Лобанов А.Н. Фотограмметрия

Подождите немного. Документ загружается.

период обращения носителя на орбите со скоростью вращения пла-

неты.

Однако основное отличие состоит в том, что космические снимки

охватывают гораздо большую площадь поверхности планеты, чем

топографические аэрофотоснимки, и необходимо учитывать, что

поверхность относимости, на которую проектируют точки местно-

сти при создании карты, имеет сферическую форму.

Прежде всего это приводит к тому, что у космического снимка

отсутствует однозначность угла наклона. Если по отношению к ме-

стной вертикали в точке N

(рис. 310) снимок Р будет горизон-

тальным, то по отношению к мест-

ным вертикалям в любой другой

точке, изобразившейся на снимке,

он будет иметь угол наклона. На-

пример, в точках К и М углы на-

клона равны по величине, но имеют

противоположные знаки. В резуль-

тате в пределах одного снимка

значение угла наклона может из-

меняться от нуля до десятков гра-

дусов.

Из-за непараллельности мест-

ных вертикалей направление счета

высот точек поверхности будет

изменяться. Кроме того, при преоб-

разовании криволинейной поверх-

ности на плоскость возникают

линейные и угловые искажения

во взаимном положении контуров.

Так как в фотограмметрии изме-

рения производят в прямоуголь-

ной системе координат при усло-

вии ортогонального проектирова-

ния точек на координатные плоскости, положение точки М сфери-

ческой поверхности относительно точки Ы, через которую прове-

дена плоскость Е, принятая за плоскость XV, будет определено

фотограмметрическими координатами Ь

и к. Фактически же точки

М и N имеют одинаковую высоту, а расстояние между ними равно

длине дуги ЫМ = Следовательно, ошибка измерения высоты

точки М будет равна к, а расстояния ЛШ — величине Б—Ь

Возникающие ошибки будут уменьшаться с уменьшением раз-

мера сфотографированного участка. Для конкретной фотокамеры

сокращения охвата на местности можно достичь уменьшением вы-

соты фотографирования Я. В результате проекции точек М и М

на плоскость снимка — точки т и т

— будут сближаться и ве-

личина их несовпадения 6

, называемая смещением точки из-за

кривизны поверхности, будет стремиться к нулю. Согласно рис. 310

524.

Рис. 310

но

= Нб

1г и

Поэтому

_ 2ЩЬ8

Члены б*. и /

б| можно опустить по малости, и формула для расчета

максимальной высоты фотографирования при заданном значении б

примет вид

Если принять б& < 0,01 мм, при которой влияние кривизны

поверхности практически отсутствует, то для Земли (/? = 6300 км)

при г = 100 мм высота фотографирования не должна превышать

600 м для / = 70 мм и 5000 м для / = 200 мм.

Высоты фотографирования при космической съемке значительно

превышают допустимые значения, поэтому нужно ограничивать

размеры участка на поверхности планеты, в пределах которого

замена криволинейной поверхности плоскостью, проходящей че-

рез границы участка, приводит к ошибкам в плановых и высотных

координатах, не превышающих установленные величины. Обозна-

чим допустимые ошибки в положении точки на карте масштаба

1 : М через б*,

в плане и б

по высоте. Если размер участка (зоны)

выразить центральным углом ср, соответствующим диагонали

участка, то

,иМ = К.7/М—КМ = ЯФ— 2Я 51П— = Я—,

2 24

= = Я — соз ^ = Я .

Следовательно, размеры участка можно рассчитать по формуле

^уГЩК (27.1)

при съемке контуров и

(27.2)

при съемке рельефа.

Например, для Земли при Ь

х>у

= 0,3 мм, б

= 0,5 км, М =

= 1 000 000 размеры участков по диагонали не должны превышать

<Рх,у = 6,0° и Ф

= 1,4°.

Кроме кривизны поверхности, вызывающей ошибки методиче-

ского характера, условия проведения космической съемки приводят

525

к появлению дополнительных источников систематических ошибок

построения снимка. В связи с тем, что фотокамера установлена

внутри носителя, где поддерживаются температура и давление, со-

ответствующие земным условиям, на геометрию построения фото-

изображения оказывают влияние иллюминатор, через который

производится фотографирование, и внутренняя фотограмметриче-

ская рефракция, возникающая из-за прохождения оптическими лу-

чами резко различных сред по обе стороны иллюминатора. В то же

время при фотографировании планет, не имеющих атмосферы, от-

сутствует влияние атмосферной рефракции.

§ 178. Особенности фотограмметрической обработки

космических снимков

Если к отличиям космических снимков от аэроснимков добавить

отсутствие опорного обоснования на поверхности космических

объектов, то необходимо отметить, что фотограмметрическую обра-

ботку космических снимков нельзя проводить на методической и

технической основе, принятой для топографических аэрофотосним-

ков.

Первым этапом фотограмметрической обработки снимков яв-

ляется монтирование фотосхемы, роль которой при космических

съемках значительно возрастает, так как она позволяет в короткие

сроки получить представление о сфотографированном участке по-

верхности космического объекта и произвести его дешифрирование,

а также составить проект дальнейших фотограмметрических и кар-

тографических работ.

При космической съемке монтирование фотосхем осложняется

рельефом местности, углами наклона и разномасштабностью сним-

ков, а также сферичностью поверхности. Влияние рельефа будет

возрастать с укрупнением масштаба съемки, но одновременно бу-

дет уменьшаться влияние сферичности. Влияние взаимных углов

наклона соседних снимков практически мало сказывается, когда

эти углы близки к нулю, но при конвергентной съемке влияние

этих углов возрастает. Разномасштабность космических снимков,

возникающая из-за изменения высоты фотографирования, будет

всегда осложнять монтирование фотосхемы.

Снизить влияние разномасштабности можно, либо включая в фо-

тосхему большое число снимков, полученных при значительном

продольном перекрытии, либо производя масштабное преобразова-

ние последующего снимка относительно предыдущего по общим

точкам. Масштабирование снимков осуществляется на фототранс-

форматоре при горизонтальном расположении экрана. При этом

имеется возможность получить фотосхему в укрупненном масштабе,

что облегчит дальнейшее дешифрирование объектов. Работу на-

чинают с увеличения самого крупномасштабного снимка в

маршруте. На экран кладут лист бумаги и на него наносят макси-

мально удаленные друг от друга две точки, опознанные на после-

дующем снимке, коэффициент увеличения которого будет опреде-

526.

лять отрезок между точками. Из отпечатков, изготовленных со

снимков, производят монтирование фотосхемы, которая будет со-

ответствовать фотосхеме, составленной из снимков, полученных

с носителя, перемещающегося как бы по прямой. Изменение мас-

штаба изображения на такой фотосхеме происходит плавно, а не

скачкообразно.

Описанный способ монтирования фотосхемы дает возможность

сокращать число снимков, когда абсолютные углы наклона

снимков относительно местных

вертикалей в зоне перекрытия не ^

превышают 10—15°. При боль-

ших углах наклона перспективные

искажения одних и тех же объек-

тов на снимках маршрута увеличи-

ваются и осложняют соединение их

в фотосхему. Например, отрезок Б

(рис. 311) на поверхности плане-

ты спроектируется на снимки Р

иР'в отрезки (I и й', причем на

последний перспективные искаже-

ния окажут большее влияние. Сле-

довательно, в фотосхему нужно

включать снимки, у которых в рай-

оне линии пореза размеры кон-

туров вдоль базиса фотографиро-

вания не превышают допустимой

величины Ай.

Считая, что у двух снимков с общими точками высоты фотогра-

фирования изменяются в небольших пределах, можно составить

примерное равенство отношений

ДО/О зш а = ЦН.

Так как снимки Р и Р' не являются соседними, то расстояние между

точками 5 и 5' определяется скоростью полета носителя V, интер-

валом фотографирования т и числом базисов фотографирования п,

т. е. Ь = Утга. Величины А Б и В можно заменить отрезками Ай

и <! в масштабе снимков. Таким образом, число базисов п, через

которые можно брать снимки для монтирования фотосхемы при за-

данной относительной ошибке АШй расхождения длины контуров,

рассчитывается по формуле

н д а

пая

, (27.3)

Кг

эта й

р ' |\\

|\а?\

1 \

н\ \

1 \

I \

1 \

1 1

Кос /! \

ЛИ

Рис. 311

где а — угол наклона двух снимков относительно местной верти-

кали в зоне их перекрытия.

На рис. 312 приведена фотосхема, смонтированная методом мас-

штабирования из снимков, полученных с автоматической станции

«Зонд-8».

527.

При съемке с отслеживанием местной вертикали перспективные

искажения в зоне перекрытия двух снимков будут на каждом из

них примерно одного порядка и основным фактором, осложняю-

щим соединение снимков, останется разномасштабность.

Фототрансформирование космических снимков осложняется тем,

что местные вертикали на сфотографированной поверхности не-

параллельны и по отношению к каждой из них снимок имеет свой

угол наклона. В настоящее время космические снимки производят

с таких высот, что влияние рельефа местности практически мало по

сравнению с влиянием сферичности поверхности.

Особенность фототрансформирования космических снимков со-

стоит также и в том, что необходимо преобразовать фотоизображе-

ние из центральной проекции в заданную картографическую про-

екцию. Этот процесс требует, чтобы фототрансформатор позволял

преобразовывать одну линию в другую с иной кривизной.

Рис. 312

Фототрансформирование космических снимков строго выпол-

няется на аналитических фототрансформаторах, которые позво-

ляют одновременно учитывать систематические ошибки.

При фототрансформировании космических снимков на оптико-

механических фототрансформаторах необходимо фотоизображение

на снимке разделить на зоны, в пределах которых поверхность от-

носимости может быть аппроксимирована плоскостью и угол на-

клона снимка к ней станет постоянным. Каждую зону трансформи-

руют отдельно, используя в качестве ориентирующих точек ее уг-

ловые точки, координаты которых определяют методом пространст-

венной фототриангуляции. В результате для каждого космического

снимка будет олучено число отпечатков, равное числу зонна нем.

Размер зон рассчитывают по формуле (27.1) где 8

ХгУ

= 0,3 мм,

но с увеличением угла наклона снимка к плоскости зоны ее расчет-

ную величину нужно уменьшать, так как превышение (рис.313)

центральной точки N над плоскостью зоны приводит к увеличению

ошибки б

в положении этой точки на фотоплане. Чтобы избежать

уменьшения размера зоны, нужно для трансформирования изобра-

528.

жения данной зоны выбрать снимок Р', на котором луч, проекти-

рующий точку Ы, проходит как можно ближе к перпендикуляру

к плоскости зоны.

Если при трансформировании космических снимков необходимо

получить фотоизображение в картографической проекции, в кото

рой параллели и меридианы изображаются кривыми, то размер

зон определяется дополнительным условием аппроксимации кри-

вой линии прямою с допустимой точностью. Это объясняется тем,

что оптико-механические фототрансформаторы не позволяют пре-

образовывать прямую линию в кри-

подходит ФТБ, имеющий большой диапазон углов наклона эк-

рана.

При стереоскопической обработке перекрывающихся космиче-

ских снимков сферичность поверхности требует изменения мето-

дики внешнего ориентирования модели местности, построенной

как по паре снимков, так и в ходе пространственного фототриангу-

лирования. Это объясняется тем, что модель сферического объекта

нельзя ориентировать в частной системе координат, каковыми яв-

ляются картографические проекции. Необходимо из пространствен-

ной фотограмметрической системы координат 5ХУ2 (рис. 314), в ко-

торой построена модель, перейти в прямоугольную планетоцентри-

ческую систему координат 0

, связанную с референц-эл-

липсоидом, определяющим фигуру планеты. Только после этого

можно переходить в систему координат 0кХ

выбранной кар-

тографической проекции, например, проекции Гаусса—Крюгера.

529.

Указанные преобразования выполняются строго при аналити-

ческом способе пространственной фототриангуляции и на аналити-

ческих универсальных приборах.

Существующие аналоговые универсальные приборы можно ис-

пользовать для обработки космических снимков при условии, что

стереопары разделены на зоны, размеры которых рассчитывают по

формулам (27.1) и (27.2). Выполнив внутреннее и взаимное ориенти-

рование по обычной методике, внешнее ориентирование, а также

съемку рельефа и контуров производят для каждой зоны отдельно.

Так как аналоговые стереоприборы рассчитаны на обработку топо-

графических аэроснимков, имеющих углы наклона до 3°, то угол

наклона между космическими снимками и плоскостью зоны не дол-

жен превышать этого значения. Несколько больший допуск (до

15°) имеет стереопланиграф.

Если съемка производилась фотокамерой со шторно-щелевым

затвором или применялась фототелевизионная или телевизионная

съемка, то первоначальным этапом обработки снимков должно быть

исправление искажений, возникающих из-за неоднородности по-

строения кадра.

Глава 28

ДИСТАНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ЗЕМЛИ

И ДРУГИХ ПЛАНЕТ ПО КОСМИЧЕСКИМ СНИМКАМ

§ 179. Применение космических снимков в метеорологии

Геодезия, картография и фотограмметрия составляют первую

область, в которой широко и успешно используются космические

снимки.

Большое значение имеют космические съемки и в метеорологии

для изучения атмосферных процессов и подстилающей поверхно-

сти.

Основным объектом, исследуемым в метеорологии, является

облачность. По телевизионным изображениям, принимаемым ежед-

невно с метеорологических искусственных спутников Земли, опре-

деляются различные параметры облачного покрова и устанавли-

ваются их связи с синоптическими процессами.

В результате изучения космических снимков составлены опи-

сания дешифровочных признаков различных облачных образова-

ний — их яркости, структуры и текстуры, а также таблицы эта-

лонных телевизионных и инфракрасных изображений.

Существенное научное и практическое значение имеют создан-

ные по космической информации пятидневные, декадные, месячные,

сезонные и среднегодовые карты распределения облачности по зем-

ному шару.

Космические снимки позволили получить новые и весьма важ-

ные данные по различным аспектам метеорологии и климатологии.

530.

Например, определены типичные циркумполярные трассы внетро-

пических циклонов и установлена их связь с сезонной циркуляцией

атмосферы. Прослежены многочисленные пути миграции, зоны

зарождения и распада тропических штормов. По специфическим

формам перистой облачности обнаружены субтропические и эква-

ториальные струйные течения на больших высотах.

Одним из наиболее эффективных метеорологических исследова-

ний по космическим снимкам является изучение литометеоров пыле-

песчаных бурь и потоков в атмосфере.

Пыле-песчаные вихревые бури и фронты наблюдаются по теле-

визионным изображениям, последовательно полученным с метео-

рологических искусственных спутников Земли.

По дневным и ночным инфракрасным изображениям выявляются

локальные термические неоднородности подстилающей поверхно-

сти.

Информация, получаемая с метеорологических искусственных

спутников Земли, используются для составления прогнозов погоды.

Установлено, что улучшение оправдываемое™ краткосрочных

прогнозов с помощью данных метеорологических спутников уже

полностью окупило все затраты на создание этих спутников [10].

§ 180. Применение космических снимков в океанологии

Свыше 70 % поверхности земного шара, занятой морями и океа-

нами, слабо обеспечено информацией. Сеть наблюдательных стан-

ций на море на два порядка реже, чем на суше, а многие простран-

ства океана вообще лишены станций. Поэтому значение космиче-

ских съемок океанов и морей трудно переоценить.

Космические съемки помогают решать различные географиче-

ские задачи изучения океанов и морей: наблюдать за распределе-

нием течений и гидросферных фронтов, мгновенно регистрировать

пространственную структуру волнения поверхности, следить за

движением взвешенных твердых частиц, обнаруживать нефтяные

пленки и другие загрязнения воды, изучать строение и динамику

ледяного покрова.

Течения и фронтальные зоны между водными массами наблю-

даются с помощью инфракрасной съемки радиационных характери-

стик морской поверхности. Кроме того, для изучения океанических

течений применяется телевизионная съемка облачных индикато-

ров гидросферных фронтов. Прослеживаются движения морских

льдов, распространения вод разной мутности и цвета, определяются

степень волнения и другие характеристики морской поверхности.

Наблюдая гидросферные фронты и гидрологические водные

массы по распределению типов и покрытия облачных индикаторов,

учитывают различные характеристики облачности: тип, форму,

ярусность, текстуру и тон изображения.

Над относительно теплой водной массой, отличающейся повы-

шенным испарением влаги, образуется сплошная низкая слоисто-

кучевая облачность, а над более холодной водной массой облач-

531.

ность разрежена или отсутствует. В этом случае граница облачного

массива резкая и служит индикатором гидросферного фронта.

Смешение теплого и холодного воздуха, свойственного разным

водным массам, приводит к образованию полосы специфической,

преимущественно кучевой или кучево-дождевой облачности. В этом

случае индикатором гидросферного фронта служат полосы или це-

почки скоплений кучевой облачности.

Установлено, что линии облачных индикаторов хорошо согла-

суются с изотермами на картах поверхностных температур.

Более надежную информацию о миграции течений и гидросфер-

ных фронтов дает дневная и в особенности ночная инфракрасная

съемка со спутников. Волновая и вихревая структура гидросфер-

ных фронтов в океане впервые изучена по инфракрасным космиче-

ским снимкам.

Другое перспективное направление в космической океаноло-

гии — наблюдение за морфологией и динамикой морских льдов

[10, 11].

Основным средством для изучения ледяных полей являются

телевизионные изображения с метеорологических искусственных

спутников Земли. Главное преимущество телевизионной съемки —

независимость ее от облачности, мешающей получению изобра-

жения кромки льдов в оптическом диапазоне . большую часть

года.

В связи с подвижностью льдов требуется частота съемки не ме-

нее одного раза в 3—5 дней.

Ледяные поля сплоченностью 9—10 баллов на снимках изобра-

жаются светлым или светло-серым тоном, на котором видны лома-

ные линии каналов, редкие темно-серые пятнышки небольших раз-

водий, торосистых образований и ледовых вихрей.

Битый лед при сплоченности 2—3 балла изменяет тон телеви-

зионного изображения моря от черного до серого, а сплошной би-

тый лед при 9—10 баллах дает сплошной светлый тон.

Дрейф льдов весьма заметно изменяет картину изображения

ледового покрова. Но эти изменения происходят медленно. Новые

данные о циркуляции полярных льдов выявляются при частоте

съемки один раз в 5—10 дней.

Изучаются и другие океанологические объекты — разводья,

полыньи, каналы и другие образования чистой воды среди ледяных

полей. Прибрежные полыньи изображаются темно-серым фоном

с резкой границей со стороны материка и диффузно-резкой грани-

цей со стороны морского ледяного покрова. Разводья и каналы

в ледяных полях имеют структуру, определяемую преобладаю-

щими ветрами, морскими течениями, приливно-отливными явле-

ниями и направлением дрейфа льдов.

Космические снимки позволяют составить мгновенную карту

морских волнений на больших территориях. По яркости, размеру,

деформации и границам солнечного блика на телевизионных изоб-

ражениях можно судить о состоянии поверхности моря. Если по-

верхность моря спокойная, то блик яркий. При взволнованном

532.

море блик менее яркий, расширенный и вытянутый. При бушую-

щем море блик становится неразличимым.

Наблюдение морского дна в пределах континентальных шлей-

фов ограничивается прозрачностью воды. Однако на космических

изображениях, полученных в зелено-голубой части спектра, про-

сматриваемость дна всегда больше, чем на аэроснимках, и нахо-

дится в пределах от 20 до 100 м.

Используя зависимость между плотностью изображения и глу-

биной дна, можно проводить изобаты.

§ 181. Применение космических снимков в гидрологии

В гидрологии космические съемки используются для изучения

снегового покрова, озер и водохранилищ, ледников, рек, структуры

и изменений гидрографической сети, стока с водоразделов и речного

стока, влажности почвы, болот и загрязнения водоемов.

Снеговой покров наблюдается по многоспектральным снимкам.

Используя только тон изображения, по космическим снимкам уда-

лось выявить три градации мощности и сплоченности снегового

покрова: маломощный спорадический, маломощный несплошной

и мощный сплошной, выше 15 см. Лавинные образования хорошо

видны благодаря весьма высокому оптическому контрасту линей-

ного снежника и залесенных склонов гор. На телевизионных изоб-

ражениях хорошо видна граница между снеговым покровом и бес-

снежной территорией. Картирование снегового покрова по этим

изображениям позволяет определить влагозапасы в бассейнах рек

и прогнозировать их весенний сток.

Преимущества космических методов изучения влажности почвы

состоят в частоте наблюдений, одновременности съемок на больших

пространствах и генерализованное™ данных. При этом достаточную

детальность и надежность измерения влажности можно обеспечить

путем использования комплекса дистанционных приемников в раз-

ных зонах электромагнитного спектра отражения и излучения.

Например, телевизионные приемники, сенсибилизированные в

оранжево-красной зоне спектра, позволяют регистрировать различ-

ные зоны увлажнения.

Последовательные космические съемки с достаточной частотой

используются для наблюдения за разливами крупных рек и затоп-

лением пойм. Установлено, что затопление пойм, в особенности

экстремальное, не всегда соответствует тем моделям, которые соз-

даются по топографическим картам.

Периодические телевизионные и инфракрасные съемки оказа-

лись перспективными для изучения временных озер в глинистых

и солончаковых депрессиях аридных зон.

Большое значение телевизионная съемка имеет для изучения

озер, особенно их ледового режима. Телевизионные, инфракрасные,

микроволновые и многоспектральные изображения позволяют оп-

ределить границы, структуру и физические характеристики по-

кровного оледенения.

533.