1. KAMERY LOTNICZE DZIELIMY:
kamery do wykonywania zdj. pojedynczych (migawkowe obejmujące zasięgiem ramki tłowe, wycinek fotografowanego obszaru)
kamery szczelinowe (bez migawki), dostarczające ciągłego pasa terenu na przesuwającym się odpowiednio do prędkości lotu fil....
kamery panoramiczne
Elementy podstawowe:
Korpus kamery służy do pomieszczenia stożka obiektywowego, nazywanego również blokiem optycznym.
Kaseta (ładownik) - jest przeznaczona do pomieszczenia materiału światłoczułego i stopniowego przewijania go w czasie między kolejnymi ekspozycjami.
Podwieszenie służy do umocowania korpusu kamery do podłogi samolotu w ten sposób, aby obiektyw znalazł się nad otworem, przez który są wykonywane zdjęcia.
Stożek obiektywowy stanowi najważniejszy element kamery lotniczej. W dolnej części stożka jest umieszczony obiektyw, wewnątrz którego wmontowana jest przysłona i migawka aparatu
Urządzenie sterujące jest pomocniczym elementem kamery lotniczej, który reguluje rytm pracy i współdziałanie poszczególnych jej mechanizmów.
Etapami cyklu pracy kamery lotniczej są:
• przewinięcie błony fotograficznej,
• naciągnięcie migawki,
• wyrównanie błony fotograficznej w płaszczyźnie ramki tłowej,
• ekspozycja.
CECHY I WŁAŚCIWOŚCI OBIEKTYWU.
Najważniejszą częścią kamery lotniczej jest obiektyw. Składa się on z układu odpowiednio dobranych soczewek, które zapewniają powstawanie w płaszczyźnie tłowej (na matówce lub materiale światłoczułym), ostrego i odwzorowanego zgodnie z zasadami rzutu środkowego, obrazu powierzchni terenu. Obiektywy fotogrametryczne powinny być zatem wolne od dystorsji oraz odznaczać się wysoką zdolnością rozdzielczą. Charakteryzuje się je za pomocą wskaźników optycznych, takich jak:
- ogniskowa,
- otwór względny,
- kąt rozwarcia i kąt widzenia,
- zdolność rozdzielcza,
- ortoskopowość.
Ogniskowa obiektywu f' jest to odległość głównego ogniska obrazowego F' od głównego punktu obrazowego obiektywy.
Otwór względny obiektywu jest to stosunek średnicy otworu wejściowego obiektywu - d, do ogniskowej obiektywu - f'.
Kąt rozwarcia i kąt widzenia obiektywu wiąże się z polem obrazu i polem widzenia obiektywu. Polem widzenia obiektywu (rys) przyjęto nazywać podstawę stożkowej wiązki promieni, które tworzą obraz nieskończenie dalekiego przedmiotu. Zdolność rozdzielcza obiektywu jest jedną z podstawowych wielkości cechujących jego układ optyczny. Polega ona na właściwości rozdzielnego przekazania obrazu dwóch jednakowo jasnych, blisko położonych punktów lub linii, a wartość jej jest wyrażana liczbą
oddzielnie odwzorowanych linii, przypadających na l mm obrazu optycznego.
Aberracje obiektywów. Nawet najlepsze obiektywy są obarczone pewnymi wadami. Jedną z takich wad układów optycznych, polegającą na zniekształceniu przebiegu promieni świetlnych przez poszczególne elementy układu, jest dystorsja. Błąd dystorsji powstaje na skutek różnicy kątów padania promieni wchodzących do obiektywu i wychodzących z niego.
Aberracja sferyczna polega ona na tym, że wiązki światła symetryczne względem osi optycznej (równoległe do osi lub wychodzące z jednego punktu na osi) po przejściu przez obiektyw przecinają się nie w jednym punkcie (rys), lecz na pewnej powierzchni, nazywanej powierzchnią diakaustyczną. Zniekształcenie to jest spowodowane faktem, iż poszczególne strefy soczewek układu optycznego mają różne ogniska (strefy bliższe brzegu soczewki załamują promienie silniej, ponieważ mają krótszą ogniskową). W rezultacie promienie równoległe do osi obiektywu przecinają się w różnych płaszczyznach obrazowych, tworząc na matówce obraz o zróżnicowanej ostrości. Wpływ aberracji sferycznej redukuje się przez dobór odpowiednich soczewek i konstrukcję najkorzystniejszych ich układów.
Aberracja chromatyczna obiektywu (rys) jest spowodowana zróżnicowaniem współczynnika załamania promieni odpowiadających składowym barwom światła białego (najsilniej są załamywane promienie fioletowe, najsłabiej - czerwone). Rezultatem tego zjawiska jest przecięcie się promieni poszczególnych barw w różnych płaszczyznach obrazowych, co powoduje powstawanie na obrazie barwnych obwódek, a przez to zmniejszenie ostrości obrazu. Niekorzystny wpływ tej aberracji eliminuje się przez zastosowanie achromatycznych układów optycznych.
2. PARAMETRY FOTOGRAMETRYCZNEJ OCENY SZEREGU I BLOKU ZDJĘĆ LOTNICZYCH.
Po wykonaniu zdjęć lotniczych są one poddane kontroli. Kontrola jakości zdjęć dzieli się na ocenę jakości fotograficznej i fotogrametrycznej.
Ocena jakości fotograficznej powinna przebiegać na podstawie sensytometrycznych określeń wskaźników jakościowych trzech wybranych zdjęć (negatywów) z każdej błony filmowej. Są to zwykle zdjęcia początkowe, środkowe i końcowe. Pozostałe negatywy oceniane są wizualnie w porównaniu z trzema badanymi lub z negatywami wzorcowymi. Skala ocen : bardzo dobry, dobry, dostateczny i niedostateczny. Negatywy z ostatnią oceną nie powinny być dopuszczone do dalszego opracowania.
Ocena jakości fotogrametrycznej polega na sprawdzeniu : nieistnienia przerw fotogrametrycznych, prostolinijności osi szeregów, wartości kątów nachylenia zdjęć, odchylenia od zaprojektowanej wysokości fotografowania, wartości kątów skręcenia zdjęć, pokrycia podłużnego i poprzecznego.
Skręcenie zdjęć w stosunku do osi szeregu
Pokrycie zdjęć nie powinno się różnić od zadanego więcej niż ± 5%. Gdy Px<53% lub Py < 15%, to zdjęcia nie przechodzą do dalszego opracowania.
Kąty skręcenia zdjęć χ. w stosunku do osi szeregu nie powinny przekraczać ± 10°, przy dążeniu średniej wartości do 0. Systematyczne skręcanie zdjęć może spowodować choinkę (rys. 42), co jest zjawiskiem niepożądanym.
Odchylenie wysokości fotografowania W 'od zadanej nie powinno przekraczać 5%
Zdjęcia lotnicze (negatywy) o v > 3o są odrzucane, a liczba zdjęć o v > 2o nie powinna przekraczać 10%, ogólnej liczby wykonanych zdjęć.
Prostolinijność osi szeregu określana odchyleniem środka dowolnego zdjęcia od linii łączącej środki skrajnych zdjęć w szeregu nie powinna przekraczać 3% długości szeregu.
Zdjęcia z przerwami fotogrametrycznymi nie nadają się do dalszego opracowania. Zachodzi wtedy konieczność opracowania tradycyjnego - geodezyjnego lub powtórne wykonanie zdjęć.
6. Wpływ refrakcji atmosferycznej
Atmosfera nie jest jednorodnym środowiskiem optycznym. Promienie świetlne tworzące obraz fotograficzny nie rozchodzą się po liniach prostych — lecz załamują się, przechodząc przez warstwy powietrza o różnej gęstości. Ilustruje to rys. 2.15. Na zdjęciu pionowym obraz terenowego punktu A zamiast w punkcie a' — jak wynikałoby z teorii rzutu środkowego - utworzy się w punkcie a przesuniętym radialnie na zewnątrz o wartości δr. Kątowa wartość tego
przesunięciaΘjest refrakcją atmosferyczną. Wielkość refrakcji zależy m.in. od stanu atmosfery, toteż w zależności od przyjętego modelu atmosfery można napotkać w literaturze różne wzory opisujące jej wpływ (dające praktycznie jednakowe wyniki dla niskich i średnich pułapów lotniczych). Dla standardowej atmosfery przesunięcie radialne obrazów punktów spowodowane refrakcją atmosferyczną można wyrazić następująco:
gdzie:
δr — poprawka z tytułu refrakcji, r — promień radialny punktu, ck — odległość obrazowa kamery,
c - wartość fotogrametrycznej refrakcji dla kąta osiowego a = 45° (wyrażona w radianach).
7. Wpływ krzywizny Ziemi
Zakrzywienie Ziemi nie powoduje zniekształceń wiązki perspektywicznej. Ponieważ jednak współrzędne geodezyjne są odniesione do przyjętej płaszczyzny odwzorowawczej, zatem przy określeniu współrzędnych terenowych na podstawie zdjęć lotniczych fakt zakrzywienia Ziemi powinien być uwzględniony. Na rys. 2.16 A jest punktem terenowym, A' jego położeniem na powierzchni odwzorowawczej stycznej do powierzchni Ziemi w punkcie nadirowym. Aby przedstawić powierzchnię Ziemi na płaszczyźnie, należy więc do pomiarów na zdjęciu wprowadzić poprawkę radialną dr. Z rysunku wynika, że jej wartość: gdzie:
dr — poprawka radialna z tytułu krzywizny Ziemi, r — promień radialny punktu,
H — wysokość fotografowania,
R— promień krzywizny Ziemi (R~6370km)
ck— odległość obrazowa kamery.
Widać więc, że wpływ krzywizny Ziemi szybko rośnie ku skrajom zdjęcia, jest wprost proporcjonalny do wysokości fotografowania i odwrotnie proporcjonalny do odległości obrazu.
8. DYSTORSJA OBIEKTYWU
(Powiedziano, że w idealnym obiektywie powiększenie kątowe jest równe jedności .Oznacza to, że obraz płaskiego przedmiotu usytuowanego w płaszczyźnie prostopadłej do osi optycznej obiektywu jest podobny do tego przedmiotu, a o takim obiektywie mówi się, że jest ortoskopowy. W rzeczywistych obiektywach ortoskopia jest zaburzona). Zjawisko to nazywa się dystorsją radialną obiektywu (zwaną również symetryczną) lub po prostu dystorsją. Charakter i wielkość dystorsji zależą od konstrukcji obiektywu i umiejscowienia w nim diafragmy. Wolne od dystorsji są obiektywy symetryczne z diafragmą znajdującą się w płaszczyźnie symetrii, jednak dążąc do eliminacji innych błędów i zwiększenia jasności obiektywów, odstępuje się od tej konstrukcji. Dystorsja obiektywu powoduje przesunięcie obrazu punktu na płaszczyźnie tłowej. Przesunięcie to można rozłożyć na dwie składowe: pierwszą, tj. rzut przesunięcia dystorsyjnego na promień radialny — noszący nazwę dystorsji radialnej, drugą (prostopadłą do kierunku promienia) noszącą nazwę dystorsji tangencjalnej. Dystorsja tengencjalna jest bardzo mała w porównaniu z dystorsją radialną. Wielkość przesunięcia radialnego zależy od kąta osiowego, a więc i długości promienia radialnego
Δr = r -cktgα
Δr — wielkość dystorsji radialnej,
r — promień radialny określający odległość rzeczywistego obrazu od punktu głównego zdjęcia,
ck— odległość obrazowa (odległość ramki tłowej od obrazowego punktu głównego obiektywu),
α— kąt osiowy w przestrzeni przedmiotowej (między danym promieniem a osią główną obiektywu).
Ponieważ dystorsja jest związana z konstrukcją obiektywu, więc jej wielkość i rozkład są znane już na etapie projektowania obiektywu.
Dystorsję radialną łatwo można opisać analitycznie. Jej wartość dobrze aproksymuje funkcja:
Ar = a1r3 + a2r5 + a3r7 + ...
Δr — wartość przesunięcia obrazu danego punktu,
r — promień radialny,
a1, a2, a3 - współczynniki.
Do skutecznego opisania dystorsji obiektywu kamery wystarczy przyjąć trzy wyrazy wielomianu
Dystorsja radialna opisana wzorem (2.4) jest wyznaczona względem „punktu najlepszej symetrii", tj. punktu, względem którego rozkład przesunięć radialnych na powierzchni zdjęcia jest najbardziej symetryczny (stąd nazwa „dystorsja symetryczna"). Punkt ten — ściśle mówiąc — nie musi się pokrywać z określonym wcześniej punktem głównym zdjęcia. Dystorsja zniekształca wiązkę promieni rzutujących, a więc opis tych zniekształceń wyrażony funkcją (2.4), pozwalający zrekonstruować rzeczywistą wiązkę przedmiotową zdjęcia, należy traktować — obok odległości obrazowej i położenia punktu głównego - jako element uzupełniający zestaw elementów orientacji wewnętrznej.
Wartości współczynników wielomianu (2.4) opisujących dystorsję radialną mogą być wyznaczone w procesie kalibracji kamery.
10. DEFORMACJE PODŁOŻA EMULSJI FOTOGRAFICZNEJ
Obecnie, jako nośnika emulsji światłoczułej używa się niepalnych błon acetatowych i poliestrowych. Błony te w nieznacznym stopniu kurczą się pod wpływem zmian wilgotności, temperatury i czasu składowania. Można mówić o skurczach regularnych i nieregularnych.
Wpływ niepłaskości emulsji fotograficznej
Pomimo, że w kamerach film przed ekspozycją jest poddawany wypłaszczaniu, a w większości kamer naziemnych używa się płyt szklanych, to jednak w żadnym z tych przypadków podłoże emulsji nie stanowi idealnej płaszczyzny.Dla zdjęć lotniczych najpełniej wpływ niepłaskości emulsji można uwzględnić w przypadku wykorzystania kamery z siatką Roseau. W kamerach takich w płaszczyźnie tłowej znajduje się gruba płyta szklana z precyzyjnie wytrawioną siatką kwadratów. Siatka ta odwzorowuje się na emulsji dociskanej w czasie ekspozycji do płyty. Ewentualne lokalne niepłaskości emulsji spowodują przesunięcie zarówno obrazu powierzchni terenu, jak również najbliższych węzłów siatki. Pomiar tych węzłów na zdjęciu i znajomość ich nominalnego położenia umożliwiają uwzględnienie lokalnych wpływów niepłaskości emulsji.
16. PROJEKT NALOTU FOTOGRAMETRYCZNEGO
Kryteria i warunki techniczne projektu:
- cel opracowania fotogrametrycznego
- charakterystyka obiektu ( powierzchnia obiektu, kształt obiektu, max. różnica przewyższeń terenu, średnia rzędna terenu)
- technologia i metoda opracowania fotogrametrycznego (skala zdjęć, pokrycie podłużne i poprzeczne, rodzaj materiału negatywowego)
- parametry techniczne kamery fotogrametrycznej ( typ kamery, stała kamery, format zdjęć, migawka, wyposażenie dodatkowe)
- parametry techniczne samolotu ( max. zasięg, pułap, prędkość, długość drogi startowej)
Parametry projektu:
1) Skala zdjęć Mz = c √ Mp Mz=w/ck c- współczynnik Grujera
2) wysokość fotografowania w = ck Mz
3) wysokość absolutna fotografowania wa = w + Zśr
4) Długość boku zdjęcia w terenie lz = lx (ly) Lz = lz Mz
5) Długość bazy (podłużnej) fotografowania przy p% Bx = Lz(1 - p% / 100)
6) Odległość między osiami szeregów przy q% As = Lz (1 - q% / 100) By=As (By - poprzeczna baz)
7) Baza fotografowania w skali zdjęcia bx = Bx / Mz
8) Odległość między osiami szeregóaw w skali zdjęcia as = As / Mz
9) Stosunek bazowy v = Bx / w
10) Powierzchnia użyteczna zdjęcia Pz = Lz2 = lz2 Mz2
11) Powierzchnia stereogramu Ps = (Lz - Bx) Lz
12) Powierzchnia stereogramu nowo utworzona PN = Bx As
13) Liczba szeregów w bloku ns = Q / As + 1 Q - szerokość bloku
14) ilość modeli w kolejnym szeregu nmi = S(i) / Bx + 1 Si - długość szeregu
15) Ilość zdjęć w kolejnym szeregu nz(i) = nm(i) + 1
16) ilość zdjęć w bloku nZB = ∑nZ(i)
17) Czas ekspozycji tmax≤kr Mz / V V-prędkość samolotu kr≤0.02 mm
18) Interwał fotografowania Δt = Bx [m] / V [m/s] ≥2 s
19) Długość filmu LF = 1.1 ∑nZ(i) 22 cm (18x18) lub 28 cm (23x23)
20) Długość lotu L = 1.2 Po / As Po-powierzchnia obiektu
21) Czas lotu T = L / V
23. Przestrzenny układ współrzędnych zdjęcia.
Podstawowymi danymi pełniącymi rolę obserwacji w rozwiązaniu analitycznym są współrzędne tłowe. Wielkości te są określane w wyniku pomiaru na zdjęciach przy użyciu specjalnych instrumentów fotogrametrycznych zwanych monokomparatorami lub stereokomparatorami. Celem takiego pomiaru jest rekonstrukcja wiązki promieni rzutujących danego zobrazowania. Określenie współrzędnych punktów jest realizowane w płaskim ortogonalnym układzie na zdjęciu, zwanym układem tłowym.
Za początek układu iłowego przyjmuje się punkt główny zdjęcia (tj. rzut ortogonalny środka rzutów na płaszczyznę tłową zdjęcia).
Dla zdjęć lotniczych oś x układu tłowego ma kierunek równoległy do osi szeregu zdjęć. W przypadku obserwacji stereoskopowych oś ta jest zdefiniowana przez środki rzutów zdjęć tworzących stereogram.
Dla zdjęć naziemnych oś x układu tłowego przechodzi przez poziome znaczki tłowe fotogramu.
Rekonstrukcja wiązki, która jest pierwszym etapem opracowań analitycznych wymaga przyjęcia układu przestrzennego pozwalającego na matematyczny zapis zaobserwowanych promieni. Warunek ten jest spełniony przez przestrzenny układ współrzędnych zdjęcia zdefiniowany w sposób następujący:
- początek układu stanowi środek rzutów zdjęcia,
- osie x, y tego układu są równoległe do osi x', y' układu tłowego zdjęcia,
- kierunek zwrotu osi z przyjmuje się w ten sposób, aby z wcześniej zdefiniowanymi osiami x, y został utworzony ortogonalny układ prawoskrętny. Na rys. 3.4 przedstawiono przestrzenny układ dla pozytywu i negatywu zdjęć lotniczych. Jak wynika z tego rysunku, współrzędne x, y w przypadku
obserwacji pozytywu i negatywu są takie same. Natomiast trzecia współrzędna różni się co do znaku i równa się odległości obrazu CK.
24.UKŁADY WSPÓŁRZĘDNYCH STOSOWANYCH W FOTOGRAMETRII
-Układ współrzędnych terenowych
Układ współrzędnych terenowych (X, Y, Z) definiuje się w przestrzeni przedmiotowej jako prawoskrętny układ ortogonalny. Definicji tej nie spełniają najczęściej układy współrzędnych geodezyjnych, dlatego też istnieją trudności z bezpośrednim ich wykorzystaniem w opracowaniach fotogrametrycznych.
Zazwyczaj oś X układu terenowego jest zgodna z kierunkiem osi szeregu zdjęć lotniczych. Początek układu może być dowolny, jednak dla większego zespołu zdjęć jest on najczęściej przyjmowany pośrodku opracowywanego terenu.
Dla tego układu współrzędnych ustalono, że osią pierwszą jest oś X, drugą oś Y, natomiast dla osi Z przyjęto dodatni kierunek zwrotu do góry.
W układzie terenowym przedstawiane są ostateczne rezultaty opracowania fotogrametrycznego. Jest to możliwe przy znajomości współrzędnych X, Y, Z, punktów osnowy odwzorowanych na zdjęciach wykorzystywanych w opracowaniu. W układzie tym definiuje się położenie wiązki promieni homologicznych za pomocą sześciu elementów zwanych elementami orientacji zewnętrznej. Są to trzy wielkości liniowe określające położenie środka rzutów zdjęcia (Xs, Ys, Zs) oraz trzy kąty wyrażające nachylenia osi układu przestrzennego zdjęcia względem osi układu terenowego (ω, φ, k ).
- Układ współrzędnych fotogrametrycznych
W wielu opracowaniach wyznaczanie współrzędnych punktów w układzie terenowym realizuje się dwuetapowo. W pierwszym etapie określa się współrzędne punktów w układzie lokalnym dla pojedynczego stereogramu lub szeregu zdjęć. Takie postępowanie umożliwia rekonstrukcję geometryczną opracowywanego terenu lub obiektu na drodze spełnienia tylko wzajemnych relacji między zdjęciami. W rezultacie powstaje model podobny do obiektu (w postaci dyskretnej) bez dokładnej znajomości jego skali oraz orientacji przestrzennej. Drugi etap tego typu opracowania to transformacja przestrzenna współrzędnych punktów z układu fotogrametrycznego do układu terenowego. Ze względu na sposób budowy modelu obiektu na pierwszym etapie transformacja przestrzenna ma charakter transformacji przez podobieństwo.
Wewnętrzne zależności pomiędzy wiązkami służącymi do rekonstrukcji modelu określa pięć niezależnych elementów orientacji zewnętrznej zdjęć spośród dwunastu (trzy współrzędne środka rzutów i trzy kąty obrotu dla każdego zdjęcia).
Praktycznie wyróżnia się dwa zespoły parametrów definiujących orientację wzajemną zdjęć:
1) kąty obrotu wiązek z przyjęciem nachylenia poprzecznego zdjęcia lewego za zerowe,
2) orientację zewnętrzną drugiego zdjęcia wyrażoną w układzie przestrzennym zdjęcia pierwszego z pominięciem współrzędnej X środka rzutów drugiego zdjęcia; wartość tej współrzędnej wpływa jedynie na skalę odtwarzanego modelu.
25. ELEMENTY ORIENTACJI ZEWNĘTRZNEJ ZDJĘCIA.
Elementy orientacji zewnętrznej zdjęcia lotniczego (rys) są to wielkości określające położenie kamery względem fotografowanego terenu. Umożliwiają one wyznaczenie orientacji przestrzennej wiązki promieni rzutujących w momencie wykonywania zdjęcia. Elementami tymi są:
• współrzędne przestrzenne środka rzutów Xo Yo Zo (w układzie współrzędnych prostokątnych, przyjętym do prac pomiarowych w terenie);
• kąt nachylenia zdjęcia v - kąt nachylenia płaszczyzny zdjęcia w stosunku do płaszczyzny poziomej. Może być on również określony jako kąt odchylenia osi kamery od pionu, a więc kąt zawarty między prostą pionową przechodzącą przez środek optyczny obiektywu a osią optyczną kamery fotograficznej. Kąt v rozkłada się na dwa kąty składowe: wzdłuż osi x - kąt nachylenia podłużnego φ wzdłuż osi y - kąt nachylenia poprzecznego ω,
• kąt kierunkowy osi kamery (azymut zdjęcia) α. Jest to kąt zawarty między kierunkiem początkowym terenowego układu współrzędnych (dodatnim kierunkiem osi Y) a rzutem prostokątnym osi optycznej kamery na płaszczyznę XY;
• kąt skręcenia zdjęcia χ. Jest to kąt zawarty między prostą największego spadku v'v' a dodatnim kierunkiem osi y', mierzony w płaszczyźnie zdjęcia, w kierunku zgodnym z ruchem wskazówki zegara.
26. WARUNEK KOLINEARNOŚCI
Zdjęcie w położeniu pozytywowym
Wektor rb - wektor obrazowy wychodzący ze stanowiska naświetlenia zdjęcia D do pkt obrotu b
Wektor Rb - wektor przedmiotowy wychodzący ze stanowiska środka rzutów O do pkt przedmiotu B
Wektory te są kolinearne tzn jeden jest skalarny wielokrotnością drugiego, zatem rb = k Rb gdzie k jest skalarem( współczynnikiem skali) równym stosunkowi IrbI : IRbI .Punkt przedmiotu B, środek rzutów O i pkt obrazu b leżą na jednej prostej. Warunek ten może być zakłócony, gdyż zniekształcenie obrazu spowodowane dystorsją obiektywu, refrakcją atmosferyczną itp mogą spowodować odchylenie promienia od kolinearności - można je wyeliminować za pomocą poprawek.