Материал: 2385

полученные снимки в топографический план города, точность которого в несколько раз превосходила точность геодезического метода.

Вклад Эмэ Лосседа в развитие зарождающейся науки столь значителен, что некоторые специалисты называют его отцом фотограмметрии.

ВРоссии методы фотограмметрии начали применять в последние десятилетия XIX века. Это относится к изысканиям для строительства железных дорог на Кавказе (Н. Ф. Виллер, 1891 г.) и в Забайкалье (П. И. Щуров, Р. Ю. Тиле, 1897 г.), а также съемкам на Новой Земле (Ф. Н. Чернышев, Б. Б. Голицын, 1895–1896 гг.). Первые воздушные снимки в России были получены 18 мая 1886 г. командиром военно-воздухоплавательной части поручиком А. М. Кованько.

Второй этап развития фотограмметрии, продолжавшийся с начала века и до 60-х гг. XX века, характеризуется становлением, развитием и массовым применением методов аэрофототопографической съемки на базе специальных фотограмметрических приборов.

Стереотопографический метод зародился на рубеже XIX и XX вв., когда Штольце (Германия) предложил использовать в фотограмметрии пространственную стереоскопическую модель местности. Выполненные в тот период исследования привели к разработке методов измерения такой модели на основе метода мнимой (К. Пульфрих, 1899 г.) и действительной (Е. Девиль, 1901 г.) марки. В 1901 г. К. Пульфрихом был создан прибор для измерения снимков – стереокомпаратор, давший мощный толчок становлению стереометодов и ставший первым шагом в развитии аналоговой фотограмметрии.

В1908 г. австрийским фотограмметристом Э. Орелем был сконструирован автостереограф (позднее – стереоавтограф) для обработки наземных снимков. Его усовершенствованная модель серийно выпускалась предприятием К. Цейсс (Германия) с 1909–1912 гг. до 40-х гг. практически без модернизации.

Первые в России самостоятельные исследования по обработке воздушных фотоснимков принадлежат В. Ф. Найденову, автору труда «Измерительная фотография и применение ее в воздухоплавании» (1907 г.). Огромное значение для развития и применения в России фотограмметрических методов имели два издания: первой в России книги Г. Н. Шебуева и Н. Н. Веселовского «Геометрические основания фотограмметрии» (1899 г.) с систематическим изложением вопросов фотограмметрии и трехтомного труда Р. Ю. Тиле «Фототопография в современном развитии» (1908–1909 гг.).

Успехи авиации того периода сделали актуальной задачу воздушного фотографирования, что обусловило активизацию работ по созданию аэрокамер и специальных фотографических объективов для них. Большая заслуга в этом принадлежит С. А. Ульянину, Р.Ю.Тиле, В. М. Потте, а также работавшим в этом направлении в более поздний период М. М. Русинову, Д. С. Волосову, Ф. В. Дробышеву, С. П. Шокину, Г. Г. Гордону и др.

Всилу исторических, политических и особых экономических условий первой четверти прошлого столетия, имевшиеся к этому времени западные инструментальные разработки были для России недоступны. Это обусловило создание собственных оригинальных, дешевых и эффективных методов решения задач картографирования обширных территорий, позволивших за сравнительно короткий промежуток времени не только выполнить теоретические исследования и создать соответствующую техническую базу, но и выполнить на их основе огромный объем работ по картографированию страны.

К таким методам относится, прежде всего, разработанный под руководством профессора Н. М. Алексапольского комбинированный метод аэрофототопографической съемки (1923–1928 гг.), идея которого заключается в создании контурной части карты по материалам аэрофотосъемки с помощью фототрансформатора, а высотной части – на основе полевых работ. При этом обеспечение снимков опорными точками выполняли методом графической фототриангуляции, идея которой была предложена С. Фин-

7

стервальдером (1926 г.), а первые опыты по ее использованию выполнены К. Ашенбреннером (1926 г.), Н. М. Алексапольским и Ф. В. Дробышевым (1928 г.).

В1930–1936 гг. усилиями целого ряда крупнейших фотограмметристов страны А. С. Скиридова, Г. В. Романовского, М. Д. Коншина, Г. П. Жукова, Ф. В. Дробышева, Н. М. Алексапольского и др. был разработан дифференцированный способ стереотопографической съемки, в котором высотная часть карты создавалась уже в камеральных условиях. Теоретическую основу этого способа составили разработанные в этот период способы сгущения планового и высотного обоснования, а техническую базу – фототрансформатор, топографический стереометр Дробышева СТД, стереокомпаратор и прецизионный стереометр.

Вгоды Великой Отечественной войны методы фотограмметрии применялись для создания и обновления топографических карт. Фотоснимки, получаемые с самолетов в боевых условиях, использовались в разведывательных целях, для составления фотосхем и фотокарт.

Втечение 1945–1947 гг. было восстановлено разрушенное войной высокоточное геодезическое и фотограмметрическое приборостроение, и основные усилия были направлены на совершенствование аэрофототопографического метода создания и обновления карт. К этому времени трудами профессоров М. Д. Коншина, Г. В. Романовского, А. Н. Лобанова, Ф. В. Дробышева, В. Я. Финковского, Н. П. Лаврова, Г. П. Жукова, И. Т. Антипова была разработана теория обработки аэроснимков с преобразованными связками проектирующих лучей, определившая развитие фотограмметрии на ближайшие десятилетия. На основе этой теории была создана серия принципиально новых фотограмметрических приборов универсального типа, среди которых наибольшее применение имели стереопроектор Романовского (СПР, 1954 г.) и стереограф Дробышева (СД, 1956 г.). Массовое применение этих приборов позволило заменить дифференцированный способ аэрофототопографической съемки более точным, экономичным и технологичным универсальным.

Широкое применение в этот период получили приборы, обеспечивающие фиксацию положения съемочной камеры в процессе съемки и определения координат центров фотографирования – радиовысотомеры, статоскопы, гиростабилизирующие установки, радиогеодезические системы.

Третий этап развития фотограмметрии, продолжавшийся с начала 1960-х до середины 1980-х гг., характеризуется развитием и массовым использованием аналитических методов.

Теоретические основы аналитической фотограмметрии были сформулированы в первой половине XX века, когда были опубликованы основополагающие труды профессора Н. Г. Келля «Пространственная обратная засечка в фотограмметрии» (1926 г.), «Фотография и фотограмметрия» (1937 г.) и профессора Н. А. Урмаева «Аналитические методы уравнивания фототриангуляции» (1936 г.), «Элементы фотограмметрии» (1941 г.). Появление в конце 1950-х гг. электронных вычислительных машин (ЭВМ) сделало задачу применения аналитического метода обработки результатов фотограмметрических измерений актуальной и своевременной. Выполненные в 1956–1957 гг. под руководством профессора А. Н. Лобанова исследования положили начало внедрению аналитического метода в производство. Теория метода, опубликованная А. Н. Лобановым в книге «Фототриангуляция с применением электронной цифровой вычислительной машины» (1960 г.),

снезначительными усовершенствованиями применяется и в настоящее время. Дальнейшее развитие аналитической фотограмметрии связано с именами И. Т. Антипова, М. Н. Булушева, В. Б. Дубиновского, Ф. Ф. Лысенко, Р. П. Овсянникова, Б. К. Малявского, М. М. Машимова, В. И. Павлова, В. А. Поляковой, И. И. Финаревского и др. Широкому ее внедрению в производство способствовало создание в 1970-х гг. автоматизированных

8

стереокомпараторов СКА-18 и СКА-30, обеспечивающих измерение аэроснимков с точностью порядка 2–3 мкм.

В этот период была выполнена первая космическая фотосъемка обратной стороны Луны с космического аппарата Луна-3 (1959 г.); создана серия новых приборов – аналитический комплекс Аналит (1970 г.), аналитический стереопроектор СПА (1979 г.), автоматизированный фототрансформатор ФТА (1979) и автоматизированный комплекс «Ортомат» (1984 г.); начат серийный выпуск ортофотопроектора ОФПД на базе стереографа СД (1973 г.); создан специализированный аэрофотосъемочный самолет Ан-30 (1974 г.). Началось планомерное фотографирование Земли и других планет с пилотируемых и автоматических космических аппаратов, получившее новый импульс с созданием Госцентра «Природа» (1973 г.).

Активная разработка аналитических методов обработки результатов фотограмметрических измерений привела к появлению высокоточных аналитических приборов, представляющих сочетание высокоточного стереокомпаратора с персональным компьютером, выполняющим аналитическую обработку данных в момент их получения (режим on-line). К числу таких приборов относятся аналитический плоттер AP (Италия, США), Traster (Франция), Planicomp (Германия), Aviolyt (Швейцария), Анаграф (СССР) и др., являющиеся прообразами будущих цифровых фотограмметрических систем.

Современное состояние фотограмметрии характеризуется массовым применением цифровых методов обработки материалов аэрофотосъемки.

Истоки современной цифровой фотограмметрии относятся к 1924 г., когда профессор А.С. Скиридов сформулировал идею автоматизации стереофотограмметрических измерений на основе сравнения фотографических плотностей соответственных зон смежных снимков. Воплощение этой идеи в цифровой фотограмметрической системе (ЦФС) стало возможным лишь в середине 1980-х гг., с появлением запоминающих устройств, съемочных систем и сканеров с твердотельными светочувствительными элементами на основе приемников с зарядовой связью (ПЗС).

ЦФС представляет собой персональную ЭВМ, оснащенную средствами визуализации стереоскопической модели местности – анаглифическими, поляроидными очками или стереонасадкой и специальным программным обеспечением. Она имеет, как правило, модульную структуру с наращиваемыми аппаратными и программными средствами, обеспечивающими обработку материалов аэрофотосъемки начиная от измерения и преобразования изображения и до формирования фотокарты. Одним из первых цифровых приборов, предназначенных для цифровой обработки снимков, является система DCCS (Digital Comparator Correlater System), разработанная в 1985 г. фирмой HAI (США) под руководством У. Хелавы. Из применяемых в настоящее время цифровых фотограмметрических систем можно отметить ЦФС Photomod (ЗАО «Ракурс», Россия, 1993), DVP (Leica, Швейцария, 1993), Realistic Map (Медиаскан, Республика Беларусь) и др.

Мощным стимулом развития цифровых методов в фотограмметрии стало появление цифровых съемочных систем – сенсоров, позволяющих получать цифровые цветные, черно-белые и иные изображения в любом диапазоне инфракрасной, ультрафиолетовой или видимой части спектра.

К достижениям отечественной фотограмметрии последних лет относится разработка средств и методов создания цифровых планов и карт по аэроснимкам, создание аэрофотоаппаратов серии АФА-ТК с компенсацией сдвига изображения и нового ортофототрансформатора ЦНИИГАиК ОПЦ, разработку космических топографических комплектов (КТК) – фотоаппаратов ТК-350 и КВР-1000 и др.

В приложении № 6 приведена блок-схема технологического процесса создания цифровых карт по материалам аэрофотосъемки с определением координат центров фотографирования.

9

Глава 1. ОСНОВЫ АЭРО и КОСМИЧЕСКОЙ ФОТОСЪЕМКИ

1. Общие понятия об аэрофотосъемке

Одним из важнейших применений фотографии является воздушное и космическое фотографирование, т. е. получение снимков земной поверхности с летательных аппаратов – самолетов, вертолетов, искусственных спутников Земли и др.

Аэрофотосъемкой называют совокупность работ по получению аэронегативов и аэроснимков или цифровых снимков местности с целью последующего их использования для создания планов и карт местности. Термин «Аэрофотосъемка» объединяет ряд взаимосвязанных процессов, в частности:

-летно-съемочные работы, включающие разработку технических условий аэрофотосъемки, составление проекта и его исполнение;

-полевые фотолабораторные работы, в случае традиционной аэрофотосъёмки, включающие фотографическую обработку экспонированных аэрофильмов, изготовление по ним отпечатков и иной первичной продукции;

-полевые фотограмметрические работы, включающие регистрацию материалов

аэрофотосъемки и оценку качества исполненной фотосъемки.

Результатом традиционных работ являются аэронегативы, аэроснимки, а также зафиксированные в полете показания специальных приборов.

Аэронегативы (аэроснимки) – фотографические изображения местности, покрывающие без разрывов заданный участок земной поверхности – используются для последующего преобразования и создания по ним карт и планов. Для обеспечения последующих работ смежные аэронегативы (аэроснимки) должны иметь перекрытия расчетной величины. Метрические и фотометрические характеристики аэронегативов в значительной степени зависят от выполнения технических условий аэрофотосъемки и выбора параметров применяемых для аэрофотосъемки фотографических материалов и оптических систем. Точность и качество аэронегативов, в свою очередь, определяет качество создаваемых по ним карт и планов, сроки фотограмметрической обработки, организацию работ и т.п. Для получения полноценных аэронегативов и их эффективного использования необходимо согласование летно-съемочных работ, и в первую очередь их параметров, с организацией всего топографо-геодезического производства.

В отличие от традиционной аэрофотосъёмки цифровая аэрофотосъёмка выполняется по двум технологиям, которые зависят от типа цифровых камер:

-летно-съемочные работы, в которых используют камеры с ПЗС линейками обязательно сочетаются две системы GPS + INS, то есть Глобальная система позиционирования и Инерциальная система, для определения положения изображения ПЗС-линейки в пространстве в каждый момент времени. Эта съёмочная система часто используется также при космических съёмках. Бортовой компьютер и программное обеспечение позволяют интегрировать обработку данных GPS -приёмника и данных INS – инерциальной системы и объединить трансформированное по ним изображение в полные снимки.

В самолётном варианте изменения в высоте платформы, на которой установлена камера, трудно предсказуемы. Поэтому разработан и реализован второй технологический подход – матричный сенсор.

-летно-съемочные работы, выполняемые на основе матричного сенсора (ПЗС

–матрица), больше напоминают традиционный аналоговый метод аэрофотосъёмки, когда все элементы матрицы одновременно экспонируются. В этом методе внутри пиксельная геометрия известна и строго определена, по сравнению с линейной технологией, в которой размеры пикселя меняются в зависимости от продольной скорости носителя. В матричной технологии в настоящее время проблема в том, что большие матричные решётки сложны в

10

изготовлении. Поэтому комбинируют: делают большие по площади решётки из нескольких маленьких по площади. Например, из четырёх. Четырех линзовый объектив формирует четыре отдельных изображения, которые трансформируют в центральную проекцию и автоматически стыкуют. Такие снимки обрабатываются по существующим программам аналитической обработки.

Результатом цифровой аэрофотосъёмки являются цифровые аэрофотоснимки, а также зафиксированные в полете элементы внешнего ориентирования (линейные - Xs, Ys, Zs – координаты центра фотографирования; угловые - , , - ориентирование камеры относительно осей координат).

В соответствии с законами центрального проектирования, по которым строится изображение местности, аэронегатив (аэроснимок) содержит ряд искажений, величины которых определяются углом наклона оптической оси аэрофотоаппарата и колебанием рельефа местности. Устранение этих искажений осуществляется в процессе их фотограмметрической обработки, и в частности – фотографического или цифрового преобразования, называемого трансформированием. В связи с этим использование аэроснимков без их предварительного трансформирования для картографического (топографического) обеспечения выполняемых работ, в том числе в качестве основы ГИС, ограничивается влиянием указанных искажений.

Показания специальных приборов и оборудования, зафиксированные в процессе аэрофотосъемки, обеспечивают стабилизацию съемочной камеры в полете или последующее определение по ним пространственного положения аэроснимков в абсолютной или относительной системе координат с целью последующего их использования при выполнении фотограмметрических работ и преобразовании аэроснимков в планы и карты. К числу таких приборов относят гироскопы, системы глобального позиционирования, оборудование для определения высоты полета, превышений между центрами фотографирования, а также аэронавигационные системы и др. Наличие указанных данных во многом определяет технологию камеральной обработки материалов аэрофотосъемки, существенно влияет на оперативность, точность фотограмметрических построений и объемы полевых работ по их обеспечению.

Аэрофотосъемочные работы выполняются специализированными подразделениями топографо-геодезической или землеустроительной службами на специально оборудованных летных средствах.

2. Аэрофотоаппарат

Основным средством, позволяющим получить аэрофотоснимки, является

Рис. 1.1. Принципиальная схема аэрофотоаппарата

11