Основні технічні характеристики цифрової аерознімальної системи ADS40

Як бачимо, цифрова аерознімальна система має багато технічних показ­ників, необхідних для точного знімання.

IV. 6.2. Порівняння технічних можливостей фотограмметричної та цифрової камер. Опрацювання цифрових знімків системою ADS40

Цифрова аерознімальна система ADS40 має як переваги, так і недоліки порівняно з фотокамерою. Фактором, що обмежує роздільну здатність зобра­ження на місцевості для системи, є інтервал часу (період) між зчитуванням інформації з лінійок, що дорівнює 1, 2 мс. Для швидкості літака 100 м/с

Великомасштабне топографічне знімання

забезпечується роздільна здатність на місцевості в напрямку руху літака близько 0, 25 м. Така сама роздільна здатність на місцевості може бути отримана й у поперечному напрямку для висоти літака 2400 м. Ширина смуги захоплення буде становити 3000 м. У табл. IV.6.2 для порівняння подано характеристики аерознімання, виконані цифровою системою та топографічною фотокамерою.

Таблиця IV. 6.2

З поданих даних видно, що знімання цифровою системою за роздільною здатністю однакова з аерофотозніманням, але в масштабі 1: 10000. Тільки за умови сканування знімків із розміром піксела 12 мкм можна говорити про можливість картографування території у масштабі 1: 2000 за матеріалами цифрового знімання. Цифрова система забезпечує ширину смуги знімання, на 30 % більшу.

Отже, система ADS40 поєднує роздільну здатність топографічного аерофотоапарата й інформативність засобу дистанційного зондування.

На жаль, треба зазначити, що геометричні властивості зображення, одержаного таким способом, принципово відрізняються від геометрії звичайних аерофотознімків, отриманих за допомогою топографічного фотоапарата, які є центральною проекцією точок знімка. У випадку описаного вище формування зображення кожний рядок, отриманий у результаті зчитування інформації із ПЗЗ-лінійки, є центральною проекцією деякої лінії на поверхні Землі. Значення як лінійних, так і кутових елементів внутрішнього орієнтування для кожного такого рядка відрізняються між собою через зміни кутового орієнтування та переміщення літака у просторі під час знімання. Працювати з такими, довільно геометрично спотвореними зображеннями, зокрема спостерігати їх стереоско­пічно, неможливо. З цієї причини вихідні зображення (рівень 0) потрапляють під геометричне трансформування з урахуванням значень елементів внут­рішнього орієнтування кожного рядка, отриманих за допомогою системи

Розділ IV

позиціонування та орієнтування POS (Position and Orientation System). Одержані результати такого трансформованого зображення (рівень 1) можна вже спостерігати стереоскопічно, виконувати необхідні вимірювання для цілей фототріангуляції. Після цього можна виконувати всі інші процеси фотограм­метричного опрацювання на цифровій фотограмметричній станції (створення цифрової моделі рельєфу (ЦМР), ортофототрансформування й монтаж ортофотоплану стереознімання) з метою отримання кінцевого продукту -геокодованого зображення або ортофотоплану (рівень 2). Зазначимо, що через особливості геометричних властивостей зображень, отриманих за допомогою цифрової знімальної системи такого типу, ці зображення можна буде опрацювати тільки з використанням спеціального програмного забезпечення (ПЗ), яке дає змогу врахувати ці особливості. Це є істотним недоліком описаної цифрової системи.

IV.6.3. Цифрові аерознімальні комплекси із лазерним скануванням

В останнє десятиліття у зв'язку з бурхливим розвитком обчислювальної техніки й засобів приймання зображень на основі приладів зарядного зв'язку (ПЗЗ), тобто комп'ютерного бачення, з'явилась можливість перейти від методів аерофотознімання до методів цифрового знімання. Так, уже на початку 1990 р. значна частина робіт з опрацювання матеріалів була комп'ютеризована. Матеріали знімання - фотонегативи - оцифровувались за допомогою сканерів. Така технологія й сьогодні залишається доволі поширеною. Проте послідовне використання фотографічної та оптично-електронної техніки спонукає не тільки до необхідності виконання додаткових процесів, таких, як фотохімічна обробка та сканування знімків, що затягує технологічний цикл і збільшує матеріальні затрати, але й призводить до втрати якості матеріалів знімання. Напевно, саме цим пояснюється те, що в середині 1990 років за кордоном з'явились дослідні зразки цифрових аерофотокамер, а першим комерційним зразком стала камера ADS40 тільки в 2000 році. Широке впровадження цифрової фотограмметрії вимагає розв'язання цілої низки супутніх задач. Принциповим, наприклад, виявився вибір типу цифрових камер. Основним недоліком камери ADS40, як уже зазначалося, є те, що вона дає зображення, яке принципово відрізняється від центральної проекції, тобто дає іншу геометрію зображення. Перетворення таких знімків на центральну проекцію вимагає спеціального обладнання та спеціального програмного забезпечення.

Великомасштабне топографічне знімання

Камера ADS40 працює на ПЗЗ-лінійках. Саме така будова камери при­водить до істотного спотворення принципу центральної проекції. Цифрові камери, побудовані на ПЗЗ-матрицях, дають змогу зберегти центральну проекцію й ліквідують цей недолік. Але поки що не вдається створити цифрові камери з великоформатними ПЗЗ-матрицями й високою роздільною здатністю та з великим захопленням місцевості. Тому, наприклад, і в Росії також були створені цифрові камери ЦТК-140, ЦМК-70 на ПЗЗ-лінійках. Остання камера ЦМК-70 за своїми характеристиками близька до ADS40. Російські камери мають такий самий головний недолік: спотворюють центральну проекцію.

Технічне вирішення цього складного питання знайдене в застосуванні так званих інтегральних навігаційних комплексів типу GPS/IMU, які дають змогу, по-перше, з достатньою точністю визначати шість параметрів зовнішнього орієнтування кожного знімка, що забезпечує можливість без прив'язування знімків істотно спростити створення фототріангуляційної мережі та, по-друге, одночасно виконувати аерофотографічне та лазерно-локаційне знімання.

Розділ IV

Найновіший розв'язок цієї задачі знайдений завдяки поєднанню GPS-INS і цифрової аерофотознімальної системи з лазерним скануванням та їхній інтеграції на одному літальному апараті. Такі системи дістали назву LIDAR і IfSAR. На рис. IV.6.3. показано основні компоненти LIDAR на літаку, що низько летить над поверхнею Землі. Цифрова трилінійна камера часто спрацьовує; сканер визначає віддаль від давача до ґрунту. Кружками на рисунку (на ґрунті) показані лазерні плями. Приймачі GPS (на літаку та на поверхні Землі) визначають координати центра проекції. GPS-дані подаються в референцній системі WGS84. Довжина хвилі така сама, як у більшості лазерів: 1040-1060 нм. Механізм лазера може записати до п'яти різних відбитків (повертань). Якщо імпульс лазера або частина імпульсу відбивається від даху будівлі або від вершини дерева, давач запише перше відбиття. Але частина імпульсу може пройти крізь поверхню дерев і сягати Землі, як це показано на рисунку. У такому разі давач запише як проміжні повернення, які відбилися від поверхні дерев, так і ті, що відбилися від Землі (від ґрунту). Часто записується тільки єдине повернення (перше або останнє). Лазери також можуть діяти як безперервні давачі хвилі, які зображають тільки взаємодію між лазером та поверхнею. Використовуються лазери на літакових платформах, що літають на висоті 50-3500 м. Найновіші системи LIDAR мають частоту спрацьовування камери 100 Гц і можуть давати ЗО точок на квадратний метр.

IfSAR - це синтетичний радар, який визначає кількість випроміненої енергії, яка повертається до антени. Може діяти в ряді частот, поданих у табл. IV.6.3.

Таблиця IV.6.3

Два зображення IfSAR можуть бути об'єднані, щоб використовувати техніку інтерферометри для генерування (створення) DSM-цифрової моделі рельєфу. Принцип роботи IfSAR показаний на рис. IV.6.4.

На рисунку показані два положення антени в точках А_х ІА₂. Нехай Н -

висота точки А_х над референц-еліпсоїдом, ah- висота поверхні Землі (перевищення, яке визначають). Базова лінія В, тобто віддаль між антеною в

Великомасштабне топографічне знімання

положеннях 1 і 2. Похила віддаль від антени А_х до цілі А дорівнює Р і є відомою. Кут 0 в точці А_х між вертикаллю й напрямком на ціль А також відомий - це кут між осями цифрових камер: вертикальною і спрямованою вперед. Кут а між базовою лінією і горизонтальним напрямком. Як видно з рисунка:

Рис. IV. 6.4. Геометрія однопрохідного інтерферометра SAR Із трикутника АА_ХА₂ можемо записати:

де 5 - зміна нахиленої віддалі, яка визначається за формулою

(IV.6.3)

кількість хвиль; X- довжина хвилі, яку випромінює радар; Дф-

зміна фази між двома відбитками (від дерева та грунту). Ця зміна фази може бути виміряна тільки під час зміни фази в межах від 0 до 2л;. Визначити Аф (кількість разів по 271) можливо завдяки супутниковим даним про розташування антени в пунктах А_х іА₂. Проте проникнення лазера в поверхню дерев може спотворити їхню істинну висоту. Отже, вимірювання у місцях, покритих деревами, містять більше " шуму" (похибок) вимірювання, ніж у місцях з " дзеркальними" відбивними поверхнями. Проникнення сигналу в поверхню

Розділ IV

дерев різне для різних довжин хбиль, наприклад, групи X та L. Це дає змогу визначити ступінь " проникнення" сигналу. Якщо дерева, кущі близько розташовані до дороги, тоді це сприяє підвищенню точності побудови цифрової моделі рельєфу DSM. Саме для побудови DSM - цифрової моделі рельєфу та DEM - цифрової моделі місцевості і використовуються комплекси LIDAR і IfSAR. Зазначимо, що фіксація відбиття хвиль від поверхні дерев та від ґрунту дасть змогу виконувати цифрове аерознімання у місцевості, вкритій рослинністю. До цього часу такі райони знімались тільки наземними або комбінованими методами.

РОЗДІЛ V. АВТОМАТИЗАЦІЯ НАЗЕМНИХ ТОПОГРАФО-ГЕОДЕЗИЧНИХ РОБІТ. ЦИФРОВІ ПЛАНИ ТА КАРТИ