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

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

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

На правах рукописи

* з '

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

кандидат технических наук, доцент

С.И. Родионов

доктор технических наук, профессор И.Г. Журкин

кандидат технических паук, доцент

Л. С. Люби пая Ведущая организация: ПО "Ипжгеодсяия"

Защита диссертации состоится " 2 " июня 1994г. в часов на заседании диссертационного совета Д 064.И.01 Новосибирского ордена "Знак Почета" института инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии по адресу: 630108, Новосибирск, Плахогпого, 10, НИИГАиК, аудитория N 403.

/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИГАиК.

Н ау ч 11 ы й до к л ад разос л аи Л9-- О У 1994г.

^Ученый секретарь диссертационного совета

9К9 Подшсано в печать 26.04.94 Объем 2.0 печ.л. уч.кзд.л. 1.9 Заказ ДО Тираж 100

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

И - /\. Середович

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

Общая характеристика работы

Актуальность. В большой совокупности географических компонентов, входящих в природно-тсрриториальный комиле1Л (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 на формирование земной поверхности.

Цель исследований заключалась в теоретическом обосновании методов, технологий, создании и испытании конструкторских разработок к 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 природно— территориальном комплексе на уровне административных районов.

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

-h-

нзвержепиях, 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 иростирания, 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 морфометрических 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 на Всесоюзном вулканологическом совещании (Тбилиси, 1980 г.), Всесоюзных конференциях "Проблемы исследования природных ресурсов Земли и Мирового океана Авиационно-космическими средствами" (Москва, 1984 г.), "Исследования гравитационного поля и природных ресурсов Земли космическими средствами" (Львов, 1984 г.), Международной конференции "Современные проблемы геодезии, картографии и оптико-электронного приборое :>ения" (Новосибирск, 1993 г.), Международном симпози ме по

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

Результаты внедрения. Разработанные технологии, системы и приемы обработки прошли многостадийную проверку н внедрены в Институте вулканологии РЛН, Ташкентском гидрометеопентре, Красноярском институте леса СО РАН, Сибгипроземе. Ряд разработок ио усовершенствованию исследовании

инструментальной томности фотограмметрических приборов включен в учебное пособие и методические указания, н используется в учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторных .занятий для студентов специальности "Азрофототсодезия" Результаты исследования динамики рельефообразоваиня вулканических областей, снегомерных н лавиппо-еедевых определений преподаются студентам специальности "Исследование природных ресурсов".

Публикации. Но теме диссертации автором опубликована 31 научная работа, в том числе учебное пособие, методические указания, получен начепт на изобретение, составлено (i научно-исследовательских отчетов.

При выполнении научных работ автор постоянно общался со мжмимп научными работниками и представителями производства, чю оказывало плодотворное влияние на ход 'исследовании, повышало их практическую значимость. Ценные замечания высказали в ходе исследовании академик С.Л. Федотов, доктора И.Т. Лшинов, II.Д. Лмромии, канд. тех. паук С.И. Родионов.

Лвюр выражает благодарность своим коллегам по со имеем юй работе II.Д. Лмромину, Н.Ф. Добрынину, R.H. Дшпало. II.Д. ¡'уку, Г.В. Гладьиневу, Л.К. Зятьковой, М.Л. Mai уеыо'му, IS.II. Шкреду п многим студентам, принимавшим учапне в научно-исследовательских экспедициях н обработке ма К'рналов.

-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 стсрежкоиическои карты на уинисрсилыюм 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 но этим направляющим осуществляют с

иомощыо микрометрснпых винтов 3 и (). Такие дополнения обеспеч и на ют смещения карандашного блока н ююрдипатной плоскости Х\г.

Одновременное создание двух стереоскопических изображенIIй в этом случае включает те же процессы, что и обычное составление оригинала топографической карты, только необходимо заготовить дна одинаковых планшета с нанесенными опорными точками, одни - на стол прибора, а другой - па чертежный стол координат! рафа н нынолипть их

ориентирование. Далее вычисляют сдвиг горизонтален относительно первой (самом низкой) горнаонтали по осям X и У

И ( П — I ) СОБ 0

Дрч =-,

4тв(М-1) (])

Ь(П — I ) 0 Др =------.

где I) - превышение самом высокой точки и пределах планшета; п -порядковый помер горизонтали; 0 - угол между осью X прибора н линией общего смещения горнаонтали; тв - знаменатель вертикального масштаба модели; N - число горизонталей на составляемом карте.

По аэрофотоснимкам картографируемого участка определяют общие направления главных хребтов и тальвегов и перпендикулярно к ним выбираются направления смещения горизонталей. Намеченное направление смещения прочерчивают на основе, закрепленном па столе прибора и измеряют угол 0 томографическим транспортиром с точностью 30'. Такая точность достаточна, так как изменение угла на 30' приводит к изменению сдвига горизонтали <0,009 мм, а его значения устанавливаются микромстрсинымн винтами с точностью до 0,01 мм.

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

нараметров обладают лучшей наглядностью в 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 (рис. 1), и фототрансформатор.

При вычерчивании блок-диаграмм, как и при создании стереоскопических карг, осуществляется послойное (по 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, изготовленный на прозрачном материале, ориентируют па приборе. Далее измеряют уюл 0, образованный осью X прибора и стороной участка с точностью 30' и вычисляют величину шага смещения (Д) карандашного блока в системе координат прнбопа по формулам

Дх = 980сю(45.-0)11 / шв,

Ду = 980 8т (45-0)Ь/тв, (2)

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 результата, полученный оригинал представляет вертикальную перснектизу рельефа в прямоугольной проекции, которую для усиления наглядности необходимо трансформировать в любую перспективную,например, с двумя точками схода (рис. 2).

Перед трансформированием задают коэффициент' увеличения (V ), вычисляют и устанавливают угол наклона экрана фЕ по формуле

фр =——¡-апздп (0, (3)

1 + V

г/е 1 - наиболее благоприятный угол падения взгляда на осматриваемую местность (обычно 30 — 45°)..

Рис. I

Ряс. 2

Затем в кассету прибора помещают вычерченный оригинал так, чтобы ось Z была перпендикулярна оси вращения кассеты и экспонируют изображение на светочувствительный слой.

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

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

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

Суть способа заключается в следующем. К прибору, например стерсомстрографу, 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 кехфдипатографом 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 угли, образованного линией профиля с осью X пли У координатографа и передаточных соотношений пар шестерен, входящих н 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 Ак и вычисляют окончательное передаточное число для нары шестерен но формуле

Рис. 3

Рис. h

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

Выбранную но значению "п" пару шестерен устанавливают на ту ось второго координатографа, •. относительно которой определялось направление оси профиля. Кажущееся на 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.с.-измснеиием 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 . винтов первого координатографа, благодаря ссльсиннои связи, передается па каретки прибора и второй координатограф. Оператор удерживает марку на поверхности модели, используя только штурвал Z.

Операция построения повторяется в зависимости от числа намеченых 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 ь виде разрезов. Для этого всякий раз при построении очередного профиля осуществляют разворот второй основы по 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 природно - 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 но аэрофотоснимкам [25, 30]. Для этой цели была

разработана и изготовлена приставка к УСП. По своей конструкции ома 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 микрометрениого винта.

Методика изготовления рельефной карты, в принципе, повторяет этапы составления карт. Приставка может работать и автономно, ц режиме конкровалыю-фрезерпой 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 многомаршрутной фототриангуляции. В НИИГАиКе с участием автора была разработана и реализована программа блочной фототриангуляции, а также программный комплекс создания цифровой модели рельефа.[2, 5, 27]

В алгоритмы этих программ заложены основополагающие теоретические принципы фототриаигуляции, разработанные д.т.и. И.Т. Антигтовым. 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 аэрофотосъемочных

маршрутов, рельефа местности и длины фототриапгуляционного ряда.

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

о = —(о, + 0.5а;, + ст3), (5)

п

где п - количество базисов, ст, и о2 - площадь соприкосновения соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, ст3 -площадь, заключенная между средней линией перекрытия и ее замыкающей.

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

одм = 9В2гпх, (Г»)

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

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

поперечного угла наклона г| не превышает 5-6', что удовлетворяет требованиям плановой фототриангуляции.

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

Помимо макетных испытаний программа была апробирозгна на производственных материалах. В качестве иллюстрации приведены результаты обработки аэрофотосъемки масштаба 1:30000, Г = 100 мм, выполненной для создания планшетов масштаба 1: 25 000 для лесоустроительных целей. В обработку было включено 5 маршрутов по 10 стереопар в каждом, с поперечным перекрытием, ие 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 полиномом в пределах элементарного участка местности, обеспеченного 4 точками ЦМР [5, 15, 26].

Автор принимал активное участие в отработке технологии метода, проводил многократные испытали;! программного комплекса но 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

|>:>111<)лия.'1п адаптированным на близкие расстояния аэрофотоаппаратм с калиброванными значениями элементов внутреннего ориентирования и камерой UMK-10 в масштабах 1:20 -1:50.

Сравнение вычисляемых объемов в пределах элементарных участков с истинными их значениями на 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 того, для данного типа рельефа указанный алгоритм аппроксимации поверхности не даст заметного преимущества перед " методом определения объема простым умножением средней отметки элементарного участка па его площадь.

С помощью данного комплекса программ был определен объем основных продуктов извержения Большого трещинного Толбачипского извержения па общей площади 47.73 км 2. Производственные испытания показали достаточную надежность разработанной . технологии для . решения проблем изучения рельефообразования вулканических районов [()].

-172. Результаты опытно-производственных испытаний

Обработка материалом аэрофотосъемки Большого трещинного Толбачичского нзперження 1975-1976 гг. Толбачинское извержение 197.) 1 976 гг. по длительности и мощности является самым большим извержением вулканов в XX в. Благодаря четкой организации работ научных экспедиций, деятельность которых направлял и координировал академик С.А. Федотов, это извержение стало самым изученным [6-8, 14, 251. В исследовании .чтого извержения также приняли участие экспедиции НИИГАиК, руководимые автором. В . их задачу входило геодезическое обеспечение и периодическая аэрофотосъемка кратера вулкана Плоский Толбачик (высота 3085 м), Северного прорыва, возникшего .в 18 км юго-лападпее, и Южного прорыва, образовавшегося в 9 км от Северного. Продолжительность северного извержения 42 дня, южного - 450 дней.

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

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

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

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

Рис. 6

-205). Изолинии про нелепы 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 большое 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 аэрофотосъем кн.

Установлено, чти если при съемке руководствоваться продольным перекрытием 60%, с учетом поправки за рельеф снимаемой территории, на снимках с изображением резких провалов и поднятии 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% не 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 разпомасштабпость соответствующих контуров превышает 16%, это и происходит при съемке вулканических построек (рис. 6). Как видно величина разномасштабное™ (б в процентах) выражается формулой

, -215 - —eos i • 100, (7) f

где i - уклон местности в точке измерения, Ь - базис в масштабе аэрофотос и и м ка.

Если в расчетах принять f = 100 мм, ¡ = 30й, то для снимков с перекрытием 75% 5 = 30%, а с перекрытием 90°<> 5 = 15%.

Отсюда следует, что для съемки специфических объектов, с целью 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)

b .

где L - размер объекта.

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

Дииимики рхтития вулкана Бс:и>1мяпын с /950 но 1981 г., показана в работах [7, 12, 311. До 1955 г. вулкан считался потухшим. Период покоя, длившийся несколько сотен лет. закончился мощным извержением 1955 - 1956 гг. Серией взрывов па 600 м была снесена вершина вулкана, а и оставшейся постройке образовался кратер диаметром 1,5 км и глубиной 500 м. Объем породы, выброшенной в результате взрыва, составил 0,737 км' .

Геодезические работы и режимную аэрофотосъемку вулкана экспедиция НИИГЛиК начала выполнять с 1977 г. За два нолевых сезона была создана сеть'микротриангуляции. Все точки которой закреплены скальными марками и расположены п местах наилучшего распознавания на аэрофотсх-пимках как летнего, так и 'зимнего вре...... съемки, регулярно проводимой с 1976 г.

В с >тке участвовали и архивные аэрофотоснимки вулкана, ,.).>о, 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 •«."фузииного купола, па дне трети заполнившего кратер к 1976 г. (рис. 9). Динамику последующего роста купола отражают карты

среднегодовых скоростей отложений (рис. 10). В последующа; 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 значение 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 стереомстрограф, 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. \

p«c;e

-2k-

Рис.ГО

Рип. II

-25-

Таблица 2

Сьемочная 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 четвертой 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 '

mr = ü-mr = Xnii-. (10)

г 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 малоформативными неметрическими камерами.

Изучение деятельности аужана Кпрымскпи геодезическими и фотограмметрическими методами ироподилось и период десятилетнего цикла деятельности. В тесном сотрудничестве с лабораторией геодезии Института вулканологии была создана сеть геодезических построений, сос таящая из нивелирных ходов I класса и линейно-угловой сети со сторонами 1-3 км4 (рис. 11). Ежегодные полевые работы включали угловые, линейные измерения, геометрическое и тригонометрическое нивелирование и периодическую аэрофотосъемку. В период активизации деятельности вулкана (1976, 1979, 1980 гг.) съемка выполнялась и в зимнее время [10, 13, 31]. В связи с периодическими

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

Автор ■■ предлагает выполнять перспективную

аэрофотосъемку • с ориентировкой плоскости кадра параллельно склону. Это- даст 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 OX'Y' 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 на • склоне - средний уклон i для поворота оси Z'. Третий угол, будет ' равен нулю. Тогда для пространственного преобразования координат - в выбранную фотограмметрическую систему направляющие косинусы примут следующий вид: a,i= cos i cos a, a2,= sin а, a3l= sin i cos а.

al2= -cos i sin а, a,,= -sin i,

a22= eos а, a23= 0,- .

-sin i sin а, cos i ,

(11)

a формулы преобразования координат в матричном виде:

X'" "аи а21 a3i" "X"

Y = а12 322 а32 • Y (12)

Z' Лз ■ а23 азз. Z

По отношению к новой системе координат аэрофотоснимки будут иметь близкие к нулю значения угловых элементов внешнего ориентирования, поэтому обработка их па 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 лаповых потоков и определить вязкость лавы вблизи места излияния.

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

Таким образом, за период апробации, внедрения и производственных испытаний методов и технологий определения динамических характеристик вулканов Камчатки, было изучено 1(> 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 ортофотонланы 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 но летним аэрофотоснимкам только масштабируются, а модели, полученные по аэрофотоснимкам второй даты, ориентируют но общим точкам обеих моделей. В зависимости от точности определения объема, масштабирование выполняется но 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 аэрофотоаи паратом, при их полном сов и аде...... можно ожидать

-2С -

практически полной компенсации систематических ошибок при вычислении объема снежного покрова. Метод отработан при определении сезонного накопления снега па 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 стерсометрографе 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 лавиносбора, 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 но долине р. Варзоб (Узбекистан). Материалы измерялись и обрабатывались на оборудовании Ташкентского гидромстсоцентра.

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-природоохранной паспортизации ряда районов Новосибирской области. В итоге была составлена серия тематических карт, отражающих прогнозно-

онсночныс и рекомендательные природоохранные мероприятия в исследуемых регионах.

Основные научные положения и результаты, выносимые па защиту

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

2. Разработаны способы:

построения картографической, блок-диаграммы рельефа по аэрофотоснимкам;

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 стерсофотограмметрическому 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 отложения продуктов извержения,. среднегодовой скорости роста экструзивных поднятий.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

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

. 47.

2. Плановая фотогриангуляция 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 и 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 рудопроявлений// 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.- С 74 - 77 (соавт. В.Н. Двигало).

10. Особенности смещений земной поверхности на вулкане Карымский но 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.).

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

12. Развитие вулкана Безымянный но 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 быстропротскающих природных процессов.// Материалы Всесоюз. конференции " Исследование гравитационного ноля 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 по фотограмметрическому ипструмситоведспию.- Новосибирск, 1988.- 45 с.

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

19. Аналитическая обработка стерсорситгеновских снимков по принципу проективных преобразований// Межвузов, сб. Методы фотограмметрической обработки наземных и аэрокосмичсских снимков.- Новосибирск, 1990.- С 54-59 (соавт. Л.К. Трубина и др.)

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

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 аэрокосмичсского мониторинга природных ресурсов Сибири// Сб. Современные проблемы геодезии, картографии и оптикоэлектронпого приборостроения.-

Новосибирск, 19ЭЗ,- С 46 - 55 (соавт. Л.К. Зягькова, Г.Ь.

Гладышей).

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

25. State and dinamics of some active volcanoes in the Kurile -Kamchatka region from remote sensing survey data, 1979 - 1980// Lavcct 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 modem volcanism// XVII International congress FIG, Sofia./ june 19 - 28, 1983.- P 6 (with Rodionov S.I.).

Отчеты по НИР

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

28. Аналитический метод создания контурного плана по 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, К 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.