По этим элементам, используя формулы

(22)

перевычисляют координаты всех точек данной модели. На этом заканчивается присоединение одной модели к другой.

Построение блочных сетей из независимых моделей производится по аналогичной схеме. Только исходными считаются все модели, имеющие общие точки с данной моделью.

Уравнения вида (19) составляют сразу по всем общим точкам. Элементы преобразования данной модели находят в зависимости от положения всех окружающих моделей. Уточнив положение данной модели, аналогично обрабатывают вторую и все последующие модели, входящие в блок. При этом ранее исправленные модели для последующих являются исходными.

Когда таким путём обработаны все модели, цикл повторяют. Приближения делают до тех пор, пока сеть не будет окончательно уравнена, т.е. когда поправки в очередной итерации по всем моделям станут меньше заданного допуска.

Затем по окончательно полученным элементам ориентирования моделей, используя формулы (22), вычисляют координаты всех точек каждой модели в единой системе. При этом для связующих точек получаются по два, три и более значений координат, хотя и мало отличающихся одно от другого. Точки, находящиеся «внутри» моделей, имеют единственные координаты. Эта разнородность уравнивания по площади блока в большинстве случаев практического значения не имеет.

Внешнее ориентирование сети выполняют с использованием полиномов, которые должны учитывать деформации по всем направлениям.

Чтобы построить сеть сразу в геодезической системе координат, надо к уравнениям (16), которые составляют по координатам связующих точек, добавить уравнения вида

, (23)

где Xг, Yг, Zг – геодезические координаты опорной точки, расположенной в пределах данной модели. Из (23) получаются уравнения поправок с теми же неизвестными, что и в уравнениях (19)

. (24)

Здесь

, (25)

где , . . . , - вычисляют по формулам (20).

Если опорная точка имеет только плановые координаты, то для неё составляют только первые два уравнения (24), для высотной точки – только одно (третье) уравнение [12].

2.3 Технология фототриангулирования на цифровой фотограмметрической станции Фотомод

При инвентаризации автодорог в ОАО НФ «ИркутскгипродорНИИ» было принято решение выполнят фотограмметрические работы на цифровой фотограмметрической станции Фотомод.

Программный модуль Фотомод АТ служит для выполнения комплекса работ по построению маршрутных и блочных сетей фототриангуляции. В программе предусмотрена обработка исходных данных в модуле Фотомод АТ, внутреннее ориентирование, ввод координат и измерение опорных точек, измерение связующих точек в областях продольного и поперечного перекрытия. После обработки всех необходимых исходных данных происходит уравнивание блока фототриангуляции в модуле Фотомод Solver. Конечной целью по построению и уравниванию сетей фототриангуляции является определение значений элементов внешнего ориентирования снимков, которые используются при следующей фотограмметрической обработке стереопар снимков в программных модулях Фотомод DTM и Фотомод StereoDraw.

Так как преддипломная практика выполнялась в программном модуле Фотомод АТ, то внимание будет отведено именно этому модулю.

Работа в модуле Фотомод АТ организована как последовательность выполнения 5 этапов.

При работе с обработанным проектом рекомендуется последовательно проходить все этапы. В этом случае текущие изменения приводят к обновлению файлов данных измерений и результатов.

Фотомод АТ включает следующие этапы обработки:

a) данные о проекте (этап 0) – показывает текущее состояние проекта. В нём отображаются такие данные о проекте как его имя, тип и описание. Также есть функции удаления измерений координатных меток, удаления каталога и измерений опорных точек, удаления измерений связующих точек, удаления измерений всех точек.

б) внутреннее ориентирование (этап 1). Внутреннее ориентирование выполняется с целью вычисления значений параметров, определяющих положение и ориентацию системы координат снимка относительно системы координат исходного цифрового изображения, описывающие систематическую деформацию снимка.

Значения параметров, определённых в результате выполнения внутреннего ориентирования, используются для преобразования результатов измерений из системы координат исходного цифрового изображения в систему координат снимка.

В окне «внутреннее ориентирование» есть функции выполнения ориентирования, удаление измерения координатных меток снимка, добавления камеры, информация о камере.

Затем выбирается функция «выполнить ориентирование». При выполнении внутреннего ориентирования в нижней части окна показывается таблица с координатами координатных меток (x, y) значком измерена «+» или нет «-» данная метка и остаточные расхождения координат меток Ex и Ey, которые появляются в результате выполнения внутреннего ориентирования только для камер с известными координатами координатных меток.

Для измерения координатных меток следует выбрать координатную метку в таблице меток. Затем выбрать точное позиционирование маркера на выбранную метку.

После измерения двух новых меток при выборе третьей и последующих меток в списке происходит автоматическое позиционирование маркера в окрестности текущей метки.

После измерения координат меток необходимо произвести внутреннее ориентирование при помощи кнопки «вычислить».

В случае удовлетворительного результата следует сохранить измерения и перейти к следующему изображению, а если результаты внутреннего ориентирования не укладываются в допуски, то координаты меток перемеряются по той же схеме что и при измерении координатных меток, но при более крупном увеличении.

в) измерение опорных точек (этап 2) – ввод, опознавание и измерение опорных точек на отдельных снимках маршрута. Работа с опорными точками в модуле Фотомод АТ происходит в два этапа – ввод координат опорных точек и положение опорных точек на изображениях.

Вначале выбирается кнопка «каталог опорных точек». Для каждой точки вводится имя опорной точки, её X, Y, Z координаты и значения весов по каждой координате. Поле «Тип» используется для выбора типа той или иной точки – Опорная (по умолчанию) или Контрольная. Контрольные точки не участвуют в уравнивании сети фототриангуляции, а используются для контроля точности. Система Фотомод работает с планово-высотными, высотными и плановыми точками.

Помимо ручного ввода значений координат предусмотрен их импорт из текстового файла.

По завершении ввода координат опорных точек необходимо измерить (опознать) их на изображении. На закладке «Измерение опорных точек»расположены два списка: «Изображение» с именами снимков и маршрутов и «Опорные точки» с именами опорных точек и именами снимков, на которых каждая из них была измерена. В столбце «+/-» списка «Опорные точки» показано была ли измерена точка на снимке или нет. Если точка измерена, в этом столбце отображается имя соответствующего снимка, если нет – символ «-».

Чтобы измерить опорную точку на снимке, необходимо выбрать нужный снимок из списка и нажать кнопку «Измерить точку». Опорные точки должны быть точно опознаны и измерены только на одном из снимков. На других снимках опорные точки будут измерены при выполнении этапов 3 и 4.

Для измерения опорной точки на снимке необходимо:

1) выбрать её имя в списке левой кнопкой мыши или стрелками клавиатуры,

2) указать маркером её точное местоположение на снимке,

3) зафиксировать измерение нажатием соответствующей кнопкой.

Для перемещения измеренной точки в положение маркера необходимо:

1) выбрать точку в списке,

2) поместить маркер в новое место,

3) нажать кнопку «переместить в положение маркера».

Для удаления измеренной точки на снимке необходимо:

1) выбрать точку в списке,

2) нажать кнопку «удалить точку».

После измерения двух новых точек при выборе третьей и следующих точек в списке происходит автоматическое позиционирование маркера в окрестности текущей точки.

г) межмаршрутные связи (этап 3) – измерение опорных точек и связующих точек на перекрывающихся снимках соседних маршрутов (в области поперечного перекрытия). Для построения сети пространственной фототриангуляции на стереопарах, помимо опорных точек, необходимо измерить связующие точки, служащие для построения моделей по стереопарам смежных снимков маршрута для объединения их в маршрутные и блочные сети.

Стереоскопическое измерение может выполняться тремя способами:

1) Ручным позиционированием точки на каждом из изображений;

2) Ручным позиционированием точки на одном из изображений, с переносом её на другое изображение с помощью коррелятора;

3) Ручным позиционированием точки в трёхмерном пространстве в стереорежиме.

Примечание – После ввода точки, связующей маршруты,результаты взаимного ориентирования для снимков, содержащих введённую точку, сбрасываются, поэтому ввод межмаршрутных связей должен предшествовать ориентированию стереопар внутри маршрутов.

В окне закладки 3 содержится два списка изображений: «Маршрут 1» и «Маршрут 2». Выбор маршрутов производится после нажатия соответствующей кнопки, расположенной над каждым из списков.

Для ввода связующих точек выбираются два снимка соседних маршрутов, выбрав сначала маршруты, которым они принадлежат, а затем - сами снимки и нажать соответствующую кнопку.

Ввод и перенос межмаршрутных связующих точек, опорных точек и точек сгущения практически полностью аналогичен описанному в следующем пункте. Для ввода и переноса межмаршрутных связующих точек в стереорежиме используется режим стереокомпаратора.

Примечание - В отличие от описанного в следующем пункте измерения точек на соседних снимках маршрута в данном случае не проводится взаимное ориентирование и не вычисляются поперечные параллаксы.

д) измерение точек сети (этап 4) – измерение опорных и связующих точек на перекрывающихся снимках одного маршрута (в области продольного перекрытия). В окне «Измерение точек сети» знак «+» или «-» показывает, производились или нет измерения точек на данной стереопаре.

На этапе 4 имеются такие функции: выполние ориентирования, показ схемы, на которой отображены перенесённые на сосоедние стереопары опорные и связующие точки, перевычисление взаимного ориентирования.

При измерении опорных и связующих точек с помощью коррелятора выбирают точку из списка или в растровом окне. При этом измерительная марка точно позиционируется на снимке, на котором она была ранее измерена. На другом снимке стереопары позиционирование выполняется приближённо для первой точки. Затем используют кнопку «Перенести с корреляцией». Для перемещения точки в положение маркера используется кнопка «Переместить в положение маркера».

В программном модуле Фотомод АТ существует контроль точности взаимного ориентирования снимков и сравниваются расхождения измерений точек на соседних стереопарах.

В окне «Объединение моделей» появляется список всех связующих точек, находящихся в зоне тройного перекрытия с расхождениями координат в масштабе снимка или в «реальном масштабе». В процессе контроля точности измерения связующих точек можно исключить точку из процесса объединения моделей нажатием соответствующей кнопки в столбце +/-.

После измерений точек сети в программном модуле Фотомод АТ выполняется уравнивание фототриангуляционной сети измерений в модуле Фотомод Solver.

При нажатии определённой комбинации кнопок производится уравнивание сети, и в итоге выдаётся «отчёт». «Отчёт» содержит расхождения координат после уравнивания и номера точек, на которых имеются ошибки. В программе предусмотрен выбор метода уравнивания фототриангуляционной сети: метод независимых маршрутов используется для выявления грубых ошибок, таких как неверно заданные координаты опорных точек, ошибки позиционирования опорных точек и связующих точек и др., метод независимых стереопар используется для повышения точностей, достигнутых первым методом уравнивания [10].

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РАБОТЫ

3.1 Цель и программа эксперимента

При проведении экспериментальных работ были поставлены цель выполнить анализ производственной фототриангуляции, выполненной на объекте федеральной автомобильной дороги М-52 «Чуйский тракт», а также выполнить анализ точности фототриангуляции при разном количестве и размещении планово-высотных опознаков.

Используемые аэрофотосъёмочные материалы характеризуются следующими параметрами:

- камера RC-30;

- фокусное расстояние 303,223 мм;

- высота фотографирования над средней плоскостью 2100 м;

- формат снимка 23*23 см;

- масштаб съёмки 1:7000;

- базис фотографирования 500 м;

- длина данного маршрута 25410 м.

Работы выполнялись с целью создания ортофотоплана и карты в масштабе 1:2000, высотой сечения рельефа 1 м. Цифровые снимки получены с помощью сканера фирмы Microtek марки Scan 9800 XL с разрешением 20 мкм.

При выполнении первой части эксперимента главное внимание уделялось анализу исходных материалов и ошибкам сопровождавших построение сети фототриангуляции, а также соответствия полученных результатов нормативными требованиями.

При выполнении второй части исследований было выполнено фототриангулирование при разных вариантах планово-высотного обоснования. При этом преследовалась цель – определить оптимальный вариант количества и расположение опознаков, а также способы определения их координат и высот.

3.2 Анализ результатов производственной фототриангуляции

Для анализа точности производственной фототриангуляции, выполнено в ОАО НФ «ИркутскгипродорНИИ»был взят маршрут из 11 стереопар. Характеристика аэрофотосъёмочных параметров приведена выше, а схема планово-высотного обоснования приведена в приложении В.

Перед фототриангулированием были подобраны аэрофотоснимки нужного маршрута, а также снимки соседних маршрутов, т.е. предыдущий маршрут и последующий для того, чтобы найти перекрывающиеся снимки, а по ним уже найти опознаки с соседних маршрутов. Номера перекрывающихся снимков подбирались по репродукциям фотосхем. Из анализа материалов следует, что в целом фотограмметрическое качество удовлетворительное, однако имеются случаи отклонения от нормы. При выполнении аэрофотосъёмки на некоторых маршрутах присутствовала «ёлочка» до 20º, соответственно продольное и поперечное перекрытия также имели отклонение от нормы. Кроме того, в отдельных случаях наблюдается разномасштабность. Эти отклонения были вызваны удовлетворительным качеством аэрофотосъёмки.

Кроме того, в маршруте была разномасштабность, но имелась возможность его обработки. Однако это сказывалось на точности измерений.

Все указанные отклонения затрудняли измерения и сказались на точности конечных результатов. Однако построение фототриагуляционной сети выполнить удалось.

После анализа материалов был составлен проект, который включает в себя:

- точки для взаимного ориентирования,

- связующие точки,

- опознаки.

- точки, необходимые для решения специальных задач.

Как правило, точки для взаимного ориентирования и связующие точки совмещались. При наличии отклонений, полученных при аэрофотосъёмке составление проекта немного затруднялось. Некоторые снимки были развёрнуты, маршрут непрымолинеен, в результате этого проектирование расположения связующих точек замедляло работу.

Процесс измерения по цифровым снимкам выполнялся следующим образом. Вначале в ЭВМ вводится цифровое изображение.

Затем выполняется внутреннее ориентирование. Так как аэроснимки были отсканированы с удовлетворительным качеством, снимки приходилось «осветлять» и выполнялась гамма-корекция. Внутренне ориентирование выполнялось по восьми координатным меткам. Наведение на координатные метки производились при увеличении 5*.

Рисунок 3 – Схема расположения координатных меток на снимке

Их координаты поочерёдно фиксировались. Затем, ЭВМ вычисляла деформацию снимка, при помощи аффинного преобразования, снимка

. (26)

Полученные значения сравнивали с допустимыми значениями: расстояние между координатными метками - Exmax (Eymax)<0.008 мм, деформация снимка - Sx–Sy<0.05 мкм, Sx/Sy<0.0003. Полученные значения в основном оказывались в допуске. Для больших расхождений выполняли корректировку деформации снимка. Это выполнялось следующим образом: при ещё большем увеличении марку наводят как можно точнее в центр перекрестия и снова перевычисляется деформация снимка. Программа устроена таким образом, что в ней может учитываться дисторсия, а может и не учитываться. В данном случае радиальная дисторсия учтена. После коррекции все результаты уложились в допуске.

После завершения измерений координатных меток перешли к непосредственному построению сети. Для этого было выполнено составление каталога координат опорных точек. Из полевых работ были известны координаты опорных точек. Они были приведены в электронном виде в программе MicrosoftWord, а затем, для работы в программном комплексе Фотомод при построении сети фототриангуляции переведены в другой формат. Этот процесс называется составление каталога координат опорных точек местности. В него входят координаты планово-высотных опознаков данного маршрута и опознаков с соседних перекрывающихся маршрутов. В каталоге координат находятся: номер опознака, выбор роли опорной или контрольной точки и координаты X, Y, Z.

Затем выполняется нанесение опорных точек на цифровое изображение. Пользуясь аэрофотоснимками и ориентируясь по ним, на цифровом изображении оператором отыскивается одноимённый контур и на том же месте, где на аэроснимке имеется накол и подписан номер опознака. При увеличении 4:1 оператор наводит марку. Автоматически ставится знак , в этом же окне в таблице напротив номера опознака фиксируется номер снимка, на котором намечен данный опознак. Этот процесс выполняется в монорежиме и не подвергался какому-либо контролю.

Следующий этап - измерение координат точек сети фототриангуляции. Сначала, для удобства работы, на всём маршруте опознаки переносили на все соседние стереопары в монорежиме. Затем приступают, с первой стереопары, к нанесению и измерению связующих точек (они отмечались на изображении кружком ). Общее количество всех точек составляло 35: по три в каждой стандартной зоне, большое количество точек размещалось вдоль трассы автодороги, остальные точки равномерно размещалось по всей стереопаре. Связующие точки намечались на более или менее открытой местности и на характерных участках рельефа, но исключались наметки точек на высотных объектах местности.

Для большей точности, точки переносились на соседние стереопары в стереорежиме, одновременно «садим» марку по высоте на поверхность земли и устранялся поперечный параллакс. Если возникали затруднения при переносе с одной стереопары на соседнюю, то в таких случаях пользовались коррелятором. При этом измерительная марка точно позиционируется на снимке, на котором она была ранее измерена. На другом снимке стереопары позиционирование выполняется приближённо в районе измеряемой соответственной точки.

После определения элементов взаимного ориентирования были построены модели в фотограмметрической системе координат. Далее выполнялось уравнивание свободной модели, как по высоте, так и в плане (DX (DY)сред<0.01 мм, DZсред<0.04 мм, DX (DY)max<0.02 мм, DZmax<0.08мм).

После вычисления фотограмметрических координат моделей уравнивают свободные модели между собой по фотограмметрическим координатам, где устанавливались свои допустимые значения. Модели уравнивались следующим образом: в стереорежиме марку наводят на точку, на которой имеется самая большая ошибка, корректировали её по высоте (если точка уравнена по высоте, то она автоматически уравнивалась и в плане). Каждый раз, исправляя “точку”, обязательно перевычислялись фотограмметрические координаты моделей. Большая ошибка на точке также могла возникать из-за её неверного распознавания.

После построения и предварительного уравнивания моделей все модели уравнивались между собой в свободной маршрутной сети.

Выполнив построение сети фототриангуляции, можно также контролирют все ли точки перенесены на соседение стереопары.

На заключительном этапе выполняется уравнивание сети фототриангуляции. Этот процесс выполнялся в модуле Photomod Solver.

Для начала вся сеть уравнивалась по свободной модели. Затем выдавалсяся “отчёт”, в котором содержатся номера опорных, контрольных и связующих точек, номера стереопар, ошибки на точках, на которых они имеются. Проанализировав, на какой модели лучше подправить точку, переходили обратно на этап измерения точек сети. Там наблюдая в стереорежиме положение марки нужной точки, делали окончательный вывод на какой стереопаре поправить положение марки, а следовательно и точки. Подкорретировав точку на одной стереопаре, пересчитывались фотограмметрические координаты и снова уравнивались обе модели между собой. Убедившись, что заново полученые фотограмметрические координаты в допуске, опять переходили на этап уравнивания сети и сеть уравнивались по свободной модели. Таким образом, сеть по свободной модели уравнивалась до тех пор, пока результаты данного уравнивания не были в пределах допустимых значений: ошибка в плане не должна превышать 0,20 м, а ошибка по высоте не должна превышать 0,4 м. При этом уравнивании выявлялись грубые ошибки.

Затем сеть уравнивалась по методу независимых стереопар. В “отчёте” просматривались и анализировались ошибки на опорных, на контрольных и на связующих точках. Координаты точек уравнивались в данном способе уравнивания по независимым стереопарам и полученные значения сравнивались с допустимыми (DX (DY)max<1.0 м, DZmax<1.2 м). Когда полученные ошибки укладывались в пределы допустимых значений, то фототриангуляционная сеть считалась уравненной.

Рассматривая программный комплекс Фотомод с точки зрения пользовантеля можно отметить достоинства и недостатки программы. В программе Фотомод есть функция, позволяющая разделять точки на опорные и контрольные. Также после измерения точек сети по схеме можно проконтолировать все ли точки перенесены на соседние стереопары. Недостатком программы при измерении точек сети является то, что переносе опорной или связующей точки на соседний снимок, с использованием “коррелятора”, при фиксации точка смещается с истинного положения.

Для оценки точности анализировались ошибки на опорных точках после геодезического ориентирования и исключения деформации, значения которых приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Результатов геодезического ориентирования

Продолжение таблицы 4

Так как на производстве крнтрольных точек не было, то окончательную оценку точности выполняли по связующим точкам.

Таблица 5 – Результатов геодезического ориентирования

Продолжение таблицы 5

Продолжение таблицы 5

Из ананлиза ошибок таблицы 4 следует, что систематические ошибки в основном исключены что следует из характера ошибок. Средние ошибки абсолютных величин близки к нулю. Средние ошибки по модулю лежат в пределах точности измерений. Это говорит о том, что полиномы, используемые в Фотомоде достаточно точно учитывают систематические ошибки.

3.3 Анализ результатов разных вариантов планово-высотного обоснования

Для исследования влияния планово-высотное обоснование на точность фототриангулированиябыли исследованы несколько вариантов. Варианты отличались количеством и расположением опознаков. Ниже приведены характеристики результатов по всем вариантам.

Первый вариант. Опознаки расположены попарно по краям маршрута (4 опознака). Количество контрольных точек – 17. Схема расположения опознаков приведена в приложении Б. Результаты полученные в Фотомоде приведены в приложении В.

Таблица 6 – Результаты геодезического ориентирования

Так как избыточных точек почти нет, то заключение о точности не рационально.

В таблице 7 приведены ошибки на контрольных точках, которые характеризуют точность пространственной фототриангуляции в масщтабе снимка.

Таблица 7 – Ошибки на контрольных точках

Продолжение таблицы 7

Из таблицы видно, что систематические ошибки полиномами не учтены, так как не достаточно опрных точек (средние ошибки по модулюзначительно отличаются от нуля).средняя ошибка в два раза больше, чем в рабочем варианте. Следовательно этот вариант нельзя рекомендовать.

Во втором варианте взято 5 опорных точек, они размещены попарно по краям маршрута и один в центре маршрута. Количество контрольных точек – 16. Результаты приведены в таблице 8. Схема расположения опознаков приведена в приложении Б. Результаты полученные в Фотомоде приведены в приложении Г.

Таблица 8 – Результаты геодезического ориентирования

Продолжение таблицы 8

Из таблицы видно, что систематические ошибки стали меньше.

Таблица 9 – Ошибки на контрольных точках

Точность геодезического ориентирования и исключение деформации в пределах нормы. Систематические ошибки уменьшились, но точность построения сети фототриангуляции повысилась не значительно.

Третий вариант. Опорные точки размещены попарно по краям и в центре маршрута (6). Количество контрольных точек – 15. Результаты геодезического ориентирования приведены в таблице 10. Схема расположения опознаков приведена в приложении Б. Результаты полученные в Фотомоде приведены в приложении Д.

Таблица 10 – Результаты геодезического ориентирования

Точность геодезического ориентирования и учёт систематических ошибок улучшились не значительно.

В таблице 11 приведены результаты по контрольным точкам, характеризующие точность построения сети.

Таблица 11 – Ошибки на контрольных точках

Из таблицы видно, что точность построения сети фототриангуляции повысилась и лежит в пределах нормы.

Четвёртый вариант. Опорные точки расмещены только вдоль автодороги (13). Количество контрольных точек – 8. В таблице 12 приведены результаты геодезического ориентирования. Схема расположения опознаков приведена в приложении Б. Результаты полученные в Фотомоде приведены в приложении Е.

Таблица 12 – Результаты геодезического ориентирования

В таблице 13 приведены результаты ошибок по контрольным точкам.

Таблица 13 – Ошибки на контрольных точках

Продолжение таблицы 13

Из таблиц 12 и 13 видно, что систематические ошибки значительно повысились. Результаты геодезического ориентирования лежат в пределах нормы.

Пятый вариант. Опорные точки размещены вдоль автодороги и попарно по краям маршрута (17). Количество контрольных точек – 4. В