1. projektowanie zdjęć lotniczych

Podstawą do wykonania zdjęć lotniczych jest projekt lotu, zawierający szczegółowe

dane dotyczące lotu fotogrametrycznego. Zawiera on obliczone parametry lotu (część

obliczeniowa) oraz mapę topograficzną, na której zaznaczony jest przebieg osi lotu (część

graficzna).

Dla wykonania projektu niezbędne są następujące dane wejściowe:

• skala mapy dla sporządzenia której mają być wykonane zdjęcia lotnicze [1:m ],

m

• wniesiony na mapę topograficzną obrys terenu podlegającego opracowaniu wraz z

układem sekcyjnym mających powstać arkuszy map,

• rodzaj opracowania fotogrametrycznego (metoda jednoobrazowa lub opracowanie

stereoskopowe zdjęć),

• typ kamery, którą będą wykonywane zdjęcia,

• prędkość robocza samolotu przenoszącego kamerę [V], oraz

• wysokość bezwzględna lotniska, z którego będzie startował samolot [H].

W następnej kolejności, w wyniku analizy danych wejściowych, określa się:

• rodzaj stożka kamery lotniczej [c ]. kąt rozwarcia obiektywu kamery lotniczej (rodzaj stożka) jest dobierany w zależności od występujących deniwelacji terenu lub zróżnicowania wysokościowego fotografowanych obiektów. Ogólna zasada jest taka, że im większe różnice wysokości w terenie (tereny górzyste) lub zróżnicowanie wysokościowe obiektów (tereny miejskie o wysokiej zabudowie), tym mniejszy musi być kąt rozwarcia kamery (dłuższa stała kamery c ).

• pokrycie podłużne [p] i poprzeczne [q] zdjęć.

Pokryciem zdjęć nazywamy część wspólną kolejnych zdjęć w szeregu (pokrycie podłużne) oraz część wspólną zdjęć leżących w sąsiednich szeregach (pokrycie poprzeczne). Minimalne pokrycie podłużne dla zdjęć dwuobrazowych wynosi p= 60%, pokrycie poprzeczne q= 25-30%

• skalę wykonywanych zdjęć [1:m ].

W zależności od skali mapy skalę zdjęcia można wyznaczyć na podstawie empirycznego wzoru Grubera: m = C m ; gdzie: C -współczynnik empiryczny (w zależności od skali mapy przyjmuje wartość od 100-500)

mz- mianownik skali zdjęcia

mm- mianownik skali mapy

• kierunek lotu.

Najczęściej projektuje się loty fotogrametryczne w kierunkach równoleżnikowych (W-E) i południkowych (N-S). Związane jest to głównie z układem państwowym współrzędnych geodezyjnych w którym trzeba wykonać mapę i kształtem ramki sekcyjnej tej mapy.

• wysokość lotu ponad poziom lotniska [H].

• odstęp między osiami szeregów [A].

• długość bazy [B].

• ilość szeregów zdjęć

• ilość zdjęć w szeregach [n ] i w całym bloku [N ],

• długość filmu niezbędnego do wykonania wszystkich zdjęć [L ]

• powierzchnię stereogramu [P ] i powierzchnię użyteczną stereogramu [P].

• interwał czasu pomiędzy wykonaniem kolejnych zdjęć [t].

• maksymalny dopuszczalny czas ekspozycji

• Dokładno a'priori opracowania dwuobrazowego projektowanych zdjęć [M , M ]

2. Wykonawstwo zdjęć lotniczych

Zdjęcia lotnicze w celach pomiarowych wykonuje się kamerą pomiarową zainstalowaną na pokładzie samolotu. Kamera taka jest umieszczona nad wyciętym w podłodze samolotu otworem na specjalnym podwieszeniu amortyzującym drgania kadłuba. Zdjęcie fotogrametryczne powinno być wykonywane przy osi kamery o orientacji zbliżonej do pionowej. Cały opracowywany obszar pokrywany jest zdjęciami prawie pionowymi. Następuje to w pewnym ustalonym porządku. Jeżeli obszar ma regularne kształty to jest pokrywany równoległymi do siebie szeregami zdjęć o orientacji wschód-zachód lub rzadziej północ- południe. Szereg zdjęć uzyskuje się w ciągu jednego przelotu nad terenem. Zdjęcia w szeregu wykonuje się z taką częstotliwością, aby zasięgi terenowe sąsiednich zdjęć pokrywały się częściowo. Mówi się o tzw. Pokryciu podłużnym zdjęć p określającym w procentach pokrycie sąsiednich zdjęć w szeregu. Oprócz pokrycia podłużnego wyróżnia się pokrycie poprzeczne q określające procentowe pokrycie sąsiednich szeregów. Po wykonaniu pierwszego szeregu zdjęć, samolot wykonuje nawrót i wchodzi w linię nalotu drugiego szeregu. Tak więc zdjęcia wykonuje się w dwóch kierunkach. Wszystkie zdjęcia potrzebne do opracowania mapy danego obszaru są nazywane zespołem zdjęć.

3. Martwe pola

Z wyboru kąta rozwarcia obiektywu wiąże się problem tzw. Martwych pół i stosunku bazowego. Martwe pola są fragmentami terenu zasłoniętymi przez przeszkody. Wielkość tych pół zależy od wysokości przeszkody i kąta rozwarcia obiektywu.

4. Stosunek bazowy

To stosunek długości bazy (Th odległości sąsiednich miejsc fotografowania) do wysokości samolotu.

5 Układ współrzędnych tłowych zdjęcia

Ortogonalny rzut środka rzutów na płaszczyznę obrazowaną tworzy punkt główny O' zdjęcia. Położenie tego punktu wyznaczają dwie współrzędne xo, yo w prostokątnym układzie współrzędnych tłowych zdjęcia. Układ współrzędnych tłowych jest materializowany przez tzw znaczki tłowe znajdujące się w ramce tłowej kamery i zawsze obfotografowywane na zdjęciu. Położenie punktu głównego- dane przez jego współrzędne tłowe xo, yo oraz odległość obrazowa ck są tzw. Elementami orientacji wewnętrznej kamery. Pozwalają one jednoznacznie odwzorować położenie środka rzutów względem zdjęcia a więc zrekonstruować wiązki promieni dla danego zdjęcia.

6. Elementy orientacji wewnętrznej zdjęcia

Elementy orientacji wewnętrznej zdjęcia:

- odległość obrazu, ogniskowa obiektywu CK

- układ współrzędnych tłowych ( znaczki tłowe)

- punkt główny zdjęcia

- współrzędne punktu głównego w układzie tłowym

- dystorsja radialna i tangencjonalna

Jak wynika z teorii rzutu środkowego, dla zrekonstruowania wiązki promieni rzucających niezbędna jest znajomość położenia punktu głównego O' i jego odległości obrazowej OO' Dane te nazywa się w fotogrametrii elementami orientacji wewnętrznej (zdjęcia pomiarowego lub kamery pomiarowej). Ich znajomość umożliwia rekonstrukcję wiązki promieni, które naświetliły zdjęcie (zbiór odwzorowanych punktów). Aby możliwe by o jednoznaczne określenie elementów orientacji wewnętrznej, każda kamera pomiarowa jest wyposażona w znaczki t owe: 4 (lub 8). Znaczki tłowe są rozmieszczone w taki sposób, aby przecięcia prostych łączących przeciwległe znaczki wyznaczały punkt główny. Ponieważ mechaniczna precyzja takiego wyznaczenia jest niewystarczająca, położenie punktu głównego O' w układzie wyznaczonym przez znaczki tłowe określają dwie współrzędne xo, zo ( xo, yo) Wyznaczanie elementów orientacji wewnętrznej (obejmujące także określanie parametrów dystorsji) nazywamy kalibracją kamery.

7. Elementy orientacji zewnętrznej zdjęcia

- położenie środka rzutów Xs, Ys, Zs

- elementy katowe v, k ,a

Dla opracowania stereoskopowego Xs, Ys, Zs, w, f, k

Przestrzenne usytuowanie kamery pomiarowej określają elementy orientacji zewnętrznej. Należą do nich współrzędne terenowe środka rzutów Xo, Yo, Zo oraz trzy kąty w, f, k Znajomość tych elementów pozwala odtworzy przestrzenne usytuowanie zrekonstruowanych wiązek promieni (które uczestniczą w fotogrametrycznym wcięciu w przód). Wymienione kąty mają swoje nazwy i można je zdefiniować .

Dla zdjęcia naziemnego: w- kąt nachylenia osi kamery (pionowy), f - kąt zwrotu - kąt poziomy określający kierunek osi kamery (względem bazy lub innego znanego kierunku),

k - kąt skręcenia (ramki tłowej) - niepoziomowość linii łączącej boczne znaczki tłowe.

Dla zdjęć lotniczych:

w - kąt nachylenia poprzecznego, f - kąt nachylenia podłużnego, k- kąt skręcenia.

8. Kąt widzenia kamery 23/23 cm)

Kamery normalnokątne 300mm

Kamery szerokokątne 152mm

Kamery nadszerokokatne 88mm

Płaskie odkryte tereny rolnicze należy fotografować kamerą szeroko- czy nadszerokokątną, a tereny miejskie o zwartej, wysokiej zabudowie, podobnie jak tereny górskie, kamerą normalnokątną.

9. Dystorsja

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. Charakter i wielkość dystorsji zależą od konstrukcji obiektywu.

Dystorsja obiektywu powoduje, że wiązka promieni skupiona w przedmiotowym punkcie

węzłowym obiektywu Op nie jest identyczna z wiązką wychodzącą z obrazowego punktu węzłowego obiektywu Ot

10. Dystorsja radialna

W przypadku obiektywu bezbłędnie scentrowanego, przy ścisłej prostopadłości

płaszczyzny tłowej do osi optycznej obiektywu, mamy do czynienia z dystorsją radialną -

symetryczną względem punktu g łównego O'. Oznacza to, że wszystkie punkty odwzorowane w takiej samej odległości (r) od O' są przesunięte radialnie o taką samą wielkość - dr Kątowa wartość dystorsji radialnej , będąca różnicą między kątem a- odchylenia promienia

wchodzącego do obiektywu od osi optycznej i kątem a ` - odchylenia promienia wychodzącego, jest wielkością sta dla danego obiektywu i danego kąta W płaszczyźnie tłowej można zaobserwować liniową wielkość dystorsji d r

11. niepłaskość emulsji

Jeżeli emulsja odstaje od płaszczyzny ramki tłowej o wielkość u, to promień zamiast być odwzorowany w punkcie a' płaszczyzny tłowej w odległości r' od punktu głównego, utworzy obaz w punkcie a na powierzchni emulsji. Dalszemu pomiarowi podlega punkt a” będący rzutem ortogonalnym obrazu a na płaszczyznę. W wyniku niepłaskości emulsji następuje radialne przesunięcie punktów zdjęcia względem ich położenia zgodnego z zasadą rzutu środkowego.

12. Refrakcja atmosferyczna

Atmosfera nie jest jednorodnym środowiskiem optycznym. Promienie świetlne tworzące obraz fotograficzny nie rozchodzą się po liniach prostych lecz załamują się. Na zdjęci pionowym obraz terenowego punktu A zamiast w punkcie a' jak wynikałoby z rzutu środkowego- utworzy się w punkcie a przesuniętym radialnie o wartość br. Kątowa wartość tego przesunięcia jest refrakcją atmosferyczną.

13. Krzywizna Ziemi

Zakrzywienie Ziemi nie powoduje zniekształceń wiązki perspektywicznej Ponieważ jednak współrzędne geodezyjne SA odniesione do przyjętej płaszczyzny odwzorowawczej, zatem przy określeniu współrzędnych terenowych na podstawie zdjęć lotniczych fakt zakrzywienia Ziemi powinien być uwzględniony. 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. Wpływ krzywizny Ziemi jest wprost proporcjonalny do wysokości fotografowania i odwrotnie proporcjonalny do odległości obrazu.

14. Fotogrametria naziemna

Ten dział fotogrametrii jest określany jako fotogrametria nietopograficzna czy bliskiego zasięgu. Przedmiotem opracowania może tu być pomiar położenia, kształtu, deformacji czy ruchu różnych naziemnych obiektów i konstrukcji. Przestrzenne opracowanie pojedynczego stereogramu zdjęć naziemnych- zdjęcia wykonuje się z dwóch stanowisk naziemnych- tworząc bazę stereogramu- specjalnymi kamerami ustawionymi na stabilnych statywach. Daje to możliwość nadania kamerze pomiarowej założonej orientacji względem fotografowanego obiektu i bazy fotografowania. Fotograficzne opracowanie obiektów naziemnych w większości przypadków sprowadza się do opracowania pojedynczego lub kilku stereogramów. Przy projektowaniu opracowania należy zaprojektować położenie stanowisk i orientację kamery względem obiektu oraz rozmieszczenie punktów osnowy pomiarowej na obiekcie.

15. Zasięg stereogramu

Zasięg zdjęć ograniczony jest poziomym i pionowym kątem widzenia kamery. Z wyborem stanowisk kamery wiąże się zasięg stereogramu. Jest to ta część obiektu, która jest odfotografowana na obu zdjęciach, a więc możliwa do dalszego przestrzennego opracowania. Pionowy zasięg stereogramu pokrywa się z pionowym zasięgiem kamery, a zasięg poziomy zależy od poziomego zasięgu kamery, długości bazy, jej orientacji względem obiektu i orientacji osi zdjęć.

16. metoda obserwacji stereoskopowych

Stereoskopia jest wręcz nieodzowna przy fotogrametrycznym wcięciu w przód punktów niesygnalizowanych, z czym mamy do czynienia w trakcie autogrametrycznego opracowywania map. Niezbędna jest wtedy bezustanna (ciągła) identyfikacja - na dwu zdjęciach - obrazów tego samego punktu. Jest to możliwe dzięki wrodzonej zdolności oczu ludzkich, nazywanej zdolnością stereoskopowego widzenia. Dla uzyskania efektu stereoskopowego układamy zdjęcia pod stereoskopem zwierciadlanym w ten sposób aby odległość pomiędzy jednoimiennymi punktami wynosiła ok. 25 cm. Oczywiście lewe zdjęcie pod lewym lustrem i odpowiednio prawe pod prawym. Następnie zdjęcia skręcamy w ich płaszczyźnie oraz przesuwamy w kierunku prostopadłym do bazy obserwacyjnej, aby wyeliminować paralaksę poprzeczną. W rezultacie po doprowadzeniu promieni rdzennych do równoległości z bazą obserwacyjną uzyskujemy efekt stereoskopowy.

Obserwowane zdjęcia powinny zajmować takie położenie (przestrzenne), jakie zajmowały w momencie fotografowania. Taki sposób odtworzenia przestrzennego ułożenia fotogramów jest realizowany w autografach analogowych, których konstrukcja umożliwia odpowiednie nachylanie o kąty i skręcenie obserwowanych zdjęć oraz wzajemne oddalenie zdjęć o składowe bazy W przypadku obserwacji fotogramów ułożonych płasko oznacza to, że powinny one zostać tak skręcone, aby promienie rdzenne - ślady płaszczyzn rdzennych na zdjęciach - tworzyły jedną prostą. Po spełnieniu powyższych warunków możemy obserwować przestrzenny model stereoskopowy sfotografowanego przedmiotu.

Zasada pomiaru stereoskopowego

Zasadniczym celem obserwacji zdjęć na instrumentach fotogrametrycznych jest wyznaczenie położenia punktów na zdjęciach bądź na zrekonstruowanym modelu przestrzennym obiektu. W płaszczyźnie obserwacyjnej zdjęć umieszczone są identyczne w kształcie i rozmiarach znaczki materialne. Znaczki te mogą się poruszać względem obserwowanych zdjęć. Jeżeli w wyniku tych ruchów znaczki pomiarowe znajdują się na odpowiadających sobie obrazach tego samego punktu, to obserwator będzie widział jeden znaczek przylegający do obserwowanego stereoskopowo punktu. Drobne zmiany położenia jednego ze znaczków w kierunku bazy obserwacyjnej będą wywoływały efekt oddalania lub przybliżania się znaczka do obserwatora. Zastosowanie śrub pomiarowych o odpowiednim interwale do realizacji ruchów znaczka względem obserwowanych zdjęć umożliwia wykonywanie pomiaru na tych zdjęciach.

17. Stereoskop mostkowy

Stereoskop mostkowy jest przeznaczony do polowej obserwacji stereogramów w

trakcie konfrontacji zdjęć z terenem. Wchodzi w skład zestawów, które ułatwiają

dokonywanie polowego odczytania zdjęć , obieranie fotopunktów, uczytelnianie zdjęć itp.

Topograf (lub fotogrametra) zawiesza na szelkach przenośny pulpit, na którym układa zdjęcia

lotnicze, obserwując je pod stereoskopem w trakcie obchodu terenu.

18. Stereoskop zwierciadlany

Stereoskop zwierciadlany jest przyrządem do kameralnej obserwacji stereogramów. Fotogramy ułożone płasko na stole powinny zostać zestrojone po bazie, co oznacza, że punkty główne obu zdjęć i ich obrazy na sąsiednich zdjęciach znajdą się na jednej prostej. Rozstaw zdjęć wynika z konstrukcji stereoskopu, ale powinno się dąży do tego, aby

odpowiadające sobie szczegóły były widoczne w środku pola widzenia każdego z

mikroskopów (ew. lup).

19. stereokomparator

Stereokomparator jest przeznaczony do pomiaru współ rzędnych tłowych na stereogramach pomiarowych. Na masywnej podstawie przemieszcza się wózek x-ów wraz z wózkiem paralaktycznym. W specjalnych, obrotowych nośnikach, umieszcza się fotogramy i

zestraja je, doprowadzając osie t owe zdjęć do równoległości względem prowadnic

stereokomparatora. Ze skal stereokomparatora można odczyta obie współrzędne tłowe zdjęcia lewego (x', z', lub x', y') i paralaksy: pod użną p = x' - x” oraz poprzeczną: q = z' - z”

(lub y' - y”). Fotogramy obserwuje się przez mikroskopy dające powiększenie 4x - 18x. W

układzie optycznym każdego mikroskopu znajduje się znaczek pomiarowy. Standardowy

stereokomparator (np. Steko 1818) pozwala uzyskiwać dokładność pomiaru rzędu 5 - 10 m.

20 stereokomparator precyzyjny

Stereokomparatory precyzyjne pozwalają na pomiar wszystkich mierzonych wielkości (x', y', p, q) z podobną dokładnością (rzędu 1 m). Są one wyposażone w urządzenia ułatwiające pracę i podwyższające dokładność : automatyczny rejestrator wyników pomiaru, silniczki przesuwające fotogramy, płynną zmianę jasności oświetlenia obrazu i znaczka pomiarowego; stwarzają możliwość wyboru powiększenia obrazów i doboru optymalnego znaczka itp. Do precyzyjnych pomiarów na pojedynczych fotogramach skonstruowano specjalny przyrząd - monokomparator. Umożliwia on pomiar współrzędnych tłowych z dokładnością wyższą od 1 m.

21 Idea analogowego opracowania pojedynczego stereogramu

Zasada wykonywania stereogramu zdjęć lotniczych

Z lecącego samolotu wykonuje się zdjęcie przestrzeni z dwóch punktów. Część obszaru odwzorowanego na zdjęciu pierwszym będzie również odwzorowana na zdjęciu drugim.

Opracowanie autogrametryczne

Otrzymane negatywy zdjęć zakładamy do dwóch projektorów. Jeżeli odległość obiektywów projektorów jest taka sama jak obiektywu kamery pomiarowej, a negatywy zdjęć są umieszczone w projektorach względem ich obiektywów tak jak w kamerze i są oświetlone od góry to wiązki promieni optycznych wychodzących z projektorów będą podobne do tych które były w przestrzeni w momentach fotografowania.

Załóżmy że znamy orientację kamery w obu momentach fotografowania, po trzy współrzędne środka rzutów i trzy kąty obrotu kamer wyrażone w zewnętrznym układzie współrzędnych. W pewnym przyjętym prostokątnym układzie współrzędnych X, Y, Z, nadajemy projektora taką orientację liniową i kątową jak znana orientacja kamery w momentach fotografowania, zmieniając jedynie odległość między projektorami do wartości będącej w przyjętej proporcji z odległością miejsc fotografowania. W takim położeniu wszystkie pary promieni homologicznych od jednoimiennych obrazów punktu przetną się. Miejsce geometryczne punktów przecięć odpowiednich par promieni utworzy model powierzchni terenu obfotografowanego na obu zdjęciach. Z geometrycznego punktu widzenia opracowanie fotogrametryczne sprowadza się więc do zasady „ podwójnej projekcji” tzw rekonstrukcji wiązek i przestrzennego wcięcia w przód z bazy projekcji. Jest to więc zadanie odwrotne do fotografowania.

22 Autografy

Autograf jest przyrządem automatyzującym i ułatwiającym opracowanie mapy na podstawie stereogramu. Ideę autografu najłatwiej jest wyjaśni , zestawiając rejestrację punktu na zdjęciach z rekonstrukcją pary promieni rzucających, które obrazy tego

punktu utworzyły - w autografie mechanicznym. W przyrządzie takim po osadzeniu

przestrzennego znaczka pomiarowego na jakimś szczególe modelu stereoskopowego,

metalowe wodzidła odtwarzają przestrzenne usytuowanie promieni, które wcześniej

utworzyły obrazy tego szczegółu na zdjęciu lewym i prawym.

Autograf analityczny

Autograf analityczny tworzą pracujące w sprzężeniu zwrotnym: jednostka mierząca („stereokomparator”) oraz komputer dużej mocy ze specjalistycznym oprogramowaniem; z tym zestawem sprzężony jest plotter i inne urządzenia peryferyjne. Operator przemieszcza przestrzenny znaczek pomiarowy ruchami 2 pokręteł ręcznych (X, Y), oraz tarczy nożnej (Z).

23 Aerotriangulacja blokowa

Aerotriangulacja sprowadza się do połączenia dużej liczby zdjęć ( bloku zdjęć złożonego z wielu szeregów) w jednolitą sieć geodezyjną, wyrażoną zwykle w zewnętrznym, przestrzennym układzie współrzędnych geodezyjnych. W procesie aerotriangulacji wyznacza się współrzędne punktów na każdym stereogramie w liczbie koniecznej do dalszego opracowania stereogramu, stad mówi się, że aerotriangulacja to kameralne zagęszczenie osnowy geodezyjnej. Właściwe wykonanie procesu aerotriangulacji powinno być poprzedzone etapem prac przygotowywawczych definiujących na zdjęciach punkty wiążące i przejściowe, których położenie w zewnętrznym układzie odniesienia zostanie określone w tym zadaniu. Proces aerotriangulacji w efekcie finalnym definiuje ma każdym stereogramie grupę punktów nowo wyznaczonych, dla których są określone współrzędne terenowe w układzie zdefiniowanym przez grupę punktów osnowy polowej. Jednocześnie wyznaczane SA elementy orientacji zewnętrznej zdjęć lub orientacji bezwzględnej modeli w bloku, które mogą być wykorzystywane Ne etapie rekonstrukcji modeli fotogrametrycznych przed procesem pomiaru. Dokładność w bloku można analizować niezależnie od dokładności sytuacyjnej i wysokościowej. Dokładność sytuacyjna dla kwadratowych bloków wyrażona jest wzorem ns*nm gdzie ns to liczba szeregów w bloku a nm to liczba modeli w szeregu. Dokładność spada znacznie wraz ze wzrostem rozmiarów bloku. Największe błędy występują na środkach brzegów bloku. Dokładność jest bliska dokładności budowy pojedynczego modelu. Dokładność aerotriangulacji z niezależnych modeli jest ok. 2 razy wyższa od aerotriangulacji z niezależnych modeli. Przy porównaniu obu metod należy więc dla analizy dokładności z niezależnych zdjęć przyjąć inną dokładność budowy poj. Modelu.

---