Лекция 6. Аэрофотосъемка

Существуют два метода аэрофототопографической съемки: комбинированный и стереотопографический.

Исходным материалом для создания карты служат аэрофотоснимки. Вся процедура создания карты включает в себя собственно съемку — фотографирование с летательных аппаратов (самолетов, вертолетов), плановую и высотную подготовку снимков, дешифрирование снимков и работы по обработке снимков — фотограмметрические работы.

1. Общие сведения о съемке и снимках

Фотографическую съемку производят с самолетов. Существуют специально сконструированные или приспособленные для этой цели аэропланы, например, отечественный АН-30 и др.

Фотографирование производится специальными аэрофотоаппаратами (АФА), снабженными объективами с различными фокусными расстояниями: 70, 100, 140, 200 мм и др. Съемка ведется на фотопленку, заправленную в кассеты. Размер кадра у стандартных отечественных АФА 18×18 см, но есть также аппараты с размерами кадра 23×23 см и 30×30 см.

Пленка для аэрофотографирования используется как чернобелая, так и цветная, однако в массовом производстве топографических карт применение находит преимущественно черно-белая пленка с эмульсией, чувствительная ко всей видимой части спектра (панхром), обладающая высоким фотографическим разрешением (детальность) изображения. Снимки печатаются контактно на тонкой глянцевой бумаге.

Процесс фотографирования максимально автоматизирован. АФА подключен к самолетной электросети и через установленный интервал времени производит экспонирование очередного кадра. Сама выдержка регулируется также автоматически с помощью фотореле.

Фотоаппарат соединен с гироустановкой, с помощью которой ему придается устойчивое положение, а пленка при съемке занимает положение, максимально близкое к горизонтальному при вертикальном положении оптической оси объектива АФА. По ходу съемки радиовысотомером определяется высота фотографирования каждого снимка.

Чаще всего снимаемый участок не может быть размещен на одном снимке, поэтому возникает задача покрытия снимками всей территории картографирования, например, трапеции или группы трапеций будущей карты. Тогда участок фотографируется последовательно маршрут за маршрутом. При этом соблюдается перекрытие вдоль маршрута между снимками до 57−60% от рамки кадра и поперечное перекрытие между маршрутами — 20−40% от рамки кадра.

Время съемки выбирается таким, чтобы солнце не было скрыто облаками и стояло над горизонтом не слишком низко и не в зените. Самый удобный сезон для дешифрирования снимков — лето, если, конечно, не имеется в виду специальный вид съемки, например, состояние снежного покрова или ледостава и ледохода.

Геометрические свойства снимков. В отличие от картографических изображений, которые получаются ортогональным проектированием ситуации на плоскость относимости с последующим развертыванием «картинки» в плоскость в любой картографической проекции, снимки являются центральным проектированием местности на плоскость. Таким образом снимки получаются во внешней перспективной проекции, в связи с чем на реальных снимках возникают такие искажения, которые не свойственны карте. Поэтому преобразование снимков в карты составляет достаточно сложную задачу.

Масштаб горизонтального аэрофотоснимка. Используя рис. 13.5, запишем формулу, связывающую масштаб фотоизображения с фокусным расстоянием f объектива АФА и высотой фотографирования Н:

S₀/S_О=ab/AB= 1/m,.

1 /т = f/H,

где АВ — отрезок на местности (М), ab — отрезок на снимке (Сн). Однако на наклонном снимке масштаб изображения не будет постоянным. Вместе с ним будут искажаться размеры и, что особенно важно, фигуры, конфигурации объектов.

Исправление снимков от искажений из-за наклона и приведение их к заданному масштабу называют трансформированием. Трансформирование осуществляется либо фотомеханическим способом, либо графическим путем с помощью проективных сеток, которые строятся на четырех общих точках, найденных на снимках и картографической основе. Между ними строят на снимках и основе два четырехугольника (трапеции), которые разбиваются на равное число более мелких трапеций. С их помощью содержание отдешифрированных снимков переносится на картографическую основу. Из-за влияния рельефа происходит сдвиг изображения, как это показано на рис. 13.7. Величина сдвига д_h зависит от фокусного расстояния f объектива АФА, высоты фотографирования Н и высоты самого объекта h. По этой причине также невозможно прямое совмещение фотоснимка с картой. Исправление искажения из-за рельефа — более сложная проблема, чем исправление из-за влияния наклона снимка. Но и она решена в виде так называемого ортотрансформирования на специальных ортофотои электронных трансформаторах.

Однако само по себе наличие сдвига из-за рельефа, так называемый параллакс, дает возможность рассматривать снимки стереоскопически.

Стереоскопия — объемное видение объектов окружающей нас действительности. Мы обладаем такой возможностью благодаря наличию двух глаз. В середине XIX в. было открыто искусственное стереовидение. Для этого нужно только с двух точек, расположенных на некотором удалении друг от друга (базисе), сфотографировать и зарисовать два изображения.

Два перекрывающихся аэрофотоснимка (или два фототеодолитных снимка) составляют стереопару, которую можно рассматривать в стереоскоп и видеть местность объемно. Для этого нужно левый снимок рассматривать левым глазом, а правый — правым. Существуют разные принципы и разные стереоскопы для разглядывания снимков. На практике в аэрофототопографии используют как оптические стереоскопы, например, линзово-зеркальные (ЛЗ), так и системы, в которых через красно-синие очки рассматриваются два стереоснимка, также окрашенные в эти два цвета — так называемые анаглифы.

Достоинство стереомодели состоит в том, что по ней можно делать измерения высот, а линейные измерения, в том числе параллактического сдвига, получаются с меньшими погрешностями, чем при измерении лупой.

2. Измерение высот по разности параллаксов

Рассмотрим рис. 13.8. Здесь S_{1 и S2 — центры проекции (объективы АФА в два момента съемки); В — базис съемки; b — базис съемки в масштабе снимка; Н — высота фотографирования; f — фокусное расстояние объектива АФА; о 1 и о 2 — центры левого и правого снимков; h — высота рельефа.}

Рис. 13.7. Влияние рельефа на аэрофотоизображение

Рис. 13.8. Измерение высот по разностям параллаксов

Параллаксом (аналогично фототеодолитной съемке) называют разность координат (абсцисс) одной и той же точки на разных снимках. На рис. 13.8 параллакс точки а равен:

Р_{а = о 1а 1 + о 2а 2, Рс = о 1с 1 + о 2с 2,}

разность параллаксов:

?Р = Р_а-Рс.

Разность параллаксов равна нулю, если точки лежат на одной горизонтальной плоскости. Если же точки расположены с разностью высот h, то она может быть вычислена по формуле:

h = Н•?Р/(b + ?Р)

h = Н•?Р/b (или приближенно).

Высота фотографирования Н измеряется в полете радиовысотомером для каждого снимка, b — на каждой паре снимков, ?Р — для каждой определяемой высоты с помощью специальных стереофотограмметрических приборов. По конструкции они бывают простыми и сложными в зависимости от требуемой точности результатов измерений и создаваемой карты. Наиболее простыми являются параллактические линейки и пластины, параллаксомеры, работающие в комплекте со стереоскопами ЛЗ. Более точные измерения получают на стереометрах, стереокомпараторах и других приборах. Самые современные из них работают в комплексе с ЭВМ и графопостроителями, выдавая готовую карту.