Цифровая фототриангуляция для создания топографических карт - Курсовая работа

В третьем разделе будет подробно рассмотрено построение блочной сети фототриангуляции на ЦФС «Фотомод», включающее оценку фотографического и фотограмметрического качества исходных материалов, составление рабочего проекта, подготовку исходных данных для построения сети, внутреннее ориентирование снимков, измерение плоских координат опорных, межмаршруных и связующих точек снимков, построение и уравнивание блочной сети фототриангуляции, оценку точности, контроль качества и анализ результатов цифровой фототриангуляции. Сущность фототриангуляции заключается в построении модели местности по снимках, принадлежащим одному или нескольким маршрутам, и внешнем ориентировании этой модели. Фототриангуляция позволяет определять по снимкам плановое положение и высоты опорных точек, необходимых для создания фотопланов, ортофотопланов, карт, цифровой модели рельефа (ЦМР), цифровой модели местности (ЦММ). Осуществляется переход от отсчетов, полученных при измерении снимков на приборе, к плоским координатам точек снимков x, y и учет всех систематических ошибок в координатах точек снимков (за дисторсию объектива АФА, деформацию фотоматериала, рефракцию световых лучей и др.); В качестве исходного принимается уравнение связи координат точек последующей модели с предыдущей: , (1.8) где - координаты точек в системе координат маршрутной модели (сети); - координаты этих же точек в системе координат последующей модели;Для формирования пирамиды изображений исходный цифровой снимок разбивается на блоки (обычно 2 х 2 пикселя). Таблица 2 служит для хранения информации о снимках, используемых в обработке. В качестве данных выступают идентификатор снимка, элементы внешнего ориентирования, результаты внутреннего ориентирования снимка и т.п. Такая организация данных позволяет однозначно сопоставить каждому измерению соответствующую точку местности (сети) и снимок, на котором выполнено измерение. Для формирования блока используются следующие операции: добавить маршрут, удалить маршрут, перемещение маршрута «вверх» по схеме, перемещение маршрута «вниз» по схеме, поворот/отражение всех изображений маршрута, переставить снимки маршрута в обратном порядке, добавить изображение, удалить изображение, переместить изображение «влево», переместить изображение «вправо».

Содержание

Введение

1. Цифровая фототриангуляция

Сущность, классификация и назначение фототриангуляции

Достоинства цифровой фототриангуляции

Сущность основных методов цифровой и аналитической фототриангуляции

Метод независимых моделей

Построение блочных сетей фототриангуляции методом связок

Построение блочной сети фототриангуляции объединением одиночных моделей

Построение блочной сети фототриангуляции объединением независимых маршрутных моделей

1.4 Особенности цифровой фототриангуляции

2. Технология построения блочной сети фототриангуляции на ЦФС «Фотомод»

Краткая характеристика ЦФС «Фотомод»

Основные процессы технологии построения блочной сети фототриангуляции на ЦФС «Фотомод»

3. Построение блочной сети фототриангуляции на ЦФС «Фотомод»

Оценка фотографического и фотограмметрического качества исходных фотоматериалов

Составление рабочего проекта построения блочной сети ПФТ

Подготовка исходных данных для построения сети

Ввод параметров проекта

Внутреннее ориентирование снимков

Построение и уравнивание блочной сети фототриангуляции

3.7Оценка точности, контроль качества и анализ результатов цифровой фототриангуляции

4. Исследования точности построения блочной сети фототриангуляции с использование ЦФС «Фотомод»

Заключение

Список использованных источников

В настоящее время во всех фирмах, занимающихся фотограмметрической обработкой снимков, применяется цифровой способ фототриангуляции и соответствующие программные продукты. Поэтому целью данной курсовой работы является изучение теоретических основ и получение практических навыков построения сетей пространственной фототриангуляции по результатам аэрофотосъемки с использование программного продукта.

В данной курсовой работе в первом разделе будут рассмотрены понятие пространственной цифровой фототриангуляции, назначение, достоинства, основные методы, а также ее особенности.

Во втором разделе будет рассмотрена краткая характеристика ЦФС «Фотомод» и технология построения блочной сети фототриангуляции на ЦФС «Фотомод».

В третьем разделе будет подробно рассмотрено построение блочной сети фототриангуляции на ЦФС «Фотомод», включающее оценку фотографического и фотограмметрического качества исходных материалов, составление рабочего проекта, подготовку исходных данных для построения сети, внутреннее ориентирование снимков, измерение плоских координат опорных, межмаршруных и связующих точек снимков, построение и уравнивание блочной сети фототриангуляции, оценку точности, контроль качества и анализ результатов цифровой фототриангуляции.

В четвертом разделе будут приведены результаты исследования точности построения блочной сети фототриангуляции и проведен анализ результатов.

1.Цифровая фототриангуляция

1.1 Сущность, классификация и назначение фототриангуляции

Сущность фототриангуляции заключается в построении модели местности по снимках, принадлежащим одному или нескольким маршрутам, и внешнем ориентировании этой модели. Фототриангуляция позволяет определять по снимкам плановое положение и высоты опорных точек, необходимых для создания фотопланов, ортофотопланов, карт, цифровой модели рельефа (ЦМР), цифровой модели местности (ЦММ). Также позволяет определять элементы внешнего ориентирования снимков. Основная цель пространственной фототриангуляции (ПФТ) - максимально сократить трудоемкие полевые геодезические работы, заменить их на камеральные.

ПФТ можно классифицировать[6]: 1) по количеству маршрутов: - одномаршрутная, которая строится по снимкам, принадлежащим одному маршруту;

- многомаршрутная, или блочная, которая строится по снимкам, принадлежащим двум и более маршрутам;

2) по технологии построения сети фототриангуляции: - аналоговая, основанная на использование универсальных приборов;

- аналитическая,основанная на применении высокоточных автоматизированных стереокомпараторов и ЭВМ;

- цифровая, при которой используются цифровые изображения;

3) в зависимости от использования физических измерений: - с использованием физических измерений;

- без использования физических измерений;

4) по назначению: - каркасная, развивающаяся перпендикулярно к направлению заполняющих маршрутов с целью обеспечения опорными точками, необходимыми для фототриангуляции по заполняющим маршрутам;

- заполняющая, обеспечивающая опорными точками каждую стереопару.

Различают 3 способа одномаршрутной ПФТ: 1) метод независимых моделей;

2) метод частично зависимых моделей;

3) метод связок.

Различают 3 способа многомаршрутной ПФТ: 1) способ связок;

2) способ независимых моделей;

3) способ независимых маршрутов.

1.2 Достоинства цифровой фототриангуляции

Цифровая фототриангуляция имеет следующие достоинства[6]: 1) высокая степень автоматизации;

2) высокая точность благодаря: - возможности учета геометрических искажений в координатах точек снимков;

- возможности обработки избыточных измерений;

- использованию мощных компьютеров;

- использованию строгих алгоритмов обработки снимков;

3) возможность обработки снимков различного формата с различными элементами внутреннего и внешнего ориентирования снимков, снимков, полученных различными съемочными системами;

4) широкие функциональные возможности;

5) решена проблема старения материала;

6) возможность улучшения изобразительного качества снимков;

7) высокая производительность труда и культура производства;

8) нет необходимости в сложном обслуживании.

1.3 Сущность основных методов цифровой и аналитической фототриангуляции

1.3.1 Маршрутная фототриангуляция методом независимых моделей

Основные этапы построения ПФТ методом независимых моделей[2]: 1) предварительная обработка результатов измерений координат точек снимков. Осуществляется переход от отсчетов, полученных при измерении снимков на приборе, к плоским координатам точек снимков x, y и учет всех систематических ошибок в координатах точек снимков (за дисторсию объектива АФА, деформацию фотоматериала, рефракцию световых лучей и др.);

2) взаимное ориентирование снимков.

На данном этапе определяются элементы взаимного ориентирования снимков в базисной системе ( ).

В качестве исходного уравнения используется условие компланарности соответствующих лучей в базисной системе: , (1.1) где - пространственные координаты точек левого и правого снимков. В уравнении (1.1) известными будут , неизвестными являются элементы взаимного ориентирования .

, (1.2)

где - плоские координаты точек снимков;

- направляющие косинусы, являющиеся функциями элементов взаимного ориентирования снимков;

- элементы внутреннего ориентирования снимков.

На основе (1.1) получим уравнение вида

(1.3)

Уравнение (1.3) не линейны по отношению к элементам взаимного ориентирования снимков. Их решают итерационным методом, предварирительно приведя их к линейному виду разложением в ряд Тейлора, ограничиваясь производными первого порядка малости;

3) определение фотограмметрических координат точек одиночных моделей. Выполняется по формулам прямой фотограмметрической засечки:

(1.4)

, (1.5) где - трансформированные координаты точек левого снимка, - трансформированный продольный параллакс.

. (1.6)

. (1.7)

4) подсоединение независимых моделей.

На данном этапе перевычисляются координаты точек в единую систему координат всей сети. Обычно в качестве системы координат маршрутной сети принимают фотограмметрическую систему координат первой модели маршрута. Для подсоединения моделей используются координаты связующих точек.

В качестве исходного принимается уравнение связи координат точек последующей модели с предыдущей: , (1.8) где - координаты точек в системе координат маршрутной модели (сети); - координаты этих же точек в системе координат последующей модели;

- матрица направляющих косинусов, вычисленных через углы ;

t -масштабный коэффициент;

- координаты начала системы координат последующей модели в системе координат маршрутной сети.

Этап подсоединения модели состоит из двух процессов. Сначала вычисляются , а известными будут .

Затем вычисляются координаты точек присоединяемой модели в системе координат маршрутной сети. Известными будут и координаты точек модели, полученные по формулам (1.4). По формулам (1.9) вычисляются координаты присоединяемой модели в системе координат маршрутной сети.

5) внешнее ориентирование сети.

На данном этапе перевычисляются координаты точек сети в заданную внешнюю систему координат. Необходимо минимум три опорных точки.

Для внешнего ориентирования сети используются координаты X, Y, Z опорных точек и уравнения вида: . (1.9) где координаты начала системы координат сети;

фотограмметрические координаты точек сети;

геодезические координаты точек местности.

В начале известны координаты опорных точек в геодезической системе и фотограмметрические координаты этих точек, полученные из уравнивания сети. В качестве неизвестных выступают 7 элементов ориентирования геодезической сети: .

Определив 7 этих неизвестных, будут определяться геодезические координаты всех точек сети ПФТ.

6) исключение деформации сети.

Деформацию сети ПФТ можно описать различными полиномами.

Например, обобщенного типа: , (1.10) где - это коэффициенты деформации, - геодезические координаты точек сети, полученные на этапе 5 из геодезически ориентированной сети.

Изза деформации сети после ее геодезического ориентирования на опорных точках будут получены расхождения координат : (1.11)

Исключение деформации сети состоит из 2 процессов: сначала будут известны , опорных точек, неизвестными будут коэффициенты , а исходными для определения коэффициентов будут уравнения (1.10).

После определения коэффициентов деформации вычисляется величина разности координат характеризующие деформацию сети для всех точек сети по формулам (1.10).

Затем вычисляются исправленные координаты точек сети: . (1.12)

1.3.2 Построение блочных сетей фототриангуляции методом связок

Наиболее строгим методом построения блочных сетей пространственной фототриангуляции аналитическим и цифровым способами по сравнению с методом независимых моделей является метод связок[2]. В основе метода связок лежат уравнения коллинеарности проектирующих лучей: , (1.13)

В уравнении будут известны f, x0, y0,x, y. Неизвестны элементы внешнего ориентирования снимков , также X, Y, Z - координаты точек сети ПФТ.

Уравнения (1.13) нелинейные и решаются итерационным методом.

На основе (1.13) имеем уравнение поправок вида: , (1.14)

Уравнения (1.14) решаются по методу наименьших квадратов. lx и ly - свободные члены, вычисляемые по формулам: , (1.15) где

- вычисляются по формулам (1.13) подстановкой в них приближенных значений неизвестных .

Достоинством метода связок является то, что сеть строится и уравнивается одновременно для всех точек, входящих в блок, а также поправки находятся непосредственно к измеренным величинам, что обеспечивает более высокую точность построения сети. Недостатками этого метода являются: сложность задания приближенных значений неизвестных (для решения этой проблемы можно предварительно уровнять сеть менее строгим методом, а ее результаты использовать в качестве приближенных значений), должны отсутствовать грубые ошибки, должны быть исключены систематические ошибки (или сведены к минимуму).

1.3.3 Построение блочной сети фототриангуляции объединением одиночных моделей

Этот метод основан на том[2], что сначала по каждой стереопаре, входящей в блок, строятся независимые одиночные модели, каждая из которых имеет свой масштаб и свою систему координат.

В процессе уравнивания моделей в блоке, все независимые модели приводятся к определенному масштабу и в единую пространственную систему координат на основе совместного внешнего ориентирования моделей.

Исходным является уравнение: , (1.16) где i - номер модели, - элементы внешнего ориентирования для каждой модели. Исходными данными для формирования блока из независимых моделей служат , и . Используются условия равенства 0: - разностей координат опорных точек, полученных из фототриангуляции и из полевых геодезических работ: - уклонений координат центров проектирования, полученных из ПФТ и зафиксированных в полете с помощью бортовых приборов;

- расхождений координат связующих и общемаршрутных точек, лежащих в зоне поперечного перекрытия снимков соседних маршрутов.

Эти уравнения будут составляться для опорных точек и центров фотографирования.

Для связующих точек, расположенных в зоне тройного продольного перекрытия снимков и общемаршрутных точек, расположенных в зоне поперечного перекрытия снимков будут составляться уравнения вида: (1.17)

Уравнения (1.16) и (1.17) решаются совместно. В результате решения определяются: , по которым далее по формулам (1.16) определяются координаты X, Y, Z в системе координат блочной сети.

Достоинством этого метода является то, что он проще в реализации, а недостатком - он менее строг с точки зрения уравнивания, чем метод связок.

1.3.4 Построение блочной сети фототриангуляции объединением независимых маршрутных моделей

Сущность данного метод заключается в том[2], что объединяются независимые маршрутные сети (построенные допустим методом независимых и частично зависимых моделей). Маршрутные сети предварительно внешне ориентированы в единой пространственной прямоугольной системе координат блока. В основе объединения маршрутных сетей в единый фототриангуляционный блок используется равенство нулю: 1) разности геодезических координат полученных из геодезии и ПФТ ?геод; 2) уклонений координат центров фотографирования, полученных из фототриангуляции и зафиксированных в полете с помощью бортовых приборов ?борт;

3) расхождений координат общемаршрутных точек ?фот.

Исходными данными для объединения маршрутных сетей в единый блок служат , и .

Уравнивание маршрутных сетей в блоке выполняется одновременно с исключением деформации сетей ПФТ.

, (1.18) где i - номер маршрутной модели, Ci - коэффициенты, характеризующие деформацию фототриангуляционной маршрутной сети.

, (1.19) где Ri - систематическая погрешность показаний бортовых навигационных приборов;

(1.20)

Уравнения (1.19) - (1.20) решаются совместно, из которых определяются неизвестные Ci и Ri.

На втором этапе для всех точек маршрутных сетей вычисляются велечины поправок

(1.21)

Вид функции (1.21) определяется типом выбранных для уравнивания полиномов .После вычисления можно найти исправленные координаты точек сети: (1.22)

Достоинством данного метода является то, что он проще в реализации, легче выявлять грубые ошибки в координатах общемаршрутных точек, а также результаты ПФТ по данному методу можно использовать в качестве приближенных значений неизвестных. Недостаток жесткие требования к расположению опорных точек и их числу, также уравниваются функции от измеренных величин, а не сами измеряемые величины.