ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат

Зміст

Вступ

Тема: Метод підвищення точності наземного цифрового архітектурного стереофотограмметричного знімання

Актуальність: Цифрові пристрої на базі використання ПЗС-матриць у поєднанні з комп'ютерною технікою дозволяють кардинально змінити ряд технологій геодезичних, інженерно-геодезичних і фотограмметричних робіт. Цьому сприяє широке поширення аматорських цифрових неметричних камер з досить великою інформаційною ємністю при відносно невисокій вартості.

Фотограмметричні методи завжди були більш продуктивними і рентабельними в порівнянні з традиційними способами. З розвитком цифрових технологій різниця у методах стала ще відчутнішою. Спрощується не тільки сам процес зйомки, а й постобробка, яку проводять на цифрових фотограмметричних станціях.

Необхідність архітектурної зйомки може виникати при облицюванні фасаду будівлі, його ремонті, реставрації, дослідженні архітектурних елементів, документації стану на даний момент часу. Зйомка чисто геодезичними методами трудомістка і пов'язана з труднощами безпосереднього доступу до об'єкту. Сучасні цифрові технології дозволяють зробити зйомку фасаду і обробку знімків в найкоротші терміни і набагато безпечніше для виконавців.

Актуальним є питання підвищення точності зйомки.

Для вирішення наукових завдань магістерської роботи використовуються дослідження вчених: В.М. Глотова, Р.Н. Гельмана, Є.І. Калантарова, про розвиток наземного стереофотозніманя цифровими камерами; А.Н. Лобанова, С.Г. Могильного, про побудову і зрівнювання просторової фототріангуляції; Р.Н. Гельмана, про стереофотознімання фасаду будівлі; А.Г. Чібунічева, про проектування оптимального архітектурного фотограмметричного знімання.

Зв'язок роботи з науковими програмами: Магістерська робота відповідає науковому напрямку кафедри.

Мета і завдання дослідження: Метою магістерської роботи є дослідження точності наземного цифрового архітектурного стереофотограмметричного знімання з використанням координат точок фотографування.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі завдання:

– розробка програми для проектування різних видів мереж фототріангуляції;

– дослідження точності запроектованих мереж фототріангуляції з координатами центрів фотографування і без них.

Об'єкт дослідження: Точність наземного цифрового архітектурного стереофотограмметричного знімання.

Предмет дослідження: Мережа фототріангуляції, яка запроектована в розробленій програмі.

Методи досліджень: У роботі використані методи математичного моделювання, програмування, аналітичної геометрії, теорії ймовірності та математичної статистики.

1. Наземне стереофотограмметричне знімання

1.1 Наземне цифрове архітектурне стереофотознімання

Архітектура – це історична частина нашої культурної спадщини. Архітектурні споруди кожен день піддаються атмосферному впливу: вітру, дощу, снігу, перепаду температур. Тому важливо постійно стежити за їх станом і пошкодженнями. Основним способом збереження архітектурних пам'яток є реставраційні роботи. Але для виконання цих робіт необхідно мати фронтальні та інтер'єрні плани споруд, причому ці плани повинні бути створені на момент реставрації. Не завжди геодезичними методами це можна зробити швидко, а іноді й взагалі неможливо.

Головна перевага фотограмметричних методів полягає в тому, що в даний момент часу можна отримати просторові координати точок досліджуваного об'єкта, тобто уявлення про його форму і величину. Особливу цінність ці методи набувають у тих випадках, коли потрібно вимірювати велику кількість точок, а сам об'єкт знаходиться в стані руху, зміни або важкодоступний. Тому для створення планів архітектурних споруд одним з кращих методів буде саме наземна цифрова фотограмметрична зйомка. Багато вчених також розробляють методи підвищення точності шляхом поєднання результатів наземного стереофотознімання та лазерного сканування.

Сучасний розвиток комп'ютерних технологій, а також теоретичні дослідження в галузі обробки зображень зробили можливим застосування цифрових методів. Сформувалася цифрова фотограмметрія, де фотограмметричні процеси повністю автоматизовані за рахунок використання цифрових зображень, одержуваних шляхом сканування фотознімків або безпосередньо за допомогою цифрових метричних і неметричних камер.

Форму, розміри і положення об'єкту можна визначити, якщо сфотографувати його з двох точок. По знімках можна отримати модель об'єкта. Для цього достатньо надати знімкам те положення, яке вони займали щодо один одного під час зйомки.

Метод вимірювання знімків, заснований на використанні пари знімків, називається стереофотограмметричним.

Елементами орієнтування знімка називаються величини, що визначають положення його в момент фотографування. Ці елементи поділяються на дві групи: елементи внутрішнього орієнтування та елементи зовнішнього орієнтування.

Елементи внутрішнього орієнтування визначають положення центру проекції щодо знімка. До них відносяться фокусна відстань фотокамери f і координати головної точки знімка x0, y0. Елементи зовнішнього орієнтування визначають положення зв'язки променів в момент фотографування. До них відносяться поздовжній кут нахилу камери – альфа, поперечний кут нахилу – омега, і кут повороту камери навколо своєї осі – капа, координати точки фотографування Х, У, Z в геодезичній системі координат. Таким чином, пара знімків має 15 елементів орієнтування: 3 елементи внутрішнього орієнтування (загальні, тому що використовується одна й та ж камера), 12 елементів зовнішнього орієнтування (6 координат і 6 кутів).

В залежності від значень елементів орієнтування знімків розрізняють кілька способів зйомки архітектурних споруд: нормальний, равновідхилений і конвергентний.

В конвергентному разі зйомки – проекції напрямів оптичної осі камери на горизонтальну площину перетинаються. В равновідхиленому випадку – напрямки оптичної осі паралельні. В нормальному випадку – напрямки оптичної осі камери перпендикулярні до базису.

При нормальному випадку зйомки забезпечуються найкращі умови для стереовимірювань, проте величина корисної площі знімка (тобто площі, на якій можна виконувати стереовимірювання) становить від половини до чверті всієї площі знімка. При застосуванні камери навіть з великим розміром матриці точність визначень за такими знімками може виявитися недостатньою. Точність можна підвищити, застосувавши похило-конвергентний спосіб зйомки, так як в цьому випадку об'єкт відображається практично на всій площі знімка.

Підвищення точності відбувається за рахунок збільшення базису фотографування. Але через великі кутів конвергенції і нахилу, стереовимірювання по похило-конвергентним знімкам виконувати практично неможливо, тому знімки необхідно привести до нормального випадку зйомки, піддавши трансформуванню.

Фотограмметрична обробка знімків інженерних та архітектурних об'єктів не має принципових відмінностей від обробки аерофотознімків, проводиться на цифрових фотограмметричних станціях.

1.2 Аналіз літератури

Ідея використання знімків для вимірювальних цілей, в тому числі і в архітектурі, виникла після винаходу фотографії в 1838 році Лосседом. У 1850 році їм же вперше був обгрунтований принцип наземної фотограмметричної зйомки. Його спосіб фіксування зображення на фотографічній пластинці за точністю перевершив всі методи, що застосовувалися в ті часи. Перші фотограмметричні зйомки архітектурних пам'яток виконані А. Мейденбауром в 1858 році. У 1861 році А. Ролет розробив основні принципи стереофотограмметріі, які поклали початок застосуванню стереоскопії у фотографії. Подальший розвиток стереофотограмметрія отримує після розробки першого стереокомпаратора, фототеодоліта, автоматичного стереокартографіческого приладу – стереоавтографа.

З проблем застосування фотограмметрії в архітектурі, образотворчому мистецтві, а також для цілей охорони історичних пам'яток регулярно проводяться міжнародні симпозіуми під егідою Міжнародного комітету з архітектурної фотограмметрії – CIPA, який був створений в 1970 році відповідно до рішення ООН.

Основоположні принципи наземної зйомки були вивчені за працями А.Н. Лобанова та С.Г. Могильного. [10, 11]

Необхідність використання координат точок фотографування з метою підвищення точності аерофотозйомки доводиться авторами [1, 8, 15].

У роботі [8] виконувалися експериментальні дослідження різних варіантів зрівнювання фотограмметричних мереж по реальним виробничим матеріалами та оцінка їх точностних можливостей по створенню планово-картографічної основи земельно-кадастрових, топографічних та інших карт і планів. Було виконано зрівнювання з використанням різних вихідних даних. Основний висновок: зрівняння з використанням координат центрів фотографування дає точніші результати (як в плані, так і по висоті), ніж зрівняння тільки по опорним точкам. Контроль результатів зрівнювання можна здійснювати за деякими координатами центрів фотографування, які не включаються до зрівнювання. Для визначення числа таких координат та їх розташування в блоці потрібні додаткові експериментальні дослідження.

В [1] доводиться, що при будь-якій схемі розміщення опорних точок використання координат центрів проектування поліпшило результати згущення в порівнянні з зрівнюванням по одному виду опорних даних (опознакам або центрам). Чим менша кількість опознаков в блоці, тим помітніше розходження помилок при зрівнянні з центрами проектування і без них. Висновки зроблені за макетними знімками, але принципова можливість скорочення геодезичного обгрунтування в три рази не викликає сумніву. Необхідно лише забезпечити належну точність даних.

У джерелі [15] також вказується, що використання координат центрів фотографування буде підвищувати точність фототріангуляції і різко знижувати кошти на її виробництво. В роботі наводяться докази цих фактів.

Таким чином, те, що використання координат центрів фотографування в аерофотозніманні значно підвищує точність зрівнювання, при цьому скорочуючи кількість необхідних опорних точок, вже доведено. У мене ж стоїть мета довести необхідність використання координат центрів фотографування для наземної архітектурної зйомки.

Для мого дослідження необхідна програма, за допомогою якої можливо моделювати мережу, тобто створювати проект зйомки.

У статті [9] метод проектування, який буде використовуватися мною, називається методом «проб і помилок». Основним недоліком такого підходу до вирішення проблеми проектування є необхідність багаторазових обчислень і високі вимоги до виконавця. Автор пропонує автоматизувати визначення оптимальної мережі. Однак не передбачається використання координат центрів фотографування.

Так як нам потрібно дослідити вплив цих координат на точність, то буде розроблена програма з попереднім проектуванням схеми мережі. Але при цьому вимірювання будуть містити випадкові помилки, які підпорядковуються нормальному закону розподілу.

1.3 Створення програмного продукту «Інтерактивне створення проекту зйомки»

Якби у нас були камери з кутом поля зору настільки великим, щоб з одного базису можна було зняти всю споруду, то питання створення проекту зйомки не виникало б. Проте ми розглядаємо цифрову камеру Olympus E20p, у якій кут поля зору дорівнює 14 градусів. Тобто виникає задача визначення кількості базисів і кількості маршрутів, необхідних для зйомки будівлі.

Для створення проекту зйомки необхідно мати вихідні дані. Вихідними даними є: елементи внутрішнього орієнтування, елементи зовнішнього орієнтування, розміри будівлі, розміри кадру цифрової камери.

Також в програмі можливо завантажувати зображення об'єкта, для наочності створення проекту.

Результатом створення проекту буде файл *.del. В якому зазначені: геодезичні координати опорних точок; координати точок фотографування; вимірювання, що проводяться на стереопарах. Виміри будуть містити випадкові помилки, підпорядковані нормальному закону розподілу. Використовуючи програму DonetskFoto, розроблену Могильним С.Г., ми будемо зрівнювати різні варіанти мереж з різними параметрами (з координатами центрів фотографування і без), для того, щоб довести підвищення точності зйомки при використанні координат точок фотографування.

Програма розробляється в середовищі програмування Delphi.

На малюнку 1 представлений принцип роботи програми. Програма складається з головної форми, де проводиться проектування та додаткової форми, де вводиться ско вимірювання, для генерування випадкових помилок. Перший етап – це завантаження зображення об'єкта і введення параметрів камери і будівлі. Далі ми починаємо новий маршрут, вводимо елементи зовнішнього орієнтування і отримуємо стереопару. Коли стереопара задовольняє всім вимогам, ми натискаємо кнопку Фіксувати, і дані стереопари запам'ятовуються програмою. Тепер можна задати опорні точки, клацаючи в області будівлі кнопкою миші. Після проектування маршруту ми можемо закінчити маршрут і почати новий, або зберегти файл *.del. Цей файл можна зберегти з випадковими помилками вимірів і без них. Після збереження файл можна відкривати в програмі BlockMSG і зрівнювати запроектовану мережу фототріангуляції. В будь-який момент проект можна зберегти і потім відкрити для продовження проектування.

Створення проекту знімання

Малюнок 1 – Створення проекту знімання

Висновки

На даний момент програмний продукт «Інтерактивне створення проекту зйомки» тестується, виключаються можливі помилки, додаються функції, необхідні для зручності користувача.

Математичний апарат вивчений і реалізований повністю, так що найближчим часом я перейду до наступної наукової задачі – дослідження точності запроектованих мереж.

Так само планується вивчати іноземну літературу, для більш повного освоєння теми.

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