Конспект-лекций-ДЗЗ. Конспект лекций по дисциплине Дистанционное зондирование и фотограмметрия для студентов 2 курса направление подготовки
 Скачать 1.62 Mb.
|
|
+ + + P x P x + + P y 15 Заданное Р х % Минимальное Р о % Максимальное Р x % h:H<0,2 h:H>0,2 60 56 66 70 80 78 83 85 90 89 92 93 Продольное перекрытие снимков рассчитывается по формуле: H h X P P P P 0 (16) где 0 P – минимальное заданное продольное перекрытие снимков, h P – поправка за рельеф местности вычисляется по формуле: 0 100 P H h P Ф h (17) h – наибольшее превышение точек местности над средней плоскостью съемочного участка, H P – навигационная поправка, которая согласно основных положений по аэрофотосъемке составляет 4-6% и зависит от масштаба аэрофотосъемки. Поперечное перекрытие снимков определяется по таблице 6. Таблица 6 – Таблица расчета поперечного перекрытия снимков Масштаб аэрофотосъемки Поперечное перекрытие % Расчетное Минимальное Максимальное Мельче 1:25000 30+70 Ф H h 20 +10 1:25000-1:10000 35+65 Ф H h 20 +15 Крупнее 1:10000 40+60 Ф H h 20 +20 Расчет базиса фотографирования на местности производится по формуле: f H P l B Ф x x X ) 100 1 ( , (18) 16 Расчет расстояния между осями маршрутов рассчитывается по формуле: f H P l B Ф y y Y ) 100 1 ( , (19) где y ,l l x – формат кадра в миллиметрах. 1.4 Оптико-механические и оптико-электронные сканеры Принцип действия оптико-механических и оптико-электронных сканеров. Отличие геометрии формирования сканерного снимка от кадрового. 2 Принцип действия оптико-механических и оптико-электронных сканеров. Отличие геометрии формирования сканерного снимка от кадрового. 1 – площадка мгновенного обзора 2 – объектив 3 – механизм вращения 4 – сканирующее зеркало 5 – приемник излучения 6 – устройство магнитной записи 7 – передающее устройство 8 – направление сканирования 9 – направление съемки Рисунок 10 – Принцип действия оптико-механического сканера 3 7 6 5 1 9 8 4 2 17 Оптико-механический сканер содержит только один чувствительный элемент – датчик, который позволяет измерять яркость небольшого участка, пикселя земной поверхности. Сканирующее зеркало просматривает полосу местности, что позволяет зарегистрировать яркость целого ряда пикселей земной поверхности за короткий промежуток времени. Поскольку сканер размещается на движущейся платформе, он аналогично записывает данные о следующей полосе пикселей земной поверхности. По мере движения платформы сканирующий механизм позволяет получить изображение на целую площадь. Принцип работы сканера показан на рисунке 1 – площадка мгновенного обзора 2 – объектив 3 – механизм вращения 4 – сканирующее зеркало 5 – приемник излучения 6 – устройство магнитной записи 7 – передающее устройство 8 – направление сканирования 9 – направление съемки 10 – полупрозрачное зеркало 11 – разделяющая призма 12 – линейка детекторов для различных участков спектра 13 – термальный детектор 14 – детектор для дальнего инфракрасного участка спектра Рисунок 11 – Принцип действия многоспектрального оптико-механического сканера 3 7 6 5 1 9 8 4 2 14 11 13 12 10 18 f – фокусное расстояние камеры S – точка фотографирования (объектив) H – высота фотографирования L – ширина полосы захвата Рисунок 12 – Принцип действия оптико-электронного сканера В оптико-электронном сканере линейка датчиков ориентирована перпендикулярно направлению движения платформы. Отдельному чувствительному элементу линейки, имеющему размер ' a поперек траектории полета, на земной поверхности соответствует пиксель с размером a Сканерное изображение отличается от кадрового тем, что кадровое изображение формируется по законам центральной проекции, а в сканерном по законам центральной проекции формируется каждая строка, соответственно каждая строка буде иметь элементы внешнего ориентирования. Достоинства сканерных съемочных систем: + широкий спектральной диапазон съемки S f линейка датчиков (ПЗС) H L 19 + оперативность доставки получаемой информации + высокая периодичность получения информации + не требуется сканирование изображений Недостатки сканерных съемочных систем: зависимость от погодных условий необходимо учитывать, что каждая строка изображения имеет свои элементы внешнего ориентирования Как уже говорилось, сканеры могут работать в достаточно широком диапазоне спектра, и следует выделить тепловую съемку, то есть съемку, ведущуюся в инфракрасной и тепловой зоне электромагнитного спектра. Принцип получения изображения основан на измерении температур объектов местности. Само же изображение аналогично фотографическому. Достоинства и недостатки тепловых съемочных систем: + возможность выполнять съемку, как в дневное, так и в ночное время + используются для картографирования подземных коммуникаций, выявления техногенных нарушений и изучения негативных экологических процессов высокого разрешения на местности можно достичь только на малых высотах 1.5 Радиолокационные и лазерные съемочные системы Принцип действия активных съемочных систем. 2 Принцип действия активных съемочных систем Радиолокационные съемочные системы Принцип действия активных съемочных систем заключается в следующем: на носитель устанавливается передатчик с антенной, который посылает в направлении Земли импульс, и после некоторой паузы выполняется прием отраженного сигнала. Интенсивность отраженного сигнала зависит от дальности и различна для различных типов объектов. 20 1 – антенна 2 – направление движения 3 – зондирующий сигнал 4 – отраженный сигнал 5 – полоса наблюдения 6 – объект Рисунок 13 – Принцип действия радиолокационных съемочных систем Отраженный сигнал вернется назад через интервал времени: ∆t=2L/c, где c – скорость света, L – расстояние от объекта до спутника, 2 учитывается, так как сигнал проходит путь L дважды. Таким образом, измеряя ∆t, можно найти расстояние до объекта. Радиолокатор перемещается вместе с носителем, считывая по строкам сигнал, таким же образом, как и сканеры. 1 6 5 L 4 3 2 21 Важным физическим параметром радарной съемки является поляризация. Поляризация это передаваемый и получаемый сигнал, распространяющийся в определенной плоскости. Поляризационные плоскости обычно бывают горизонтальные H и вертикальные V. HH и VV - одинаковые поляризации или совместные поляризации. HV и VH - перекрестные или непарные поляризации Рисунок 14 – Виды поляризации Вертикально-поляризованная волна будет взаимодействовать с вертикальными стеблями слоя растений Горизонтально-поляризованная волна будет проникать сквозь слой растений. Комбинирование разных поляризаций может улучшать различные классификации, например – определение различных классов растительности. Достоинства радиолокационных съемочных систем + не зависит от облачности, тумана и смены дня и ночи + космические РЛС имеют преимущество глобального доступа, широкого охвата (то есть местности, видимой на земле), регулярного повтора изображений, большого архива данных, низкой стоимости получения данных, приемлемого разрешения изображений + бортовая самолётная РЛС имеет преимущество высокого разрешения H V 22 + применяют для изучения водных поверхностей, определения границ береговых линий, зон подтопления и т.п. Недостатки радиолокационных съемочных систем более низкая разрешающая способность, по сравнению с аэрофотосъемкой и цифровой съемкой стоимость выше, чем аэрофотосъемка и цифровая съемка Лазерные съемочные системы 1 – лазерный сканер 2 – базовая станция GPS 3 – аэрофотоаппарат 4 – навигационная система GPS/IMU Рисунок 15 – Схема воздушного лазерного сканирования Активным элементом лидара является лазер, работающий, как правило, в импульсном режиме с рабочей длиной волны в ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Лазер излучает коротковолновые импульсы, направление распространения которых регулируется оптической системой и сканирующим элементом. В каждом элементарном измерении в процессе сканирования регистрируются наклонная дальность (псевдодальность) до точки отражения и значение угла, определяющего направление распространения зондирующего луча в системе координат сканера. В 1 поверхность Земли 4 носитель 2 3 23 зависимости от модели воздушного лазерного сканера возможна регистрация более одного (до десяти) отражений для каждого единичного импульса, что приводит к увеличению плотности точек лазерных отражений (ТЛО). Отраженный сигнал после приема дискретизируется, то есть преобразуется в цифровой вид. Помимо регистрации пространственных координат точек производится определение интенсивности отраженного сигнала. В состав съемочной аппаратуры входят: лазерный сканер, навигационная система (GPS/IMU), цифровой аэрофотоаппарат и сеть наземных базовых станций. Навигационная система (GPS/IMU) обеспечивает набор элементов внешнего ориентирования для каждого отражения. Аэрофотоаппарат осуществляет получение цифровых аэрофотоснимков. Сеть наземных базовых станций необходима для уточнения пространственного положения носителя во время полета. Достоинства лазерных съемочных систем: + результат съемки - трехмерное цифровое изображение + эффективны при обследовании линий электропередач, городов и т.п. + высокая точность получаемой информации + высокая производительность + высокая оперативность сбора данных + не зависит от сезонных ограничений Недостатки лазерных съемочных систем: высокая стоимость зависимость от состояния атмосферы невозможность его применения при съемке местности с больших высот, снижение точности с увеличением высоты съемки 24 2. Фотограмметрическая обработка одиночных снимков 2.1 Теория построения изображения на фотоснимке. Геометрические и физические свойства снимка. Принципиальная схема построения изображения методом центрального проектирования. Для получения снимка цифрового или фотографического используется оптическая камера. Рисунок 16 – Принципиальная схема АФА Т.о. в обоих случаях изображение строится оптическим путем. Очевидно, качество изображения определяется объективом. Идеальный объектив соответствует следующим условиям: гомоцентрический пучок лучей останется гомоцентрическим после прохождения объектива, то есть точка изобразится точкой; плоскость перпендикулярная оси объектива изобразится плоскостью перпендикулярной этой оси. плоский предмет перпендикулярный оптической оси изображается подобно самому объекту. Для изучения свойств снимка необходимо знать сущность построения изображения объективом. H и H’ – главные передняя и задняя плоскости объектива S и S’ – передняя и дальняя узловые точки объектива F и F’ – передний и задний фокусы объектива F 0 и F 0 ’ – передняя и задняя фокальные плоскости объектива оптическая ось a H’ A B b S’ H S F 0 ’ F’ F F 0 прикладная рамка объектив корпус фотоматериал или матрица ПЗС 25 SF=f объектива =S’F’ фокусное расстояние объектива Рисунок 17 – Построение изображения объективом От любой точки объекта идет пучок лучей. Изображение строят лучи идущие параллельно оптической оси, проходящие через передний фокус и переднюю узловую точку объектива. Оптическая камера предназначенная для фотографической или цифровой съемки всегда отфокусирована на бесконечность следовательно в этих камерах изображение будет строится в фокальной плоскости. Тогда рис. будет выглядеть другим образом Рисунок 18 - Построение изображения объективом в аэрокамере Из рисунка 18 видно, что для построения изображения в фокальной плоскости достаточно знать ход лучей через переднюю и заднюю узловые точки объектива. Так как эти лучи входят и выходят под одним и тем же углом, то можно переднюю и заднюю главные плоскости объектива совместить. Суть построения от этого не изменится. Рисунок 19 – Схема построения изображения в АФА SO – фокусное расстояние объектива снимок E o S O A c a b B C оптическая ось a H’ A B b S’ H S F 0 ’ F’ F F 0 26 В идеале фокусное расстояние объектива совпадает с фокусным расстоянием фотокамеры – расстояние от задней узловой точки объектива до прикладной рамки. OSo – оптическая ось o – главная точка снимка OSo перпендикулярно P E – горизонтальная плоскость abc – изображение ABC на снимке Согласно теории идеального снимка изображение abc будет подобно объекту ABC. Очевидно, что при аэросъемке SO=H – высота фотографирования. Отношение размера изображения на снимке к размерам самого объекта называется масштабом снимка. Из ΔSca и ΔSCA ΔSba и ΔSBA и т.д. Можно записать, что H f m 1 Выводы: Фотографическое изображение строится в центральной проекции. Центральная проекция – это способ построения изображения прямолинейными лучами, проходящими через 1 точку. Центр проекции – узловая точка объектива. Предметная плоскость – плоскость, в которой находится объект. Плоскость картины – плоскость, в которой стоят изображение. Элементы центральной проекции и их свойства. Чтобы вести обработку снимков надо знать законы построения изображений. Если снимок и предметная плоскость параллельны, а объект плоский, то изображение подобно объекту и никаких углов учитывать не надо. В реальности предметная плоскость никогда не бывает горизонтальной, а снимки во время полета получают углы наклона. Очевидно, что изображение на таком снимке не будет подобно объекту. Так как 27 изображение строится по закону центральной проекции, то и преобразовываться оно будет по этому же закону. Рассмотрим основные элементы центральной проекции и её свойства. Рисунок 20 – Элементы центральной проекции α 0 – угол наклона снимка Е – предметная плоскость Р – плоскость картины (снимок) S – центр проекции So=f – фокусное расстояние о – главная точка снимка n – точка надира c – точка нулевых искажений O,C, N – тоже в предметной плоскости ТТ – основание картины Q – плоскость главного вертикала (через S перпендикулярно ТТ и Е) vocnv – главная вертикаль (след сечения Р плоскостью Q) α 0 S h c f O C N n c o α 0 h c T E v P i I i v V T 28 iIi – линия истинного горизонта (след сечения Р горизонтальной плоскостью проходящей через S) vV – линия направления съемки Свойства точек центральной проекции о – её положение всегда известно на снимке, от неё производятся все построения. с – углы на снимке с вершиной в этой точке и в предметной плоскости с вершиной в точке С всегда равны, направления проведенные через точку с не искажаются. n – линии перпендикулярные предметной плоскости изображаются сходящими в этой точке, точки лежащие выше или ниже предметной плоскости на снимке смещаются по направлениям к n или от неё. I – линии параллельные vV изображаются сходящимися в точке I, линии параллельные между собой произвольно расположенные в предметной плоскости изображаются сходящимися в боковых точках схода на линии истинного горизонта. vv – на ней происходят мах смещение точек за влияние угла наклона. При этом масштаб меняется от 1 до бесконечности. h c h c – линия проходящая через с перпендикулярно vv – линия неискаженных масштабов. 2.2 Системы координат применяемые в фотограмметрии. Плоская система координат снимка. Пространственная система координат точек снимка. Геодезическая система координат. Фотограмметрическая система координат . Известно, что фотограмметрия изучает количественные и качественные характеристики объектов по их изображениям. Очевидно, что для этого нужно найти зависимость между точками объекта и снимка. Для этого нужно иметь координаты точек на снимке и местности. Практически могут использоваться любые системы координат, однако, предпочитают для объекта использовать те системы координат, которые используются при 29 натурном изучении, а для снимка использую систему, связанную со снимком и АФА. Для снимков используют: 1. Плоская система координат точек снимка. В этой системе за начало принимают главную точку снимка о, а направление осей задают координатные метки, которые выгравированы на прикладной рамке АФА. Рисунок 21 – Плоская система координат снимка Так сделать координатные метки так, чтобы оси проходили через о невозможно, то действительная т. о будет лежать в стороне от точки пересечения осей координат. Положение т. о в плоской системе координат будет задаваться координатами 0 0 y x . Таким образом, измеренные на снимке координаты a a y x , равны 0 0 ; y y y x x x a a 2. Пространственная система координат точек снимка. Это пространственная прямоугольная правая система координат. Она может быть задана как угодно в зависимости от решаемой задачи, но наиболее распространена система, в которой начало берут в т. S, а направления осей близкое к направлению осей снимка, а ось Z близка к отвесу. а o y а о’ x а y x 30 Рисунок 22 – Пространственная система координат снимка ' ' ' a a a Z Y X – пространственные координаты точек снимка. Системы координат объекта: 1. Система координат Гаусса. Это поперечно-цилиндрическая проекция с 6 и 3 градусными зонами. Для небольших участков плоские координаты Гаусса XY могут рассматриваться как прямоугольные ортогональные, тогда отличие от фотограмметрической системы будет заключаться в том, что фотограмметрическая система правая, а геодезическая левая. Рисунок 23 – Геодезическая система координат Высоты геодезической системы отсчитываются от уровня поверхности, а в фотограмметрической от плоскости XY. Для перехода от X г Y г Z’ Y a ’ a o S Y’ X’ X a ’ Z a ’ |