Назначение и типы стереофотограмметрических систем

Назначение и типы стереофотограмметрических  систем

Стереофотограмметрические системы  предназначены для фотограмметрической  обработки стереопар аэро, космических  и наземных снимков.

На стереофотограмметрических  системах выполняются следующие  основные виды работ:

• определение координат и высот точек объекта;
• создание карт различного назначения;
• создание цифровых моделей рельефа;
• построение сетей пространственной фототриангуляции.

В настоящее время существуют три  основных типа стереофотограмметрических  систем:

• аналоговые;
• аналитические;
• цифровые.

В аналоговых стереофотограмметрических  системах построение фотограмметрической  модели объекта по стереопаре снимков  производится с помощью оптических или механических моделирующих системах.

В аналитических стереофотограмметрических системах построение фотограмметрической модели производится аналитически на компьютере, а для наблюдения и измерения стереопар снимков используется стереокомпаратор, являющийся составной частью аналитической стереофотограмметрической системы.

В цифровых стереофотограмметрических  системах, в отличие от аналитических, для наблюдения и измерения стереопар  снимков, предварительно преобразованных  в цифровую форму на сканере или  полученными цифровыми съемочными камерами, используется компьютер, на экране дисплея которого строится стереоизображение.

В настоящее время на производство поступают только аналитические  и цифровые стереофотограмметрические  системы. Выпуск промышленностью аналоговых стереофотограмметрических систем прекращен в 70-х годах, поэтому в настоящей главе их устройство не рассматривается.

 

Аналитические стереофотограмметрические  системы

 

 

Аналитическая стереофотограмметрическая  система, принципиальная схема которой  представлена на рисунке, содержит:

• стереокомпаратор, служащий для стереоскопического наблюдения и измерения стереопары снимков;
• компьютер;
• штурвалы Х, У, Z , служащие для задания значений координат точек фотограмметрической и внешнеориентированной моделей и для перемещения кареток снимков стереокомпаратора. В некоторых системах вместо штурвалов используют трекбол, дигитайзер или другие устройства.

Стереокомпаратор аналитической  стереофотограмметрической системы  включает бинокулярную оптическую систему  наблюдения с измерительными марками  и измерительные системы снимков  стереопары, каждая из которых содержит каретку снимка, выполненную с возможностью перемещения по осям х и у. (В некоторых системах по одной из осей перемещается наблюдательная система )

Каждая каретка снабжена датчиками  координат х и у её положения  и устройствами для её перемещения. Датчики координат и устройства перемещения кареток связаны посредством интерфейса с компьютером.

На осях вращения штурвалов  X, Y, Z установлены круговые импульсные датчики, через интерфейс связанные с компьютером. При вращении штурвалов датчики вырабатывают импульсы, число которых пропорционально углу поворота штурвалов. В зависимости от числа, скорости поступления импульсов или направления вращения штурвалов компьютер вырабатывает команды на перемещение кареток стереокомпаратора или задаёт значение пространственных координат точек модели – X, Y, Z.

При фотограмметрической обработке  стереопар снимков на аналитических  стереофотограмметрических системах выполняются следующие процессы.

1. Калибровка измерительных систем стереокомпаратора.

Калибровка выполняется с целью  определения систематических ошибок для последующего их учёта при  измерении снимков. Калибровка выполняется  при установке аналитической  стереофотограмметрической системы  и повторяется через 1-3 месяца;

2. Внутреннее ориентирование.

Этот процесс выполняется для  определения параметров положения  и ориентации снимков в каретках стереокомпаратора, а также для  определения параметров систематических  искажений снимка, вызываемых деформацией  фотоматериала.

3. Взаимное ориентирование.

Этот процесс  включает измерение координат точек на стереопаре снимков и определение значений элементов взаимного ориентирования.

4. Внешнее ориентирование.

Этот процесс  включает измерение  координат  опорных точек в системе координат фотограмметрической модели и определение значений элементов внешнего ориентирования фотограмметрической модели и элементов внешнего ориентирования снимков стереопары. Для выполнения этого процесса на аналитической стереофотограмметрической системе строится фотограмметрическая модель.

5. Измерение координат и высот точек объекта (местности).

Этот процесс выполняется при  создании карт, цифровых моделей рельефа  и решении других измерительных  задач, выполняемых по стереопаре снимков. Для выполнения этого процесса на аналитической стереофотограмметрической системе строится внешне ориентированная модель.

 

Калибровка измерительных систем стереокомпаратора АСФС

Калибровка измерительных систем стереокомпаратора производится с  помощью специальной измерительной  сетки, представляющей собой плоскопараллельную стеклянную пластину, на одной из поверхностей которой нанесена сетка крестов, координаты которых известны с высокой точностью (до 0.5 мкм) (рис 1).

Измерительную сетку закладывают  в каретку стереокомпаратора  и измеряют координаты крестов в системе координат измерительной системы .

Для исключения систематических ошибок измерительных систем обычно используют формулы аффинных преобразований

  (1)

или

  (2)

В формуле (1) и (2):

- координаты точки в системе  координат измерительной системы;

- координаты точки в системе  координат измерительной сетки  (истинные значения координат,  которые мы в дальнейшем будем  называть координатами в системе координат калибровочной измерительной системы);

-параметры аффинного преобразования;

П -матрица аффинного преобразования.

Параметры являются координатами начала СК измерительной сетки в СК измерительной системы, а посредством параметров учитывают неперпендикулярность осей СК измерительной системы и отличие масштабов датчиков координат от номинальных значений.

Каждый измеренный крест измерительной  сетки позволяет составить два уравнения поправок:

(3)

Очевидно, что для определение 6 параметров аффинного преобразования необходимо измерить не менее 3 крестов  не лежащих на одной прямой. Обычно при калибровке измеряют 25 крестов, равномерно расположенных на измерительной сетке.

Определение параметров аффинного  преобразования  производят в результате решения системы уравнений поправок (3) по методу наименьших квадратов.

По значениям поправок определяют средние квадратические ошибки измерения координат х и у (точность  измерительных систем стереокомпаратора )

, (4)

где n- количество измеренных крестов.

При последующей фотограмметрической  обработке снимков вычисление координат  точек снимка в СК  калиброванной измерительной системы производят по формулам:

 , (5)

или

,(6)

При обработки снимков на аналитической  стереофотограмметрической системе  возникает задача определения координат  точек в СК измерительной системы по значениям их координат в СК калиброванной измерительной системы.

Эти определения производят по формулам:

, (7)

или

, (8)

в которых  - элементы обратной матрицы

 

Внутреннее ориентирование снимков

 

Для фотограмметрической обработки  снимка необходимо измерить координаты точек снимка х,у в СК снимка оху. При наведении измерительной марки на точку снимка датчики координат измерительной системы стереокомпаратора фиксируют координаты этой точки в СК измерительной системы .

Зная параметры калибровки , вычисляют координаты точки в СК калиброванной системы:

Для определения координат точек х,у в СК снимка по координатам этих точек, определённым в СК калиброванной измерительной системы , обычно используют формулы аффинного преобразования:

Параметры аффинного преобразования позволяют учесть не только положение и ориентацию СК снимка в СК калиброванной измерительной системы, но и учесть систематические искажения снимка, вызываемые изменением масштабов снимка по осям х.у и неперпендикулярностью осей х и у. Эти искажения возникают из-за деформации фотоплёнки, на которой был получен снимок.

Параметры можно определить по координатам координатных меток полученным в результате их измерения на аналитической стереофотограмметрической системе и значениям координатам этих меток х,у, полученным при калибровке съёмочной камеры.

Для определения параметров для каждой координатной метки составляют уравнения

и решают полученную систему уравнений по методу наименьших квадратов.

Очевидно, что для определения  параметров необходимо измерить координаты не менее 3 меток, не лежащих на одной прямой.

При обработке снимков на АСФС возникает  задача определения координат точек снимка в СК калиброванной измерительной системы по их значениям в СК снимка.

Также определения производят по формулам:

или

В уравнениях (12) и (13) - элементы обратной матрицы .

В случае, если при калибровке съёмочной  камеры определялись калиброванные  расстояния между координатными  метками  , для определения координат точек в СК снимка по измеренным координатам точек в системе калиброванной измерительной системы используют формулы:

в которых: координаты начала СК снимка в СК калиброванной измерительной системы;

- угол разворота СК снимка  относительно СК калиброванной системы;

- коэффициенты деформации снимка  по осям х и у.

Если калиброванные расстояния между координатными метками  неизвестны, то для определения координат точек в системе координат снимка используют формулу:

Значение параметров определяют по измеренным значениям координат координатных меток в СК калиброванной измерительной системы по формулам:

в которых  - координаты 1и 2 координатных меток в СК калиброванной измерительной системы;

 (17)

в которых  - калиброванные значения расстояний между координатными метками; - координаты координатных меток в СК калиброванной измерительной системы.

Параметры определяют, как координаты точки пересечения прямых линий, проведённых через координатные метки 1-2 и 3-4 , по формулам:

  (18)

в которых:

Для определения  координат точек снимка в СК калиброванной  измерительной системы по координатам  этих точек в СК снимка используют формулы:

  (19)

в случае, если калиброванные расстояния между координатными метками известны, и формулы

 (20)

в случае, если калиброванные расстояния не известны.

 

 

Взаимное ориентирование.

Процесс взаимного ориентирования, выполняемый на аналитической стереофотограмметрической системе,  включает измерение координат точек, расположенных в стандартных зонах, на стереопаре снимков, и определение значений элементов взаимного ориентирования по измеренным координатам точек.

При измерении координат точек  стереоскопическое наведение измерительной  марки на точки снимков осуществляется с помощью штурвалов Х и  У. При вращении штурвалов Х и  У могут перемещаться одновременно два снимка стереопары или только один из снимков. Переключение режимов работы штурвалов осуществляется с помощью ножной педали. Нажатием на другую ножную педаль осуществляется фиксация координат измеренной точки в компьютере. При вращении штурвалов Х и У компьютером вырабатываются команды на перемещение кареток измерительных систем. При фиксации координат точек на стереопаре снимков в компьютер с датчиков координат положение кареток измерительной системы вводятся координаты точек левого и правого снимков стереопары в СК измерительной системы.

В компьютере по значениям координат  точек снимков  , параметров калибровки и параметров внутреннего ориентирования снимков вычисляется координаты точек снимков в СК снимков. Эти вычисления производят по формулам (6) и по одной из формул (10), (14) или (15), в зависимости от данных калибровки съёмочной камеры.

Для облегчения работы оператора в  большинстве аналитических стереофотограмметрических  систем предусмотрен режим автоматического  наведения измерительных марок  в стандартные зоны снимков стереопары. С этой целью в компьютер вводятся координаты х,у центров стандартных зон в СК снимков стереопары.

Для наведения измерительных марок  на центры стандартных зон в компьютере вычисляются их координаты в СК  измерительных систем . Эти вычисления производят по одной из формул (13),(19)или (20) и формулам (8). Затем компьютер выдаёт команду на перемещение кареток измерительной системы в положение , при котором измерительные марки наводятся на центры стандартной зоны на снимках стереопары.