ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ И РАЗМЕРОВ ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PHOTOGRAMMETRIC METHOD OF MEASURING POSITION AND DIMENSIONS OF OBJECT AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области определения положения объектов при выполнении съемки как в оптическом диапазоне, так и в произвольном диапазоне электромагнитного излучения и может использоваться при создании фотосъемочной и радиолокационной аппаратуры и при фотограмметрической обработке результатов съемки.
Известен стереоскопический способ измерений отстояния объекта [2], выбранный в качестве аналога, включающий наведение оси наблюдений на объект, получение отображений объекта на плоскостях измерений, ортогональных оптическим осям, из центров двух идентичных оптических устройств, разнесенных на известной базе, проведение на плоскостях измерений через точки проекций оптических осей измерительных осей координат, параллельных базе, измерение положений граничных точек отображений объекта и вычисление расстояния до объекта, используя размер базы как опорный параметр.
Известен фотограмметрический способ измерений отстояния и размеров объекта, выбранный в качестве прототипа [1, 4], включающий наблюдение за объектом двумя оптическими устройствами с параллельными оптическими осями, обеспечивающими получение методом центрального проектирования двух отображений объекта на плоскостях измерений, установленных перпендикулярно оптическим осям, разнесенным на известной базе, проведение на плоскостях измерений через точки проекций оптических осей плоскостных измерительных осей координат, одна из которых параллельна базе, и измерение координат граничных точек отображений объекта на двух осях измерительных систем координат, по которым выполняют оценку отстояния и размеров объекта, используя расстояние от оптического устройства до измерительной плоскости как опорный параметр.
Известны аэрофотографические системы [2, 3], выбранные в качестве прототипа, состоящие из разнесенных на известной базе двух идентичных аэрофотографических аппаратов с измерительными плоскостями в виде матриц, расположенных в общей плоскости, стороны которых образуют параллельные измерительные системы координат, имеющие две совпадающие оси, параллельные базе, выход с осей матриц подключен к вычислителю.
Фотограмметрический способ определения отстояний объекта и его размеров и аэрофотографические системы, выбранные в качестве прототипа, имеют недостаточную точность и надежность, связанные как с влиянием резких изменений характера рельефа местности, так и с рефракцией, вызванной изменчивостью окружающей среды во времени и в пространстве. Однако основной причиной недостаточной точности и надежности является несоответствие метода «доставки» информации (метода центрального проектирования) методу ее расшифровки - обработки (методу параллельного проектирования). При использовании метода центрального проектирования плотность энергии, приходящейся на единичную поверхность, уменьшается с увеличением расстояния до приемника. При параллельном проектировании плотность энергии, приходящейся на единичную поверхность, с изменением расстояния не изменяется.
При использовании аэрофотографических систем проектирование наблюдаемых объектов выполняют методом центрального проектирования. В фотограмметрии для оценки отстояний и размеров объекта по фотоотображениям, полученным с двух оптических систем, разнесенных в пространстве на известные отстояния, измерения отображений выполняют на плоскости, используя параллельное проектирование в системе координат Гаусса. Составляют систему уравнений с 15 неизвестными, которые при введении определенных допущений сводятся к 7 неизвестным, используя элементы внешнего ориентирования снимков. Система решается итерационным путем, часто точность удовлетворяет предъявляемым требованиям, но в сложных условиях рельефа местности погрешность резко возрастает. При этом контроль полученных оценок выполняется только по результатам наземных измерений [1, 4]. Метод параллельного проектирования необходим для точного снятия информации с измерительных осей, но использование его геометрического аппарата для обработки ведет к необходимости итераций.
Целью заявляемого изобретения является повышение точности, оперативности и надежности, упрощение определения отстояния и размеров объекта по результатам фотограмметрических измерений и выполнение их обработки в процессе измерений.
Указанная цель достигается тем, что в известном фотограмметрическом способе измерений отстояния и размеров объекта, включающем наблюдение за объектом двумя оптическими устройствами с параллельными оптическими осями, обеспечивающими получение двух отображений объекта методом центрального проектирования на плоскостях измерений, установленных перпендикулярно оптическим осям, разнесенным на известной базе, проведение на плоскостях измерений через точки проекций оптических осей плоскостных измерительных осей координат, одна из которых параллельна базе, и измерение координат граничных точек отображений объекта на двух осях измерительных систем координат, по которым выполняют оценку отстояния и размеров объекта, используя расстояние от оптического устройства до измерительной плоскости как опорный параметр, дополнительно выделяют отображения сторон объекта по их одинаковой освещенности, измеряют и сравнивают размеры соответствующих сторон объекта, полученных на одинаковых осях координат, и выполняют геометрическую оценку отстояний объекта и его сторон в системе координат центрального проектирования.
Поставленная цель достигается также тем, что в известной аэрофотографической системе, состоящей из разнесенных на известной базе двух идентичных аэрофотографических аппаратов с измерительными плоскостями в виде матриц, расположенных в общей плоскости, стороны которых образуют параллельные измерительные системы координат, имеющие две совпадающие оси, параллельные базе, выход с осей матриц подключен к вычислителю, а аэрофотографическая система снабжена синхронизатором считывания информации с измерительных осей матриц и анализатором амплитуд освещенности одновременных измерений, подключенным к измерительным осям координат, выход анализатора подключен к вычислителю размеров объекта и его отстояний.
Пример выполнения заявляемого изобретения.
1
2
На фиг.1 показана аэрофотосъемочная аппаратура, состоящая из двух идентичных аэрофотографических аппаратов с центрами S и S, базы 2, измерительных плоскостей 3-1, 3-2 с синхронизатором, анализатора освещенности 4, вычислительного устройства 5.
1
2
1
2
Аэрофотографические аппараты с центрами S и S имеют систему объективов и матричные плоскости измерений 3-1, 3-2, ортогональные оптическим осям. Аэрофотографические аппараты с центрами S и S установлены на базе 2 так, что их оптические оси ортогональны базе, а матричные плоскости находятся в общей плоскости.
База 2 - устройство заданной длины d, обеспечивающее параллельное крепление на концах аэрофотографических аппаратов.
1
1
1
2
2
2
1
2
2
Стороны матричных плоскостей 3-1, 3-2 установлены параллельно и образуют параллельные плоскостные измерительные системы координат Г0Ω и Г0Ω, две совпадающие оси которых параллельны базе. На их основе строится общая измерительная система координат Г0Ω, связанная с проекцией центра базы на общую измерительную плоскость 3. Матричные измерительные плоскости 3-1, 3-2 обладают дискретностью (например, 25 точек на 1 мм) и преобразуют световое отображение объекта в дискретные электрические сигналы. На матричные плоскости проектируют отображения объектов и оптические оси объективов с центрами S и S.
Синхронизатор служит для синхронизации считывания информации по горизонтальным и вертикальным строкам с матричных плоскостей 3-1, 3-2. Электрические сигналы с матричных плоскостей 3-1, 3-2 поступают в соответствии с заданной дискретностью в анализатор освещенности 4.
1
2
1
2
1
1
1
2
2
2
Анализатор освещенности 4 состоит из трех осевых анализаторов: 4Г, 4Ω и 4ГΩ Осевые анализаторы 4Г, 4Ω и 4ГΩ выполнены в виде микропроцессоров, например, семейства AVR фирмы АТМЕС. Осевой анализатор 4Г сравнивает результаты одновременных измерений освещенностей по строкам осей координат Г и Г и выделяет участки с равными освещенностями. Осевой анализатор 4Ω сравнивает результаты одновременных измерений освещенностей по строкам осей координат Ω и Ω и выделяет участки с равными освещенностями. Осевой анализатор 4ГΩ сравнивает результаты измерений в точках пересечения информации по осям и проверяет равенство их освещенностей, выделяя участки равной освещенности на плоскости ГΩ. Информация о выделенных участках, соответствующих сторонам объекта в системах координат Г0Ω и Г0Ω, с осевого анализатора 4ГΩ поступает в вычислительное устройство 5.
Вычислительное устройство 5 выполнено в виде микропроцессора, который вычисляет отстояние L, по оси наблюдений Y, а затем и все другие необходимые параметры выделенного участка.
1
2
На фиг.1 приведен процесс пространственного центрального проектирования размеров произвольно расположенного объекта со сторонами B, D и H на плоскости измерений аэрофотографических аппаратов с центрами S и S. Объект со сторонами B, D и H расположен в произвольной системе координат xyz.
1
2
1
2
1Г
1Г
1Г
2Г
2Г
1Г
1
2
1Ω
2Ω
Лучи света, отраженные от объекта, имеющего размеры B, D, H, трансформируются в пространстве и, проходя через аэрофотографические аппараты с центрами S и S, проектируются на плоскости измерений 3-1, 3-2. Электрические сигналы, соответствующие площадям засветки матриц 3-1, 3-2, построчно снимаются с каждой пары параллельных осей с циклом, заданным синхронизатором, и поступают в анализатор 4. Анализатор 4Г для осей Г и Г выбирает участки, соответствующие одновременным измерениям и одинаковым уровням засветки, в результате чего образуется по каждой из осей ряд идентичных участков: например В, H, A и B, H, A, показанных на фиг.1. Аналогично работает анализатор 4Ω, который выбирает участки по осям Ω и Ω, например B, B. В точках пересечения выделенных участков уровень засветки должен быть одинаков, в этом случае размеры плоскостных линий фиксируются и поступают в вычислитель 5.
1
1Ω
1Г
1Ω
1Г
2
2Ω
2Г
1
1
1
2
2
2
В результате на плоскости измерений устройства S последовательно располагаются два отображения плоскостей объекта BD и ВН, связанных общими сторонами. Для уменьшения нагрузки на фиг.1 для оптического устройства с центром S показано только одно отображение ВD. Вычислитель 5 сравнивает получаемые проекции одинаковых сторон объекта на осях координат Г0Ω и Г0Ω, выбирая наиболее информативные, вычисляет отстояние и размеры объекта в общей системе координат Г0Ω.
1
2
Положение объекта и его отображений относительно центров проектирования S и S определяют две группы пирамид: пара «пирамид измерений», где фокусное расстояние f определяет внутреннее ориентирование, и пара «пирамид наблюдений», где отстояние L определяет внешнее ориентирование.
1H
2H
Пара «пирамид наблюдений» связана равенством объемов, так как они имеют равные высоты L и общее основание: V=V.
Для одного фотоаппарата «пирамиды измерений и наблюдений» связаны свойством подобия при параллельности осей измерений Г и Ω осям положения объекта: например x и y. То есть:
1H
1И
2H
2И
V≡V; V≡V.
Пара «пирамид измерений» связана особым свойством соответствия, так как пирамиды имеют равные высоты f и опираются на проекции отображений одних и тех же сторон объекта в разных проекциях. При этом отображение одной прямой в системе координат одного фотоаппарата характеризует ориентационную направленность объекта, а отображение одной прямой в системе координат двух фотоаппаратов характеризует изменение размеров объекта под влиянием смещения отображения вдоль общей измерительной оси Г, проведенной через центр базы. То есть:
1И
2И
VΘV,
1И
2И
1Н
2Н
где V, V, V, V - объемы пирамид измерений и наблюдений соответственно;
Θ - обозначение соответствия.
1Ω
2Ω
1
2
Так, проекции B и B стороны B на оси Ω и Ω обладают свойством соответствия, они пропорциональны отстоянию объекта от центра общей системы координат:
1Ω
1Г
1Г
1Г
2Ω
2Г
2Г
B·(d/2+A+H+D)=B·(d/2+A+H)≡B·A.
Из этого двойного уравнения можно определить два неизвестных:
В - ширину объекта;
A - смещение центра объекта относительно центра общей измерительной оси Y.
Указанные три свойства являются геометрической основой метода центрального проектирования, которые могут быть объединены в две зависимости:
n
f·U≡L·S;
1И
2И
VΘV,
где L - отстояние объекта от объектива по оси У;
n - номер оптического измерителя (1 или 2);
n
U - площадь поверхности на плоскости измерений, ограниченной двумя соответствующими сторонами;
S - площадь поверхности объекта в проекции на плоскость, параллельную плоскости измерений.
Основой этих определений является оценка отстояния наблюдаемого объекта от плоскости измерений L. Вычисления отстояния наблюдаемого объекта выполняют на основе использования ряда зависимостей, связывающих одновременно два отображения проекций прямой и ее положение в пространстве по результатам измерений, показанным на фиг.1:
1Г
2Г
где D, D - отображения длины проекции объекта на ось Г;
1Г
2Г
H, H - отображения высоты проекции объекта на ось Г;
1Ω
2Ω
В, В - отображения ширины проекции объекта на ось Ω;
d - база оптического устройства.
1
2
Аналогичные зависимости можно получить при развертке отображения объекта относительно измерительных осей Ω и Ω. Получаемые оценки отстояний являются независимыми, так как выполняются по результатам измерений по двум ортогональным осям в плоскости измерений. Оценка размеров объекта (D, Н, В) может производиться по следующим геометрическим зависимостям:
; ; .
Относительная погрешность оценки отстояния L по одиночным параметрам по осям Ω и Г и по оценке площади будет одинаковой:
;
;
,
Г
Ω
где Δ, Δ - отсчетные точности измерений длины по осям Г и Ω.
1Ω
1Г
1Г
1Г
1Ω
2Ω
2Г
2Г
2Г
2Ω
Таким образом, используя информацию с плоскостей измерений аэрофотосъемочной аппаратуры по оси Г (ВDH или BH) и по оси Ω (BDH или BH), можно определить все оценки положения объекта (А, L) и его размеры (D, H, B). При этом размеры f и d используют как эталоны линейной и ориентационной меры.
Использование представленного способа и устройства позволяет повысить точность, оперативность, надежность измерений и существенно упростить процесс съемки, обработки и определения отстояний и размеров объекта по результатам фотограмметрических измерений. При этом рефракция, вызванная изменчивостью окружающей среды во времени и в пространстве, не влияет на точность оценок, так как ее влияние на ход лучей оценивается в разности.
Литература
1. Лобанов А.Н. Фотограмметрия. - М.: Недра. - 1984. - 552 с.
2. Физический энциклопедический словарь. - М.: Научное издательство "Советская энциклопедия". - 1983. - 928 с.
3. Лаврова Н.П., Стеценко А.Ф. Аэрофотосъемка: Аэрофотосъемочное оборудование. - М.: Недра, 1981. - 296 с.
4. Евстратова Л.Г. Создание «реальных» ортофотопланов (True Ortho) по аэроснимкам с использованием программного обеспечения INPHO // Геодезия и картография. - 2011. - №3. - С.29-32.