Наземная фотограмметрическая съемка

Наземная фотограмметрическая съемка – метод изучения и регистрации формы, размеров и пространственного положения объектов по их фотограмметрическим изображениям, полученным с точек земной поверхности [6]. Наземную фотограмметрическую съемку применяют как самостоятельный вид съемки, так и совместно с тахеометрической съемкой. Главным ее преимуществом является значительное сокращение полевых работ и возможность съемки труднодоступных участков карьеров.

Идея метода состоит в том, что пространственное положение третьей точки определяется относительно двух других (базисных) прямой засечкой, причём эта засечка реализуется с помощью стереопары снимков, полученных с земли. В основе наземной фотограмметрии лежат общие математические зависимости между пространственным положением точек объекта и их фотографическими изображениями на фотоснимках.

Суть фотограмметрической съемки сводится к следующему. Фотографирование участка карьера выполняют с двух точек

(S ₁ и S ₂) базисной линии В _ф. Полученные с разных точек базиса снимки – левый Р ₁ и правый Р ₂ – являются стереопарой снимаемого участка (рис. 5.7).

В зависимости от используемой аппаратуры, фотоизображение получается либо в виде плоских фотоснимков (при съемке фототеодолитом), либо в цифровом виде (при съемке цифровой камерой). Элементами стереопары считают:

центры проекций S ₁ и S ₂ левого и правого фотоснимков,

т. е. задние узловые точки объективов фотокамер;

 

базисную линию (базис фотографирования) В _ф, равную расстоянию между центрами проекций фотоснимков;

проектирующие лучи, создающие изображение соответственно а ₁ S ₁ А, с ₁ S ₁ C на левом, а ₂ S ₂ А, с ₂ S ₂ C – на правом снимках;

главные лучи, перпендикулярные к плоскостям левого S ₁ O ₁ и правого S ₂ O ₂ фотоснимков;

главные точки пересечения главных лучей с фотоснимками O ₁ и O ₂;

фокусные расстояния фотоснимков f ₁ = S ₁ O ₁, f ₂ = S ₂ O ₂;

изображения одних и тех же точек снимаемого участка на каждом снимке (на двух снимках стереопары): идентичные точки а ₁и а ₂, с ₁ и с ₂ по соответствующим лучам S ₁ а ₁, S ₂ а ₂, S ₁ с ₁, S ₂ с ₂.

 

Рис. 5.7. Элементы стереопары снимаемого участка

 

Таким образом, в фотограмметрической съемке местоположение точки определяется прямой пространственной фотограмметрической засечкой, образующейся проектирующими лучами. Положение точки А (см. рис. 5.7) можно определить, если известны направления проектирующих лучей а ₁ S ₁А и а ₂ S ₂ А, точки С - с ₁ S ₁ C и с ₂ S ₂ C. Совокупность всех точек пересечения снимаемого участка, образующих поверхность, называется геометрической моделью или моделью участка.

Фотоизображение участка получают или с помощью фототеодолита, в котором конструктивно объединены фотокамера и теодолит, или с помощью цифровой камеры. Прибору обеспечивается неподвижное и определенное положение в момент фотографирования.

Фототеодолитный комплект (Photheo 19/1318) содержит следующие инструменты и оборудование: фотокамеру, оптический теодолит, двухметровую базисную рейку, три взаимозаменяемых трегера и три марки, три штатива, двадцать четыре деревянных кассеты, юстировочное устройство к фототеодолиту.

Фотокамера снабжена объективом «Ортопротар» с фокусным расстоянием 193 – 194 мм, постоянной диафрагмой с относительным отверстием 1: 25 и постоянным желтым фильтром.

Полезные углы изображения по горизонтали ~ 47⁰, по вертикали ~34⁰. Для увеличения вертикального захвата местности объектив можно перемещать на 30 мм вверх и 45 мм вниз от среднего положения, что обеспечивает вертикальный захват вверх от горизонта ~ 26⁰, вниз ~ 29⁰.

Максимальная дисторсия объектива не превышает ± 5 мк. В фокальной плоскости его расположена металлическая фигурная прикладная рамка, к которой при съемке прижимается эмульсионный слой фотопластины.

Различают два вида съемки с земной поверхности: при горизонтальном положении оптической оси фотокамеры – горизонтальная съемка, при значительном отклонении оси фотокамеры от горизонтального положения – перспективная съемка. Съемку проводят в трех направлениях: перпендикулярно базисной линии и с отклонением влево или вправо до 35⁰ (рис. 5.8). С каждой точки базисной линии фотографируют один и тот же участок карьера и получают стереоскопические пары фотоснимков.

Для обработки результатов фотограмметрической съемки с целью построения и пополнения плана горных работ карьера могут быть использованы оптико-механические приборы (при съемке фототеодолитом) и современные технологии, предназначенные для построения пространственных (фотограмметрических) моделей, цифровых моделей карьера, ортофотопланов, цифровых контурных планов и пространственных векторных объектов. В качестве исходных данных используется цифровая стереопара, которая получается при съемке цифровой камерой или преобразуется в цифровую форму в процессе сканирования при съемке фототеодолитом.

 

Рис. 5.8. Направление стереофотограмметрической съемки:

1 – перпендикулярно базисной линии;

2, 3 – отклонения от базисной линии влево, вправо

 

Построение пространственной модели позволяет производить пространственные измерения, т. е. определять и сохранять в специальном файле пространственные (трехмерные) координаты точек изображения и расстояния между точками; создавать, редактировать цифровую модель, измерять геометрические характеристики карьера, описывая их в реальной системе координат (рис. 5.9).

Общая организация наземной фотограмметрической съёмки при создании маркшейдерских планов местности включает ряд взаимосвязанных технологических процессов: подготовительные работы, полевые геодезические работы и фотографирование местности, камеральные фотограмметрические работы.

 

 

 

Базис 3 (200 m)

Базис 3а (80 m)

 

Подготовительные работы предшествуют полевым съёмочным работам и включают: подготовку приборов и оборудования; сбор и изучение картографических материалов, имеющихся на район предстоящих работ; составление проекта полевых работ; рекогносцировка участка с целью уточнения проекта съёмки, выбора мест расположения базисов фотографирования, контрольных пунктов, точек сгущения опорной сети и уточнения схемы геодезической привязки всех этих точек; закрепление и маркирование выбранных точек на местности.

Подготовка приборов и оборудования состоит в выполнении поверок и юстировок фототеодолитного комплекта.

На основе собранных картматериалов, уточняют размеры и границы площади участка предстоящей съёмки и приступают к составлению предварительного технического проекта съёмки. Основная задача проектирования состоит в выборе мест расположения точек базисов фотографирования – фотостанций, направления осей съёмки, расположения контрольных пунктов и точек сгущения опорной сети.

В связи с тем, что пополнительные съёмки карьеров являются наиболее распространённым видом маркшейдерских съёмочных работ и представляют собой постоянно повторяемый процесс, составление проекта наземной стереофотограмметрической съёмки всего карьера носит преимущественно разовый характер, а в дальнейшем в этот проект вносятся уточнения и дополнения.

Основные требования, определяющие высокое качество проекта, сводятся к обеспечению максимальной полноты охвата участка съёмки наименьшим количеством базисов фотографирования при соблюдении минимального объёма геодезических работ по их привязке и необходимой точности построения плана в заданном масштабе, а также обеспечение необходимой точности определения пространственных координат отдельных точек карьера, удобство расположения базисов, с учётом обеспечения их длительной сохранности.

Проект съёмки состоит из графической части и пояснительной записки. Графическую часть проекта составляют в масштабе 1:5000 – 1:2000, начиная с размещения базисов фотографирования. При выборе мест расположения съёмочных базисов необходимо руководствоваться следующими правилами:

- съёмочные базисы должны располагаться выше снимаемых участков, так как только при этом условии можно обеспечить съёмку без «мёртвых пространств»;

- размещать базисы с таким расчётом, чтобы весь участок был заснят наименьшим количеством стереопар и проектировать по возможности на каждом базисе съёмку с нормальными и равноотклонёнными осями;

- располагать базисы группами, что заметно сокращает затраты времени на фотосъёмку, а также на геодезическую привязку фотостанций;

- соблюдать необходимое перекрытие смежных стереопар соседних базисов, которое в зависимости от сложности форм рельефа должно быть в пределах от 20 до 50%;

- размещать базисы в местах, где будет обеспечена их длительная сохранность.

Наметив на плане предполагаемое место расположения базиса, необходимо прежде всего определить границы участка, который может быть снят с этого базиса. Найдя предельное отстояние Y _max, на которое может быть выполнена съёмка с намеченного базиса, определяют его наименьшую длину B _min, которая может обеспечить заданную точность составляемого плана

где m_p – погрешность измерения продольных параллаксов, принимаемая равной 0,01 мм.; m_y – погрешность планового положения определяемой контурной точки в м.; f – фокусное расстояние фотокамеры; t – коэффициент, учитывающий угол скоса. Если угол отклонения j = 31,5⁰, то значение t принимают равным 0,70. при нормальном случае съёмки угол отклонения j = 0⁰, поэтому t = 1.

При чрезмерном увеличении длины базиса сокращается площадь обработки стереопары за счёт увеличения минимального отстояния Y _min до ближней границы участка съёмки.

На стереопаре наземных снимков минимальное отстояние определяется из соотношения Y _min < 3,5 В, то есть на отстояниях менее Y _min обработка наземной стереопары невозможна.

Необходимую длину базиса удобно находить при помощи номограммы, построенной по формуле нахождения B _min.

Полевые работы начинаются с рекогносцировки местности, основной задачей которой является выявление необходимых изменений и дополнений в предварительный технический проект съёмки, составленный в камеральных условиях. В процессе рекогносцировки определяют на местности границы участка съёмки, уточняют места расположения базисных точек и контрольных точек, уточняют схему геодезической привязки фотостанций и контрольных точек (см. рис. 5.9).

Вначале выбирают положение концов базиса, затем контрольные точки и дополнительные точки геодезического обоснования. Для выноса в натуру направления базиса намечают с его левой точки направление главного луча фотокамеры при нормальном случае съёмки, а затем по перпендикуляру к нему выносят правую точку с соблюдением условия прямой видимости между концами базиса.

Наиболее целесообразным является совмещение одной из базисных точек (предпочтительно левой) с точкой опорной геодезической сети, так как при этом резко сокращается объём привязочных работ.

Базисные точки закрепляют на местности постоянными или временными центрами, в зависимости от того, какая предусматривается с данного базиса съёмка – разовая или многократная.

Контрольные точки выбирают с таким расчётом, чтобы они были хорошо видны с обоих концов базиса. Для надёжного опознавания на снимках контрольных точек перед фотографированием их маркируют путём нанесения контрастной по отношению к фону краской правильных геометрических фигур (крест, круг и т.д.) с чётко обозначенным центром или установкой специальных марок.

В результате рекогносцировочных работ составляют рабочий проект съёмки, в котором показывают положение и нумерацию съёмочных базисов, границы и контуры участков съёмки с каждого базиса, положение пронумерованных контрольных точек и места возможного появления “мёртвых зон”.

В пояснительной записке отражают последовательность проведения съёмочных работ со всех базисов и порядок производства геодезических работ.

Полевые работы (фотографирование карьера) являются наиболее ответственным этапом, так как от качества негативов в значительной степени зависит успешное выполнение последующих работ и точность конечных результатов.

Последовательность фотографирования:

ориентируют фотокамеру относительно базиса съемки по меткам на ее корпусе;

на регистратуре устанавливают номер снимка и вид съемки;

горизонтируют фотокамеру и точно ориентируют ее относительно другой точки базиса;

выполняют экспонирование.

В аналогичной последовательности выполняют съёмку при другом положении главного луча камеры. Закончив фотосъёмку с одной точки базиса переходят на другую, где фотокамеру устанавливают в подставку вместо визирной марки.

После фотографирования с обоих точек базиса приступают к измерению его длины. Точность измерения базисов 1:2000 [3].

Измерение коротких базисов длиной до 130 м выполняют горизонтальной базисной двухметровой рейкой, входящей в фототеодолитный комплект.

Угол наклона базиса измеряют теодолитом с одной из базисных точек одним приёмом. Если известны высотные отметки обоих концов базиса, то угол наклона не измеряется.

Ориентирование базиса производят путём измерения теодолитом горизонтальных углов двумя полными приёмами в левой точке между направлениями базиса и направлениями на два пункта опорной геодезической сети.

Определение плановых координат базисных и контрольных точек, не совмещённых с пунктами съемочной сети, в зависимости от условий местности выполняют обратными, прямыми и комбинированными засечками или прокладкой теодолитных ходов. Высотные отметки вычисляют по результатам геометрического или тригонометрического нивелирования.

Камеральная обработка снимков выполняется с целью составления планов или карт, а также для определения пространственных координат отдельных точек сфотографированных участков карьера.

Методы камеральной обработки: аналитический, графический и графомеханический.

Аналитический метод основан на измерении фотокоординат и параллаксов соответственных точек на стереопаре снимков и последующем вычислении пространственных координат точек сфотографированного участка по формулам связи координат точек снимков и участка. Этот метод позволяет решить аналитические соотношения между координатами точек снимков и объекта с высокой точностью.

Обработка наземных снимков аналитическим методом состоит из двух этапов: измерения фотокоординат и параллаксов точек снимков, а затем решения соответствующих зависимостей между координатами соответственных точек сфотографированного участка.

По стереопаре снимков, полученных с базиса, положение которого известно, решается прямая фотограмметрическая засечка и определяются пространственные координаты точек объекта.

В ряде случаев решают обратную фотограмметрическую засечку, когда по нескольким изобразившимся на снимке опорным точкам с известными пространственными координатами определяют неизвестные элементы ориентирования снимка, в том числе и пространственные координаты центра фотографирования.

Для решения таких задач в фотограмметрии используют стереокомпаратор – высокоточный стереофотограмметрический прибор, предназначенный для измерения фотокоординат и параллаксов точек на фотоснимках способом мнимой марки.

Аналитический метод относится к самым точным методам обработки наземных снимков, поскольку в измеряемые фотокоординаты можно ввести поправки за погрешности элементов ориентирования. Благодаря этому можно максимально полностью использовать ту точность, которую дают фотоизображения. Погрешности аналитического метода обусловлены главным образом:

погрешностями полевых работ;

геометрическими искажениями самих снимков;

погрешностями измерений этих снимков.

Основным недостатком этого метода является то обстоятельство, что он представляет собой точечный метод обработки, то есть искомые координаты определяют по отдельным точкам.

Графический метод получения по снимкам координат точек местности основан на решении уравнений связи координат точек снимков и объекта путём графических построений.

В настоящее время графический метод на производстве не применяется, поскольку имеет существенные недостатки: невысокая точность и большая трудоёмкость.

Графомеханический метод позволяет составить план или карту сфотографированного участка местности по стереопаре наземных фотоснимков без непосредственного измерения фотокоординат и параллаксов точек снимков. От аналитического и графического методов он отличается тем, что объекты и контуры на плане наносятся непосредственным вычерчиванием, то есть не является точечным методом.

Графометрический метод позволяет составить план или карту сфотографированного участка местности по стереопаре без непосредственного измерения фотокоординат и параллаксов точек снимка.

Данный метод основан на использовании универсальных приборов: стереокомпаратора в комплексе с координатографом и современного аналитического фотограмметрического «стереоанаграфа» (рис. 5.10).

 

 

Рис. 5.10. Стереоанаграф-6

По техническим характеристикам (табл. 5.2) и трудозатратам «Стереоанаграф» превосходит стереокомпаратор.

 

Таблица 5.2