автореферат диссертации по геодезии, 05.24.02, диссертация на тему:Разработка и исселдование фотограмметрических методов изучения динамики рельефа

^ /оД^да РЛ венный комитет Российской Федерации по 1 высшему образованию

í - 1 I ■' -' • I

Новосибирский ордена "Знак Почета" институт инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии

На правах рукописи

Селезнев Борис Васильевич

УДК 528.711.128

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИЗУЧЕНИЯ ДИНАМИКИ РЕЛЬЕФА

05.24.02

Аэрокосмические съемки, фотограмметрия, фототопография

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук (в виде научного доклада)

Новосибирск 1994

Работа выполнена в Новосибирском, ордена "Знак Почета" институте инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии.

кандидат технических наук, доцент

С. И. Родионов

доктор технических наук, профессор И.Г. Журкип

кандидат технических наук, доцент

Л. С. Люб икая Ведущая организация: ПО "Инжгеодезия"

Защита диссертации состоится " 2 " июня 1994г. и часов на заседании диссертационного совета Д 064.14.01 Новосибирского ордена "Знак Почета" института инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии по адресу: (>30108, Новосибирск, Плахотного, 10, НИИГАиК, аудитория N 403.

/

!

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИГАиК.

Научный доклад разослан '>У 1994 г.

Ученый секретарь -диссертационного совета

9К9 Подписано в печать 26.04.94 Объем 2.0 печ.л. уч.изд.л. 1.9 Заказ Z0 Тираж 100

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

В.А. Середович

630108, г.Новосибирск,108,ул. Плахотного,8, НИИГАиК

Общая характеристика работы

Актуальность. В большой совокупности географических компонентов, входящих в нриродно-территориальный комплекс (геосистему) различного ранга, рельеф является основным, фактором, формирующим условия их существования и взаимодействия. При этом любое преобразование рельефа неизбежно вызывает перестройку геосистемы, обусловливает направленность этого процесса. На относительную стабильность состояния рельефа, постоянно и в разной мере влияют природные внутренние и внешние силы, а также хозяйственная деятельность человека. Поэтому изучение динамики рельефа, познание закономерностей его преобразования являются насущной задачей.

Значительная роль, наряду с другими науками, в деле изучения общей энергии рельефа отводится геофизике и геодезии. Фотограмметрические методы находят своё место при решении задач на локальном уровне, пополняя фундаментальные исследования, достаточно точными данными, наглядно и количественно характеризующими морфологию рельефа, повышают возможности более полного изучения механизма действия природных сил и других факторов, оказывающих влияние па формирование земной поверхности.

Цель исследовании заключалась в теоретическом обосновании методов, технологий, создании и испытании конструкторских разработок ;с стереофотограмметрическим приборам для:

- объемного отображения мезо- и микроформ современного рельефа;

- определения количественных данных рельефообразующих отложений и морфометрических характеристик, раскрывающих динамику ряда природных явлений;

выявления зон экологического напряжения в нриродно— территориальном комплексе па урозне административных районов.

Методы исследовании основаны на теории фотограмметрии, современного ландшафтоведения и исследований, проведенных автором в 1970 - 1993 гг. на кафедре фотограмметрии и дистанционного зондирования НИИГЛиК, в научно-производственных экспедициях па 16 активных вулканах и трех

-к-

извержениях, с применением высокоточных геодезических инструментов, аэрофотосъемочной аппаратуры,

фотограмметрических приборов различного назначения и вычислительной техники.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны методы и приемы обработки, а также осуществлены оригинальные усовершенствования стереофотограмметрических приборов, позволяющие представлять картографическую информацию в виде трехмерных моделей и их графических аналогов.

2. Создано программное обеспечение для аналитической обработки аэрофотоснимков с целью определения площадей простирания, объемов продуктов отложения и ряда динамических параметров.

3. Предложены новые технологии определения количественных характеристик ряда природных процессов и оценки районов экологического риска.

Практическая ценность. На основе проведенных автором исследований, разработок и технологий выполнены:

- определение морфомстричсских характеристик рельефа в районах активной вулканической деятельности;

- изучение механизма извержения трех вулканов Камчатки;

- разработаны основы составления прогнозно-оценочных карт экологического риска.

Получены:

- графическая документация и количественные характеристики районов гидротермальной деятельности;

- расчеты прогнозных параметров снежных лавин.

Апробация работы. Основные результаты, полученные в ходе исследований, докладывались автором па Всесоюзном вулканологическом совещании (Тбилиси, 1980 г.), Всесоюзных конференциях "Проблемы исследования природных ресурсов Земли и Мирового океана Авиационно-космическими средствами" (Москва, 1984 г.), "Исследования гравитационного ноля и природных ресурсов Земли космическими средствами" (Львов, 1934 г.), Международной конференции "Современные проблемы геодезии, картографии и оптико-электронного приборос оения" (Новосибирск, 1993 г.), Международном симпозн .не по

проблемам современного вулканизма (Япония,1981 г.). Материалы исследований представлялись в виде письменного сообщения на XVII конгрессе Международного фотограмметрического общества (София,1983 г.) и экспозиции на ВДНХ СССР в 1981 г., (ссребрянпая медаль).

Результаты внедрения. Разработанные технологии, системы и приемы обработки прошли многостадийную проверку и внедрены г. Институте вулканологии РАН, Ташкентском гидрометеоцеитре, Красноярском институте леса СО РАН, Сибгипроземе. Ряд разработок по усовершенствованию исследований

инструментальной точности фотограмметрических приборов включен в учебное пособие и методические указания, п используется в учебном процессе при чтении лекции и проведении лабораторных занятий для студентов специальности "Аэрофотогеодезия" Результаты исследования динамики рольефообразования вулканических областей, снегомерных и лавиппо-селеиых определении преподаются студентам специальности "Исследование природных ресурсов".

Публикации. Но теме диссертации автором опубликована 'Л 1 научная работа, в том числе учебное пособие, методические указания, получен патент на изобретение, составлено (» научно-исследовательских отчетов.

При выполнении научных работ автор постоянно общался со мши ими научными работниками и представителями производства, что оказывало плодотворное влияние па ход исследований, повышало их практическую значимость. Цепные замечания высказали в ходе исследований академик С.А. Федотов, доктора И Г. Антиков, II.Д. Амромин, канд. тех. паук С.И. Родионов.

Автор выражает б.кп одарноеть своим коллегам но совместной работе II. Д. Амромину, Н.Ф. Добрынину, В.Н. Дншало, II.Д. Гуку, Г.В. Гладышсву, Л.К. Зятькопой, М.А. Maiyci.K'viv, В.И. Шкреду и многим студентам, принимавшим участие в научно-исследовательских экспедициях и обработке ма к'риа.юн.

-61. Совершенствование методов фотограмметрической обработки аэрофотоснимков при изучении рельефа и природных явлений

Образно-знаковые модели местности в виде самых различных карт и планов играют важную роль в познании окружающей действительности. Картографические модели, обладая высокими информационными свойствами, имеют такие преимущества, как пространственно-временное подобие, непрерывность изображения и наглядность.

Развитие математических моделей и автоматизации процессов картографирования не уменьшают роли картографических моделей. Многочисленные опыты в области инженерной психологии подтверждают динамичность и эффективность образного, наглядного восприятия действительности. Оценивать взаимосвязь, интеграцию элементов и динамику процессов, происходящих в исследуемых геосистемах наиболее эффективно позволяют объемные методы представления картографической информации. Поэтому разработка таких методов является актуальной.

Способы представления информации в виде трехмерных моделей имеют самостоятельную ценность, кроме того реализация их аналоговым способом позволит создать эффективные алгоритмы отображения ЦМР . Существующие способы составления' раздельных стереоскопических карт трудоемки, т. к. основываются на ручной обводке рисунка основного изображения.

Создание стереоскопической карты иа универсальном приборе, имеющем координатограф, например на стереопроекторе (СПР-3), предлагается в работах автора [20, 21]. Суть способа заключается в том, что одновременно с листом карты в ортогональной проекции составляют лист с параллактическим сдвигом горизонталей (па этот способ и устройство д..я его осуществления получен патент РФ N1553825 от 30.03.93).

Для реализации способа к СПР-3 подключается координатограф. В конструкцию карандашного блока стереопроектора вносят следующие дополнения (рис. 1): соленоид 2 с графитным стержнем 1 устанавливают на направляющие 4, параллельные оси X, и 5, параллельные оси У, прибора. Перемещение соленоида по этим направляющим осуществляют с

помощыо мнкромстренпых шиит 3 и (i. Такие дополнения обеспечивают смещения карандашного блока и координатной плоскости XV.

Одновременное создание двух стереоскопических изображений в згом случае включает те же процессы, что и обычное составление оригинала топографической карты, только необходимо заготовить два одинаковых планшета с нанесенными опорными точками, один - на стол прибора, а другой - па чертежный стол координатографа и выполнить их

ориентирование. Далее вычисляют сдвиг горизонталей относительно первой (самой низкой) горизонтали по осям X и Y

h(n - I)cos0

Apv =--.

4m„(N-l) (1)

h(n — 1)sin 0

Apv =--------,

4mB(N-l)

где II - превышение самой высокой точки в пределах планшета; п -порядковый помер горизонтали; 0 - угол между осью X прибора и линией общего смещения горизонтали; тв - знаменатель вертикального масштаба модели; N - число горизонталей на составляемой карте.

По аэрофотоснимкам картографируемого участка определяют общие направления главных хребтов и тальвегов и перпендикулярно к ним выбираются направления смещения горилонталей. Намеченное направление смещения прочерчивают на основе, закрепленной на столе прибора и измеряют угол 0 топографическим транспортиром с точностью 30'. Такая точность достаточна, так как изменение угла па 30' приводит к изменению сдвига горизонтали <0,00.9 мм, а его значения устанавливаются микромстрснными винтами с точностью до 0,01 мм.

В процессе работы, осуществляя рассчитанный сдвиг карандашного блока и рисовку, синхронно составляют оба оригинала карты. При этом достигается высокая степень конгруэнтности соответствующих горизонтален и контуров.

Блок-диаграммам отводится большое место при отображении локальных участков местности и происходящих на ней явлений так, как они сочетая метрическую точность при определении ряда

параметров обладают лучшей наглядностью и сравнении с обычной картой.

Блок-диаграммы вычерчиваются в аксонометрической или перспективной проекции с применением ручного труда и в несколько этапов. Для автоматизации этого процесса предлагается использовать универсальный стереофотограмметрический прибор (УСП) с усовершенствованием (рас. 1), и фототрансформатор.

При вычерчивании блок-диаграмм, как и при создании стереоскопических карт, осуществляется послойное (но изолиниям) смещение изображения на чертеже в направлении, соответствующем координатной оси Ъ, которую прочерчивают на планшете под углом 45° к стороне, определяющей передний план (рис. 2).

Планшет, Ко готовленный на прозрачном материале, ориентируют на приборе. Далее измеряют уюл ©, образованный осью X прибора и стороной участка с точностью 30' и вычисляют величину шага смещения (А) карандашного блока в системе координат прибора но формулам

в (2) А, = 980 вт (45 - 0)Ь / т Б,

где Ь - оптимальная высота сечения горизонталей, обеспечивающая пластичность восприятия изображения.

Методика переноса необходимой информации со снимков на планшет практически не отличается от описанной выше. В результате, полученный оригинал представляет вертикальную перспективу рельефа в прямоугольной проекции, которую для усиления наглядности необходимо трансформировать в любую перспективную, например, с двумя точками схода (рис. 2).

Перед трансформированием задают коэффициелт увеличения (у), вычисляют и устанавливают угол наклона экрана фЕ но формуле

ФЕ =——г штат (3)

1 + V

гле 1 - наиболее благоприятный угол падения взгляда на осматриваемую местность (обычно 30 - 45°).

?И0. I

Рис. 2

Затсм и кассету прибора помещают вычерченный оригинал так, чтобы ось Ъ была перпендикулярна осп вращения кассеты и . экспоиируют изображение на светочувствительный слой.

Профили и разрезы, лают простое и вместе с тем достоверное представление о сочетании элементов рельефа, их взаимосвяли с внутренним строением Земли. Ряд особенностей изучаемой местности, протекающих явлений наиболее полно проявляется но серии азаимопараллельпых профилей. Панорамное совмещение ортогональных проекций отдельных профилей, а также блок-диаграммы, в виде взаимоперпепдикулярных разрезов, также усиливают наглядность.

Для построения серии профилей по заданному направлению, в общем случае не совпадающему с осями координат стсреофотограмметрического прибора, автором предложен метод, изложенный в работе [6].

Этот способ проще всего осуществляется на УСП, имеющем сельсинную связь с координатографом.

Суть способа заключается в следующем. К прибору, например стереометрографу, подключают два координатографа. Первый, как обычно, к выходу X и У, а второй к выходу Х(У) и Ъ. Ходовые винты . первого координатографа дополнительно оснащают двумя реверсивными электродвигателями, имеющими плавное регулирование, оборотов вала. Это техническое дооборудование можно и не проводить,' а управлять .первым координатографом вручную.

В процессе работы внешнее ориентирование модели осуществляют по расположенной па ' первом . координатографе основе, па которой прочерчивают ось профиля и подбирают коэффициент растяжения горизонтального масштаба изображения профиля, получаемого па втором координатографе.' Коэффициент растяжения зависит от угла, образованного линией профиля с осыо X пли У координатографа и передаточных соотношений пар шестерен, входящих в комплект координатографа. Для удобства и упрощения расчетов можно ' изготовить палетку па прозрачной основе (рис. 3). Путем совмещения подходящего луча палетки с осыо профиля подбирают коэффициент растяжения ДА и вычисляют окончательное передаточное число для пары шестерен по формуле

Рис. 3

Рис. 4

n=^(l-AJ, (4)

где m - знаменатель масштаба модели, M - знаменатель масштаба основы.

Выбранную по значению "п" пару шестерен устанавливают на ту ось второго координатографа, относительно которой определялось направление оси профиля. Кажущееся па первый взгляд ограничение в свободном выборе направления оси профиля из-за стандартного набора шестерен практически устраняется за счет варьирования соотношением. m/M в формуле (4), т.е. изменением масштаба модели.

Для проведения профиля измерительную марку прибора "выводят" в начало профиля, устанавливают необходимую подачу напряжения на сервомоторы и одновременно включают их. При этом, движение от ходовых . бинтов первого координатографа, благодаря ссльсшпшй связи, передастся на каретки прибора и второй координатограф. Оператор удерживает марку па поверхности модели, используя только штурвал Z.

Операция построения повторяется в зависимости от числа памечепых профилей. Если не смещать основу или карандашное устройство второго координатографа, то получится панорамная картина (рис'. 4). Если на втором планшете в, соответствии с масштабом наметить оси профилей по линиям, сходящимся в одной, либо в двух точках перспективы, то можно построить блок-диаграмму в виде разрезов. Для этого всякий раз при построении очередного профиля осуществляют разворот второй основы но соответствующей линии перспективы.

Рельефные карты занимают особое место в моделировании объектов. Такая форма представления картографической информации даст возможность наилучшим образом почувствовать реальную обстановку, оценить пространственные связи между объектами, что позволяет прогнозировать динамику развития процессов природио - территориального комплекса.

Существующая технология их изготовления, например склеиванием слоев картона, для детальных, относительно крупномасштабных карт малопригодна и трудоемка.

Автор, не претендуя на окончательное решение имеющихся проблем, предлагает метод создания рельефных карт непосредственно по аэрофотоснимкам [25, 30]. Для этой цели была

разработана и изготовлена приставка к УСП. По своей конструкции она позволяет перемещать в координатной системе каретку с фрезерным узлом, снабженным электродвигателем и вертикальной фрезой. Перед фрезерованием очередного слоя, соответствующего отметке горизонтали, фреза опускается с помощью микрометренного винта.

Методика изготовления рельефной карты, в принципе, повторяет этапы составления карт. Приставка может работать и автономно, в режиме копировалыго-фрезерной установки, посредством ручной обводки следящей системой горизонталей по имеющейся карте.

Аналитические методы обработки снимкой, наряду с аналоговыми, используются для получения количественных характеристик объектов, особенно имеющих большие площади простирания. При этом ведущее место принадлежит методам мпогомаршрутной фототриангуляции. В НИИГАиКе с участием автора была разработана и реализована программа блочной фоготриаигуляцни, а также программный комплекс создания цифровой модели рельефа.[2, 5, 27]

В алгоритмы этих программ заложены основополагающие теоретические принципы фототриангуляции, разработанные д.т.н. И.Т. Антиповым. Но специфика решаемых задач потребовала новых технологических решений. Так, при определении площади простирания и объемов основных продуктов извержения вулканов, накопления снега и других подобных задач возникает проблема недостатка опорных точек вследствие их утраты. Это создает трудности при редуцировании отдельных маршрутов и объединении их в блок. В работе [2] автор предлагает возможные пути решения этой проблемы. В зависимости от величины перекрытия маршрутов определяется, площадь зоны перекрытия смежных маршрутов. Эта операция осуществляется программно, путем сопоставления координат общих точек и определения их отстояния от математической пространственной линии симметрии. Затем вычисляется величина "опасной" зоны, в которой наступает так называемый "шарнирный" эффект - неустойчивость решения задачи подсоединения маршрутных сетей. Площадь "опасной" зоны является функцией величин поперечного перекрытия, криволинейности и непараллельности аэрофотосъсмочных

маршрутои, рельефа местности и длины фототриапгуляционного ряда.

Для оценки влияния перечисленных факторов на точность подсоединения маршрутов были проведены исследования по макетным снимкам фототриангуляционных сетей с различными параметрами [1]. Многократные испытания позволили обосновать критерий (о) выбора способа объединения маршрутных моделей в блок, выраженный через площадь соприкосновения конструкций соседних фототриангуляциоиных рядов в горизонтальной и вертикальной плоскостях с учетом криволинейиости осей маршрутов. Полученная формула имеет вид ' .

о = — (о, + 0.5о2 + а3), . (5)

п

где и - количество базисов, ст, и ст2 - площадь соприкосновения соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, ст3 -площадь, заключенная между средней линией перекрытия и ее замыкающей.

Формула (5) характеризует . "жесткость" конструкции .' диухмаршрутной сети, условно отнесенной к элементарному звену. Допустимое значение критерия вычисляется по формуле

стди = 9В2шх, (0) .

где В - средняя величина'базиса проектирования в.масштабе сети, шх - средняя квадратическая ошибка измерения координат точек на стереокомпараторе.

Из выполненных исследований установлено, что если . о > сд„ , то ошибка вычисления наименее надежно определяемого

поперечного угла наклона г] не превышает что удовлетворяет требованиям плановой фототриангуляции.

В том случае, когда значение а меньше допустимого , угол г| приравнивается условному поперечному углу наклона первого • снимка подсоединяемого маршрута. При этом оп вычисляется по способу, предложенному Г.11. Жуковым при пространственном фототриапгулирований дифференцированными процессами. Из проведенных исследований установлено, что при длине маршрутной сети до 20 базисов условный поперечный угол наклони первого снимка определяется с ошибкой, не превышающей 10-12'. Это вполне приемлемо для решения поставленных задач.

Помимо макетных испытаний программа была апробирована на производственных материалах. В качестве иллюстрации приведены результаты обработки аэрофотосъемки масштаба 1:30000, $ = 100 мм, выполненной для создания планшетов масштаба 1: 25 000 для лесоустроительных целен. В обработку было включено. 5 маршрутов по 10 стереопар в каждом, с поперечным перекрытием, не превышающим 20% [3, 27].

Расхождения координат общих точек в смежных маршрутах и вычисленные средние квадратические ошибки, отнесенные к масштабу снимка, приведенные в табл. 1, свидетельствуют о достаточной точности определения положения трансформационных точек

Таблица 1

Всего общих точек Разности координат точек смежных маршрутов (мм) средняя квадратич. ошибка (мм)

до 0.2 до 0.4 до 0.6 до 0.8 до 1.0

X У 42 21 10 8 1 3 0.27 0.21

100% 42 50% 36 24% 5 19% 7%

100% 86% 12% 2%

Расхождения, превышающие 0.6 мм, можно объяснить неудовлетворительной идентификацией связующих точек, вызванной сложностью наблюдения снимков залесенной местности.

К 1975 -1976 гг. на кафедре фотограмметрии НИИГАиК был создан программный комплекс построения цифровой модели рельефа и определения объема, заключенного между условной горизонтальной плоскостью и поверхностью модели рельефа, аппроксимированной квадратичным полипомом в пределах элементарного участка местности, обеспеченного 4 точками ЦМР [5, 15, 26].

Автор принимал активное участие в отработке технологии метода, проводил многократные лспытл;:нл программного комплекса по реальным моделям объектов, изготовленным из влажного песка и пластилина. При этом имитировались модели с различными формами рельефа, поверхности сыпучих материалов, а также образованными техногенными нарушениями. Съемку

вынолпяли адаптированным на близкие расстояния аэрофотоап паратом с калиброванными значениями элементен внутреннего ориентирования и камерой UMK-10 в масштабах 1:20 -1:50.

Сравнение вычисляемых объемов и пределах элементарных участков с истинными их«значениями па плавных Или сыпучих поверхностях показало, что плотность точек ЦМР должна быть такой, чтобы ее можно было аппроксимировать полиномом второй степени. Практическими исследованиями установлено, что в этом случае оптимальный шаг сканирования местности 20 м. Точность определения объема при моделировании естественных форм рельефа составляет 2-3%, а для "неупорядоченной" поверхности -4-5%'. Кроме тою, для данного тина рельефа указанный алгоритм аппроксимации поверхности не дает заметного преимущества перед методом определения объема простым умножением средней отметки элементарного участка на его площадь.

С- помощью данного комплекса программ был определен объем основных продуктов извержения' Большого трещинного Толбачииского извержения на общей . площади 47.73 км 2. Производственные испытания показали достаточную надежность разработанной . технологии ' для . решения проблем изучения рельефообразоваиия вулканических районов [(>].

-172. Результаты опытно-производственных испытаний

Обработки мптернилоп аэрофотосъемки Большого трещннпого Толбачинского иэиержтинл 1975-1976 гг. Толбачинское изиержеиие 1975-1976 гг. но длительности и мощности является самым большим извержением вулканов в XX в. Благодаря четкой организации работ научных экспедиций, деятельность которых направлял и координировал академик С.Л. Федотов, это извержение стало самым изученным [6-8, 14, 25|. В исследовании этого извержения также приняли участие экспедиции НИИГАиК, руководимые автором. В их задачу входило геодезическое обеспечение и периодическая аэрофотосъемка кратера вулкана Плоским Толбачик (высота 3085 м). Северного прорыва, возникшего в 18 км юго-западнее, и Южного прорыва, образовавшегося в 9 км от Северного. Продолжительность северного извержения 42 дня, южного - 450 дней.

В качестве исходной для определения объемов продуктов извержения использовалась архивная аэрофотосъемка масштаба 1:40 ООО, фокусное расстояние аэрофотоаппарата 140 мм. Для изучения динамики процесса извержения в зависимости от необходимой детальности и точности получения съемка выполнялась в различных масштабах (от 1:6000 до 1:25 000).

Фотограмметрическая обработка полученных материалов осуществлялась н лабораториях кафедры фотограмметрии. Приборы, используемые в работе, подвергались тестовым испытаниям согласно рекомендаций, изложенных в [17, 18[.

Объем основных продуктов извержения определялся по снимкам масштаба 1:-40 000 и 1:25 000 аналитическим методом [2, 5]. В результате совместного уравнивания сетей фототрнаигуляпип средняя квадратичсская ошибка расхождении высот на общих точках - 'тавила 0.5 м. Достоверность результатов контролировалась путем сравнения объемов па участках местности, не покрытых продуктами извержения. Несовпадение в процентном отношении составило 4-6"о, это, в какой-то, позволяет надеяться, что и точность определения объема основных продуктов извержения находится в этих пределах.

По результатам построения цифровых моделей рельефа построены карты мощности лавового покрова в изолиниях (рис.

Рио. 6

-205). Изолинии проведены через 5 м. Начало отсчета ведется от условной горизонтальной плоскости, ограниченной пулевой изолинией, она же является и контуром площади покрова.

Для изучения динамики формирования лавовых потоков, роста вулканических конусов выполнено построение профилей по различным направлениям методом панорамного совмещения (рис. 4).

Интересным событием извержения стало обнаруженное по аэрофотоснимкам интенсивное проседание кальдеры вулкана Плоский Толбачик. Регулярные съемки кратера, по которым получено 'большие количество графического материала и численных характеристик, позволили детально изучить механизм этого явления. На рис. 7 представлены наиболее яркие моменты формирования провала кальдеры.

Для получения полного изображения изучаемого объекта специфической формы (кратера) в пределах одной стереопары необходимо было обеспечить особые требования к параметрам аз рофотосъе м к и.

Установлено, что если при съемке руководствоваться продольным перекрытием 60%, с учетом поправки за рельеф снимаемой территории, па снимках с ■ изображением резких провалов и поднятий появятся "мертвые" зоны (рис. 6). Исключение этого недостатка за счет увеличения высоты фотографирования и фокусного расстояния аэрофотокамеры ведет к снижению точности фотограмметрических определений. Поэтому было предложено выполнять съемку подобных объектов с продольным перекрытием 80% и более. Достаточно большое количество обработанных реальных аэрофотоснимков с перекрытием свыше 80% пе показало ощутимого ухудшения полученных результатов. По мнению автора, этот факт можно объяснить повышением остроты стереоскопического восприятия модели и, как следствие, точности визирования марки на естественные точки местности.

Известно, что стереоскопический эффект разрушается, когда разномасштабпость соответствующих контуров превышает' 16%, это и происходит при съемке вулканических построек (рис. 6). Как видно величина разномасштабное™ (5 в процентах) выражается формулой

, -215 — — соб 1 • 100, (7) Г

где I - уклон местности в точке измерения, Ь - базис в масштабе аэрофотоснимка.

Если в расчетах принять Г = 100 мм, \ = 30", то для снимков с перекрытием 75% 5 = 30%, а с перекрытием 90°;, 5 = 15%.

Отсюда следует, что для съемки специфических объектов, с целыо повышения остроты стереоскопического восприятия модели и исключения "мертвых" зон, необходимо уменьшить значение базиса фотографирования согласно (7). Оптимальную высоту фотографирования можно вычислить по формуле

Н =—, (8)

Ь

где Ь - размер объекта.

Съемку в таких случаях проще проводить отдельными кадрами. Причем первый снимок следует получать при пересечении самолетом границы объекта, а втором - не долетая.

Динамика. ри.чвигия вулкана Всзымяныи с 1950 но 1981 г., показана в работах [7, 12, .11]. До 1955 г. вулкан считался потухшим. Период покоя, длившийся несколько сотен лет, закончился мощным извержением 1955 - 1956 гг. Серией взрывов на 600 м была снесена нершина вулкана, а в оставшейся постройке образовался кратер диаметром 1,5 км и глубиной 500 м. Объем породы, выброшенной в результате взрыва, составил 0,737 км' .

Геодезические работы н режимную аэрофотосъемку вулкана экспедиция НИИГЛиК начала выполнять с 1977 г. За два нолевых сезона была создана сеть микротрнапгуляцин. Все точки которой .закреплены скальными марками и расположены в местах наилучшего распознавания на аэрофотоснимках как летнего, так и зимнего вре,",ии съемки, регулярно проводимой с 1976 г.

В о' отке участвовали и архивные аэрофотоснимки вулкана, ,:)Л(), 1967, 1975 гг. По аэрофотоснимкам 1950 г. была составлена детальная карта первоначального облика вулкана (рис. 8) и цифровая модель рельефа. • Совместная обработка аэрофотоснимков на разные даты на основе аппроксимации позволила восстановить форму и размеры кратера, образовавшегося после извержения 1956 г. и определить объем четрузивного купола, па две фети заполнившего крате]) к 1976 г. (рис. 9). Динамику последующего роста купола отражают карты

среднегодовых скоростей отложений (рис. 10). В последующе! время обработаны материалы аэрофотосъемки пяти извержений. Числовые и графические данные значительно обогатили познание механизма извержения взрывного типа. Впервые выявлен признак, позволяющий дать краткосрочный прогноз примерно за месяц до начала извержения.

Применение архивных аэрофотоснимков расширяет временной интервал исследований и ■ способствует наиболее полному пониманию динамики природных явлений. Однако у подобных аэрофотоснимков часто отсутствуют значения элементов внутреннего ориентирования и эталонные -расстояния между координатными метками.

Не претендуя на высокую степень точности и полноту обеспечиваемую существующими методами калибровки снимков, возникающую проблему частично можно решить с помощью УСП механического типа. В конструкции таких приборов, как например стереометрограф, заложена возможность плавного изменения значений фокусных расстояний проектирующих камер. Этим обстоятельством можно воспользоваться, если на обрабатываемой стереопаре архивных аэрофотоснимков надежно опознано не менее четырех опорных точек, три из них должны находиться в одной плоскости, но не принадлежать одной прямой, а четвертая должна иметь возможно большее превышение (Ь) над первыми [19].

Согласно теории обработки снимков с преобразованными связками, при большой разности высот точек местности, элементы внутреннего ориентирования необходимо знать с более высокой точностью. В решении поставленной задачи заключается противоположный смысл - чем больше превышение, тем точнее можно определить искомые величины. В табл. 2 приведены соотношения превышения четвертой точки к высоте фотографирования, при котором • поставленная задача будет иметь оптимальное решение.

-25-

Таблица 2

Оьемочная h/H

камера

Нормальноугольная 0.5 .

Широкоугольная 0.3

Сверхширокоугольная 0.2

Фокусное расстояние аэрофотоснимка f и фокусное расстояние преобразованной связки F связаны отношением

f=(h/h)F, .(9)

где h - истинное превышение четвёртой точки,

а h - измеренное на приборе превышение при произвольном значении F.

Определенное таким образом фокусное расстояние является исправленным за деформацию архивных, фотоматериалов. Точность определения фокусного расстояния можно предвычислить, допуская безошибочность значений h и F по формуле

щг=^Шг=4п1г. (10)

r h2 h h h

Расчет показывает, если принять - 1:т = 1:25 ООО, h /H = ■ 0.3, f~F = 100 мм, т^ = 0.5 м, ошибка в определении фокусного

расстояния снимка составит 0.06 мм. Следовательно, можно утверждать, что значение фокусного расстояния вполне приемлемо для определения природных явлений по аэрофотоснимкам и снимкам, полученным малоформативнымн неметрическими камерами.

Изучение деятельности пул капа Карымскпн геодезическими и фотограмметрическими методами проводилось н период десятилетнего никла деятельности. 13 тесном сотрудничестве с лабораторией геодезии Института вулканологии была создана сеть геодезических построений, состоящая из нивелирных ходов I класса и линейно-угловой сети со сторонами 1-3 км (рис. И). Ежегодные половые работы включали угловые, линейные измерения, геометрическое и тригонометрическое нивелирование и периодическую аэрофотосъемку. В период активизации деятельности вулкана (197(5, 1979, 1980 и\) съемка выполнялась и ;; зимнее время [10,- 13, 31]. В связи с периодическими

газопспловыми выбросами из кратера вместо плановой проводилась перспективная аэрофотосъемка склонов вулкана.

Автор • предлагает выполнять перспективную

аэрофотосъемку • с ориентировкой плоскости кадра параллельно склону. Это- дает следующие преимущества: снимки объекта получаются в более крупном масштабе; ось съемочного маршрута прокладывается не над объектом, а на .безопасном расстоянии; аэрофотоснимки с такой ориентировкой можно обработать на УСП. Для этого необходимо выбрать новую, условную, систему координат." Оси координат которой необходимо направить так, чтобы угол наклона координатной плоскости ОХ'У был близок к среднему уклону местности. По геодезическим • координатам опорных точек' вычисляется Дирекционный угол - а для поворота оси X', а через, превышение опорных. точек, расположенных па ■ склоне - средний уклон 1 для поворота оси Т. Третий угол, будет равен нулю. Тогда для пространственного преобразования координат • в выбранную фотограмметрическую систему направляющие косинусы примут следующий вид:

а,|= eos i eos a, а12= -eos í sin a,

a2|= sin a,

а22^ cos a> a23= 0,- .

,= sin i eos a, г= -sin i sin a, = cos i ,

(lt)

a(3= -sin i, i

а формулы преобразования координат в матричном виде:

X'" ап а21 а31 "X"

Y = а12 а22 ; а32 • Y (12)

Z' _а13 а23 азз. Z

По отношению к новой системе координат

аэрофотоснимки будут иметь близкие к нулю значения угловых элементов внешнего ориентирования, поэтому обработка их на УСП не вызывает трудности.

Результаты комплексных исследований вулкана Карымский позволили:

1. Получить количественные оценки современных вертикальных и горизонтальных смещений земной поверхности в пределах кальдеры • вулкана, проследить пространственно-временной характер распределения смещений и сделать прогноз направленности смещений.

-272. Выявить закономерности проявления подвижек в период активностью вулкана.

3. Составить карту лавовых полей и определить объем лав по отдельным извержениям с 1935 по 1980.

4. Изучить деформацию постройки вулкана, изменение морфологии кратера, миграцию устья излияния лавовых потоков и определить вязкость лавы вблизи места излияния.

Следует отмстить первую успешную попытку определения вязкости лавы, с помощью аэрофотоснимков, и ранней стадии излияния (на первых десятках метров ее движения по склону), когда она но своим свойствам блика.

Таким образом, за период апробации, внедрения к производственных испытаний методов и технологии определения динамических характеристик вулканов Камчатки, было изучено 1(5 из 19 наиболее активных [7-9, 11, 30].

Кроме того, передано большое количество топографических карт масштабов 1:20 ООО — 1:2000 и дополнительная графическая документация, включая рельефные карты, в том числе па район Мутновских и Паужетских месторождений термальных • вод для поиска запасов подземного тепла [8], а также . составлены ортофотоплапы масштаба 1:2000 с детальным отображением геоморфологических особенностей рельефа и уклонов местности на два полигона, предназначенных для испытаний самоходных управляемых аппаратов при исследовании поверхности планет.

Определение объема снежных масс и критических параметров снежных лавин, выполнялось методом, в основу которого положена обработка материалов летней и зимней съемки по принципу "совмещенных" моделей. Для этого одиночные модели, построенные по летним аэрофотоснимкам только масштабируются, а модели, полученные по аэрофотоснимкам второй даты, ориентируют по общим точкам обеих моделей. В зависимости от точности определения объема, масштабирование выполняется по карте, либо но известным расстояниям между характерными точками.

Точность "совмещения" моделей определяется масштабом съемки, точностью покадрового совпадения аэрофотоснимков обеих съемок. Если аэрофотосъемка выполнена одним и тем же аэрофотоаппаратом, при пх полном совпадении можно ожидать

практически полной компенсации систематических ошибок при вычислении объема снежного покрова. Метод отработан при определении сезонного накопления снега на площади водосбора Долины Гейзеров. В данном случае, в качестве геодезической основы, использовалась карта масштаба 1:10 ООО.

Объем снега определялся через площадь сечений, построенных на стереомстрографс методом, изложенным в [16]. Интервал профилирования изменялся от .100 до 500 м в зависимости от сложности форм рельефа подстилающей поверхности.

В результате исследований установлено, что построение профиля по "снежной" поверхности модели по точности выше дискретных измерений, особенно при слабой проработке структуры фотоизображения. Для усиления стереоскопического восприятия автор рекомендует выполнять аэрофотосъемку при низком солнце, в этом случае тени, проявят структуру микрорельефа снежной поверхности.

На основании разработок, выполненных в разное время, отработана технология фотограмметрического метода определения критических значений дальности выброса и массы лавины [31]. Технологией предусмотрена аналитическая обработка архивных материалов аэрофотосъемки для определения площади лавииосбора, ширины и профиля транспортной зоны лавины, скорости и дальности выброса. Впервые расчеты параметров движения лавины выполнены на основе строгих уравнений и точных топографических данных, получаемых при измерении аэроснимков [4].

Метод опробован на материалах аэрофотосъемки масштаба 1:35 000, выполненной по долине р. Варзоб (Узбекистан). Материалы измерялись и обрабатывались на оборудовании Ташкентского гидрометеоцентра.

Особое место в работах автора отводится выявлению зон повышенного геоморфологического риска [22-24]. В этой связи выполнено определение интенсивности эрозионного расчленения, аномальных коэффициентов падения рек но материалам аэрофотосъемки для проведения эколого-ириродоохранной паспортизации ряда районов Новосибирской области. В итоге была составлена серия тематических карт, отражающих прогнозно-

оцсночныс и рекомендательные природоохранные мероприятия в исследуемых регионах.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Разработан новый метод создания стереоскопических топографических карт на универсальном стерсофотограмметрическом приборе.

2. Разработаны способы:

построения картографической, блок-диаграммы рельефа но аэрофотосн им кам;

построения профилей местности по любому заданному направлению, а также серии совмещенных профилей, с помощью стереофотограмметрического прибора.

3. Выполнена конструкторская разработка и создана действующая приставка к стереофотограмметрическому прибору для изготовления крупномасштабных рельефных карт.

4. Предложен оригинальный метод аэрофотосъемки склоновых процессов и аналоговой обработки перспективных аэрофотоснимков .

5. Применительно к изучению объектов специфической формы предложено использовать плановую аэрофотосъемку с 90% перекрытием и архивную, для которой разработан аналоговый метод определения утраченного фокусного расстояния .

6. Разработана программа аналитической фототриангуляции для решения задач по изучению процессов- накопления и перемещения земных масс, связанных с механизмом извержениями.

7. По материалам аэрофотосъемки и геодезических измерений, выполненных при научно-методическом руководстве автора в многочисленных экспедициях на действующие вулканы Камчатки, прошли производственные испытания предлагаемые способы фотограмметрической обработки снимков и получены серии разнообразных графических и числовых характеристик механизма извержения и динамики рельефообразования на 16 вулканах.

8. Отработаны технологии и получены материалы исследования районов гидротермальной деятельности, зон

лавинной опасности, а также созданы карты мощности отложсння продуктов извержения, среднегодовой скорости роста экструзивных поднятий.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. О точности соединения смежных маршрутов но общим точкам// Тр. НИИГАиК.- Новосибирск, 1972,- Том 29.- С 43 -47.

2. Плановая фототриангуляция для составления фотопланов и уточненных фотосхем// Тр. НИИГАиК.- Новосибирск, 1972.-Том 29,- С 59 - 66 (соавт. Н.Ф. Добрынин).

3. Некоторые пути расширения возможностей применения и усовершенствования методов фотограмметрии при лесоустроительных работах/'/ Сб. статей. Применение аэрофотосъемки при изучении лесного и болотного мелиоративного фондов/- Л, 1973.- С 33 - 41 (соавт. П.Д. Амромин, Г.А. Лысков).

4. Определение параметров движения снежных лавин по материалам аэрофотосъемки с применением ЭВМ// Тр. НИИГАиК.- Новосибирск, 1975.- Том 38. С 183 - 190, (соавт. М.И. Кузьмин).

5. Комплекс программ, используемых ~ для изучения динамических процессов в вулканологии// . Межвузовский сб. Новосибирск, 1979.- Том 4.- С 45 - 55 (соавт. Н.Ф. Добрынин й др.).

6. Некоторые результаты экспериментальных исследований по применению фотограмметрического метода для изучения динамических процессов в вулканологии// Вулканология и сейсмология.- М, 1979, N3.- С 30 - 37 (соавт. Н.Ф. Добрынин и др.).

7. Состояние и динамика некоторых вулканов Курило-Камчатского региона по данным дистанционных наблюдений././ Материалы V всесоюз. вулкан, сов,-Тбилиси, 1980.- С 165 - 167.

8. Критерии аэрофотограмметрического метода прогноза рудопроявленнй// V Всесоюз. вулкан, сов.- Тбилиси, 1980.- С 196 - 198 (соавт. В.Н. Двигало).

9. Аэрофотограмметрические наблюдения на побочном извержении Ключевского вулкана/ / Вулканология и сейсмология.- М., 1981, N 1.- СТА -77 (соавт. В.Н. Двигало).

10. Особенности смещений земной поверхности па вулкане Карымский по геодезическим и фотограмметрическим данным за период 1970 - 1981 гг// Вулканология и сейсмология.- М., 1982, N 4.- С 49 -64 (соавт. М.Ф. Магуськнн и др.).

-Э1 -

11. Применение аэрофотогеодезического метода в вулканологии.// Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1982, N 2.- С 99 -103.

12. Развитие вулкана Безымянный по данным стереофотограмметрической обработки материалов аэрофотосъемок 1950 - 1981 гг// Вулканология и сейсмология.-М., 1983, N 1,- С 52 - 64, (соавт. В.Н, Двигало).

13. Применение аэрокосмической информации для изучения быстронротекающих природных процессов.// Материалы Всесоюз. конференции " Исследование гравитационного поля и природных ресурсов Земли космическими средствами" - Львов, 1984.- С 106 - 108.

14. Большое трещинное Толбачинское извержение. Камчатка 1975 - 1976 // Под ред. чл.-кор. АН СССР С.А. Федотова, М: Наука, 1984.- С 472 - 514.

15. Фотограмметрические методы изучения регионов вулканической деятельности // Межвузов, сб. Роль геодезии в освоении природных ресурсов Сибири и Дальнего Востока.-Новосибирск, 1985.- С 78 - 90 (соавт. С.А. Федотов, И.М. Павлов).

16. Определение объемов выработок и лавиноопасных участков//Сб. "Геодезическое обеспечение строительства и эксплуатации инженерных сооружений".- М., 1987.- С 42 - 48% (соавт. П.Д. Гук)

17. Практикум но фотограмметрическому ииструмситоведснию.- Новосибирск, 1988.- 45 с.

18. Методика обработки аэроснимков па СЦ - 1 и его исследование с применением ЭВМ,- Новосибирск, 1988.- 25 с.

19. Аналитическая обработка стсреорснтгсповских снимков но принципу проективных преобразований// Межвузов, сб. Методы фотограмметрической обработки наземных и аэрокосмических снимков.- Новосибирск, 1990,- С 54-59 (соавт. Л. К. Труби на и др.)

20. Создание стереоскопических карт на стереопроекторе СПР -3 м,- Геодезия и картография, 1992, N 1.- С 32 - 36 (соавт. П.Д. Амромин).

21. Способ создания стереоскопической карты и устройство для его осуществления.- Патент РФ, N 1553825 - 30.03.93 (соавт. П.Д. Амромин).

22.' Методы выявления геодипамических напряжений для определения зон повышенного геоморфологического риска/ / Геоморфологический риск ИЗК СО РАН.- Иркутск, 1993,- С 64 -69, (соавт. Л.К. Зятькова).

23., Проблемы аэрокосмического мониторинга природных ресурсов Сибирл// СЙ Современны? проблемы геоде.Тии, картографии и- оптикоэлектропиого приборостроения.-

Новосибирск, 1993.- С 46 - 55 (соавт. Л.К. Зятькова, Г.Ь. Гладьпнеи}.

24. Методы определения экологического потенциала районов активного освоения при использовании их в гсоипформациоиных системах// Материалы межвузов. научно-технической конференции.-Новосибирск, 1993.- С 82 - 84 (соавт. Л.К. Зятькова).

25. State and tlinamics of some active volcanoes in the Kuriie -Kamchatka region from remote sensing survey data, 1979 - 1980// Lavcet symposium international association of volcanology and chemistry of the earth's interator, September 9./ 1981,- P 115 -117, (with Dvigalo V.N.).

26. Photogrammetric method of making up data bank for the investigation of modern volcanism// XVII International congress FIG, Sofia./ june 19 - 28, 1983.- P 6 (with Rodionov S.I.).

Отчеты но НИР

27. Аналитическое сгущение плановой основы// Новосибирск, НИИГАиК, N гос.регистрации 71007734, рук. Н.Ф. Добрынин, 1970.

28. Аналитический метод создания контурного плана но одиночному снимку.// Новосибирск, НИИГАиК, К гос.регистрации 710038679, рук. Н.Ф. Добрынин, 1971.

29. Разработка технологии фотограмметрического метода изучения динамики кратеров и лавовых потоков/'/' Новосибирск, НИИГАиК, N гос.регистрации 73042369, рук. Б.В. Селезнев, 1980.

30. Результаты определения ряда динамических характеристик вулканов Камчатки// Новосибирск, НИИГАиК, N гос. регистрации 730042369, рук. Б.В. Селезнев, 1981.

31. Разработка фотограмметрического метода изучения динамических процессов в вулканологии (заключительный отчет)/'/' Новосибирск, НИИГАиК, N гос.регистрации 73042369, рук. П.Д. Гук, отв. исполнитель Б.В. Селезнев, 1985.