Понятие о фотограмметрии

Фотограмметрия(термин photogrammetrie является производным от греческих слов photos – свет, gramma – запись и metreo – измерение; дословно – измерение светозаписи) – научная дисциплина, изучающая способы определения формы, размеров и пространственного положения объектов в заданной координатной системе по их фотографическим и иным изображениям.

Фотограмметрия выделилась из геодезии в начале прошлого столетия благодаря применению новых начал измерительной техники, базирующихся на способности объектива строить изображения объектов, возможности регистрации этих изображений фотохимическими методами и измерения их с помощью оптических, механических, а позднее – и электронных приборов и инструментов.

При фотографировании объекта местности часть световых лучей, отраженных его точками А, В, С, D (рисунок 4.1), улавливается объективом фотокамеры, проходит через его узловую точкуS и дает негативные изображенияа, b, с и d точек объекта на светочувствительном слое в плоскости Р.

Если установить негатив Р в то положение, которое он занимал в момент фотографирования, и, воспользовавшись принципом обратимости фотографического процесса, осветить его, то световые лучиSa, Sb, Sc и Sd пройдут через объектив S и те же точки объектаABCD.

Поставив на пути световых лучей экран Р', в сечении его лучами светового пучка получим изображенияa⁰b⁰c⁰d⁰ тех же точекABCD объекта в масштабе, зависящем от соотношения удалений экрана Р' от объектива S и этого объекта. Изменяя угол, под которым световой пучок пересекает экран Р', можно выполнять преобразование (трансформирование) изображения.

Методы построения и преобразования изображений объектов, основанные на использовании свойств одиночного аэроснимка, называются фотограмметрическими.

Так как оценка положения точек по высоте при такой обработке невозможна, то область применения методов фотограмметрии ограничивается преобразованием изображений объектов, расположенных в одной плоскости.

Полное описание формы, размеров и пространственного положения объектов местности возможно лишь на основе методов стереофотограмметрии (от греческого слова stereos – пространственный), использующей свойства пары снимков.

Пусть из двух точек пространства S₁ и S₂ (рисунок 4.2) получена пара перекрывающихся снимков P₁ и Р₂. Точки местности А и В изобразились на левом снимке P₁ в виде точек a₁ и b₁, а на правом Р₂ – в виде точек а₂ и b₁. Если снимки P₁ и Р₂ установить в то положение, которые они занимали во время съемки, то связки лучей, существовавшие в момент фотографирования, окажутся восстановленными, и в пересечении соответственных лучей S₁a₁ и S₂a₂, S₁b₁ и S₂b₂, проходящих через соответственные точки зоны перекрытия снимков, возникает пространственная (стереоскопическая) модель, подобная сфотографированному объекту местности.

Масштаб стереоскопической модели определяется расстоянием S₁S₂ между вершинами связок, и, изменяя его, можно привести построенную модель к заданному масштабу. Вращение модели вокруг координатных осей позволяет привести ее в требуемое положение относительно системы координат местности.

Теперь для получения плана (карты) достаточно выполнить измерение координат точек А, В и др. стереоскопической модели и ортогональное их проектирование на плоскость карты (точки A₀, B₀).

Легко видеть, что построение пространственной модели местности возможно лишь при совместной обработке пары перекрывающихся между собой снимков. Наличие перекрытий между снимками позволяет создавать высокоточные фототриангуляционные сети, состоящие из снимков одного или нескольких маршрутов.

Преобразование координат точек сети в систему местности выполняется по включенным в нее опорным точкам, положение которых в системе координат местности определяют по результатам полевых геодезических измерений.

Таким образом, применение фотограмметрического и стереофотограмметрического методов связано с получением аэроснимков с помощью летательных аппаратов и последующей их камеральной обработкой.

Фотографирование исследуемых объектов и последующая камеральная обработка их изображений вместо самих объектов предопределяют основные преимущества фотограмметрических и стереофотограмметрических методов исследований перед другими. Это, прежде всего, высокая производительность метода; объективность, достоверность и документированность данных; высокая точность; возможность безопасного получения информации о любых (в том числе быстро движущихся) объектах и т. п. Эти преимущества фотограмметрии обеспечили применение ее методов в самых разнообразных отраслях науки и техники: геодезии и картографии (для создания планов и карт); строительстве (для контрольных измерений и исследования деформации сооружений); архитектуре (для съемки исторических памятников); астрономии и космонавтике (для определения положения космических объектов и картографирования планет); военно-инженерном деле (для определения координат цели, траектории и иных параметров полета снаряда и пр.) и т. д.

Фотограмметрическая обработка фотоснимков позволяет выявить месторождения полезных ископаемых и их границы, определить интенсивность движения городского транспорта, параметры деятельности вулканов, характеристики объектов микромира и т.п.

Становление и развитие фотограмметрии тесно связано с точным приборостроением и авиацией, космонавтикой и физикой, химией и электроникой, математикой, геодезией и картографией. Их достижениями определяется и современное состояние фотограмметрии, в которой можно выделить несколько направлений:

– аэрофототопографию, изучающую методы и технические средства создания планов и карт по цифровым или аналоговым изображениям земной поверхности, полученным с летательного аппарата;

– прикладную фотограмметрию, изучающую вопросы применения фотограмметрии в интересах различных областей науки и техники – в строительстве, архитектуре, медицине, геологии, военном деле и т.п.;

– космическую фотограмметрию, изучающую вопросы применения фотограмметрии для обработки снимков Земли, планет и иных небесных тел, полученных непосредственно из космоса (с борта космического аппарата) или с помощью спускаемых аппаратов.

Появившиеся в конце XX в. технические средства и методы получения, обработки и хранения цифровых изображений придали фотограмметрии новый импульс и обусловили возникновение и развитие цифровой фотограмметрии, основанной на применении электронных вычислительных машин, теории машинного зрения и др.