Аэросъемка, её виды и методы

       Наиболее  интенсивно развиваются и широко распространены для картографических целей методы аэрофотосъёмки, космической  съёмки и комбинированный метод  лазерной локации и цифровой аэрофотосъёмки, который применяется преимущественно  для крупномасштабного картографирования и особенно эффективно для линейных объектов. Эти методы рассматриваются далее более детально.

1. Метод аэрофотосъёмки.

       Одним из важнейших применений фотографии является воздушное и космическое фотографирование, т. е. получение снимков земной поверхности с летательных аппаратов – самолетов, вертолетов, искусственных спутников Земли и др.

       Аэрофотосъемкой называют совокупность работ по получению аэронегативов и аэроснимков  или цифровых снимков местности с целью последующего их использования для создания планов  и карт местности. Термин «Аэрофотосъемка» объединяет ряд взаимосвязанных процессов, в частности:

        - летно-съемочные работы, включающие  разработку технических условий аэрофотосъемки,    составление проекта и его исполнение;

       - полевые фотолабораторные работы, в случае традиционной аэрофотосъёмки, включающие фотографическую обработку экспонированных аэрофильмов, изготовление по ним отпечатков и иной первичной продукции;

       - полевые фотограмметрические работы, включающие регистрацию материалов аэрофотосъемки и оценку качества исполненной фотосъемки.

       Результатом традиционных работ являются аэронегативы, аэроснимки, а также зафиксированные в полете показания специальных приборов.

       Аэронегативы (аэроснимки) – фотографические изображения местности, покрывающие без разрывов заданный участок земной поверхности – используются для последующего преобразования и создания по ним карт и планов. Для обеспечения последующих работ смежные аэронегативы (аэроснимки) должны иметь перекрытия расчетной величины. Метрические и фотометрические характеристики аэронегативов в значительной степени зависят от выполнения технических условий аэрофотосъемки и выбора параметров применяемых для аэрофотосъемки фотографических материалов и оптических систем. Точность и качество аэронегативов, в свою очередь, определяет  качество создаваемых по ним карт и планов, сроки фотограмметрической обработки, организацию работ и т.п. Для получения полноценных аэронегативов и их эффективного использования необходимо согласование летно-съемочных работ, и в первую очередь их параметров, с организацией всего топографо-геодезического производства.

       В отличие от традиционной аэрофотосъёмки  цифровая аэрофотосъёмка выполняется по двум технологиям, которые зависят от типа цифровых камер:

• летно-съемочные работы, в которых используют камеры с ПЗС линейками обязательно сочетаются две системы  GPS + INS, то есть Глобальная система позиционирования и Инерциальная система, для определения положения изображения ПЗС-линейки в пространстве в каждый момент времени. Эта съёмочная система часто используется также при космических съёмках. Бортовой компьютер и программное обеспечение позволяют интегрировать обработку данных GPS -приёмника и данных INS – инерциальной системы и объединить трансформированное по ним изображение в полные снимки.

       В самолётном варианте изменения в  высоте платформы, на которой установлена  камера, трудно предсказуемы. Поэтому разработан и реализован второй технологический подход – матричный сенсор.

• летно-съемочные работы, выполняемые на основе матричного сенсора (ПЗС – матрица), больше напоминают традиционный аналоговый метод аэрофотосъёмки, когда все элементы матрицы одновременно экспонируются. В этом методе внутри пиксельная геометрия известна и строго определена, по сравнению с линейной технологией, в которой размеры пикселя меняются в зависимости от продольной скорости носителя. В матричной технологии в настоящее время проблема в том, что большие матричные решётки сложны в изготовлении. Поэтому комбинируют: делают большие по площади решётки из нескольких маленьких по площади. Например, из четырёх. Четырех линзовый объектив формирует четыре отдельных изображения, которые трансформируют  в центральную проекцию и автоматически стыкуют. Такие снимки обрабатываются по существующим программам аналитической обработки.

       Результатом цифровой аэрофотосъёмки являются цифровые аэрофотоснимки, а также зафиксированные в полете элементы внешнего ориентирования (линейные -  Xs, Ys, Zs – координаты центра фотографирования; угловые -  a, w, c - ориентирование камеры относительно осей координат).

       В соответствии с законами центрального проектирования, по которым строится изображение местности, аэронегатив (аэроснимок) содержит ряд искажений, величины которых  определяются углом наклона оптической оси аэрофотоаппарата и колебанием рельефа местности. Устранение этих искажений осуществляется в процессе их фотограмметрической обработки, и в частности – фотографического или цифрового преобразования, называемого трансформированием. В связи с этим использование аэроснимков без их предварительного трансформирования для картографического (топографического) обеспечения выполняемых работ, в том числе в качестве основы ГИС, ограничивается влиянием указанных искажений.

       Показания специальных приборов и оборудования, зафиксированные в процессе аэрофотосъемки, обеспечивают стабилизацию съемочной камеры в полете или последующее определение по ним пространственного положения аэроснимков в абсолютной или относительной системе координат с целью последующего их использования при выполнении фотограмметрических работ и  преобразовании аэроснимков в планы и карты. К числу таких приборов относят гироскопы, системы глобального позиционирования, оборудование для определения высоты полета, превышений  между центрами фотографирования, а также аэронавигационные системы и др. Наличие указанных данных во многом определяет технологию камеральной обработки материалов аэрофотосъемки, существенно влияет на оперативность, точность фотограмметрических построений и объемы полевых работ по их обеспечению.

       Аэрофотосъемочные работы выполняются специализированными подразделениями топографо-геодезической или землеустроительной службами на специально оборудованных  летных  средствах. 

2. Метод космической фотосъёмки.

       Космическая информация на сегодняшний день становится всё более разнообразной и точной. Возможность её получения, обработки и обновления становится всё более лёгкой и доступной. Широкое применение для космических съёмок нашли электронно-оптические съёмочные системы. Например SPOT 2 используют более 10 лет для картографирования в масштабе 1:50000 (разрешение на земле в панхроматическом варианте 10 м, у нового SPOT 5 разрешение 2,5 м; 5 м) и последний обладает возможностью стереообработки. Но у этой системы снимки в стереопаре растянуты по времени. От этого недостатка избавлены стереосистемы, имеющие два или три пучка визирования – вперёд, вниз, назад.

       Элементы  ориентирования сканера получают из совместного уравнивания орбитальных, наземных и данных навигационной системы. Преимущество снимков, полученных сканерами, перед фотоснимками заключаются в том, что изображения получаются непосредственно в цифровой форме, исключая процессы фотохимической обработки и сканирования. Сдерживает их применение более низкая разрешающая способность, сложный характер геометрических искажений изображений и большое количество информации, которую трудно хранить и передавать.

       В настоящее время десятки космических  съёмочных систем передают космические  снимки высокого разрешения (от 5 м до 0,6 м) на любую территорию Земли. В России и за рубежом созданы и функционируют банки и архивы данных цифровых снимков всего земного шара. Особенно важна доступность для потребителя этих материалов. Причём та территория России, которая считается у нас засекреченной за рубежом можно получить снимки на неё без всяких ограничений. По системе Интернет можно осуществить оперативный поиск, сделать заказ и получить необходимую информацию, а также заказать  проведение съёмок любой территории и  получение корректированных снимков в цифровой форме.

            Космические снимки высокого  разрешения имеют практическое  применений в большом количестве  коммерческих направлений, таких  как картографирование, землепользование, кадастр, сельское и лесное хозяйство, изменение окружающей среды, мониторинг стихийных бедствий.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Метод аэрогеодезических  работ на основе лазерной локации и цифровой аэрофотосъёмки.

 

             Одним из современных  методов сбора и обработки  данных о местоположении объектов и  рельефе местности, а также их качественных и количественных характеристиках, является метод на основе лазерной локации и цифровой аэрофотосъёмки.

       В основе технологии лежит выполнение синхронного маршрутного  лазерно-локационного сканирования местности и цифровой аэрофотосъемки в составе, например,  следующего комплекта оборудования:

• Лазерного сканера ALTM-1210 с разверткой лазерного луча в одной плоскости и частой выполнения измерений 5 Кгц. Угол сканирования может быть задан в диапазоне ±20°, а частота сканирования может меняться  от 0 до 28 Гц. На основании данных этой подсистемы можно вычислить расстояние между излучателем и объектом отражения, а также угол в плоскости сканирования, куда был направлен луч в момент излучения.
• Инерциальная система, датчики которой установлены в одном блоке с лазерным сканером. На основании данных этой подсистемы можно вычислить параметры ориентации летательного аппарата (датчиков инерциальной системы, лазерного сканера и фотоаппарата) относительно определенной системы координат.
• GPS-приемник. На основе данных которого, осуществляется синхронизация времени работы всех подсистем, а также вводится единая система координат и рассчитывается траектория полета летательного аппарата.                                  

       Для выполнения съемки создаются базовые GPS-станции, данные которых используются для вычисления дифференциальных поправок при определении траектории летательного аппарата. Для определения траектории летательного аппарата и уточнения угловых данных инерциальной системы, применяется метод совместной обработки GPS-данных и данных инерциальной системы. Применение такого метода расчета повышает как точность   определения угловых параметров, так и местоположения.

       Кроме прибора, выполняющего лазерно-локационное  сканирование местности, на борту  летательного аппарата устанавливается цифровая фотокамера. Поскольку в составе  прибора, выполняющего лазерно-локационную съемку (ALTM-1210), входит инерциальная подсистема, то геодезическая привязка фотографий осуществляется программным способом автоматически, учитывая траекторию полёта и угловую ориентацию фотоаппарата и летательного аппарата в момент экспозиции снимка. То есть вычисляются линейные - X, Y, Z и угловые - a, w, c  элементы внешнего ориентирования снимка.

       Технические характеристики лазерного сканера ALTM-1210:

       Рабочая высота полета носителя   250 - 1000 м

       Точность  по дальности    15 см

       Разрешение  по дальности    3 см

       Угол  сканирования     от 0 до  ±20°

       Полоса  захвата высоты    от  0 до 0.68 долей

       Угловая точность     0.05°

       Частота сканирования     от 0 до 24 Гц

       Рабочая длина волны     1047 нм

       Частота генерации лазерных импульсов  10 Кгц

       Расходимость  луча     0.25 мрад, полный угол

       Длительность  импульса    16 нс

       Длительность  фронта импульса   3 нс

       Средняя энергия в импульсе   80 мк Дж 

       Класс лазера по безопасности    IV

       Напряжение  питания     28 В

       Номинальный потребляемый ток   15 А

       Технология  выполнения лазерно-локационных аэросъемочных  работ включает  несколько этапов:

1. Планирование и подготовка аэросъемочных работ.

            На данном этапе осуществляется:

• Получение картографического материала и утверждение границ объекта съемки;
• Выбор параметров съемки, исходя из продукта необходимого Заказчику и условий съемки;
• Подготовка материалов для навигации и настройка навигационной системы;
• Камеральная рекогносцировка и выбор геодезических пунктов для определения местоположения базовых станций;
• Составление проекта съемки.