Аэрофотосъемка

ТЕМЫ: 12.1 Аэрофотосъемка. 12.2 Космосъемка. 12.3 Навигационные системы.

Я ЛЕКЦИЯ

Под съемками местности в аэрокосмических методах исследо­вания принято понимать процесс дистанционной регистрации излу­чения с записью принимаемых сигналов в форме изображений (снимков), графиков и регистрограмм, а также в числовой форме. Основной, наиболее распространенной и удобной для практиче­ского использования формой записи результатов съемок является фотоизображение, в которое могут преобразовываться регистри­руемые сигналы практически во всех диапазонах электромагнит­ного спектра.

Аэрокосмические методы исследований бази­руются в основном на использовании фотографирующих съемочных, систем, к которым принято относить системы, дающие на выходе изображения местности, хотя на их входе может фиксироваться не только видимое излучение, но и излучение других диапазонов спектра - ультрафиолетовое, инфракрасное, микроволновое.

Фотографирующая система может быть фотографической, ра­ботающей по принципу прямого оптического проектирования види­мых лучей на светочувствительные фотослои, и нефотографической (оптико-электронной), в которой визуализация регистрируемого излучения осуществляется косвенно, путем электронно-оптических преобразований электрических сигналов.

Съемки земной поверхности, выполняемые с воздушных и кос­мических носителей аппаратуры, в свою очередь можно подразде­лить на фотографические и нефотографические. По принципу и ме­тоду регистрации излучения в группе нефотографических съемок различают телевизионную оптическую (кадровую) и оптико-меха­ническую (сканерную), фототелевизионную и радиолокационную съемки. Перспективными, но пока находящимися в стадии разра­ботки, также являются в этой группе лазерная, голографпческая и акустическая съемки.

Нередко в литературе можно встретить также классификацию нефотографических съемок, связанную с названиями отдельных диапазонов спектра. В ней выделяют обычно ультрафиолетовую, инфракрасную, радиотепловую и радиолокацион­ную съемки.

Следует отметить, что методы съемок могут быть пассивные и активные, а также многозональные и многоспектральные. В пас­сивных методах используются съемочные системы, которые сами не генерируют излучения, а регистрируют естественное излучение земной поверхности (солнечное видимое, инфракрасное, микро­волновое). В активных методах, например радиолокации, исполь­зуется съемочная аппаратура, генерирующая направленное излу­чение, воспринимающая отраженный от поверхности сигнал и преобразующая его в изображение.

Многозональный метод съемки, который может применяться в фотографическом и нефотографическом варианте, состоит в одно­временной регистрации излучения данного диапазона спектра (преимущественно -видимого, включая ближнюю ИК-зону) в не­скольких, обычно не более 6, узких его участках. Многоспектральный метод съемки, который применяется в нефотографическом варианте, заключается в одновременной индикации излучения многих диапазонов спектра также в узких их участках. В настоящее время многоспектральная съемка может вестись, охватывая одновременно ультрафиолето­вую, видимую, вею инфракрасную и даже частично микроволно­вую области спектра. С этой целью используется нефотографиче­ская аппаратура, содержащая до 13 и более съемочных каналов.

.

Элементы внешнего ориентирования воздушных и космических снимков определяются либо непосредственно при съемке с по­мощью специальных устройств и приборов (радиогеодезические станции, радиовысотомеры, статоскопы), либо косвенно, путем отыскания необходимых параметров на основе аналитического ре­шения так называемой обратной фотограмметрической задачи по данным геодезической или географической привязки снимков к местности. При космической фотосъемке задача определения эле­ментов внешнего ориентирования может быть решена также по данным измерения фотоснимков звездного неба. Эти снимки полу­чают с помощью специальной звездной камеры, определенным образом ориентированной относительно камеры, фотографирующей земную поверхность. Обе камеры работают синхронно, что обеспе­чивает одновременное получение снимков земной поверхности и звездного неба.

Аэрокосмические съемки принято делить на ряд классов и ви­дов в зависимости от назначения, используемых носителей, съе­мочной аппаратуры, технологии выполнения съемки, формы пред­ставления результатов.

Существуют несколько разновидностей съемок с самолета: аэро­фотографическая, тепловая инфракрасная, радиолокационная и др. Кроме того, традиционные аэрометоды включают ряд так на­зываемых геофизических съемок — аэромагнитную, аэрорадио­метрическую, аэроспектрометрическую, в результате выполнения которых получают не снимки, а цифровую информацию об ис­следуемых объектах.

Из всех съемок наиболее распространенной является аэрофо­тографическая съемка. В зависимости от направления оптической оси аэрофотоаппарата различают плановую и перспективную аэро­фотосъемку.

При плановой {вертикальной) аэрофотосъемке оптическую ось аэрофотоаппарата приводят в отвесное положение, при котором снимок горизонтален. Однако в процессе полета по прямолиней­ному маршруту аэросъемочный самолет периодически испытыва­ет отклонения, которые характеризуют углами тангажа, крена и сноса (рыскания). Из-за колебаний самолета аэрофотоаппарат также наклоняется и разворачивается. Принято к плановым относить снимки, имеющие угол наклона не более 3°.

При перспективной аэрофотосъемке оптическую ось аэрофото­аппарата устанавливают под определенным углом к вертикали. По сравнению с плановым перспективный снимок захватывает боль­шую площадь, а изображение получается в более привычном для человека ракурсе.

По характеру покрытия местности снимками аэрофотосъемку делят на одномаршрутную и многомаршрутную.

Одномаршрутная аэрофотосъемка применяется при исследо­ваниях речных долин, прибрежной полосы, при дорожных изыс­каниях и т. д. Выборочную маршрутную аэрофотосъемку характер­ных объектов географ может выполнять самостоятельно, сочетая ее с аэровизуальными наблюдениями. Для этих целей удобно ис­пользовать ручной аэрофотоаппарат или цифровую фотокамеру.

Наибольшее производственное применение, прежде всего для топографических съемок, получила многомаршрутная (площадная) аэрофотосъемка, при которой снимаемый участок сплошь покры­вается серией параллельных прямолинейных аэросъемочных мар­шрутов, прокладываемых обычно с запада на восток. В маршруте

на каждом следующем снимке получается часть местности, изоб­раженной на предыдущем снимке. Аэрофотоснимки, получаемые с продольным перекрытием, образуют стереоскопические пары. Про­дольное перекрытие, выражаемое в процентах, устанавливается в зависимости от назначения аэрофотосъемки различным — от 10 до 80 % при среднем значении 60 %. Аэрофотосъемочные маршру­ты прокладывают так, чтобы снимки соседних маршрутов имели поперечное перекрытие. Обычно поперечное перекрытие составля­ет 30 %. Перекрытие снимков позволяет объединить разрозненные аэроснимки в единый массив, целостно отображающий заснятую территорию.

Время для съемки выбирают так, чтобы снимки содержали максимум информации о местности. Учитывают наличие снеж­ного покрова, смену фенофаз развития растительности, состоя­ние сельскохозяйственных угодий, режим водных объектов, влаж­ность грунтов и т. д. Обычно аэрофотосъемку выполняют в лет­ние безоблачные дни, в околополуденное время, но в некоторых случаях, например для изучения почв, лесов, предпочтение отда­ют поздневесенним или раннеосенним съемкам. Съемка плоско­равнинной местности при низком положении Солнца в утрен­ние или вечерние часы позволяет получить наиболее выразитель­ные аэроснимки, на которых микрорельеф подчеркивается про­зрачными тенями. Однако освещенность земной поверхности дол­жна быть достаточной для аэрофотографических съемок с ко­роткими экспонирующими выдержками. Поэтому съемку при вы­соте Солнца менее 20° обычно не производят. По завершении летно-съемочных работ оценивается качество полученных мате­риалов: определяется фотографическое качество аэронегативов (величина коэффициента контрастности, максимальная плот­ность, плотность вуали), проверяется прямолинейность съемоч­ных маршрутов, контролируется продольное и поперечное пере­крытие и др.

Вида аэрофотосъемок. Понятие о съемочном процессе. Фотографирование местности с воздуха может вестись не только с самолетов, но и с других носителей съемочной аппарату­ры: вертолетов, воздушных шаров, аэростатов, дирижаблей, пла­неров и т. п. Основное требование к аэрофотосъемочному полету состоит в том, чтобы самолет летел строго по намеченному прямолинейному маршруту на одной заданной высоте и сохранял при этом макси­мально возможную устойчивость. В реальных условиях полета штурман-аэрофотосъемщик, учитывая угол сноса самолета под влиянием ветра, находит такой курс его следования, при котором обеспечивается полет с некоторой путевой скоростью в заданном направлении относительно земной поверхности.

За работой всего комплекса аэрофотосъемочной аппаратуры (аэрофотоаппарат, радиовысотомер, статоскоп, фоторегистрирующие приборы) следит непосредственно бортоператор. По данным о скорости и высоте полета он определяет и устанавливает на командном приборе такой интервал съемки, при котором выдержи­вается определенное перекрытие снимков в маршруте. В практике аэрофотосъемки принято по-разному называть и обозначать высоты фотографирования, измеряемые относительно различных уровней. Если высота фотографирования определяется от уровня моря, ее называют абсолютной. Высота фотографирования, измеряемая относи­тельно уровня аэродрома, называется относительной. Высоты фотографирования, кроме того, могут изме­ряться относительно среднего уровня территории съемки или отно­сительно конкретной точки на земной поверхности. В этом случае их называют соответственно средними и истинными высотами фотографирования. При расчете масштаба фотографирования, как правило, исходят из средней высоты фотографирования.

В зависимости от значений угловых элементов внешнего ориен­тирования камеры и характера покрытия местности снимками различают перспективную, плановую и стабилизированную аэро­фотосъемку, а также аэрофотосъемку одинарную, одномаршрутную и площадную (рис. 61).

Рис. 44 Схемы одинарной (а), одномаршрутной (б) и площадной (в)

аэрофотосъемки

Перспективную съемку выполняют при значительных углах на­клона оптической оси камеры от отвесной линии. При плановой аэрофотосъемке оптическую ось камеры стремятся уста­новить в отвесное положение, удерживая ее в фотоустановке в горизонтальном положении по уровню. При этом удается обеспе­чить вертикальность оптической оси камеры с погрешностью, не, превышающей обычно 3°. Стабилизированную аэрофотосъемку выполняют с помощью специальной гиростабилизирующей фотоустановки, которая обеспечивает получение снимков с углами наклона не более 40'. В настоящее время в целях картографирова­ния выполняют, как правило, только плановую и стабилизирован­ную аэрофотосъемку.Под одинарной аэрофотосъемкой подразумевается,
фотографирование небольших участков местности, покрываемых
одиночными снимками. Одномаршрутная аэрофотосъемка приме­
няется обычно для фотографи­рования линейных объектов. Выполняя площадную аэрофотосъемку равнинных районов, обычно стремятся делать продольное и поперечное перекрытие соответственно в 60 и 30%. При таком продольном перекрытии у трех смежных аэроснимков маршрута будет образовываться зона тройного перекрытия, наличие которой необходимо для выполне­ния различных фотограмметрических измерений. Если на аэрофото­снимке площадной съемки провести средние линии перекрытий, то на нем будет очерчена некоторая центральная часть, называемая его рабочей или полезной площадью. В этой части снимка иска­жения за перспективу и рельеф всегда меньше, чем в периферий­ных его частях.

Для того чтобы обеспечить в процессе аэрофотосъемки задан­ную величину продольного перекрытия, командный прибор должен включать АФА через заданные интервалы времени.

Дешифрированием в аэрокосмическом методе называется про­цесс извлечения необходимой полезной информации об изучаемой территории из материалов аэрокосмической съемки. В результате дешифрирования специалист получает определенное количество исходных фактических сведений и данных, которые интерпретиру­ются в соответствии с конкретной тематикой исследования и ле­жат в основе создаваемой тематической карты.

Из всех видов регистрации информации, характеризующей изу­чаемую местность, предпочтение отдается наглядным видео­изображениям — воздушным снимкам и их монтажам, космиче­ским снимкам и наземным фототеодолитным фотографиям. Эти материалы являются основными для дешифрирования и изучения территориальных особенностей, но и другие виды представления зарегистрированной информации, например запись на магнитной ленте, не остаются без внимания в аэрокосмическом методе исследований. В процессе дешифрирования видео­изображений решается ряд задач, а именно: а) распознавание и классификация объектов местности или их комплексов, изобразив­шихся на снимках; б) установление взаимосвязей между отдель­ными объектами и характерных особенностей их пространствен­ного размещения и в) распознавание и фиксация динамических процессов и природных явлений, возникающих и протекающих на данной территории.

Из большого количества информации, содержащейся на воз­душных и космических снимках, в процессе дешифрирования, как правило, выбирается не вся, а только некоторая часть.

Дешифрирование фотографий непосредственно на местности - (полевое дешифрирование) представляет собой комплекс работ, осуществляемых в натуре путем прокладывания наземных марш­рутов. Распознавание и классификация участков и объектов мест­ности, являющихся предметом исследования, производится путем сличения фотографических изображений. Благодаря такому способу достигается высокая степень достовер­ности дешифрирования и максимальная полнота.

Помимо расшифровки фотографических изображений и их классификации в комплекс наземных работ при полевом дешиф­рировании входят следующие операции: а) нанесение на дешиф­рируемые снимки объектов, которые по ряду причин не нашли своего изображения, но имеют существенное значение для данного исследования и создаваемой, тематической карты; б) уточнение границ различных участков, неясно выразившихся на снимках; в) вычерчивание на фотоснимках объектов и участков, исчезнув­ших на местности, и нанесение на них появившихся вновь; г) сбор дополнительных сведений и характеристик соответственно тема­тике исследований и д) установление и сбор географических наи­менований.

Таким образом, в комплекс «полевое дешифрирование» поми­мо собственно дешифрирования включаются съемочные операции, а также исследования и измерения, соответствующие теме состав­ляемой карты и задачам географического исследования. При по­левом дешифрировании снимки выполняют двойную функцию: во-первых, снабжают специалиста рядом необходимых фактиче­ских данных, содержащихся на них, и, во-вторых, являются осно­вой, на которую наносятся те объекты местности, которые состав­ляют предмет исследования и нагрузку составляемой карты.

Одно из преимуществ полевого дешифрирования состоит в том, что при его производстве местность изучается на момент дешиф­рирования, а не на момент фотографирования. В самом деле, летно-съемочные работы и полевое дешифрирование нередко бывают разделены некоторым промежутком времени, за который на местности могли произойти более или менее существенные изме­нения. Полевое дешифрирование позволяет уточнить устарев­шие аэрофотоснимки. Важным преимуществом полевого дешиф­рирования является то, что в процессе полевых работ на аэро­фотоснимок можно нанести объекты, которые на нем не изобра­зились или из-за недостаточного разрешения фотослоя, или из-за того, что они закрыты другими объектами (например, детали местности под пологом леса), или из-за малого интервала ярко­стей объектов и фона, на котором они размещены. Немаловажное преимущество полевого дешифрирования состоит в возможности в процессе полевых работ безошибочно установить географические наименования речек, ручьев, урочищ, населенных пунктов и т. д.

Наряду с этими достоинствами полевого дешифрирования от­метим ряд недостатков. Одним из них является большая затрата средств на организацию и выполнение полевых работ. Кроме того, само производство полевого дешифрирования сопряжено со зна­чительными затратами труда и сил дешифровщика..

Перед выходом на местность для производства полевого де­шифрирования необходимо провести некоторые предварительные, работы, которые заключаются в следующем: а) географическое изучение района исследований и составление ряда документов, способствующих полевому дешифрированию; б) предварительное камеральное дешифрирование тех изображений, которые не вызы­вают никаких сомнений в их значении, например дорог, пашен", ручьев, границ леса и пр.; в) отбор, оценка и подготовка для де­шифрирования материалов аэрофотосъемки.

В подготовительный период создается предварительная схема-проект наземных маршрутов. Эта схема составляется на восковке или пластике, которые накладываются на накидной монтаж, смон­тированный из контактных отпечатков, отобранных через номер. На схеме тушью или фломастером вычерчиваются проектируемые наземные маршруты, по ходу которых должно производиться по­левое дешифрирование. Выбор маршрутов производится с учетом тематики создаваемой карты. Например, маршруты геоморфоло­гического дешифрирования будут отличаться от маршрутов геобо­танического, топографического и других видов дешифрирования.

При составлении схемы-проекта наземных маршрутов следует соблюдать следующие правила.

Маршруты должны быть проложены с таким расчетом, что­бы исследователь мог посетить участки и объекты, составляющие предмет исследования. Например, при геологическом или геомор­фологическом дешифрировании маршруты должны быть проложе­ны ко всем обнажениям, поперек речных долин, проходить через участки, изображения которых отличаются друг от друга рисунком или фототоном. Полевое дешифрирование произво­дится одновременно с рисовкой горизонталей и дополнительной съемкой объектов местности, не изобразившихся на фотографии, и тех, которые составляют содержание данной тематической карты.

Фотосхемы и увеличенные космические снимки целесообразно использовать для полевого дешифрирования тогда, когда обследу­ется большая по площади территория и создается мелкомасштаб­ная карта (1:100000 и мельче). | Обычно в этом случае полевое дешифрирование проводится с автомашины или вертолета.

Аэровизуальное дешифрирование состоит в том, что _производится оно с борта самолета или вертолета. Для этой работы используются тихоходные летательные аппараты,, имеющие скорость полета не более 150 км/ч, так как при большей скорости дешифровщик не успевает различить и зарегистрировать объекты дешифрирования, быстро исчезающие из его поля зрения. Оптимальные высоты, с которых производится аэровизуальное дешифрирование, зависят от скорости полета, задач, исследования и желаемой де­тальности дешифрирования. Опыт показал, что аэровизуальное дешифрирование целесообразно производить с высот до 200 м.

Технологическая схема аэровизуального дешифрирования со­стоит из нескольких этапов. На первом этапе на материалах аэро-дешифрирования кодовыми обозначениями, которые следует раз­работать заранее, так как стандартов для них нет. Сплошное полевое дешифрирование в настоящее время все чаще заменяется так называемым комбинированным, которое пред­ставляет собой сочетание полевого и камерального. Такая технологическая схема дешифрирования отличается своими экономиче­скими выгодами без ухудшения качества. Существует несколько вариантов комбинированного дешифрирования. Наиболее простым, но и менее экономным является такой процесс комбинированного дешифрирования, при котором все аэрофотоснимки перед выездом на местность подвергаются предварительному камеральному де­шифрированию с использованием прямых и косвенных признаков.

Камеральное дешифрирование материалов аэрокосмической съемки отличается от полевого тем, что процесс извлечения ин­формации и изучение сфотографированной территории осуществля­лся в лабораторных условиях. В настоящее время камеральное дешифрирование интенсивно развивается. По сравнению с полевым имеет ряд преимуществ: экономическая выгодность, экономия времени и трудовых затрат, комфортные условия труда, возможность кооперирования различных специалистов, применение разнообразной аппаратуры, облегчающей труд человека, изучение труднодоступных или вовсе недоступных регионов. В процессе камерального дешифрирования ряд его этапов может быть автоматизирован. К недостаткам камерального - дешифрирования можно отнести то, что во многом оно имеет вероятностный характер, что сказывается на достоверности дешифрирования и требует полевой доработки.

Визуальное дешифрирование всегда целесообразно произво­
дить на стереомодели по двум причинам. Во-первых, прямой приз­
нак дешифрирования (форма объекта) на стереомодели рассмат­
ривается в трехмерном, а не в двухмерном пространстве, как это
имеет место на плоских одиночных снимках или их монтажах.
Поэтому возможность распознавания и классификации объектов,
имеющих высоту, значительно возрастает. Во-вторых, на стереомо­
дели наглядно представлены характерные особенности простран­
ственного размещения отдельных компонентов ландшафта, зако­
номерно приуроченных к различным формам рельефа, что лежит
в основе косвенных способов дешифрирования. Стереоскопическое
визуальное дешифрирование производится не толькона воздушных снимках, но также и на космических, для чего сле­дует скомбинировать стереопары из снимков, полученных на соседних витках полета космического корабля.

Из стереоскопических приборов общеупотребительны следующие: а) зеркальные и призменные стереоскопы; б) зеркальные стереоскопы с переменным увеличением; в) стереопантометры с| параллаксометром; г) интерпретоскопы.

Из семейства зеркально-линзовых стереоскопов наиболее удоб­ны для визуального дешифрирования стереоскопы со сменным увеличением, которые изготавливает народное предприятие «Карл-Цейсе» в ГДР. Этот прибор допускает общий обзор всей площади стереопары (или ее большей части). Для детального дешифриро­вания на прибор надевается насадка с двумя окулярами, имеющи­ми увеличение 4^х. Поле зрения при этом уменьшается, но отдель­ные участки стереомодели рассматриваются с увеличением, что способствует дешифрированию мелких деталей изображения. В комплект к стереоскопу придается параллаксометр, с помощью которого можно измерять линейные продольные параллаксы с точностью не более 0,05 мм и, следовательно, производить обмер стереомодели и определять собственные высоты ряда объектов местности.

Рис. 62 Интерпретоскоп: / — станина; 2 — окуляры; 3 — ручки увеличения изображения; 4 — ручки поворота изображения; 5 — ручки освещенности изображений; 6 — объективы; 7 — осветители; 5 — выключатель, 9 — бобины для неразрезанного фильма

Наиболее универсальный стереоскопический прибор для дешиф­рирования — интерпретоскоп — изготавливается в ГДР (рис. 62). Это прибор стационарного типа и предназначен для визуального дешифрирования воздушных и космических снимков, имеющих размеры от 70X70 до 230X230 мм, изготовленных как на прозрачной основе, так и на непрозрачной. Одно из достоинств прибора состоит в том, что на нем можно обрабатывать нераз­резанную на отдельные кадры пленку. Дешифрируемые снимки помещаются на стеклянную столешницу стола, где могут просве­чиваться источниками света, расположенными в корпусе стола. Снимки на непрозрачной основе освещаются светильниками такСплошное полевое дешифрирование в настоящее время все чаще заменяется так называемым комбинированным, которое пред­ставляет собой сочетание полевого и камерального. Такая технологическая схема дешифрирования отличается своими экономиче­скими выгодами без ухудшения качества. Существует несколько вариантов комбинированного дешифрирования. Наиболее простым, но и менее экономным является такой процесс комбинированного дешифрирования, при котором все аэрофотоснимки перед выездом на местность подвергаются предварительному камеральному де­шифрированию с использованием прямых и косвенных признаков.

Камеральное дешифрирование материалов аэрокосмической:ъемки отличается от полевого тем, что процесс извлечения ин­формации и изучение сфотографированной территории осуществля­лся в лабораторных условиях. В настоящее время камеральное дешифрирование интенсивно развивается. По сравнению с полевым имеет ряд преимуществ: экономическая выгодность, экономия времени и трудовых затрат, комфортные условия труда, возможность кооперирования различных специалистов, применение разнообразной аппаратуры, облегчающей труд человека, изучение труднодоступных или вовсе недоступных регионов. В процессе камерального дешифрирования ряд его этапов может быть автоматизирован. К недостаткам камерального дешифрирования можно отнести то, что во многом оно имеет вероятностный характер, что сказывается на достоверности дешифрирования и требует полевой доработки.

Визуальное дешифрирование всегда целесообразно произво­
дить на стереомодели по двум причинам. Во-первых, прямой приз­
нак дешифрирования (форма объекта) на стереомодели рассмат­
ривается в трехмерном, а не в двухмерном пространстве, как это
имеет место на плоских одиночных снимках или их монтажах.
Поэтому возможность распознавания и классификации объектов,
имеющих высоту, значительно возрастает. Во-вторых, на стереомо­
дели наглядно представлены характерные особенности простран­
ственного размещения отдельных компонентов ландшафта, зако­
номерно приуроченных к различным формам рельефа, что лежит
в основе косвенных способов дешифрирования. Стереоскопическое
визуальное дешифрирование производится не только на воздушных снимках, но также и на космических, для чего сле­дует скомбинировать стереопары из снимков, полученных на соседних витках полета космического корабля.

Дата добавления: 2014-01-04