НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ОПОРНЫЙ ПУНКТ

Полезная модель относится к фотограмметрии, точнее, к устройствам для обеспечения искусственно создаваемых опорных пунктов, используемых для фотограмметрической привязки снимков земной поверхности к абсолютным (геодезическим) системам координат. Полезная модель может быть использована для создания опорных пунктов перед выполнением залета.
Современная технология фотограмметрической обработки аэро- и космофотоснимков земной поверхности включает в себя этан внешнего ориентирования снимков, требующий приписывания опорным точкам на снимке реальных абсолютных координат. В большинстве случаев опорные точки на снимках определяются оператором или автоматически при фотограмметрической обработке снимков таким образом, чтобы им соответствовали реальные объекты на местности, координаты которых определяются геодезистами путем топографической съемки. Однако в некоторых случаях, когда снимаемый район содержит мало естественных ориентиров (например, в районах Крайнего Севера, Антарктиды, пустынь), необходимо создавать дополнительные нестационарные опорные пункты непосредственно перед выполнением залета [S.Shull, D.A.Bulthuis. A Methodology for Mapping Current and Historical Coverage of Estuarine Vegetation with Aerial Photography and Arc View // Padilla Bay National Estuarine Research Reserve technical Report No. 26 // http://www.padillabay.gov/GIS/pdfs/METHODS_RPT-smaller4.pdf], [Becker J. High resolution aerial and field mapping of thermal features in Ragged Hills, Yellowstone National Park // FOG, Vol.11, September 2004 // http://www.geo.tu-freiberg.de/fog/FOG_Vol_11_s.pdf], [B.Slot. Kite aerial photography: A low cost remote sensing tool for ecological research? //http://scripties.fwn.eldoc.ub.rug.nl/FILES/scripties/ Biologie/Master/2007/Slot.B./Biol_Ma_2007_BSlot.CV.pdf], [James M Boyden. Airborne multi-spectral video remote sensing for mine-site rehabilitation assessment using ecosystem function analysis: development of an operational monitoring protocol for the alligator rivers region, northern territory. A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements for the degree of Graduate Diploma in Natural Resource Management University of New England, 2001 // http://www.environment.gov.au/ssd/publications/ir/pubs/ir367.pdf], [Evaluating Cumulative Ecosystem Response to Restoration Projects in the Columbia River Estuary, Annual Report 2004 // http://cerc.labworks.org/2008/presentations/cumulative_effects_2004_final.pdf], [Brimer, Baas. Hydrogeological and Hydrochemical Investigations in West Nymph Creek Thermal Area, Yellowstone National Park, USA // http://geoleoedocs.sub.uni-goettingen.de:8080/dspace/bitstream/gledocs-68/1/FOG_Vol_13.pdf]. При этом в случае мелкомасштабной съемки размер нестационарных опорных пунктов может достигать десятков метров, и их установка на местности представляет собой процесс, требующий значительных трудовых затрат. Поэтому актуальной проблемой является разработка конструкций нестационарных опорных пунктов, которые обеспечивали бы возможность их установки на местности с минимальными затратами.
В англоязычной литературе для указания нестационарных опорных пунктов используется несколько терминов: ground control point (GCP), ground control marker, photogrammetry target, aerial panel, ground reference point.
В патенте US 6,415,734 предложена наземная маркирующая полоса с высокой видимостью, используемая при фотограмметрическом отображении земли, которая включает в себя основной корпус из относительно тонкого легкого гофрированного картона, длина которого значительно больше ширины. В центре (по длине и по ширине) полосы сформировано отверстие, и полоса складывается в гармошку для компактного хранения и последующей установки. Более специфические реализации изобретения включают в себя продольные и поперечные перфорации позволяют расщеплять полосу на меньшие части, когда для каких-либо определенных приложений не требуется полная длина и полная ширина. При установке полосы ее концы вытягиваются вовне от центральной точки маркера и крепятся к земле, так что чередующимся образом согнутые секции расходятся под заранее определенными углами к плоскости земли. Это усиливает видимость полосы с воздуха под разными углами и при разных условиях освещения. Две такие полосы могут крестообразно накладываться одна на другую, образуя стандартный геодезический крест, используемый в качестве нестационарного опорного пункта. При этом обе такие полосы могут переноситься в обычной сумке геодезиста. В зависимости от природы географических особенностей местности, окружающей нестационарный опорный пункт, на землю может класться та или другая сторона.
В патенте US 6,487,517 предложена мишень для фотограмметрической системы аналитических измерений, включающая в себя:
первую планку и вторую планку, соединенные в смежных концевых частях;
указывающие детали, которые могут распознаваться на фотоснимке камерой, расположенные на первой и второй планках так, чтобы определять единственную плоскость;
корпус, в котором располагаются датчики для определения данных, используемых для вычисления фотографического положения указанной камеры, расположенный на первой планке или второй планке вблизи указанных смежных концевых частей;
петлевую антенну, которая передает данные, обнаруженные указанными датчиками, на внешнее устройство;
выступающая часть, в которой находится указанная петлевая антенна и которая помещается на указанный корпус на стороне, в которой упомянутые указывающие детали помещены на первую и вторую планку, причем между первым расстоянием К1 и вторым расстоянием 1<2 имеет место соотношение K2/K1<tg 8°, где первое расстояние К1 - это расстояние вдоль указанной единственной плоскости между первой указывающей деталью, расположенной вблизи соединенных концевых частей, и указанной выступающей частью, а К2 - расстояние между верхней поверхностью указанной выступающей части и указанной единственной плоскостью вдоль направления перпендикуляра к указанной единственной плоскости.
В патенте US 6,717,683 предложена мишень для фотограмметрического аналитического измерения, где при указанном фотограмметрическом аналитическом измерении мишень фотографируется с объектом камерой, имеющая стандартные точки, которые ясно распознаются на фотоснимке, и выполняется вычисление положений указанной камеры при фотографировании путем определения позиционного соотношения для каждой из указанных стандартных точек на указанном фотоизображении, включающая в себя:
первую стандартную точечную деталь, определяющую первую стандартную точку, входящую в указанные стандартные точки;
вторую стандартную точечную деталь, определяющую вторую стандартную точку, входящую в указанные стандартные точки;
третью стандартную точечную деталь, определяющую третью стандартную точку, входящую в указанные стандартные точки;
вспомогательные точечные детали, соответственно определяющие вспомогательные точки, которые ясно распознаются на фотоснимке, где расстояния между всеми из указанных первой стандартной точкой, второй стандартной точкой и третьей стандартной точкой являются заранее определенными, причем первая прямая линия, соединяющая первую стандартную точку и вторую стандартную точку, и вторая прямая линия, соединяющая вторую стандартную точку и третью стандартную точку, расположены под заранее определенным углом, и на указанных первой прямой линии и второй прямой линии расположены по крайней мере по одной из указанных вспомогательных точек.
Фотограмметрические мишени, описанные в последних двух указанных патентах, могут складываться в линейную конфигурацию и переноситься за ручку, расположенную в центре по длине сложенной конфигурации. Недостатком этих двух последних технических решений является то, что для измерений используется только очень небольшая площадь фотограмметрической мишени, составляющая верхнюю поверхность L-образной конфигурации из двух планок.
В [S.Shull, D.A.Bulthuis. A Methodology for Mapping Current and Historical Coverage of Estuarine Vegetation with Aerial Photography and ArcView // Padilla Bay National Estuarine Research Reserve Technical Report No. 26 // http://www.padillabay.gov/GIS/pdfs/METHODS_RPT-smaller4.pdf] описаны наземные контрольные маркеры с двумя пластиковыми барабанами объемом 55 галлонов, соединенными поливинилхлоридной трубкой. Недостатком этой конструкции является ее громоздкость и неприспособленность к транспортировке одним геодезистом.
В [Becker J. High resolution aerial and field mapping of thermal features in Ragged Hills, Yellowstone National Park // FOG, Vol.11, September 2004 // http://www.geo.tu-freiberg.de/fog/FOG_Vol_11_s.pdf, фиг.4.13] показан нестационарный опорный пункт (ground control point), представляющий собой крест с подложенной под него алюминиевой фольгой, которая фиксируется на земле путем придавливания камнями по периметру. Недостатком этой конструкции является необходимость использования камней для фиксации листа алюминиевой фольги и необходимость наступать на этот лист при измерении координат центра опорного пункта, если его размеры достаточно велики. Аналогичная конструкция нестационарного опорного пункта показана в [James M Boyden. Airborne multi-spectral video remote sensing for mine-site rehabilitation assessment using ecosystem function analysis: development of an operational monitoring protocol for the alligator rivers region, northern territory. A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements for the degree of Graduate Diploma in Natural Resource Management University of New England, 2001 // http://www.environment.gov.au/ssd/publications/ir/pubs/ir367.pdf].
В [Final Report: SERDP SI-1260 Detection and Identification of Archaeological Sites and Features Using Radar Data // http://www.serdp.org/content/download/7198/92617/file/SI-1260-FR.pdf, п.2.2.2] описываются наземные контрольные точки, создаваемые квадратом из мелкой проволочной сетки, которая использовалась ботаниками San Clemente Island для защиты посевов от поедания животными, имеющие конфигурацию в форме восьмерки из колючей проволоки, оставшейся от учений US Marine Corps в области старого аэродрома на острове.
В [W.A.Take, M.J.Chappel, R.W.I.Brachman and R.К.Rowe. Quantifying geomembrane wrinkles using aerial photography and digital image processing // Geosynthetics International, 2007, 14, No. 4 // http://www.geoeng.ca/Directory/kerry%20Pub/Take%20et%20al%20%20GI%202007.pdf] описан наземный нестационарный опорный пункт, создаваемый нанесением маркировки 'X' и алфавитно-цифровой метки координат решетки на геомембрану with a grease pencil через каждые 10 м вдоль каждого шва геомембраны. Эти рулоны геомембран имеют ширину 6,8 м. The as-seamed width between seams обычно находятся в диапазоне от 6,5 до 6,6 м. Таким образом, получается решетка наземных контрольных пунктов с номинальными расстояниями 10 м × 6,5 м (т.е. типичная минимальная ширина сшитого рулона). Пример наземного контрольного пункта показан на увеличенной фотовставке на фиг.3. При поле зрения примерно 35 м × 25 м выбранное расстояние между наземными контрольными пунктами гарантирует, что на каждом аэрофотоснимке будет не менее 10 наземных контрольных пунктов.
В [http://eprints.usq.edu.au/4225/1/Newman_2007.pdf (фиг.10)] показан наземный нестационарный опорный пункт, представляющий собой квадратный лист материала, на который нанесено изображение креста и дополнительные изображения, которые могут использоваться для автоматического определения центра опорного пункта при обработке снимка.
Недостатком этих технических решений является невозможность менять изображение на поверхности опорного пункта, что в ряде случаев может оказаться необходимым, например, при съемке одной и той же местности с разным масштабом съемки или при использовании нескольких различных типов съемки (фотографической, радиолокационной и т.д.) для съемки одного и того же участка земной поверхности. Кроме того, в случае использования опорного пункта при проведении космической съемки размер опорного пункта может достигать нескольких метров. и для определения координат опорного пункта геодезист вынужден вставать на поверхность опорного пункта, что может приводить к ухудшению качества его поверхности, особенно при проведении работ по установке опорных пунктов в дождливую погоду.
С учетом сказанного, актуальной является задача разработки нестационарного опорного пункта, предназначенного для фотограмметрической привязки снимков земной поверхности к абсолютным (геодезическим) системам координат, который был бы компактным при переноске, удобным при установке и позволял бы легко менять изображение на поверхности опорного пункта, а также обеспечивал бы возможность геодезической съемки координат центра опорного пункта без необходимости вставать на поверхность опорного пункта..
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что нестационарный опорный пункт включает в себя:
топологически тороидальный корпус, который представляет собой камеру, выполненную из одной или нескольких деталей из упругого эластичного материала, и который при хранении является плоским, а при эксплуатации имеет топологически тороидальную форму за счет заполнения внутренностей камеры рабочим веществом;
средства для обеспечения возможности накачивания указанных камер с целью создания избыточного давления на внутренние поверхности камер;
средства для выпускания рабочего вещества из камер с целью придания им плоской формы;
плоскую накладку с изображением, позволяющим определять координаты центра изображения опорного пункта на фотоснимке, где накладка имеет форму, соответствующую форме тороидальной камеры и съемно крепится по своему периметру к указанной тороидальной камере.
Это обеспечивает достижение основных технических результатов, состоящих в компактности нестационарного опорного пункта при переноске, удобстве при установке его на местности, в возможности легко менять изображение на его поверхности и в возможности определять координаты центра опорного пункта, не вставая ногами на его поверхность.
В качестве рабочего вещества может использоваться воздух или другой газ, которым накачивается тороидальная камера. При этом обеспечивается растяжение тороидальной камеры в радиальном направлении, что, в свою очередь, обеспечивает натяжение плоской накладки с изображением и тем самым практически исключает ее провисание.
Дополнительно нестационарный опорный пункт может содержать несколько надувных цилиндрических камер, проходящих радиально, соединенных вместе в центре и прикрепленных своими дистальными концами к указанной тороидальной камере. Это обеспечивает более надежное обеспечение отсутствия провисания указанной плоской накладки с изображением миры. Число таких надувных цилиндрических камер может быть равно, например, 2, 3, 4, 6 или 8. Эти цилиндрические камеры могут быть соединены друг с другом в центре нестационарного опорного пункта путем склеивания смежных поверхностей. Альтернативно, нестационарный опорный пункт может содержать в центральной части надувной тор, обеспечивающий соединение радиально проходящих надувных цилиндрических камер вместе в центре за счет прикрепления концов указанных цилиндрических камер к указанному тору.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, где:
Фиг.1. Нестационарный опорный пункт круглой формы.
Фиг.2. Нестационарный опорный пункт квадратной формы.
Фиг.3. Нестационарные опорные пункты с радиальными цилиндрическими камерами.
Фиг.4. Определение координат центра опорного пункта.
Осуществление полезной модели
Как показано на фиг.1, 2, нестационарный опорный пункт включает в себя топологически тороидальный корпус 1, который представляет собой камеру, выполненную из одной или нескольких деталей из упругого эластичного материала. В качестве материала для изготовления камер корпуса 1 может использоваться, например, резина, прорезиненная ткань (капрон, лавсан и т.п.) или ткань с НВХ-покрытием. Корпус 1 может состоять из одной детали тороидальной формы или может быть составлен из нескольких цилиндрических деталей, например, из шестнадцати, соединенных так, чтобы образовать единую цилиндрическую камеру, как показано на фиг.1. При хранении корпус 1 является плоским, причем возможность плоской укладки корпуса обеспечивается эластичностью материала, или дополнительно может быть свернут в компактную упаковку. При эксплуатации корпус имеет топологически тороидальную форму за счет заполнения внутренностей камеры рабочим веществом, в качестве которого используется воздух или другой газ.
Конкретная геометрическая форма корпуса 1 может выбираться в зависимости от приложения. Например, на фиг.1 показан нестационарный опорный пункт круглой формы, на фиг.2 показан нестационарный опорный пункт квадратной формы. В обоих случаях корпус 1 является топологически тороидальным, т.е. гомеоморфным тору.
Каждая из камер корпуса снабжена средством 2 для обеспечения возможности накачивания указанной камеры с целью создания избыточного давления на внутреннюю поверхность камеры, а также средством 3 для выпускания рабочего вещества из камеры с целью придания ей плоской формы. Для накачивания камеры может использоваться ниппельный клапан, установленный в стенке каждой камеры, к которому подсоединяется насос или баллон со сжатым газом. В качестве средства для выпускания рабочего вещества из камеры может использоваться клапан или вентиль. Средство 2 для обеспечения возможности накачивания камеры может быть совмещено со средством 3 для выпускания рабочего вещества из камеры. Дополнительно в корпусе может иметься предохранительный клапан для удаления избытка газа при значительном повышении температуры.
Контрастное изображение с четко определяемым центром нанесено на плоскую накладку 4, имеющую форму, соответствующую форме тороидальной камеры и съемно крепящуюся по своему периметру к указанной тороидальной камере. В качестве материала для плоской накладки 4 может использоваться, например, ткань или пленка. Крепление плоской накладки 4 к корпусу 1 может осуществляться, например, с помощью липучки VELCRO™, люверсов и т.п.
На фиг.3 показаны примеры нестационарных опорных пунктов (без плоской накладки) с дополнительными радиальными надувными цилиндрическими камерами 5. Число надувных цилиндрических камер может быть равно, например, 2, 3, 4, 6 или 8, причем чем больше число таких радиальных камер, тем надежнее обеспечивается отсутствие провисания плоской накладки 4. Как показано на фиг.3, цилиндрические камеры могут быть соединены друг с другом в центре нестационарного опорного пункта путем соединения смежных поверхностей, или нестационарный опорный пункт может дополнительно содержать в центральной части надувной тор 6, обеспечивающий соединение радиально проходящих надувных цилиндрических камер вместе в центре за счет прикрепления концов указанных цилиндрических камер к указанному тору. Наличие надувного тора 6 обеспечивает возможность установки в центре нестационарного опорного пункта геодезических приборов, необходимых для определения точных координат нестационарного опорного пункта.
На фиг.4 показан способ определения координат опорного пункта. Для определения координат опорного пункта отсоединяют плоскую накладку от тороидальной камеры, что обеспечивает возможность геодезисту стать на земле вблизи центра тороидальной камеры, чтобы определить геодезические координаты центра опорного пункта с помощью GPS-приемника, теодолита или других средств, как показано на фиг.4. После того, как будут определены координаты опорного пункта, к тороидальной камере пристегивают плоскую накладку, и тем самым получают собранный нестационарный опорный пункт, для которого известны геодезические координаты его центра.