автореферат диссертации по геодезии, 05.24.02, диссертация на тему:Методика исследования динамических процессов с использованием стереофотоснимков

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТ ИНЕЕНЕРОВ ГЕОДЕЗИИ, АЭРОФОТОСЪЕМКИ И КАРТОГРАФИИ

На правах рукописи

ОГОРОДНИКОВ Станислав Садковдч

УДК 528.71

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТЕРШОТОСНИМКОВ 05.24.02

Аэрокосмические съемки, фотограмметрия, фототопография

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1990

Работа выполнена на кафедре фотограмметрии Московского ордена Ленина института инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Е.И.Калантаров

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

■ црофессор Б.К.Малявский, - кандидат технических наук В.К.Львов

Ведушая организация - Военно-инженерная академия им. Куйбышева

Защита диссертации состоится ^ 1990г.

в

часов на заседании специализированного совета

К 0€З.О1,О2 в Московском ордена Ленина институте инженеров

геодезии, аэрофотосъемки и • картографии по адресу:

103064. г- Москва, Гороховский пер.,4, ШИГАиК, ауд. № ^

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МШГДкК. Автореферат разослан 1990г.

Ученый секретарь специализированного совета./ кандидат технических наук, доцент»А ^¡г^Б.В.Краснопевцев

ОНШ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЬ!

Актуальность теми. Программа социального и экономического развития страны предусматривает ускорение научно-технического прогресса и повышение темпов роста производительности труда. Для решения данных задач потребуется провести научные исследования во многих областях науки и техники, в том числе и в области динамической фотограмметрии, которая позволяет получать объективную информацию об изучаемых динамических процессах, в частности, о движении динамического объекта/ДО/.

Существующие на сегодняшний день стереофотограммйтричес-кие способы изучения динамических процессов обладают некоторыми существенными недостатками: невысокая точность определения положений ДО; мраниченность отображения пространства событий; ограниченность количества регистрации положений ДО на одну стереопару. Кроме этого, практически не существует специального оборудования, регистрирующего время фотографирования при изучении движения ДО и отвечающего следующим требованиям: постоянная и гарантированная точность регистрации времени фотографирования; получение информации в форме доступной для обработки на ЭВМ; возможность использования данного оборудования с различными фотосъемочными камерами.

Поэтому актуальной задачей является разработка стереофото-грамметрических способов и аппаратуры для регистрации времени фотографирования, позволяющее более эффективно изучать динамические процессы.

Цель работы. Основной целью работы является разработка Нового стереофотограмметрического способа для изучения динамических цроцессов, а так жэ разработка эффективной аппаратуры для регистрации времени фотографирования.

Научная' новизна. Научная новизна работы заключается б решении следующих вопросов: выявление признаков для новой классификации стереофого1рашегрических способов изучения динамических процессов; разработка комбинированного сгереофо-тограмметрического способа изучения движения ДО и аппаратуры для регистрации времени фотографирования.

Методика исследований базируется на основных математичес- . ких положениях фотограмметрии, разработанных в трудах советских ученых: Амромина П.Д.,1 Ели.ина М.А., Бурова М.И., Калан-

к.

тарова Е.И., Лобанова А.Е., Нефедова В.И., Сердюкова В.М., и других. .

Птактическая ценность работы сострит в разработке автором:

- классификации стереофогограммегрических способов изучения динамических процессов;

- комбинированного стереофотогра\метрического способа изучения динамических процессов;

- аппаратуры для регистрации времени фотографирования.

Достоверность и обоснованность выводов и предложений базируется на материалах полученных в результате выполненных экспериментов.

Апробация и внедрение результатов в производство. Основные ■ соложения диссертация докладывались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых ШИГАиК, Москва, 1989, 1990г. Разработанный способ прошел экспериментальную проверку в Научно-исследовательском инженерном институте

Публикации. По материалам диссертации опубликована одна статья, получено одно авторское свидетельство и одно толо&и-телъное решение на заявку изобретения.

Объем работа. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем

работы составляет 47 страниц машинописного текста, 2* рисунков; € таблиц, -2 приложений. Сшсок литературы включает 36 . наименований, в том числе 5 на иное г ранни языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении обосновывается актуальность теки, ее практическая значимость. Кратко изложено содержание кзгдой главы.

Глава 1. Обзор и классификация стереофотограыметрических способов изучения дзеезния динамических объектов

На основании обобщений литературных источников приведен обзор и анализ существующих стереофотограшетрических спосо-■ бов и предложена классификация.^ в основе которой лежат следующие признаки.

1. Скорость движения динамического объекта:

- стерсофсгсграх.мэтрические способы изучающие движение ДО перемещающегося с малой скоростью - до 1м/сек;

- стересфотограк/.етрические способы изучающие движение ЛО перемещающегося со средней скоростью - от 1м/сек до 1Са,:/сек;

- стереофотограгдгзтрические способы-изучающие движение ДО переметающегося с батькой скоростью - более 100г.?/сек.

2. Структура изучаемого динамического обгоята:

- динамические объекты имеющие точечную структуру;

- динамические объекты с неизменной структурой;

- динамические объекты с изу.еняюиейся структурой.

3. Способ отображения размеров пространства событий: .

- стерсофотограмметрическке способы с фиксированными элементами ориентирования снимков;

- следящие стереофотограмметрические способы с переменным

алементами ориентирована снимков. 4. Точность определения положений ДО:

- низкоточные стереофотограмметрические способы;

- точные стереофотограыметрические способы;

- высокоточные стереофотоцрамметрические способы.

На основе выполненного анализе стереофотограмметрических способов по предложенной классификации, выявлены преимущества и недостатки этих способов с целью разработки нового стереофо-тограмметрического способа, предложенного в диссертационной работе,

Глава 2. Основы теории стереофогограыметрии при изучении движения динамических объектов

Рассматриваются основные теоретические вопросы сгереофо-.тограмметрии, базирующиеся на законах проективной геометрик и позволяющие определять пространственные координаты ЛО в требуемые значения времени. В частности, рассмотрены системы координат: снкьжа и динамического объекта,' а так же счета времени. Система координат снимка:

- трехмерная система координат Б (х\ г' ,Г ) с началом в точке пересечения прямых, проходящих через координатные метки; ' • ■

- четырехмерная- система координат Б (х',у',2.'Х) с началом ' . в передней узловой точке объектива.

■-.Система координат динамического объекта - четырехмерная, система координат Б ( X 7 ,Т ) ' с счетом времени в государственной системе счета времени или с счетом времени в условной системе счета времени. Системы счета времени: • - государственная система счета времени, обеспечиваемая государственной службой времени и частоты;

-7- условная система счета времени, начало которой определяется относительно некоторого условного нуль-пункта.

Так же рассмотрены взаимосвязи приведение выше систем ■координат.

Кроме этого рассматриваются основные соотношения между координатами динамического объекта и его изображением на фотоснимках, а так же: способ внутреннего ориентирования снимков по координатным меткам; взаимное ориентирование снимков по первой и второй схеме; построение фотограмметрической модели; внешнее ориентирование модели; временная привязка фотоснимков.

Глава 3. Комбинированный стереофотограмметрический способ изучения движения динамических объектов

На основе преимуществ стереокиносъемки и сгереофототеодо-литной съемки разработан способ комбинированной стереофото-грамметрической съемки дая изучения движения динамических объектов, а на основе недостатков способов регистрации времени фотографирования разработано устройство его регистрации.

Согласно разработанной классификации комбинированный стереофотограмметрг.гческлй сгособ относится к способу позволяющему:

-изучать движение ДО перемешавшегося с любой скоростью; -.изучать движение ЛО имевшего любую структуру;

- отображать все пространство, где движется ДО;

- определять положения ДО с высокой точностью.

В данном способе задача определения положений ДО реиает-ся следующим образом. •

До начала фоторегистрации ДО /или после ее/ с концов базиса фотографаровакия фототеодолитом или АФА производится стереофотосъеглса сети опорных и связующих точек пространства, где будет происходить 'дЕижевке ДО - таким образок получается

одна или несколько опорных стереопар. В процессе движения ДО производится следящая стереокиносъемка с тех же точек фотографирования гак, чтоба на хияокадрах левого и щзавого кинофильмов были зафиксированы: изображения ДО и связующих точек. Время регистрации ДО может быть зафиксировано либо на кинокадрах, путем впечатывания в них значений времени /рис.1/, либо каким-нибудь прибором регистрации времени фотографирования с записью на внешнем носителе информации. После стереосъемки производится фотограмметрическая обработка полученных фотоматериалов. На опорной стереофотопаре стереокомпаратором измеряются координаты опорных и связуюцих точек и координаты .координатных меток /если они Шеются/, а на кинокадрах измеряются .координаты связующшгточек и ДО.

21 .

+ + 4 + 4 . . + х. Ч' 4- + +

4- . + • + + +

•

] \ + + + ) ■+'• + + + + + + + + + + + •+ + + 4. + +. ■ + t + + + + + ( +' + * + / 4- + + \

рис.1

.Затем перевотисляют координаты ДО из системы координат кинокадров в систему координат опорник фотоснимков по формулам проективных преобразований, которые в матричной форме имеют вид

г-.А-г' (1)

/И

или

= А

(2)

где:

X*, 2'

X , 2 снимков;

А

координаты ДО в системе координат кинокадров; координаты ДО в системе координат опорных фотоматрица проективных преобразований имеющая вид /0;

■А

°21

а,.

°12 °13

1 °23

°32 азз1

и определитель которой отличен от нуля.

Решая выражение (1) относительно

г' = А"1- г

X 1

где:

Л-1

X

= А"1 • 1

/ 2

К Ь„ Ь,з\

= ь, ' 1 Ь23

1Ь31 ь32 У

(3)

Г' получим

(Л) (5)

(б)

Данное выражение используется для определения элементов матрицы А1 При этом используются измеренные координаты одноименных связующих точек, которые изображены на кинокадрах и на опорных фотоснимках.

Согласно ( 5 ) составляются уравнения поправок, которые в матричном вице равны

В-Л ♦ 1= V (7)

где: В - матрица коэффициентов при неизвестных; А- матрица неизвестных; 1- - матрица свободных членов; V - матрица поправок. Система уравнений (7) решается метбдом наименьших квадратов под условием

Ут-Р-У = гтш .(8)

где: Р - матрица весов.•

Оценку систематических ошибок мояно выполнить по формуле,

Д= -(ВтР-ВГ'вт-Р-1 (9)

а дисперсия единицы веса определяется по формуле

г __ УТ-Р-У ■ ' (10) • п - к

Ковариационная матрица найденных систематических ошибок находится определяется по формуле

' 0(д)= /-(ВТ-Р-В)"1 (11)

Для решения необходимо иметь'не менее пяти изображений связующих точек на кинокадре и на опорном фотоснимке.

Д-1

Получив коэффициенты обратной.матрицы А , ее снова обращают для получения матрицы проективных преобразований" А используя которую, определяют координаты ДО в системе коорди-

нат 'опорных фотоснимков по формуле' ( 2) Таким образом, на каждом опорном фотоснимке стереопары будут аналитически "изображены" все положения ДО/рис.2/ зарегистрированные на кинокадрах левого и правого фильмов. Если .количество кинокадров в фильмах различное, го различным будет и количество положений ДО на опорных фотоснимках /количество кинокадров может зависеть от частоты съемки/.

2,

+ . -Г . * ' • • ■+ + + 4- + ' тЬ +. • + хг

• • -Н 4_ + V 1 Т7 + +

рис.2

Поэтому в координаты ЛО необходимо ввести поцравки за несинхронность работы кинокамер /поправил за временную привязку/ по уравнению, движения ДО, считая, что оно описывается кривой, например, второго порядка.

Поправки для получения координат.ДО на требуемые значения времени Ц = будут равны

АХ; = С)Х-М: *.С,ХД1? +

! + - (12) Д = С12 •Д'Ц ♦ С^Д + .. . .

где: дх-, ¿2.' - поправки в координаты 10;

С1Х , С2Х , С1г , С^ - коэффициенты;

ДЦ - поправки в текущее значение времени. Система уравнений поправок составлзнная из (^решается относительно коэффициентов С1Х , С^ , С12 , С22 методом наименьших-квадратом под условием (в) с оценкой систематических ошибок по формуле ( 9 ) и определением дисперсии единицы веса по формуле (ю) , а так же ковариационной матрицы систематических ошибок по формуле (и).

Для этого вместо величин поправок подстав-

ляются соответствующие- координаты положений ДО на значения времени ^ , а затем определяются поправки за несишдюн-ность работы кинокамер. Всего для решения системы уравнений поправок необходимо иметь не менее четырех положений ДО. После этого находят исправленные за несинхронность работы кинокамер координаты ДО в системе координат опорных фотоснимков по формуле (12)

Таким образом, количество положений ДО на опорных фотоснимках будет равным /рис;3/ и на требуемые значения времени.

¿2

-2

+ + ■ 4- 4- 4- 4

4- . + 4 х, 4' 4 х?

4- 4- 4- 4 4- 4

рис .3

Затем определяются пространственные координаты ДО по одной из схем.

Первая схема:

- внутреннее ориентирование снимков /например, по координатным меткам/;

- взаимное ориентирование снимков /первая или. вторая схема/;

«

- построение фотограмлетрической модели;

- внешнее ориентирование модели.

Вторая схема:

- определение элементов внутреннего и внесшего ориентирования по огорпкм точкам /решение обратной пространственной фотограмметрической 'засечки/;

- определение гдтостранственных координат ДО /решение прямой пространственной фотограмметрической засечки/.

Так-же в третьей главе рассматривается разработанное устройство регистрации времени фотографирования, которое позволяет :

- повысить точность регистрации времени фотографирования;

- использовать больной диапазон фотовыдеряек;

- оценивать,' при необходимости, стабильность фотовыдержек;

- вводить результат непосредственно в' ЭВМ или на внешни носитель информации.

Блок-схема устройства для регистрации времени фотографирования представлена на рис.4, а на рис.5 даны временные диаграмм работы фотографической камеры /АФА/ с данным устройством.

Устройство для регистрация времени фотографирования содержит последовательно соединенные блоки: приемник 1;-входной усилитель 2; триггер Шмидта.3; блок делителей частота 4; блок коммутации 5; блок управления коммутатором 6; счетчик

16 тактовая частота.

17 прижимной стол

18 грейдер

19 затвор

20 экспозиция

21 *отоприеыник

22 1й порог

23 2й порог

24 сложение порогов

25 начало экопозиши 26,конец экспозиции

отжат ' '

_1

прижат

1

прижат

открыт

Jпротяжка кадра |_

_закрыт_I открыт

уГ

"V1 кадр

V

Л

Л

~\2 кадр

У

V

11

л

' п п

п П •

01 I

рис.4

времени 7; буферы-дешифраторы 8, 9; индикаторы 10,11,.

В фокальной плоскости объектива фотокамеры установлены: фотоприемник 12, последовательно соединенный с усилителем 13 и компаратором 14, выходы которого подключены к буферам-дешифраторам.

Устройство работает'следующим образом. Принятый сигнал точного времена от радиостанции приемником 1, усиливается входным усилителем 2, и триггером Шмидта 3, доводится до амплитуды ТТ1_ сигнала. Затем с помощью блока делителей частоты 4 выделяется сигнал частотой 1кгц /0.001сек/, который поступает в блок коммутации 5 и параллельно в блок управления коммутатора б дая управления частотой, подаваемой на счетчик времени 7, который формирует часы, минуты, секунды. Счетчик вре-. мени соединен с буферами-дешифраторами 8,9, которые представляют оперативно^запоминавдее устройство на 28 двоично-десятичных разрядов. Результаты индицируются на индикаторах 10,11 в удобной дая восприятия форме десятичного исчисления.

В этот момент /рис.5/ прккимной стол фотокамеры /АФД/ . -■ прижат к фотопленке 17, окно затвора открыто 19 и происходит экспозиция фотопленки 20. Одновременно свет попадает на фото-триемник 12 расположенный в фокальной Плоскости объектива фото^ камеры, усилитель 13 усиливает сигнал, а компаратор 14 выделяет первый 22 и второй пороги 23 чувствительности. Затем они складываются на элементе ИЛЙ-НЕ с выделением командным блоком двух сигналов 24 т.е. времени начала экспозиции 25 и времени конца экспозиции 26. По первому импульсу /начало экспозиции/ в буфер 8 сбрасывается информация с счетчика времени'7 и сигнал поступает на шщикатор 10. который впечатывает в кадр 15 время начала экспозиции. По ■ второму импульсу /конец экспозиции/

-17в буфер 9 сбрасывается информация с счетчика сремони 7 и сиг- ' нал поступает на индикатор 11, а в кадр 15 впечатывается время конца экспозиции. После этого прижимной сгол отжимается 17, грейфер протягивает фотопленку 18 для следующего кадра.

Таким образом в хаддом кадре зафиксируется два значения времени - начало экспозиции данного кадра и конец экспозиции предыдущего кадра. В первом кадре зафиксируется только- начало экспозиции данного кадра.

Глава 4. Экспериментальные работы по исследованию способа комбинированной стереофотограмметрической- съемки при изучении двпхеняя динамического объекта

С целью проверки теории и уточнения технологии по изучению движения ДО способом комбинированной стереофотограмметрической съегжн были проведены экспериментальные работы. В качестве фотосъемочной аппаратуры использовались АФА А-39М и кинокамеры "Красногорск-2", а в качестве аппаратуры регистрации времени фотографирования использовался светолучевой /ылейфовый/ осцмограф.

Динамический объект во время движения регистрировали при помоаи следящей "стереофотосъемки, используя А-ЗЖ, а так же следящей стереокиносъемки, используя кинокамеры "Красногорск-2". Опорные стереопары были получены АФА А-ЗЙи.

Бремя в условной системе регистрировалось на светочувствительную бумагу в момент срабатывания затворов у А-39М, и регистрировалось начало и конец съемки у "Красногорск-2". Циклы работы АФА при стереофотосъемке были различными-, а так же различной была частота стереокиносъемки.

Для математической обработки материалов эксперимента было разработано программное обеспечение, состоящее из двух

прикладних программ РЮРР и. РЮРЯ . Для отладки этих программ разработана программа Р В М Р - вычисление макетных снимков при движении динамического •объекта.

В программе Р1 ОРР реализован алгоритм определе-'ния положений ДО на заданные значения времени через решение прямой пространственной фотограмметрической засечки с уточне-' нием элементов ориентирования по опорным точкам.

В црограмме РЮРИ реализован алгоритм определения положений ДО на заданные значения времени через решение двойной обратной фотограмметрической засечки.

•Для математической обработки материалов эксперимента первоначально использовалась программа РЮРР т.к. у АФА А-39М нет координатных меток и поэтому нет возможности достаточно точно определить элементы внутреннего ориентирования. Для обработки использовались данные одной опорной стерео-фотопары и данные четырех фильмов: два фильма составленные из фотоснимков и два фильма составленные из кинокадров.

В результате бьиш определены положения ДО на заданные значения времени го данным следящей стереофотосъ^мки и следящей стереокиносъемки..

Для математической обработки материалов эксперимента программой РЮРЯ использовались элементы внутреннего ориентирования опорных фотоснимк&в, полученные в процессе обработки этих же материалов программой РЮРР •

В результате так же были определены положения ДО на заданные значения времени. Для контроля определения положений ДО в обработку включались точки, координаты которых были известны, но которые не участвовали в определении элементов ориентирования. На основе выполненного контроля получены абсо-