Конспект лекций ДЗЗ. 1. Введение. Дистанционное зондирование Земли. 1 Основы дистанционного зондирования Земли
 Скачать 1.51 Mb.
|
|
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по дисциплине «Дистанционное зондирование и фотограмметрия» для студентов 3 курса направление подготовки 120100 Геодезия и дистанционное зондирование (осенний семестр) Новосибирск СГГА 2013 86 Содержание 9. Наземная фотограмметрия 9.1 Понятие и особенности наземной фотограмметрии Фотографические и цифровые съемочные камеры. Особенности обработки наземных снимков и стереопар. Точность наземной стереофотограмметрической съёмки. Методы полевых работ. 9.2. Фотограмметрическая калибровка съёмочных камер Калибровка неметрических цифровых съемочных камер. 10. Цифровая обработка и дешифрирование аэрокосмических снимков 10.1 Цифровая обработка изображений. Фильтрация, изменение контраста изображений и другие алгоритмы улучшения качества изображения. 10.2 Топографическое дешифрирование. Дешифровочные признаки. Понятие о дешифрировании снимков. Классификация видов дешифрирования снимков. Дешифровочные признаки. 10.3 Полнота, достоверность, точность дешифрирования. Параметры оценки качества дешифрирования аэрокосмических снимков. 10.4 Автоматизированные методы дешифрирования снимков. Кластерный анализ. Классификация с обучением. Обзор методов тематической обработки космических снимков. 87 9. Наземная фотограмметрия 9.1 Понятие и особенности наземной фотограмметрии Фотографические и цифровые съемочные камеры. Особенности обработки наземных снимков и стереопар. Точность наземной стереофотограмметрической съёмки. Методы полевых работ. Области применения наземной фотограмметрии Наземная фотограмметрия — это один из разделов фотограмметрии, в котором изучаются методы получения и фотограмметрической обработки изображений объектов, получаемых съемочными системами с точек земной поверхности. Методами наземной фотограмметрии решаются различные задачи в архитектуре, строительстве, горном деле, машиностроении, судостроении, криминалистике, медицине и других областях науки и производства. Примеры некоторых областей применения наземной фотограмметрии: Применение для создания обмерных чертежей архитектурных сооружений и документации дорожных происшествий Применение для автомобилестроения Применение в судостроении Применение в археологии Применение в медицине. Стереопара рентгеновских снимков легкого Фотографические и цифровые съемочные камеры. В настоящее время в наземной фотограмметрии в основном используют только цифровые фотокамеры. Для выполнения наземных фотограмметрических съемок созданы метрические цифровые камеры. В этих камерах, как правило, объектив и светоприемная матрица жестко укреплены на корпусе камеры, обеспечивая, таким образом, постоянство элементов внутреннего ориентирования камеры. Элементы внутреннего ориентирования этих камер, включая параметры фотограмметрической дисторсии определяют на заводе- изготовителе. Примером такой камеры является Trimble Aerial Camera фирмы Trimble. Эта камера выпускается со светоприемной матрицей 60 или 80 мегапикселей и объективами с фокусными расстояниями 35 мм, 50 мм, 80мм и 100 мм. Помимо метрических камер для фотограмметрических работ можно использовать любительские и профессиональные цифровые съемочные камеры. Эти камеры должны быть предварительно подвергнуты процедуре фотограмметрической калибровки, в результате которой определяются элементы внутреннего ориентирования камеры, включая параметры фотограмметрической дисторсии объектива съемочной камеры. В настоящее время для наземной фотограмметрической съемки в зависимости от требуемой точности фотограмметрических определений, размера снимаемого объекта и расстояния до него используются различные типы профессиональных и любительских цифровых фотокамер. В качестве примера можно привести достаточно дорогостоящие цифровые фотокамеры Hasselblad H4D c фотоприемной матрицей от 16 до 60 мегапикселей и Canon EOS 5D c матрицей 21,1 мегапикселя и относительно дешевую цифровую видеокамеру с матрицей 640 пикс. х 480 пикс. В наземной фотограмметрии используют также стереофотограмметрические камеры. Эти камеры представляют собой две идентичные съемочные камеры, жестко установленные параллельно друг другу на некотором базисе, таким образом, чтобы оптические оси этих камер были перпендикулярны к базису. В результате фотограмметрической калибровки стереофотограмметрических камер определяют не только элементы внутреннего ориентирования съемочных камер, но и элементы их внешнего ориентирования в предварительно заданной системе координат стереофотограмметрической камеры, например, в системе координат левой камеры. 88 В этом случае при фотограмметрической обработке снимков, полученных стереофотограмметрической камерой, координаты точек сфотографированного объекта можно получить в системе координат стереофотограмметрической камеры по формулам прямой фотограмметрической засечки. Особенности обработки наземных снимков и стереопар Теоретические положения, рассмотренные для пары аэрофотоснимков, будут справедливы для любых снимков в том числе для снимков НСС. Особенности НСС и отличия ее от аэрофотосъемки заключается в следующем: 1. Главный луч как правило горизонтален или расположен близко к горизонтальному 2. Съемка выполняется с неподвижной точки, поэтому элементы внешнего ориентирования можно определить с любой заданной точностью 3. Съемка выполняется с неподвижной точки, поэтому выдержка при фотографировании может быть любой, что позволит получить изображения высокого качества. Кроме того нет влияния вибрации и смаза изображения. В формулах, полученных для пары аэрофотоснимков при обработке снимков НСС надо заменить Y на Z, а Z на Y. Тогда основные формулы, используемые для пары аэрофотоснимков и снимков НСС, будут следующие. Как видно из приведенных формул, при вычислении Y по снимкам НСС « – » меняется на « + », т.к. при обработке снимка НСС направление главного луча и оси Y совпадают, а при обработке аэрофотосъемков направление оси Z и главного луча S О противоположны. Достоинством НСС является то, что при обработке снимков можно определить координаты точек модели с высокой точностью, даже точнее, чем при построении модели по аэрофотоснимкам. Это достигается за счет следующего: -при выполнении НСС с неподвижного базиса ЭВО снимков , , , Z , Y , X S S S можно задать или определить при самой съемке с заданной точностью. При обработке аэрофотоснимков их ЭВО, как правило, определяют в камеральных условиях фотограмметрическим методом, т.е. в процессе обработке снимков с ограниченной точностью; -разрешающая способность снимков НСС выше, чем аэрофотоснимков. Разрешающая способность любых снимков обеспечивается разрешающей способностью объектива и фотоматериала. Аэрофотосъемка выполняется с подвижного базиса с очень короткой выдержкой, следовательно, объектив должен иметь при аэрофотосъемке большую светосилу, а, значит, ниже разрешающую способность. НСС можно выполнять с любой выдержкой и объектив может использоваться с большой разрешающей способностью. Для аэрофотоснимков Для снимков НСС Формулы прямой фотограмметрической засечки ' 2 ' 1 ' 2 ' 1 ' 2 ' 2 ' 1 ' 1 ' 1 X Z Z X X B Z B N NZ Z NY Y NX X Z X ' 2 ' 1 ' 2 ' 1 ' 2 ' 2 ' 1 ' 1 ' 1 X Y Y X X B Y B N NZ Z NY Y NX X Y X 89 0 0 2 0 1 0 1 p f x B B N Nf Z Ny Y Nx X Z X 0 0 2 0 1 0 1 p f x B B N Nz Z Nf Y Nx X Y X Формулы трансформированных координат точек снимков ' ' 0 ' ' 0 Z Y f y Z X f x ' ' 0 ' ' 0 Y Z f z Y X f x Недостатком НСС является малая производительность труда, т.к. каждый снимок НСС охватывает малую площадь снимаемых объектов (масштаб снимков НСС крупнее, чем аэрофотоснимков). Кроме того, перемещение от одной станции к другой при съемке требует много времени. Из-за этого недостатка создание карт по снимкам НСС производилось как исключение и обычно в горной местности, где большой перепад высот точек местности, в результате чего возникают «мертвые зоны» при аэрофотосъемке. На эти участки местности карты создавались по снимкам НСС. Основное применение снимков НСС – это решение различных инженерных задач (определение объема выработок горных пород, изучение движения оползней и ледников, реконструкция памятников архитектуры и т.д.). Элементы ориентирования снимков НСС Сущность элементов ориентирования снимка НСС такая же, как аэрофотоснимка. Они делятся на ЭвО и ЭВО. К ЭвО снимка НСС относятся: o z , x f, o Элементы внутреннего ориентирования снимка НСС ЭвО позволяют восстановить связку проектирующих лучей. ЭВО снимка НСС, как и аэрофотоснимка – шесть. Линейными ЭВО снимка являются S S S Z Y X , , – координаты точки фотографирования, угловыми ЭВО снимка являются , , , характеризующие поворот осей плоской системы координат точек снимка относительно осей внешней системы координат. 6 ЭВО снимка: S S S , , Г Г Г Z Y X – геодезические координаты точки S; – дирекционный угол оптической оси камеры – угол между осью ' Г X и горизонтальным проложением главного луча Sо (проекцией главного луча Sо на плоскость ' ' , Г Г Y X ); – угол наклона снимка НСС – угол между главным лучом So и его горизонтальным проложением; S ● O f z x z o x o 90 – угол разворота снимка НСС – угол между осью x и следом плоскости ' Sо Г Y на снимке. При обработке снимков НСС фотограмметрическая СК выбирается следующим образом: если снимки общего случая съёмки (произвольные элементы ВО снимков), то начало фотограмметрической системы выбирают в точке S 1 , а ось Y совмещают с проекцией главного луча 1 1 S O на плоскость ' Г ' Y Г X .Ось Z выбирается отвесно. В отличие от аэрофотосъемки ЭВО снимков НСС, как правило, задаются или определяются непосредственно в процессе самой съёмки и известны на момент камеральной обработки снимков. Виды (случаи) съёмки при НСС При НСС с использованием фототеодолитов на практике реализуются следующие основные виды (случаи) съёмки: нормальный; параллельный; конвергентный. Во всех этих видах съёмок камера устанавливается по уровням, а направления главных лучей задаются с помощью ориентирного устройства, тогда 0 , 0 2 2 1 1 и 0 1 (в фотограмметрической системе координат). Эти виды съёмок отличаются только направлениями главных лучей. Нормальный случай съёмки При нормальном случае съёмки: 0 2 1 (в фотограмметрической системе координат), 0 1 1 , 0 2 2 , 0 2 1 90 Параллельный случай съёмки Для большего захвата объектов съёмки на станции, кроме нормального случая, производят съёмку параллельного случая, когда направления оптической оси будут параллельны между собой в левой и правой точках фотографирования. При этом выполняется параллельный случай съёмки со скосом влево, когда главные лучи отклонены влево от перпендикуляра к базису фотографирования, или параллельный случай съёмки со скосом вправо (рис. 2.8), когда главные лучи отклоняются вправо от перпендикуляра к базису фотографирования. При параллельном случае съёмки: , 0 , 0 , 0 2 1 2 2 1 1 2 1 Конвергентный случай съемки. В том случае, когда объект съемки находится вблизи точек фотографирования, выполняется конвергнтный лучай съемки. При конвергентном случае съёмки: 0 1 (в фотограмметрической системе), 2 (угол конвергенции), , 0 , 0 2 1 2 2 1 1 В том случае, когда при НСС невозможно ориентировать съемочную камеру, используется общий случай съемки, при котором ЭВО снимков , , левого и правого снимков не равны нулю. Для обработки снимков общего случая съемки выполняются те же основные процессы, как при обработке аэрофотоснимков с целью построения модели местности: 91 определяются ЭВзО снимков; вычисляются фотограмметрические координаты точек модели; выполняется ее внешнее ориентирование. В результате будут получены координаты точек модели во внешней системе координат. Отличие обработки снимков НСС общего случая съемки от обработки аэрофотоснимков состоит в том, что координаты S S S Z , Y , X определяются в процессе полевых работ, также измеряется и базис фотографирования, т.е. S S S Z , Y , X будут известны из самой съемки в отличии от аэрофотосъемки. Методы полевых работ. Точность наземной стереофотограмметрической съёмки. При НСС основными технологическими процессами являются: 1. Изучение объекта и рекогносцировка. 2. Расчет базиса фотографирования. 3. Геодезические работы на станции: ▫ определение координат точки S; ▫ измерение базиса фотографирования; ▫ определение дирекционного угла базиса; ▫ определение координат контрольных точек. 4. Съемка. Рекогносцировка местности заключается в уточнении рабочего проекта НСС, а именно в окончательном выборе точек фотографирования (станций) и контрольных точек, геодезические координаты которых необходимы для учета ошибок угловых элементов внешнего ориентирования снимков. Геодезические работы при НСС. При НСС элементы внешнего ориентирования снимков либо задаются, либо определяются с заданной точностью. Угловые элементы внешнего ориентирования снимков ω, κ задаются с помощью уровней равными нулю (для нормального и параллельного случаев съемки), а α устанавливается ориентирным устройством в зависимости от случая съемки. Линейные элементы внешнего ориентирования снимков при НСС определяют с помощью традиционных геодезических методов или с использованием GPS- приемников, позволяющих получать координаты точек земной поверхности с высокой точностью. Таким образом, на момент обработки снимков НСС будут известны: координаты 1 1 1 S S S X ,Y ,Z левой точки фотографирования в геодезической системе координат; величина базиса фотографирования; дирекционный угол базиса фотографирования А, превышение точки S 2 над точкой S 1. При выполнении геодезических работ при НСС также определяют геодезические координаты контрольных точек Фотографирование местности при НСС. 9.2. Фотограмметрическая калибровка съёмочных камер Калибровка неметрических цифровых съемочных камер. Для того, чтобы использовать неметрический цифровой фотоаппарат для решения измерительных задач, необходимо определить его элементы внутреннего ориентирования и коэффициенты дисторсии. Эта задача решается в процессе калибровки фотоаппаратов. Основное назначение неметрических цифровых камер в фотограмметрии – построение трёхмерных моделей объектов посредством наземной фотосъёмки. Этот метод фотосъемки по сравнению с другими методами, такими, как, наземное лазерное сканирование, фасадная съемка с помощью электронных тахеометров, является наиболее доступным, поскольку не требует применения дорогостоящего оборудования, и при этом позволяет построить модель объекта с заданной точностью. Для проведения наземной фотосъемки достаточно иметь откалиброванный цифровой фотоаппарат, компьютер и специальное программное обеспечение. Перед съемкой необходимо определить количество станций и их расположение, чтобы снять 92 объект при минимальном количестве точек фотографирования и обеспечить заданную точность. Фотосъемка высоких объектов выполняется: а) с вертикальных базисов фотографирования; б) с наклоном оптических осей В настоящее время проводится множество работ по реставрации, реконструкции и охране исторических памятников с использованием снимков, полученных неметрическими цифровыми камерами. Фотограмметрическая калибровка цифровых съемочных камер выполняется с целью определения значений элементов внутреннего ориентирования съемочных камер, включая параметры фотограмметрической дисторсии объектива съемочной камеры. Поправки dx и dy в координаты измеренных на снимке точек, компенсирующие влияние фотограмметрической дисторсии объектива съемочной камеры, в общем случае описываются различными уравнениями. Наиболее широко используются формулы Брауна. , где – координаты точек снимка – коэффициенты радиальной дисторсии - коэффициенты тангенциальной дисторсии Для калибровки используются тест-объекты: пространственные и плоские. Тест-объект представляет собой пространственное поле маркированных точек. Точки (марки) тест-объекта должны быть выполнены в виде четких геометрических фигур, обеспечивающих максимальную точность наведения измерительной марки цифровой фотограмметрической системы при измерении координат их изображений на снимках в интерактивном и автоматическом режимах. |