ДонНТУ   Портал магистров

Реферат

Содержание

Введение

Тема: Метод повышения точности наземной цифровой архитектурной стереофотограмметрической съемки

Актуальность: Цифровые видоизмерительные устройства на базе использования ПЗС-матриц в сочетании с компьютерной техникой позволяют кардинально изменить ряд технологий геодезических, инженерно-геодезических и фотограмметрических работ. Этому способствует широкое распространение любительских цифровых неметрических камер с достаточно большой информационной емкостью при относительно невысокой стоимости.

Фотограмметрические методы всегда были более продуктивными и рентабельными по сравнению с традиционными способами. С развитием цифровых технологий разница в методах стала еще ощутимее. Упрощается не только сам процесс съемки, но и постобработка, которую проводят на цифровых фотограмметрических станциях. Необходимость архитектурной съемки может возникать при облицовке фасада здания, его ремонте, реставрации, исследовании архитектурных элементов, документации состояния на данный момент времени. Съемка чисто геодезическими методами весьма трудоемка и связана с трудностями непосредственного доступа к объекту. Современные цифровые технологии позволяют произвести съемку фасада и обработку снимков в кратчайшие сроки и намного безопаснее для исполнителей.

Актуальным является вопрос повышения точности съемки.

Для решения научных задач магистерской работы используются исследования ученых: В.М. Глотова, Р.Н. Гельмана, Е.И. Калантарова, о развитии наземной стереофотосъемки цифровыми камерами; А.Н. Лобанова, С.Г. Могильного, о построении и уравнивании пространственной фототриангуляции; Р.Н. Гельмана, о стереофотосъемке фасада здания; А.Г. Чибуничева, о проектировании оптимальной архитектурной фотограмметрической съемки.

Связь работы с научными программами: Магистерская работа соответствует научному направлению кафедры.

Цель и задачи исследования: Целью магистерской работы является исследование точности наземной цифровой архитектурной стереофотограмметрической съемки с использованием координат точек фотографирования.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

– разработка программы для проектирования различных видов сетей фототриангуляции;

– исследование точности запроектированных сетей фототриангуляции с координатами центров фотографирования и без них.

Объект исследования: Точность наземной цифровой архитектурной стереофотограмметрической съемки.

Предмет исследования: Сеть фототриангуляции, запроектированной в разрабатываемой программе.

Методы исследований: В работе использованы методы математического моделирования, программирования, аналитической геометрии, теории вероятности и математической статистики.

1. Наземная стереофотограмметрическая съемка

1.1 Наземная цифровая архитектурная стереофотосъемка

Архитектура – это историческая часть нашего культурного наследия. Архитектурные сооружения каждый день поддаются атмосферному влиянию: ветру, дождю, снегу, перепадам температур. Поэтому важно постоянно следить за их состоянием и повреждениями. Основным способом сохранения архитектурных памятников являются реставрационные работы. Но для выполнения этих работ необходимо иметь фронтальные и интерьерные планы сооружений, причем эти планы должны быть созданы на момент реставрации. Не всегда геодезическими методами это можно сделать быстро, а иногда и вообще невозможно.

Главное преимущество фотограмметрических методов заключается в том, что в данный момент времени можно получить пространственные координаты точек исследуемого объекта, то есть представление о его форме и величине. Особую ценность эти методы приобретают в тех случаях, когда требуется измерять большое количество точек, а сам объект находится в состоянии движения, изменения или труднодоступен. Поэтому для создания планов архитектурных сооружений одним из лучших методов будет именно наземная цифровая фотограмметрическая съемка. Многие ученые также разрабатывают методы повышения точности путем совмещения результатов наземной стереофотосъемки и лазерного сканирования.

Современное развитие компьютерных технологий, а также теоретические исследования в области обработки изображений сделали возможным применение цифровых методов. Сформировалась цифровая фотограмметрия, где фотограмметрические процессы полностью автоматизированы за счет использования цифровых изображений, получаемых путем сканирования фотоснимков или непосредственно с помощью цифровых метрических и неметрических камер.

Форму, размеры и положение объекта можно определить, если сфотографировать его с двух точек. По снимкам можно получить модель объекта. Для этого достаточно придать снимку то положение, которое они занимали относительно друг друга во время съемки.

Метод измерения снимков, основанный на использовании пары снимков, называется стереофотограмметрическим.

Элементами ориентирования снимка называются величины, определяющие положение его в момент фотографирования. Эти элементы разделяются на две группы: элементы внутреннего ориентирования и элементы внешнего ориентирования.

Элементы внутреннего ориентирования определяют положение центра проекции относительно снимка. К ним относятся фокусное расстояние фотокамеры f и координаты главной точки снимка x0, y0. Элементы внешнего ориентирования определяют положение связки лучей в момент фотографирования. К ним относятся продольный угол наклона камеры – альфа, поперечный угол наклона – омега, и угол поворота камеры вокруг своей оси – каппа, координаты точки фотографирования Х, У, Z в геодезической системе координат.

Таким образом, пара снимков имеет 15 элементов ориентирования: 3 элемента внутреннего ориентирования (общие, т.к. используется одна и та же камера), 12 элементов внешнего ориентирования (6 координат и 6 углов).

В зависимости от значений элементов ориентирования снимков различают несколько способов съемки архитектурных сооружений: нормальный, равноотклоненный и конвергентный.

В конвергентном случае съемки – проекции направлений оптической оси камеры на горизонтальную плоскость пересекаются. В равноотклоненном случае – направления оптической оси параллельны. В нормальном случае – направления оптической оси камеры перпендикулярны к базису.

При нормальном случае съемки обеспечиваются наилучшие условия для стереоизмерений, однако величина полезной площади снимка (т.е. площади, на которой можно выполнять стереоизмерения) составляет от половины до четверти всей площади снимка. При применении камеры даже с большим размером матрицы точность определений по таким снимкам может оказаться недостаточной.

Точность можно повысить, применив наклонно-конвергентный способ съемки, так как в этом случае объект отражается практически на всей площади снимка. Повышение точности происходит за счет увеличения базиса фотографирования. Но из-за больших углов конвергенции и наклона, стереоизмерения по наклонно-конвергентным снимкам выполнять практически невозможно, поэтому снимки необходимо привести к нормальному случаю съемки, подвергнув трансформированию.

Фотограмметрическая обработка снимков инженерных и архитектурных объектов не имеет принципиальных отличий от обработки аэрофотоснимков, проводится на цифровых фотограмметрических станциях.

1.2 Анализ литературы

Идея использования снимков для измерительных целей, в том числе и в архитектуре, возникла после изобретения фотографии в 1838 году Лосседом. В 1850 году им же впервые был обоснован принцип наземной фотограмметрической съемки. Его способ фиксирования изображения на фотографической пластинке по точности превзошел все методы, применявшиеся в те времена. Первые фотограмметрические съемки архитектурных памятников выполнены А. Мейденбауром в 1858 году. В 1861 году А. Роллет разработал основные принципы стереофотограмметрии, которые положили начало применению стереоскопии в фотографии. Дальнейшее развитие стереофотограмметрия получает после разработки первого стереокомпаратора, фототеодолита, автоматического стереокартографического прибора – стереоавтографа.

По проблемам применения фотограмметрии в архитектуре, изобразительном искусстве, а также для целей охраны исторических памятников регулярно проводятся международные симпозиумы под эгидой Международного комитета по архитектурной фотограмметрии – CIPA, который был создан в 1970 году в соответствии с решением ООН.

Основополагающие принципы наземной съемки были изучены по трудам А.Н. Лобанова и С.Г. Могильного. [10, 11]

Необходимость использования координат точки фотографирования в целях повышения точности аэрофотосъемки доказывается авторами [1, 8, 15].

В работе [8] выполнялись экспериментальные исследования различных вариантов уравнивания фотограмметрических сетей по реальным производственным материалам и оценка их точностных возможностей по созданию планово-картографической основы земельно-кадастровых, топографических и иных карт и планов. Было выполнено уравнивание с использованием различных исходных данных. Основной вывод: уравнивание с использованием координат центров фотографирования дает более точные результаты (как в плане, так и по высоте), чем уравнивание только по опорным точкам. Контроль результатов уравнивания можно осуществлять по некоторым координатам центров фотографирования, не включаемым в уравнивание. Для определения числа таких координат и их местоположения в блоке требуются дополнительные экспериментальные исследования.

В [1] доказывается, что при любой схеме размещения опорных точек использование координат центров проектирования улучшило результаты сгущения по сравнению с уравниванием по одному виду опорных данных (опознакам или центрам). Чем меньше количество опознаков в блоке, тем заметнее различие ошибок при уравнивании с центрами проектирования и без них. Выводы сделаны по макетным снимкам, но принципиальная возможность сокращения геодезического обоснования в три раза не вызывает сомнения. Необходимо только обеспечить надлежащую точность данных.

В источнике [15] также указывается, что использование координат центров фотографирования будет повышать точность фототриангуляции и резко понижать средства на ее производство. В работе приводятся доказательства этих фактов.

Таким образом, то, что использование координат центров фотографирования в аэрофотосъемке значительно повышает точность уравнивания, при этом сокращая количество необходимых опорных точек, уже доказано. У меня же стоит цель доказать необходимость использования координат центров фотографирования для наземной архитектурной съемки.

Для моего исследования необходима программа, с помощью которой возможно моделировать сеть, т.е. создавать проект съемки.

В статье [9] метод проектирования, который будет использоваться мной, называется методом «проб и ошибок». Основным недостатком такого подхода к решению проблемы проектирования является необходимость многократных вычислений и высокие требования к исполнителю. Автор предлагает автоматизировать определение оптимальной сети. Однако не предусматривается использование координат центров фотографирования.

Так как нам нужно исследовать влияние этих координат на точность, то будет разработана программа с предварительным проектированием схемы сети. Но при этом измерения будут содержать случайные ошибки, которые подчиняются нормальному закону распределения.

1.3 Создание программного продукта «Интерактивное создание проекта съемки»

Если бы у нас были камеры с углом поля зрения настолько большим, чтобы с одного базиса можно было заснять все сооружение, то вопрос создания проекта съемки не возникал бы. Однако мы рассматриваем цифровую камеру Olympus E20p, у которой угол поля зрения равен 14 градусов. Т.е. возникает задача определения количества базисов и количества маршрутов, необходимых для съемки здания.

Для создания проекта съемки необходимо иметь исходные данные. Исходными данными являются: элементы внутреннего ориентирования, элементы внешнего ориентирования, размеры здания, размеры кадра цифровой камеры.

Также в программе возможно загружать изображение объекта, для наглядности создания проекта.

Результатом создания проекта будет файл *.del. В котором указаны: геодезические координаты опорных точек; координаты точек фотографирования; измерения, проводимые на стереопарах. Измерения будут содержать случайные ошибки, подчиненные нормальному закону распределения. Используя программу DonetskFoto, разработанную Могильным С.Г., мы будем уравнивать различные варианты сетей с различными параметрами (с координатами центров фотографирования и без), для того, чтобы доказать повышение точности съемки при использовании координат точек фотографирования.

Программа разрабатывается в среде программирования Delphi.

На рисунке 1 представлен принцип работы программы. Программа состоит из главной формы, где проводится проектирование и дополнительной формы, где вводится ско измерения, для генерирования случайных ошибок. Первый этап – это загрузка изображения объекта и ввод параметров камеры и здания. Далее мы начинаем новый маршрут, вводим элементы внешнего ориентирования и получаем стереопару. Когда стереопара удовлетворяет всем требованиям, мы нажимаем кнопку Фиксировать, и данные стереопары запоминаются программой. Теперь можно задать опорные точки, щелкая в области здания кнопкой мыши. После проектирования маршрута мы можем закончить маршрут и начать новый, или сохранить файл *.del. Этот файл можно сохранить с случайными ошибками измерений и без них. После сохранения файл можно открывать в программе BlockMSG и уравнивать запроектированную сеть фототриангуляции. В любой момент проект можно сохранить и потом открыть для продолжения проектирования.

Пример создания проекта съемки

Рисунок 1 – Создание проекта съемки

Выводы

В настоящий момент программный продукт «Интерактивное создание проекта съемки» тестируется, исключаются возможные ошибки, добавляются функции, необходимые для удобства пользователя.

Математический аппарат изучен и реализован полностью, так что в ближайшее время я перейду к следующей научной задаче – исследование точности запроектированных сетей.

Так же планируется изучать иностранную литературу, для более полного освоения темы.

Список источников

  1. Антипов И.Т. Пространственная фототриангуляция с использованием координат центров проектирования // Геодезия и картография. – 2004. – №8. – С. 21-30
  2. Вайнаускас В.В., Мардосене Д.М., Путримас Р.С. Применение аналитической фотограмметрии для решения инженерных задач. // Геодезия и картография. – 1984. – №10. – С. 26-31
  3. Гельман Р.Н. Возможности использования обычных цифровых камер для наземной стереосъемки. // Геодезия и картография. – 2000. – №4. – С. 39-41
  4. Гельман Р.Н., Никитин А.В. О стереофотосъемке фасада здания // Геодезия и картография. – 2008. – №1. – С. 29-33
  5. Калантаров Е.И., Говоров А.В., Никишин Д.А. Универсальные методы цифровой фотограмметрии. // Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка. – 2003. – №6. – С. 47-55
  6. Калантаров Е.И., Никишин Д.А. Развитие процессов фотограмметрии перспективными методами. // Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка. – 2003. – №1. – С. 95-104
  7. Катушков В.А., Сердюков В.М. Моделирование макетных снимков для задач наземной фотограмметрии. // Геодезия и картография. – 1999. – С. 22-25
  8. Кекелидзе В.Б., Мельников А.В., Мышляев В.А., Тювакин Д.В. Использование координат центра фотографирования при обработке материалов аэрофотосъемки // Геодезия и картография. – 2003. – №5. – С. 31-35
  9. Корчагина О.А. Некоторые вопросы автоматического способа проектирования оптимальных фотограмметрических сетей для съемки инженерных сооружений. // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. – 1990. – №5. – С. 107-110
  10. Лобанов А.Н. Фотограмметрия: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. И доп. – М., Недра, 1984, 552 с.
  11. Могильный С.Г., Беликов И.Л., Ахонина Л.И., Брежнев Д.В. Фотограмметрия. – Киев.: Вища школа, 1985, 278 с.
  12. Уставич Г.А., Пошивайло Я.Г. О применении неметрически цифровых камер для инженерно-геодезических измерений // Геодезия и картография. – 2005. – №8. – С. 19-24
  13. Чибуничев А.Г. Оптимизация проектирования фотограмметрических съемок инженерных сооружений. // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. – 1990. – №5. – С. 87-95
  14. Чибуничев А.Г., Корчагина О.А. Алгоритм проектирования оптимальной фотограмметрической съемки инженерных объектов. // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. – 1993. – №3. – С. 93-102
  15. Ярмоленко А.С., Шошина Е.Ю. Установление точности одномаршрутной пространственной фототриангуляции с использованием координат центров проекции. // Геодезия и картография. – 2007. – №1 – С. 46-51