автореферат диссертации по геодезии, 05.24.02, диссертация на тему:Совершенствование технологии проектирования, построения и уравнивания фотограмметрических сетей

Р Г Б ОД

На правах рукописи УДК 528.735

ОВ Шь'

ГОВОРОВ АЛЕКСАНДР ВАЛЕРЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ПОСТРОЕНИЯ И УРАВНИВАНИЯ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

05.24.02

Аэрокосмические съемки, фотограмметрия, фототопография

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

МОСКВА 1996

Работа выполнена в Московском Государственном Университете Геодезии и Картографии.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.Б.Дубиновский.

Научный консультант - доктор технических наук, Г.Г.Вокин.

Официальные оппоненты: доктор технических наук В.В.Погоре^^ кандидат технических наук С.А.Кадничанский Ведущее предприятие - указано в решении специализированного совета.

Защита диссертации состоится 1996г.

в 4® часов на заседании диссертационного совета К.063.01.02 по присуждению ученых степеней кандидата наук в Московском Государственном Университете Геодезии и Картографии по адресу: 103064, Москва, К-64, Гороховский пер., д. 4. МИИГАиК, ауд.321.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

МИИГАиК.

Автореферат разослан

Ученый секретарь I

специализированного совета ктО^^ Б.В.Краснопевцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современных условиях, в связи с постоянным увеличением объемов работ по созданию и обновлению топографических карт и планов во все более крупных масштабах и, как следствие этого, переходом, хотя и относительно медленным, к сплошному картографированию территорий значительных регионов в этих масштабах, созданием кадастровой, экологической документации и др., очевидна необходимость совершенствования технологии проектирования, построения и уравнивания фотограмметрических сетей на основе современных технических средств и в первую очередь персональных ЭВМ и периферийных устройств к ним. Необходимо усовершенствовать технологию фотограмметрического сгущения геодезической сети разной плотности, различного назначения (для собственно сгущения геодезической сети, создания фотопланов, стереоскопической съемки рельефа и контуров), эффективного использования всех ухе имеющихся фотограмметрических сетей, их взаимной связи, совместном уравнивании, а также построении сетей прос'!'г лственной фототриангуляции при нарушенных геометрических условиях (фотограмметрические разрывы) и т.п. Актуальной остается задача построения и уравнивания блочных сетей значительной протяженности.

В этих условиях главнейшими направлениями совершенствования фототриангулирования признаны следующие: разработка и совершенствование способов, эффективных при использовании ЭВМ и позволяющих сразу

- 4 -

строить блочные сети, сокращающих количество неизвестных, одновременно определяемых при создании конкретной блочной сети, что позволит строить и уравнивать на конкретных ЭВМ сети значительно большей протяженности и совершенствовать технологию проектирования фотограмметрических сетей.

разработке:

- способа построения блочной и маршрутной фотограмметрической сети на основе раздельного определения элементов внешнего ориентирования снимков и координат точек местности,

- методики проектирования фотограмметрических сетей с применением метода имитационного моделирования,

- технологии пространственного блочного фототриангулирования при перекрытиях снимков менее 50%.

Методы исследований. Теоретические исследования выполнены на основе аналитической фотограмметрии с использованием теории моделирования и алгоритмов. Основными экспериментальными методами исследований служили: математическое (имитационное) моделирование процесса фототриангулирования и обработка фотограмметрических измерений по имитированным и реальным аэроснимкам.

усовершенствован способ раздельного построения и уравнивания элементов внешнего ориентирования снимков и координат точек местности. Разработана и исследована технология построения и уравнивания блочных фотограмметрических сетей при перекрытиях снимков менее 50%. Предложена методика проектирования фотограмметрических сетей с использованием имитационного моделирования.

На защиту выносятся:

1. Технология построения блочных и маршрутных фотограмметрических сетей на основе раздельного построения и уравнивания элементов внешнего ориентирования снимков и координат точек местности.

2. Технология построения и уравнивания блочных фотограмметрических сетей при перекрытиях снимков менее 50%.

3. Методика проектирования фотограмметрических сетей с использованием имитационного моделирования.

Практическая ценность работы состоит в том, что на основе выполненных исследований разработаны: технология а алгоритмы пространственной фототриангуляции способом связок по снимкам с перекрытиями менее 50%, технология построения фотограмметрических сетей на основе раздельного определения элементов внешнего ориентирования снимков и координат точек местности. Разработана методика проектирования фотограмметрических сетей с использованием имитационного моделирования.

Результаты исследований по теме диссертации используются в учебном процессе кафедры фотограмметрии МИИГАиК.

конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК в 1989 г., научно-технической конференции, посвященной 215-летию МИИГАиК в 1994 г. и 50-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК в 1995 г.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в четырех статьях.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы: 155 страниц включая 10 таблиц, 70 рисунков и 2 приложения. Список литературы содержит 60 наименований, в том числе б на иностранных языках.

Основные положения диссертации были доложены и получили одобрение на 44-й научно-технической

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы и формулируется цель исследований.

В первой главе определены направления и задачи совершенствования технологии построения и уравнивания фотограмметрических сетей, для чего вначале рассмотрено назначение фотограмметрических сетей и основное требования к способам их создания. Затем на основе анализа способов построения и уравнивания фотограмметрических сетей, сформулированы направления совершенствования методов фотограмметрического сгущения.

дано теоретическое обоснование построения и уравнивания фотограмметрических сетей способом раздельного определения элементов внешнего ориентирования снимков и координат точек местности.

Сущность этого способа заключается в том, что сначала отыскиваются вероятнейшие значения элементов внешнего ориентирования всех снимков фотограмметрической сети, а затем - координаты точек местности.

При определении ЭВО снимков используются условия: - компланарности (1) для точек, изобразившихся на перекрывающихся снимках,

Ф =

Xsj — Х3 ' XI'

XI'

Ysj - - г31

Ъх'

г-»'

= о,

(1)

где: Хв., Х51,

проекции соответственно 1

- координаты центров и з снимков, а

XI'

=

А1

Xj-Xo

У1-У0 -£

Х1-Х0

(2)

Уравнение поправок, соответствующее уравнению (2) имеет вид:

а1§Х31+а25У51^+аз8281+а45а1+а55«1+аб5к1+ +а' 1§Х3 ' 25Ув ' З5г3 ^а' 46а 5+а' 58со +а' б5к:^+1=У

(3)

- равенства масштабов N всех связующих точек, определенных в смежных стереопарах сети.

Это условие вытекает из условия пересечения трех

векторов На, ^ и Их в одной точке (рис.1). В этом

случае модули общего вектора |Г^^) и |Я' ^|, определенные по смежным моделям, построенным соответственно по х и у, ] и к снимкам должны быть равны, т.е.

1кз I = |К'1| - (4)

Условие (4) можно записать как

41

или

Ыт - Ы'т = 0 .

(6)

Значение ^ и N3' являются функциями координат изображений связующей точки на снимках 1, j, к и элементов внешнего ориентирования этих снимков и определяются по формулам:

ВЙ!-}

ВХ1] Вг^ Х'х г'±

+

Вх13 Х'1

1/2

N3 =

(7)

2'!

Х'з г')

Х'1 2':

Х'1

Х'1 У';

1/2

2

У'к

Вх^к Вгзк Х'к

Вх5к Ву3к Х'к У'к

1/2

N3' =

(8)

У'к г'к в которых:

Х'к г'к

X'-, У'}

Х'к V*

1/2

Вх14 1 ХБ^-Хв!

Ву±3 = УЭ-^УБ! • (7)

Вг^ 1

В^к ХЭк-О^

Вузк = YSk-YSj (8)

Вг3к | Zsk-Zsj

Уравнения поправок, соответствующие условию (6) имеют вид:

£ 18ХаА+£ 25У81+£з5281+£ 45а1+£55©1+£ 66кА+

78Хв j+f 85Уз ^ 95г8 ^ ю&х^ ц&» ^ х25к3+ (9)

+£ 1562в^+£ 185К-)+1=У

Определение ЭВО снимков производится в результате совместного решения по способу наименьших квадратов систем уравнений поправок (3) и (9) при их определении в системе координат фотограмметрической модели. Для определении ЭВО снимков в геодезической системе координат совместно с уравнениями (3) и (9) решаются

- 11 -

уравнения поправок (11), вытекающие из уравнений прямой фотограмметрической засечки. (10)

X = XSl + N X/

Y = YSl + N У/ (Ю)

Z = Zsj + N V

gi8Xs+g25Ye+g38Z3+g45a+g55io+g65K+lx = Vx , hiSXs+h25Ys+h35ZB+h46a+h5S<o+h65K+lY = VY , (11)

i15Xe+i2SYs+i35Za+i45a-l-i58(o+i65K+ly = Vz .

Таким образом, усовершенствованным способом можно строить как маршрутные, так и блочные сети, а вкачестве опорных точек использовать планово-высотные, плановые и высотные точки.

В третьей главе разработана и исследована технология построения фотограмметрических сетей при различных перекрытиях снимков на основе опорных точек и данных систем GPS.

Исследование условий и'возможностей фотограмметрической обработки снимков при различных р и q показало, что возможно построение фотограмметрических сетей при р=20-60% и что имеют место направления, в которых можно искать решение сразу нескольких или некоторых из следующих вопросов: повышение точности сетей, уменьшение объема аэросъемочных работ, уменьшение объема фотограмметрических работ и их стоимости.

- 12 -

Исследовано 23 варианта фотограмметрических сетей различной конфигурации. Для каждого варианта определялась величина соотношения количества уравнений (М) и количества неизвестных (Ы). Если М больше, или в крайнем случае равно Ы, то построение сети принципиально возможно.

При определении М и N учитывалось, что изображение точки на каждом снимке, на втором она изобразилась, позволяет составить два уравнения поправок, в которых неизвестными будут:

- если точка определяемая - 9 неизвестных (6 элементов внешнего ориентирования и 3 координаты точки местности);

- если точка опорная, то

а) б неизвестных (Х5, Уе, а, со, к) если точка планово-высотная,

б) 8 неизвестных (Х5, Ys, а, со, к, X, У) если точка высотная и

в) 7 неизвестных (Х8, Уа, со, к, если точка плановая.

Кроме того, планово-высотная точка может быть включена в фотограмметрическую сеть, если она изобразилась минимум на одном снимке, плановая или высЗотная - если каждая из них изобразилась минимум на двух снимках. В наших расчетах мы принимали все точки планово-высотными. ,

Анализ вариантов по значениям Н/Я и расположению опорных и определяемых точек (рис. 2 - 8) Дозволил установить, что задача решается по 4 снимкам, составленным из 2 маршрутов и расположенных как

- 13 -

представлено на рис. 7 и 8. Эти схемы соответствуют минимальной ячейке блочной сети - одиночной блочной сети при р=д=20-30%, обеспечивающей ее построение в едином масштабе.Максимальный размер сети -неограничен. Разработана методика использования результатов построения сети для стереосъемки рельефа и контуров и трансформирования снимков.

4 Л Л Д д Л Л

• • • • • Л

Д д Л д Л Л

Рис. 2 Рис 3 Р] 1С. 4 •

д • Л Л • д Л • Л

• • Л • • д • Л в •

д ♦ А Д • Л д • д

Рис. 5 Рис б Р1 дс. 7

д • Л

д • ^ •

д • д

Рис 8

- 14 -

Построение фотограмметрических сетей с использованием в качестве опорных данных координат точек фотографирования (показаний системы GPS) возможно при условиях:

1) Построение блочных фотограмметрических сетей.

2) Использование в качестве опорных данных координат точек фотографирования и небольшого числа опорных точек местности (последнее если р<55%).

3) Должно быть обеспечено достаточное количество определяемых точек, обеспечивающее (вместе с опорными точками) соблюдение неравенства M/N>1.

В четвертой главе описана методика проектирования фотограмметрического сгущения и пути ее совершенствования.

Густота точек планово-высотной подготовки, т.е. расстояние между ними вдоль маршрутов аэрофотосъемки в базисах фотографирования, определяется действующими инструкциями по топографической съемке. При этом не учитывается реальное расположение на местности точек исходной геодезической сети, что приводит иногда к непроизводительным затратам квалифицированного труда. Непрерывное совершенствование технологии фотограмметрического сгущения опорной сети на основе аналитической фототриангуляции способствует повышению точности фотограмметрических построений и создает резерв для дальнейшего разрежения съемочного обоснования.

Современная система проектирования параметров фотограмметрических сетей по мнению автора должна являться одной из взаимосвязанных подсистем глобальной

- 15 -

системы автоматизированного проектирования создания и обновления топографических карт. Глобальная система должна иметь доступ к большому количеству разнообразных данных, охватывающих информацию о местности, ее рельефе, степени пересеченности, географическом положении (такую информацию могут предоставить в распоряжение проектировщика географические информационные системы), носителях съемочных систем (высоты, скорости полета, оснащенность навигационной аппаратурой), съемочных системах (паспортные данные, данные калибровки), геодезическом обосновании (каталоги геодезических пунктов), фотограмметрических приборах (парк приборов, результаты поверок и исследований), существующих топографических картах (наличие, степень новизны), экономических аспектах (стоимость выполнения геодезических, фотограмметрических и других камеральных работ) и др.

Метод имитационного моделирования - один из наиболее мощных методов исследования реально существующих и проектируемых объектов самой различной природы и степени сложности. Сущность это метода состоит в построении так называемой имитационной модели исследуемого объекта и в целенаправленном экспериментировании с такой моделью для получения ответов на те или иные вопросы.

Далее производится целенаправленное экспериментирование с такой моделью, которая представляет собой по сути дела совокупность цифровой модели местности и соответствующим ей снимков. Цель

- 16 -

экспериментирования - подобрать такие параметры моделей снимков, съемки и съемочного обоснования, при которых обработка получаемой информации будет производиться наиболее эффективно. То есть будет найден один из возможно многих оптимумов между точностью и стоимостью будущей сети. Это возможно 1 потому, что при каждом "проигрывании" экспериментатор получает конечный результат построения сети - таблицу элементов внешнего ориентирования снимков, каталог координат точек сети и, что особенно важно и возможно только при использовании метода имитационного моделирования - истинную оценку полученных результатов, так как все определяемые величины известны - они задаются при построении имитационной модели.

Важно отметить, что сведения о рельефе моделируемой местности, а также множество других данных, относящихся к проекту сети могут быть взяты из баз данных, составляющих глобальную систему автоматизированного проектирования создания топографических карт. Таким образом, параметры моделируемой местности и сети устанавливаются максимально приближенными к тем, которые будут существовать при реальных построениях. Все это повышает степень доверия к результатам моделирования. Иначе говоря, оценки результатов (в первую очередь точность сети) будут очень близкими к соответствующим оценкам реальных построений.

Последовательность действий при проектировании должна быть следующей:

- 17 -

1. Получение задания на проектирование.

2. Предварительные расчеты основных параметров сети исходя из заданной точности.

3. Получение данных о местности на съемочном участке из ГИС, либо путем цифрования карты мелкого масштаба.

4. Привязка предварительных параметров к данным, полученным в пункте 3 (рельеф, количество и расположение пунктов исходной геодезической сети, степень пересеченности).

5. Создание макетных снимков с параметрами, определенными в пунктах 3 и 4.

6. Пробный счет по программе аналитической фототриангуляции и анализ точности построения сети.

7. Повторение пунктов 5 и б при изменении параметров сети для отыскания оптимального варианта.

В пятой главе представлены и проанализированы результаты экспериментальных работ.

Все теоретические разработки проверены и оценены экспериментально по разработанным программам для ПЭВМ.

По программе, реализующей способ связок выполнена серия экспериментов по уравниванию фотограмметрических сетей по макетным снимкам (варианты 1-7 с £=10Омм, Н=1000м, 1:ш=1:10000) при различных перекрытиях снимков. В координаты точек снимков вводились случайные (ш=0,02мм) и систематические (Д=0,0Змм) ошибки. Приближенные значения линейных элементов внешнего ориентирования снимков и координат точек местности отличались от истинных на 30-40 метров.

- 18 -

Кроме макетных обрабатывались и реальные (варианты 8 и 9, £=100мм, Н=1400м, 1:ш=1:14000) снимки.

Построение сетей в обоих случаях было выполнено на персональном компьютере типа РС АТ-486.

Результаты построения сетей сведены в таблицу 1. В ней в схемах расположения снимков и опорных точек, границы блока снимков показаны прямоугольником, а опорные точки - в виде треугольников.

В вариантах 2, 4, и б опорные точки расположены по 6 или 4 точки на каждом маршруте, то есть в каждой колонке по 11 точек. В варианте 5 опорные точки расположены в зонах двойных перекрытий. В варианте 7 каждый крайний снимок в маршруте обеспечен четырьмя опорными точками.

В вариантах 8 и 9 представлены результата обработки реальных снимков полигона МИИЗ. Снимки измерялись на Стекометре одним приемом. Приближенные значения неизвестных были получены в результате счета по программе, основанной на методе независимых моделей.

В целом экспериментальные исследования, выполненные путем построения 9 вариантов фотограмметрических сетей по макетным и аэрофотоснимкам подтвердили теоретические выводы.

Таблица 1.

№ п/ п Количество Схема расположения опорных точек (Д) Перекрытия, % Точность

маршрутов снимков в маршруте Р продольное Я. попере-речное точек фотографирования точек местности

тх5, м ту3/ м т^/ м ГПх/ГПсн. туДПсн. тдД|ф

1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12

1 5 5 Ь Л 60 59 0,36 0,26 0,21 0,013 0,016 1/4064

2 10 10 4 4 Д Л Л А Ь 4 & 60 24 0,37 0,29 0,23 0,010 0,014 1/4390

3 4 4 а д & д & 1 д д Л 4 46 47 0,62 0,50 0,41 0,016 0,017 1/3245

4 10 7 Д Ь Л Д 4 3 46 24 0,28 0,27 0,18 0,014 0,016 1/3284

Таблица 1 (продолжение).

1 2 3 4 | 5 6 7 8 9 10 11 12

5:3 3 ! ! 1 , | ' I 1 20 24 1,38 0,48 0,86 0,016 0,015 1/4176

1 6 I 10 1 5 1 | 1 ! ^^ТТоТГ'т^ек'"' & а & 20 24 1,40 1,30 1,01 0,014 0,015 1/4196

7 10 5 4 Д Л 4 л а а й а л д д 20 24 0,41 0,26 0,27 0,016 0,021 1/3090

8 4 6 Л Л Д 60 30 - - - 0,029 0,029 1/3313

9 4 3 А а л а Д й д 30 30 - - - 0,030 0,025 1/3218

Заключение.

В результате выполненных в настоящей работе исследований сделаны следующие выводы.

1. Направлениями и задачами совершенствования процессов фототриангулирования следует считать:

а) разработка и совершенствование способов, позволяющих сразу строить блочные сети, считая маршрутные сети частным случаем блочных.

б) сокращение количества неизвестных, одновременно определяемых при создании конкретной блочной сети, что позволит строить и уравнивать на конкретных персональных ЭВМ сети значительно большей протяженности.

в) совершенствование технологии проектирования параметров фотограмметрических сетей.

2. Исследован и усовершенствован способ построения фотограмметрических сетей на основе раздельного определения элементов внешнего ориентирования снимков и координат точек местности. Основными результатами разработки являются следующие:

а) единая теория построения блочных и маршрутных фотограмметрических сетей на основе раздельного определения элементов ориентирования снимков и координат точек местности;

б) методика использования не только планово-высотных, но и плановых и высотных опорных точек, а также их комбинаций;

в) способ совместного решения различных групп уравнений, возникающих при фототриангулировании.

- 22 -

3. Разработана технология построения блочных фотограмметрических сетей при продольных и поперечных перекрытиях от 20 до 60%, включающая:

а) обоснование возможности построения блочных фотограмметрических сетей при р < 50%;

б) метод выбора опорных и определяемых точек в том числе и по показаниям системы GPS;

в) методику использования результатов фотограмметрического сгущения для стереосъемки рельефе и контуров и трансформирования снимков.

4. Если в качестве опорных данных используются только линейные элементы внешнего ориентирования снимков (данные системы GPS), то для надежного построения поперечное перекрытие снимков должно быть достаточно большим (>55%). В противном случае следует использовать дополнительно высотные опорные точки.

5. Предложена методика расположения неизвестных в матрице нормальных уравнений - модифицированный метод гнездового рассечения, обеспечивающий наименьшую ширину ленты матрицы нормальных уравнений и, следовательно, более быстрое и эффективное решение системы нормальных уравнений.

6. Разработана методика проектирования фотограмметрического сгущения на основе имитационного моделирования путем решения взаимосвязанных вопросов: определения параметров аэрофотоснимков, количества и расположения опорных и определяемых точек, выбор эффективных технических средств или проектирование фотограмметрического сгущения на основе имеющихся технических средств.

- 23 -

7. Разработана автоматизированная методика построения моделей местности и соответствующих г>м аэрофотоснимков заданных параметров.

8. Выполненные экспериментальные работы поко^лпи:

а) наивысшая точность точек сети может быть получена при p=q=60%. В ряде случаев практики использование таких снимков и экономически целесообразно.

б) падение точности точек сети при уменьшении продольных перекрытий от 60% к 45% и 30% происходит плавно и может быть исключено введением дополнительных эпориых точек.

в) экспериментально подтверждена возможность уравнивания фотограмметрических сетей с использованием данных систем GPS в том числе и при перекрытиях :нимков менее 50%.

г) в результате технико-экономического анализа 'становлено, что построение фотограмметрических сетей [ри 30% продольном и поперечном перекрытиях на 32% ;ешевле, чем сетей с традиционными параметрами.

Основное содержание диссертации изложено в ледующих публикациях:

1. Об одном из вариантов пространственной этотриангуляции по способу раздельного определения и эавнивания элементов внешнего ориентирования снимков координат точек местности. Сб. "Известия вузов, юдезия и аэрофотосъемка", 1989, №2, - с.87-91. (в ^авторстве с Чибуничевым А.Г., Михайловым A.n., грковым В. М.)

- 24 -

2. Совместное решение различных групп уравнений, возникающих при фототриангулировании. Сб."Известия вузов.Геодезия и аэрофотосъмка", 1993, №4, - с.113-111 (в соавторстве с Чибуничевым А.Г.)

3. Построение блочных фотограмметрических сетей при перекрытиях снимков менее 50% "Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка", вып. 3, 1995 г. (в соавторстве с Дубиновским В.Б.)

4. Исследование методики построения блочных фотограмметрических сетей при перекрытиях снимков менее 50%. "Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка", вып. б, 1995 г. (в соавторстве с Дубиновским В.Б.)

Нидп. к нем. 1Ь.Ш.% Формат бумаги 60x90 Бумага офсетная Печ.л. 1,5 У'|.-1м,ч..1. 1,5 Тираж КО экз. Заказ №513 Цена договорная

МосГУГиК 103064, Москва К-64, Гороховский пер., 4