты использовать в качестве приближённых значений), должны отсутствовать грубые ошибки, должны быть исключены систематические ошибки (или сведены к минимуму). 6. Универсальные стереофотограмметрические системы 6.1 Назначение и классификация универсальных стереофотограмметрических приборов: аналоговые и аналитические универсальные приборы (УП) и цифровые станции. Идея и сущность универсального метода построения модели. Фотограмметрия занимается изучением размеров, формы, пространственного положения объектов по их моделям, которые строят по изображениям объектов. В основе построения ГММ по паре снимков лежит геометрический принцип обратимости фотографического процесса. ГММ может быть построена разными способами. При аналитическом способе построения ГММ определяются только координаты отдельных точек модели, с помощью которых решают поставленную задачу, но аналитический способ построения ГММ не позволяет работать непосредственно с моделью местности. ГММ можно построить универсальным методом, который реализуется на универсальных стереофотограмметрических приборах (УП). В основе построения ГММ на УП лежит тот же геометрический принцип обратимости съемочного процесса. Главным отличием УП от других приборов является возможность работы непосредственно с моделью, то есть на УП можно измерять координаты точек модели, определять по модели расстояния, уклоны, превышения, выполнять рисовку контуров и горизонталей, строить сети фототриангуляции. Существует много типов УП. Главное их различие заключается в способе проектирования, то есть в способе восстановления связок проектирующих лучей. По этому принципу УП делятся на: УП оптического типа (проектирование выполняется с помощью оптических камер); УП механического типа (роль проектирующих лучей выполняют металлические стержни); аналитические УП (АУП). В них восстановление лучей осуществляется по формулам и уравнениям аналитической геометрии , то есть все операции выполняются аналитически; цифровые фотограмметрические станции (цифровые стереоплоттеры). Они аналогичны АУП, только на них ведется обработка цифровых изображений. В настоящее время цифровые стереоплоттеры вытеснили все другие УП. 6.2 Цифровое изображение, основные понятия. Цифровое изображение. Способы получения цифрового изображения. Цифровые снимки получают, либо цифровой камерой, либо сканируют снимки, полученные аналоговым способом. Цифровая камера имеет конструкцию аналогичную фотокамере, только в плоскости прикладной рамки находится матрица ПЗС. Эта матрица состоит из микроэлементов принимающих световую энергию. Далее световая энергия преобразуется в цифровой код. Цифровое изображение – это матрица чисел, каждый элемент которой соответствует значению яркости объекта на местности. 69 Чтобы преобразовать аналоговое изображение в цифровое нужно выполнить его сканирование. Принципиальная схема планшетного сканера Суть сканирования заключается в следующем: световой луч ограниченного размера, отражается от изображения и это отраженное излучение фиксируется как яркость изображения в цифровой форме. Движение лампы осуществляется по двум осям xy. Чем меньше размер светового луча, тем меньше размер пиксела, а соответственно их больше, но и объем информации увеличится. На цифровых изображениях координаты измеряются в пикселах, а значит точность измерений будет зависеть от размера пиксела. Размер пиксела – разрешающая способность цифрового изображения. 6.3 Цифровые стереофотограмметрические системы (стереоплоттеры) Понятие цифровых стереоплоттеров и их основные системы. Способы получения стереомодели на цифровом стереоплоттере. Управление цифровым стереоплоттером. Технология обработки снимков на цифровых стереофотограмметрических системах. Цифровой стереоплоттер – это специализированное программное обеспечение, позволяющее выполнять все процессы по построению геометрической модели местности, измерению координат точек, сбору информации для построения ЦМР и ЦММ, трансформирование и ортотрансформирование снимков, фототриангуляцию, построение стереомодели. Построение модели на цифровом стереоплоттере может выполняться двумя способами: 1. по установочным элементам; 2. по условию компланарности. Построение модели на стереоплоттере по условию компланарности 1. Ввод исходных данных: цифровые изображения (отсканированные снимки или снимки полученные с цифровой камеры), элементы внутреннего ориентирования снимков, координаты координатных меток (из паспорта АФА), либо расстояния между координатными метками, данные о дисторсии (из паспорта АФА), геодезические координаты опорных точек. 2. Внутреннее ориентирование снимков. На данном этапе выполняется измерение координат координатных меток для каждого снимка. Затем для левого и правого изображения для каждой координатной метки составляются уравнения аффинного преобразования: цi цi i цi цi i y b x b b y y a x a a x 2 1 0 2 1 0 , где 2 0 , , b a – коэффициенты аффинного преобразования, i i y x , – плоские координаты координатных меток (из паспорта АФА), цi цi y x , – измеренные координаты координатных меток на цифровом изображении. Таким образом, зная координаты координатных меток, взятые из паспорта АФА и измеренные по цифровым изображениям, можно вычислить коэффициенты аффинного преобразования. После этого вычисляются плоские координаты координатных меток. 70 3. Взаимное ориентирование снимков. Целью данного этапа является определение элементов взаимного ориентирования снимков. Для этого измеряются координаты соответственных точек в стандартных зонах стереопары в области продольных перекрытий снимков. Исходным уравнением является условие компланарности соответствующих лучей: 0 ' 2 ' 2 ' 2 ' 1 ' 1 ' 1 Z Y X Z Y X B B B Z Y X Если элементы взаимного ориентирования определяются в базисной системе координат, то условие компланарности имеет вид: 0 ' 2 ' 1 ' 2 ' 1 Y Z Z Y В результате решения данного уравнения будут найдены элементы взаимного ориентирования снимков 2 2 2 1 1 , , , , . Результат будет считаться удовлетворительным если величина остаточного поперечного параллакса q y y 0 2 0 1 и средняя квадратическая ошибка остаточного поперечного параллакса n q m n i i q 1 2 будут в допуске. 4. Определение фотограмметрических координат опорных точек. На данном этапе оператор наводится с помощью клавиатуры или «мыши» на изображения опорных точек на снимках и таким образом измеряет фотограмметрические координаты опорных точек. 5. Определение элементов внешнего ориентирования модели. Для определения элементов внешнего ориентирования модели используются фотограмметрические координаты опорных точек, найденные на предыдущем этапе, и геодезические координаты этих же точек. Элементы внешнего ориентирования модели вычисляются по формуле: t Z Y X A Z Y X Z Y X Г Г Г 0 0 0 В данной формуле будут неизвестны семь элементов внешнего ориентирования модели ( t Z Y X , , , , , , 0 0 0 ). Для решения данных уравнений необходимо иметь минимум три опорные точки. После нахождения элементов внешнего ориентирования модели выполняется оценка точности, при которой вычисляются расхождения геодезических координат опорных и контрольных точек по формулам: Г Г Г Г Г Г Г Г Г Z Z Z Y Y Y X X X ' ' ' , где ' , ' , ' Г Г Г Z Y X – геодезические координаты опорных точек, вычисленные по формулам, через элементы внешнего ориентирования модели , полученные в последней итерации, Г Г Г Z Y X , , – геодезические координаты опорных точек, полученные из фототриангуляции. А также вычисляются средние квадратические ошибки расхождения геодезических координат опорных точек: 71 k Z m k Y m k X m k i Гi Z k i Гi Y k i Гi X 1 2 1 2 1 2 6. Сбор цифровой информации в стереорежиме. На данном этапе выполняется рисовка горизонталей и контуров. Оператор с помощью клавиатуры или «мыши» наводит пространственную марку на точки модели, координаты этих точек записываются в виде векторного файла. Далее эту информацию можно использовать для создания ЦМР, карт и др. 7. Цифровое ортотрансформирование 7.1 Цифровые модели рельефа Классификация цифровых моделей рельефа по: способу сбора информации о рельефе; структуре первичной информации о рельефе; методу описания рельефа; структуре информации о рельефе, хранящейся на компьютере; способу представления ЦМР. Цифровая модель рельефа (ЦМР) – это метрическая информация о поверхности земли и правила обращения с этой информацией. Построение ЦМР выполняется в два этапа: 1. сбор исходных данных, в качестве которых выступают координаты XYZ определенного количества исходных точек. 2. выбор математического аппарата, который позволит вычислить координату Z любых точек поверхности земли. Необходимое количество исходных данных (точек с координатами XYZ) для построения ЦМР определяется точностью моделирования рельефа и характером рельефа. ЦМР можно классифицировать: 1. по способу сбора информации о рельефе; 2. по структуре первичной информации о рельефе; 3. по методу описания рельефа; 4. по структуре информации о рельефе, хранящейся на компьютере; 5. по способу представления ЦМР. Классификация ЦМР по способу сбора информации о рельефе 1. Картографический способ 2. Геодезический способ 3. Стереофотограмметрический способ 4. Воздушное лазерное сканирование Классификация ЦМР по структуре первичной информации о рельефе По структуре первичной информации о рельефе, то есть по расположению исходных точек различают: 1. Регулярная сеточная модель. Исходные точки для построения ЦМР располагаются в узлах сетки и для каждой измеряются координаты XYZ. Достоинства метода: организация сбора информации проста и не требует высокой квалификации оператора, процесс измерения координат XYZ можно автоматизировать, уменьшение объема информации, так как в компьютере хранятся координаты XY начальной точки, шаг 72 сетки и высоты узлов. Недостаток метода: отсутствует возможность учитывать структуру рельефа. 2. Расположение исходных данных в характерных местах рельефа. В этом случае исходные данные для построения ЦМР задаются координатами XYZ множества точек расположенных в характерных местах рельефа. Достоинства способа: учет структуры рельефа. Недостатки способа: требуется практический навык оператора в правильной оценки структуры рельефа. 3. Комбинированный способ. В данном случае измеряются координаты XYZ точек равномерной сетки, а также структурных линий, то есть характерных точек рельефа. Достоинства метода: позволяет передавать структуру рельефа и дает возможность частично автоматизировать процесс. Недостаток: необходим опытный исполнитель. 4. Хаотическое расположение исходных точек. Здесь координаты XYZ точек измеряются в тех местах, где это возможно. Классификация ЦМР по методу описания рельефа Интерполяционный метод. В данном случае задается метод интерполяции высот исходных точек. По координатам XYZ исходных точек строится функция описывающая поверхность, затем отметки любых произвольных точек вычисляются на основе этой функции. К интерполяционным методам построения ЦМР относятся: средний весовой метод и триангуляция Делоне. Здесь точки 1-5 – исходные точки с координатами XYZ, тогда координата Z i искомой точки i с координатами X i Y i , будет вычисляться по формуле: k i i k i i i i P Z P P P P P P Z P Z P Z P Z P Z P Z 1 1 5 4 3 2 1 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 , где k – число исходных точек с координатами XYZ, i P – вес соответствующей точки равный i i L P 1 , где i L – расстояние от исходной точки до точки i . Если используется триангуляция Делоне, то поверхность земли представляется системой плоскостей каждая из которых проходит через три точки местности расположенные в характерных местах рельефа. Поверхность представляется в виде системы плоских треугольников. 2 i 3 1 1 5 4 3 2 L 1 i L 2 L 3 L 4 L 5 73 Высота i Z вычисляется интерполированием высот вершин треугольников из решения уравнения плоскости проходящей через три точки. 0 1 3 1 3 1 3 1 2 1 2 1 2 1 1 1 Z Z Y Y X X Z Z Y Y X X Z Z Y Y X X i i i Из данного уравнения определяется координата i Z . Достоинством данных методов является жесткая связь с характерными точками рельефа. Функциональный метод. В данном случае ЦМР представляется в виде функции XY F Z . Примеры функциональных способов построения ЦМР являются полиномиальная и сплайн функции. При использовании полиномиальных функций для всех исходных точек составляются уравнения вида: XY C Y C X C C Z 3 2 1 0 , в которых будут известны координаты XYZ исходных точек, а неизвестны коэффициенты. Когда коэффициенты будут найдены, можно вычислять координаты Z любой точки поверхности. При использовании сплайн функций для всех исходных точек составляются уравнения вида: 3 3 3 2 1 0 Y X С XY C Y C X C C Z k Точность построения ЦМР будет зависеть от характера рельефа. Классификация ЦМР по структуре информации о рельефе, хранящейся на компьютере: 1. в виде координат точек модели; 2. в виде коэффициентов полиномов. Классификация ЦМР по способу представления ЦМР ЦМР можно представить в виде: 1. текстурированной трехмерной модели; 2. координат точек модели; 3. горизонталей; 4. градуированной отмывки, когда определенной высоте присваивается соответствующее значение тона; 5. геометрических фигур (например, треугольников); 6. объемной поверхности. При построении ЦМР должна быть обеспечена заданная точность моделирования рельефа в зависимости от назначения ЦМР. Точность построения зависит от плотности и расположения исходных точек, размера элементарного участка моделирования, используемых алгоритмов для построения ЦМР, а также от точности определния высот исходных точек. |