При проведении аэросъемочных работ 1999—2000 гг. в Чувашской Республике и Краснодарском крае в состав съемочной аппаратуры входили камера АФА 41/10 и цифровой фотоаппарат (съемка проводилась сотрудниками лаборатории фотогеологии геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, разработка способа – совместно с лабораторией аэрокосмических методов географического факультета). В 1999 г. это был Kodak DC 260, в 2000 г. — Nikon COOLPIX 950. Совместное применение цифровой и традиционной черно-белой аэросъемок позволяет максимально использовать преимущества тех и других. Для традиционной съемки — это высокая степень разрешения и измерительных возможностей снимков, для цифровых камер — цветное изображение, возможность контроля качества снимков непосредственно в полете, автоматическая коррекция съемочных параметров камеры в зависимости от изменения ситуации, отсутствие фотохимобработки (материал может быть использован сразу после съемки), возможность тиражирования материала без потери качества, широкие возможности цифровой обработки изображений (удаление шумов, преобразования, сшивка и т. д.).

Предпочтение камере Nikon обусловлено прежде всего возможностью съемки с коротким интервалом. Кроме того, стоимость камеры относительно невысока при достаточном для качественного дешифрирования разрешении. Размер кадра камеры 1600 х 1200 элементов. Ее конструкция дает возможность использовать широкоугольную насадку для увеличения ширины захвата. Поэтому камера может работать в двух основных режимах: “узком” захвате — штатный объектив (53 х 48°) и “широком” — с широкоугольной насадкой (74 х 68°).

При одновременной съемке с АФА 41/10 (84 х 84°) захват штатного объектива Nikon составляет лишь 2/3 площади кадра АФА. Поэтому при аэросъемочных работах в Краснодарском крае в 2000 г. применялась широкоугольная насадка. Съемка выполнялась с высоты H = 2500 м, что применительно к АФА 41/10 обусловило масштаб 1:25000. Цифровая камера ориентировалась длинной стороной кадра поперек аэросъемочного маршрута с интервалом экспозиций, обеспечивающим продольное перекрытие 60 %.

Цифровой съемкой были продублированы все маршруты основой черно-белой аэрофотосъемки. Возможность непрерывной съемки была обеспечена загрузкой цифровых изображений по мере их получения в ПК Notebook.

Для измерительных целей можно использовать специальные цифровые камеры, однако стоимость их высока. Нами же использовалась цифровая камера массового производства, достаточно доступная по цене. Камеры такого типа, не будучи предназначены для получения измеряемых изображений, могут иметь значительную дисторсию. Кроме того, неизвестны их элементы внутреннего ориентирования (ЭВО). Поскольку для фотограмметрической обработки полученных изображений требуются в большинстве случаев эти данные, необходима калибровка камеры (полная или частичная). В первом случае определяются элементы внутреннего ориентирования и параметры дисторсии, во втором — только дисторсия.

Полученные нами материалы двух параллельных съемок, аэрофото- и цифровой, использованы для анализа цифровых изображений и калибровки, а также для создания технологии их фотограмметрической обработки. Естественно, что речь идет не только о камере Nikon, но и о любой цифровой камере аналогичного класса.

где - элементы внутреннего ориентирования; - геодезические координаты точки; - координаты центра проекции снимка; - угловые элементы внешнего ориентирования снимка; - координаты точки на снимке.

Из решения системы линеаризованных уравнений (1) находят поправки к приближенно принятым значениям неизвестных. Поправки к т. е. поскольку они имеют свои значения для каждой точки, определяют для зон, общих на нескольких перекрывающихся снимках. В другом варианте вместо них определяются неизвестные коэффициенты полиномов аппроксимации. Тогда число неизвестных возрастает на число членов полиномов. Таким образом, данный путь связан либо с измерением нескольких снимков, либо с решением системы большого порядка.

В этом случае поправок среди 9 неизвестных нет, а для решения системы достаточно одного снимка. Уравнения (2) в развернутом виде записываются как формулы макетных снимков

где a_k, b_k, c_k — направляющие косинусы — функции угловых элементов внешнего ориентирования.

На основании дифференцирования формул (3) можно записать линейные уравнения

где — поправка в приближенно принятое фокусное расстояние; — поправки в приближенно принятые координаты центра проекции; — координаты точки, соответственно измеренные по изображению и вычисленные по (3).

Ход решения задачи следующий. Для приближенно принятых значений неизвестных по (3) вычисляют плоские координаты для тех точек на изображении, фотограмметрические пространственные координаты которых определены. Путем решения системы уравнений (4) рядом итераций неизвестные уточняются и по (3) вычисляются окончательные значения точек. Таким образом, строится макетный (эквивалентный) снимок, ориентированный максимально приближенно к исходному, реальному. Этот снимок можно считать свободным от влияния искажения, и элементы дисторсии определяются путем сравнения с ним реального из разностей

В ряде случаев (например, при совмещении одиночного изображения с цифровой моделью местности или двух разновременных снимков) для фотограмметрической обработки нужны только данные дисторсии; ЭВО не требуются или достаточно знать приближенные их значения. При заметной дисторсии предварительный ее учет повышает точность такого совмещения. Когда элементы внутреннего ориентирования необходимы, они могут быть взяты из иных источников. Одним из них является полевой способ Урмаева для фототеодолитов [6]. Он может быть использован и для других камер, но при условии получения двух наземных снимков: один в рабочем положении, другой повернутым на 90°. Есть способ, который основан на сравнении наземного цифрового снимка контурного тест-объекта со снимком-эталоном (фототеодолитным), выполненным с той же точки [1]. Способ дает полную калибровку при условии, что захват исследуемого снимка не превышает захвата эталонного.

Для снимков, полученных в “узком” варианте, калибровка проведена методом эталонного снимка. Но захват снимков “широкого” варианта превышал захват эталонного, поэтому для из калибровки применяли изложенный выше способ “аэрополигона” с использованием материалов аэрофотосъемки.

Калибровка по аэрофотоснимкам, в целях контроля стабильности результата, проведена для трех цифровых изображений. Фотограмметрические модели для них созданы аналитическим методом по аэрофотоснимкам, измеренным на высокоточном стереокомпараторе. Одиночные цифровые изображения для калибровки измерены на цифровой фотограмметрической системе Фотомод. Результаты по всем трем снимкам получены похожие, и один из них принят как общий при дальнейшей обработке стереопар. На рис.1 и 2 показаны векторные диаграммы полей дисторсии камеры Nikon COOLPIX 950 в “узком” и “широком” вариантах.

Рис. 1. Векторная диаграмма поля дисторсии. Камера Nikon COOLPIX 950. “Узкий” вариант. Калибровка способом эталонного снимка.

Рис. 2. Векторная диаграмма поля дисторсии. Камера Nikon COOLPIX 950. “Широкий” вариант. Калибровка способом “аэрополигона”.

В первом случае калибровка проведена способом эталонного снимка, во втором – по аэрофотоснимкам. Из диаграмм следует, что дисторсия, имея в основном радиальный характер, для этих вариантов достигает в углах кадра соответственно 15 и 30 пикселей. Это большие искажения, которые на порядок больше, чем у некоторых других цифровых камер того же класса. Для примера в таблице приведены данные ЭВО и дисторсии некоторых камер, полученные на основании их калибровки (все величины даны в пикселах).

Фотограмметрическая обработка снимков в “широком” варианте проведена с использованием системы Фотомод. Для учета дисторсии можно было бы воспользоваться специальным блоком этой системы, который исправляет изображение по заданным величинам радиальной симметричной дисторсии. Но при больших значениях дисторсии даже незначительная ее несимметричность может привести к заметным остаточным искажениям, поэтому была использована специальная программа ENVI (Research Systems inc, USA), преобразующая изображения на основании полиномов. Устраняемые искажения при этом могут иметь не только радиальный характер. Надо сказать, что для этой цели кроме ENVI могут быть использованы и другие системы, например ILVIS или ERDAS Imagine. Имеется отечественная система Color Processor (фирма ЛИР) по цене, более доступной для нашего пользователя.

По данным калибровки была составлена таблица, в каждой строке которой записаны измеренные координаты х, у для точки изображения и трансформированные координаты на макетном (идеальном) снимке. Всего в таблицу включено 60 точек, равномерно расположенных по полю изображения. Поскольку цифровая матрица является общей для всех изображений, полученных данной камерой, то таблица, введенная как исходная в систему ENVI, служила общей

где — средние квадратические ошибки координат точек модели в правой, базисной системе координат; — средние квадратические ошибки измерений по снимкам; Н — средняя высота фотографирования; р — средний продольный параллакс; С_X, С_Y, С_Z — коэффициенты влияния числа точек стереопары, использованных для определения элементов взаимного ориентирования.

В данном случае: Н = 2500 м, f = 1196 пиксел, р =480 пиксел (исходя из размера кадра 1200 пиксел и 60 % продольного перекрытия). Коэффициенты С, согласно [2], с учетом числа точек, превышающих 30, имеют значения: С_X = 0,22, С_Y = 0,68, С_Z = 0,04.

Если принять 1 пиксел, то согласно (7), m_X =3,11 м, m_Y =3,42 м, m_Z =5,31 м.

Таким образом, полученная точность модели соответствует средним квадратическим ошибкам измерений, равным примерно 1 пикселю. Это реальная оценка, если учесть остаточные искажения изображений, погрешности отождествления и наведения на точки. Следует иметь в виду, что данная точность модели получена по изображениям с весьма большой дисторсией. Это подтверждает эффективность использованного способа ее учета. Однако широкоугольная насадка в камере Nikon может стать источником нестабильности геометрии изображения, поэтому для стереоизображений предпочтительнее использовать “узкий” вариант камеры.

В целом, на данном материале получена точность построения модели, которую в плане и по высоте можно оценить относительно как 1:800 и 1:500 соответственно. Естественно, оценка эта не является окончательной и будет уточняться с привлечением нового материала.

1. Гельман Р. Н. Точность измерений по снимкам, полученным неметрической камерой // Геодезия и картография. — 1982. — № 7. — С. 29—32.

2. Гельман Г- Н. Еще об оценке точности одиночной фотограмметрической модели // Геодезия и картография. — 2000. — № 12. — С. 19—23.

3. Дубинмский В. Б. Калибровка снимков- — М.: Недра, 1982.—223 с.

4. Лаврова Н. П., Стеценко А. Ф. Аэрофотосъемка, аэрофотосьемочное оборудование. — М.: Недра, 1981.—295 с.

5. Малявский Б. К., Жириновский А. А. Аналитическая обработка фотограмметрической информации в целях инженерных изысканий. — М.: Недра, 1984. – 220с.

6. Урмаев Н. А. Элементы фотограмметрии. —М.: Геодезиздат, 1941. — 218 с.