Фотограмметрия как наука

     В аэрофотосъемочных работах применяются  фотопленки: черно-белая панхроматическая, изопанхроматическая и инфрахроматическая; цветные спектрозональные для условной цветопередачи (спектрозональные); цветные для натурального воспроизведения объектов местности. При фототеодолитной съемке применяют изоортохроматические или панхроматические пластинки.

     Цветные и спектрозональные пленки отличаются от черно-белых строением эмульсии. У цветных пленок эмульсия состоит  из трех светочувствительных слоев (рис 1): верхнего, несенсибилизированного, чувствительного только к синим лучам; среднего, обладающего наибольшей чувствительностью к зеленым лучам; нижнего, имеющего максимальную чувствительность к красной области спектра. Между первым и вторым слоями эмульсии размещен желтый фильтровой слой. Он необходим для исключения влияния синих лучей на нижние слои.

     На  обратной стороне основы нанесен  противоореольный слой. Окраска его  так же, как и фильтрового слоя, уничтожается при фотохимической обработке. В процессе обработки, кроме того, все эмульсионные слои окрашиваются в цвета, дополнительные к цветам лучей, действовавших на них. Следовательно, правильная цветопередача изображения может быть получена только при позитивной печати с цветного негатива на цветную фотобумагу или диапозитивную пленку.

     Спектрозональная  пленка в отличие от цветной содержит эмульсию, состоящую из двух слоев, как правило, инфрахроматического  и панхроматического. Цветопередача  на этой пленке искажена, но она позволяет получать многие детали изображения, теряющиеся на черно-белой и цветной аэропленках.

     Основные характеристики, применяемые для оценки черно-белых фотоматериалов: светочувствительность, коэффициент контрастности, фотографическая широта, фактор зернистости и разрешающая способность используются в цветной фотографии. Естественно, что методики их определения и формулы для их расчета имеют некоторые отличия.

     Цветные изображения имеют в 2...3 раза меньшую разрешающую способность в сравнении с черно-белыми. Стоимость цветных снимков значительно больше стоимости снимков, полученных на черно-белых материалах.

     Цветные негативные фотопленки имеют маркировку ЦН и ДС, например ЦН-3, ДС-5, а спектрозональные аэрофотопленки — СН-2, СН-4, СН-23 и т. д.

     Фотобумага, применяемая в аэрофотографии, представляет собой бумажную основу с нанесенными на нее слоями сернокислого бария и фотоэмульсионным. Основу изготовляют из тонкой бумаги, картона, тисненого картона. В некоторых фотобумагах, например «фотокарт», бумажная основа «запечатана» между двумя тончайшими слоями полимерной пленки. Такая основа не размокает и практически не деформируется.

     Светочувствительность фотобумаги невелика и не имеет такого практического значения, как светочувствительность пленки, так как при печати в лабораторных условиях выдержку можно менять в широком диапазоне.

     Наиболее значимыми характеристиками фотобумаги являются полезный интервал экспозиций и средний градиент. Эти характеристики по физическому смыслу схожи соответственно с фотографической широтой и коэффициентом контрастности фотопленок.

     Фотобумага чувствительна к синим лучам спектра, поэтому ее фотохимическую обработку проводят при красном или желтом освещении. Разрешающая способность значительно превышает разрешающую способность фотопленок. 
 

Поперечный  и продольный параллаксы точек снимков

     Для получения метрической информации по паре снимков, необходимо сформулировать некоторые вводные определения.

     Совокупность проектирующих лучей, проходящих через центр проекции, называется связкой проектирующих лучей. Плоскость, проходящая через базис съемки и любой проектирующий луч, — базисная плоскость. Если этим лучом будет главный луч, то базисную плоскость будут называть главной. Очевидно, что в момент съемки любая пара соответственных лучей будет располагаться в одной базисной плоскости — условие компланарности.

     При фотограмметрической обработке снимков применяют такую систему координат: осью абсцисс служит линия, соединяющая противоположные, расположенные вдоль направления маршрута координатные метки, а осью ординат — линия, соединяющая оставшуюся пару координатных меток. Строго говоря, точка, получающаяся в пересечении указанных линий, не всегда совпадает с истинным положением главной точки. А начало координат должно находиться именно в главной точке. Величина несовпадения указывается в паспорте съемочной системы; поправки, по необходимости, вводятся в измеряемые на снимке координаты точек.

     Пара горизонтальных снимков Р₁ и Р₂, полученных с горизонтального базиса B=S₁S₂, с осями абсцисс, лежащими на одной прямой (идеальный случай съемки) в позитивном варианте, (рис.2). Отвесная линия AD (на местности — столб, заводская труба и т. п.) отобразилась на снимках отрезками a₁d₁ и a₂d₂, направленными соответственно в точки о₁ и о₂, так как точки надира n₁ и n₂ на горизонтальных снимках совмещаются с главными точками. Точки а₁ и а₂ будут иметь равные ординаты y_а1 =y_а2, так как в идеальном случае съемки след сечения снимков базисной плоскостью будет параллелен общему направлению осей абсцисс этих снимков. Аналогичное равенство будет справедливым для любой пары соответственных точек.

     Разность ординат соответственных точек пары снимков называют поперечным параллаксом точки

  y_i1   -  y_i2   = q_i 

         На реальных снимках в общем случае q≠0. Такие снимки, если величина q превышает определенные допуски, подвергают преобразованию (трансформированию). Ординаты после преобразования называют трансформированными и обозначают символами y_i1⁰ и y_i2⁰

         Для трансформированных ординат должно выполняться условие 

  y_i1⁰ - y_i2⁰ = 0 
 

  Рис.3  Координаты концов отвесной линии, изображенной на паре снимков.

     Из сказанного можно сделать вывод: поперечные параллаксы являются функцией некоторых величин, определяющих взаимное положение пары снимков (элементов взаимного ориентирования снимков). Следовательно, используя поперечные параллаксы определенного числа точек пары снимков, можно придать этим снимкам такое взаимное положение, в котором они находились в момент съемки. Свидетельством правильности выполнения этого процесса будет отсутствие недопустимых по значению поперечных параллаксов в любой точке изображения в пределах перекрытия снимков. Может быть решена и другая задача — по измеренным значениям в определенном числе точек можно определить элементы ориентирования пары снимков, используя при этом установленные взаимосвязи между поперечными параллаксами и элементами ориентирования.

     Одна и та же пара снимков в различных ракурсах показана на рисунках 2 и 3. Из них видно, что абсциссы точек изображения изменяются в зависимости от высоты их положения относительно плоскости, принятой за начальную (на рис. 2 плоскость Е). С увеличением геодезической отметки точки масштаб изображения элементов, лежащих в горизонтальной плоскости, проходящей через эту точку, будет укрупняться. Следовательно, через абсциссы точек пары снимков можно получить информацию о высотах точек и, в частности, о рельефе местности.

     Разность абсцисс пары соответственных точек на левом и правом снимках называют продольным параллаксом точки 

p_i= x_i1 - x_i2

     На реальных снимках абсциссы и соответственно продольные параллаксы будут искаженными. Следовательно, продольные параллаксы определяемых точек предварительно должны быть освобождены от искажений, т. е. трансформированы. Аналогично предыдущему трансформированные абсциссы и продольные параллаксы обозначают добавочным символом 

p_i⁰= x_i1⁰ - x_i2⁰. 
 

Факторы, обусловливающие  необходимость увеличения снимков.

     По экономическим соображениям съемку выгодно выполнять в масштабе более мелком, чем масштаб картографирования. Предел уменьшения съемочного масштаба регламентируется возможностями отображения на снимках необходимых объектов местности (деталей) и обеспечения достаточной точности выполнения метрических действий по ним. В большинстве случаев исходные снимки не обеспечивают достаточной точности, а иногда и возможности решения определенных задач.

     Линейная разрешающая способность зрительного аппарата человека для монокулярного и бинокулярного зрения при благоприятных условиях наблюдения миры абсолютного контраста соответственно составляет 20 и 40 мм^-1. При анализе реальных снимков случаи наблюдения деталей с абсолютным контрастом относительно фона очень редки. Поэтому реальная разрешающая способность зрительного аппарата уменьшается, по крайней мере, вдвое. К тому же многие из анализируемых объектов по их геометрической форме относятся к компактным (зрение первого рода). В итоге оказывается, что средняя реальная разрешающая способность зрительного аппарата при анализе снимков составляет 7... 10 мм^-1 и менее.

     Современные аэро- и космические снимки благодаря высокому качеству объективов съемочных систем, использованию компенсирующих «смаз» изображения устройств и устойчивых в полете носителей имеют разрешающую способность 60...80 мм^-1 и более. Это дает возможность соответственно в 8... 10 раз уменьшить съемочный масштаб. Дешифрируемость таких снимков доводят до нужной, увеличивая их. Здесь может быть использовано два варианта — оптическое и фотографическое увеличение.

     В первом варианте при извлечении из снимков семантической информации используют приспособления, увеличивающие изображение, — лупы, монокуляры и бинокуляры специализированных приборов. Этот вариант можно применять при дешифрировании объектов, регистрируемых на снимках внемасштабными условными знаками (колодцы, пункты геодезической опоры и т. п.), а также при наблюдении деталей, используемых в качестве индикаторов объектов, подлежащих нанесению на карту (печных труб при раздельном показе жилых и нежилых сельских построек и т. п.).

     При дешифрировании малых по площади объектов, обозначаемых на снимках границами с условными знаками внутри контура, переход к более дорогому фотографическому увеличению неизбежен, если дешифрируют непосредственно снимок. Обратимся к примеру. При создании базовых карт земель в масштабе 1:10 000 пашни, многолетние насаждения и культурные пастбища на осушаемых землях подлежат нанесению на карту, если площадь их на карте превышает 2 мм². Допустим, что участок имеет квадратную форму. Сторона участка будет равна 1,4 мм. На снимках, полученных с расчетом использования четырехкратного увеличения, размер стороны окажется равным 0,35 мм. Ограничение такого участка на контактном снимке и размещение внутри него хотя бы одного условного знака невозможны. Отметим, что в производстве используют значительно большие коэффициенты увеличения.

     Необходимость увеличения снимков обусловливается также обеспечением достаточной точности выполнения метрических работ. Такие работы возникают в основном при полевой инструментальной досъемке не отобразившихся на снимках объектов. Абсолютная погрешность фиксации концов измеряемых на снимках отрезков остается примерно постоянной при значительном (4...6-кратном) увеличении изображения. Дальнейшее увеличение кратности приводит к монотонному возрастанию погрешности. Поэтому относительная погрешность измерения отрезков на оптимально увеличенном снимке сокращается примерно пропорционально кратности увеличения.

     Очевидно, точность измерения координат точек по увеличенным снимкам с помощью дигитайзера, координатографа и других измерительных устройств будет аналогично повышаться.

Элементы  взаимного ориентирования пары снимков. 

     Взаимное  ориентирование снимков стереопары это установка их в положение, при котором любая пара соответственных лучей пересекается, то есть обеспечивается построение модели. Величины, определяющие такое положение снимков, называются элементами взаимного ориентирования (ЭвзО).

     На  практике выполнение условия пересечения соответственных лучей достигается поворотом обоих снимков или поворотами и смещениями только одного из них при неподвижном положении второго. В соответствии с этим различают две системы элементов взаимного ориентирования. В первой неподвижными считают базис фотографирования и главную базисную плоскость левого снимка; во второй – левый снимок.

     Первая  система элементов. Начало системы координат S₁X₁'Y₁'Z₁'– в центре проекции S₁ левого снимка Р₁ (рис. 4). Ось X₁' совмещена с базисом фотографирования, а ось Z₁' установлена в главной базисной плоскости левого снимка. Система координат S₂X₂'Y₂'Z₂' параллельна системе координат S₁X₁'Y₁'Z₁'.