WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные материалы
 

Pages:   || 2 | 3 |

«Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная ...»

-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Сибирская государственная автомобильно-дорожная

академия (СибАДИ)»

Р.В. Зотов

АЭРОГЕОДЕЗИЯ

Учебное пособие в двух книгах

Книга 2

Омск

СибАДИ

УДК 528.4

УДК 528.7

УДК 528.8

ББК 26.12

З-88

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф.,

заслуженный работник геодезии и картографии РФ Ю.В. Столбов (СибАДИ);

канд. техн. наук Л.В. Быков (ОмГАУ) Работа одобрена редакционно-издательским советом вуза в качестве учебного пособия.

Зотов Р.В.

З-88 Аэрогеодезия: учебное пособие: в 2 книгах. Книга 2 / Р.В. Зотов. – Омск:

СибАДИ, 2012. – 218 с.

Учебное пособие рекомендуется для студентов специальности «Автомобильные дороги и аэродромы» изучающих «Основы аэрогеодезии», а также для других специальностей изучающих «Методы дистанционного зондирования» и «Геоинформатику», может быть полезно аспирантам и специалистам производства.

Табл. 17. Ил. 113. Библиогр. 50 назв. Прил. 3 © ФГБОУ ВПО «СибАДИ», 2012 Глава 9. МЕТОДЫ ЦИФРОВОЙ ФОТОГРАММЕТРИИ

9.1. Понятие о цифровом изображении Обрабатываемые методами фотограмметрии изображения могут быть представлены в различных формах, в зависимости от способа их получения, принятой модели и структуры данных (рис. 9.1).



Изображе6ние объекта Форма представления Аналоговая Цифровая Модель данных Векторная Растровая Структура данных Цепочно-узловая Матричная Квадродерево Объектно-ориентированная Пирамидальная Топологическая Нетопологическая Рис. 9.1. Способы представления изображений Аналоговая форма представления изображения объектов используется с незапамятных времен и предполагает получение его каким-либо образом на физическом носителе – на бумаге, фотобумаге, фотопленке и др. Во многих случаях аналоговая форма и сегодня является основной особенно там, где важна юридическая значимость изображения либо если оно необходимо для использования в нестационарных условиях.

Цифровая форма изображения возникла вместе с электронными вычислительными машинами и используется для представления изображения в памяти ЭВМ и на магнитных носителях.

Векторная форма цифрового изображения предполагает представление его с помощью набора примитивов и их комбинаций – точек, векторов, граней, ребер и т. п. Эта форма широко используется в цифровой картографии и предполагает, что положение точек изображения задано в некоторой координатной системе, выбираемой пользователем в зависимости от характера решаемых задач. Элементы векторного изображения представляются в одной из двух структур (рис. 9.1), различающихся принципом формирования и описания его элементов, способом доступа к ним, характером связи с окружающими и др.

Растровая форма цифрового изображения предполагает представление его в виде некоторой матрицы (рис. 9.2), соответствующей плоскости исходного изображения и состоящей из oP xP квадратных ячеек одинакового размера, являющихся наименьшими адресуемыми элементами.

Каждый такой элемент, называемый пи к селом, соответствует определенному участку исходного изображения и характеризуется набором опyP тических параметров – цветом, плотностью, яркоРис. 9.2. Система стью (интенсивностью) и т. п. Примерами растрокоординат растра вого изображения являются: фотоснимок, состоящий из совокупности очувствленных зерен галоидного серебра;





газетное клише, воспринимаемое как совокупность отдельных точек и др. Наиболее распространенной структурой растрового представления является матричная; две другие (пирамидальная и квадродерево) являются ее производными.

Доступ к элементам растрового изображения (пикселам) осуществляется по номерам столбцов (iX) и строк (iY). Для отсчета координат точек растрового изображения в линейной форме используется система oPxPyP (рис. 9.2), оси которой совмещены с внешними границами первой строки (oPxP) и первого столбца (oPyP).

Никакой информации о размещении матрицы в пространстве (в системе координат местности) в растровом файле, за редким исключением, нет.

В фотограмметрии под цифровым изображением понимают его растровую форму, полученную непосредственно в процессе съемки с помощью цифровой камеры, либо путем сканирования аэронегатива.

9.2. Характеристики цифрового изображения Растровое изображение характеризует его геометрическое и радиометрическое разрешение.

Геометрическое разрешение цифрового изображения определяет линейный размер пиксела и представляется либо его линейной величиной (в метрах, если размер отнесен к местности, или в мкм, если речь идет о снимке), или числом точек на дюйм (dpi).

Величина геометрического разрешения определяет качество изображения, точность вычислительной обработки, возможности увеличения и др.

В соответствии с требованиями действующей инструкции по фотограмметрическим работам размер элемента геометрического разрешения определяют в зависимости от назначения цифровых снимков, с учетом нескольких критериев, в частности:

требуемой точности определения плановых координат точек XY 0,5VS M m 0.5VS K t ; (9.1) требуемой точности определения высот точек Z 0,5 f VZ (bm ) ; (9.2) сохранения разрешающей способности исходного снимка (изображения) R 0,4 R ; (9.3) обеспечения требуемого разрешения графических фотопланов (ортофотопланов) P 70 M m 70 K t, (9.4) где M, m – знаменатели масштабов создаваемого плана и аэроснимка соответственно; VS, VZ – требуемая точность определения плановых координат и высот точек в метрах; R – разрешающая способность исходного снимка (линий на мм); f, b – фокусное расстояние съемочной камеры и базис фотографирования в масштабе снимка (мм).

Значения VS и VZ принимаются равными 0,2 мм в масштабе плана и 1/5 сечения рельефа соответственно.

При M = 2000, m = 10000, f = 100 мм, b = 70 мм, R = 40 линий на мм, сечении рельефа h = 1,0 м будем иметь:

XY = 0,50,2/5 = 0,02 мм = 20 мкм;

R = 0,4/40 = 0,01 мм = 10 мкм;

Z = 0,51000,21000/(7010000) P = 70/5 = 0,014 мм = 14 мкм.

Z = 0,014 мм = 14 мкм;

Если цифровые снимки создаются для фотограмметрического сгущения в плане и по высоте, для изготовления ортофотопланов и при этом нужно сохранить разрешающую способность исходных материалов, то сканировать нужно с разрешением 10 мкм или 25600/10 = 2600 dpi.

Заметим, что разрешающая способность современных как аэронегативов, так и объективов достигает 350–400 линий на миллиметр (порядка 1,5–2,0 мкм), что соответствует суммарной разрешающей способности изображения порядка 4–5 мкм. Эта величина соответствует рекомендациям Международного общества фотограмметрии и дистанционного зондирования (МОФДЗ) и рассматривается как минимальная.

Радиометрическая характеристика определяет число уровней квантования яркости исходного изображения (бинарное, многоградиентное) и фотометрическое содержание элемента изображения (одноцветное, полутоновое, цветное, спектрозональное).

Для обозначения плотности (степени потемнения) элемента изображения весь диапазон полутонов от белого до черного делится на 2n частей (2, 4, 8, …, 256, …), называемых уровнями квантования. Радиометрическое разрешение изображения обозначают числом бит на пиксел (т. е. показателем степени n).

При формировании бинарного (черно-белого) изображения используется всего два уровня квантования, и в нем представлены только белый и черный цвета.

В полутоновом изображении используется 256 уровней квантования, для представления которых в описании элемента изображения резервируется 8 бит (1 байт).

Черному цвету всегда соответствует уровень 0, а белому – уровень 1 бинарного изображения и уровень 255 полутонового.

Цветное изображение формируется с использованием той или иной палитры (RGB, CMYK и др.), в которых цвет создается путем смешивания основных цветов в пропорциях, соответствующих уровням их квантования.

Палитра RGB – наиболее распространенная. При ее использовании цвета и их оттенки передаются путем смешивания трех основных цветов различной интенсивности: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Так, сочетание красного цвета с зеленым дает желтый цвет; зеленого с синим – голубой; синего с красным – оранжевый, а всех трех цветов – белый.

Палитра CMYK обеспечивает более качественную передачу оттенков при смешивании четырех цветов: голубого (Cyan), сиреневого (Magenta), желтого (Yellow) и черного (blacK). Палитра CMYK находит широкое применение в издательских системах.

В связи с этим для представления одного элемента бинарного изображения необходим 1 бит; полутонового с 256 уровнями квантования – 8 бит (1 байт), а цветного с тем же числом уровней квантования по каждому каналу – 24 бита (3 байта) при использовании палитры RGB или 32 бита (4 байта) палитры CMYK. Требуемый для хранения цифрового снимка объем памяти, в зависимости от формата кадра (l), геометрического (P) и радиометрического разрешения изображения можно подсчитать по формуле OP ( l ) 2 R, (6.5) где R – число байтов для записи радиометрической характеристики (1, 2, 3 или 4 байта).

Расчет объема памяти, требуемой для Таблица 9.1 Объем снимка OP размещения в памяти ЭВМ одного цифрового изображения формата 180180 и Формат (Мб) при R=1 и кадра l разрешении P 230230 мм (табл. 9.1) с радио- (мм) (мкм) метрическим разрешением 8 бит/пиксел 5 10 15 20 показывает, что для выполнения с ним со- 180180 1206 316 141 79 ответствующих операций необходима 230230 2066 517 230 129 достаточно мощная ЭВМ с большим объемом дисковой памяти.

–  –  –

Преобразования, описываемые уравнением (9.6), можно представить в виде графика (рис. 9.3), отражающего связь оптических плотностей элементов изображения до их коррекции (вертикальная ось) и после коррекции (горизонтальная ось).

Фотометрическая коррекция выполняется путем изменения яркости изображения, его контрастности и характера соотношений между оптическими плотностями до и после их преобразования.

Изменение яркости выполняется путем уменьшения или увеличения параметра b каждого пиксела на одну и ту же величину, что приводит к тому, что все элементы корректируемого изображения становятся более светлыми или более темными. Изменение яркости группирует плотности к какому-либо одному (светлому или темному) краю спектра. На графике (рис. 9.3) это иллюстрируется смещением прямой 1 (или кривой 2) вдоль горизонтальной оси.

Изменение контрастности изображения выполняется с целью изменения различий между плотностями смежных элементов и улучшения таким образом читаемости границы между ними. Увеличение контрастности изображения выполняется следующим образом. Если оптическая плотность Iисх некоторого элемента превышает среднее значение, то она увеличивается пропорционально уровню квантования, а если она менее среднего, то уменьшается. При этом значения плотностей пикселов как бы смещаются к краям спектра: темные тона становятся еще темнее, светлые – светлее, некоторые их значения исчезают, но границы между элементами изображения становятся более четкими. При уменьшении контрастности большие плотности уменьшаются, а малые – увеличиваются; при этом плотности группируются вблизи центра. Чрезмерное увеличение контрастности преобразует полутоновое изображение в бинарное, а чрезмерное уменьшение – ведет к его исчезновению.

На графике (рис. 9.3) рассмотренные преобразования соответствуют вращению прямой 1 (кривой 2) вокруг центральной точки.

Гамма-коррекция (тональная коррекция) изображения выполняется с целью увеличения или уменьшения его детальности, что достигается изменением передаточной функции a уравнения (9.6), определяющей характер преобразования. На графике гамма-коррекция может соответствовать изменению кривизны или общего наклона линии 1.

При равномерной передаче оптической плотности (прямая 1 под углом 45 к координатным осям) их значения, соответствующие точкам A и A, одинаковы. Изменим передаточную функцию a уравнения (9.6) так, чтобы ей соответствовало уравнение кривой 2. Теперь плотности исходного изображения (точка A) будет соответствовать плотность скорректированного изображения A, причем A A.

Заметим, что неправильное использование гамма-коррекции может провести к уменьшению числа полутонов и преобладанию областей одного тона.

При обработке цветных изображений можно выполнить не только изменение яркости, контрастности или гамма-коррекцию, но и, меняя соотношение цветов, получить нужные оттенки.

Геометрические преобразования растрового изображения изменяют его геометрическое разрешение и корректируют радиометрические характеристики. Необходимость таких преобразований возникает, например, при трансформировании цифрового снимка по элементам внешнего ориентирования, в процессе которого изменяется масштаб изображения и положение его элементов относительно координатных осей. Сходная по характеру задача возникает при внутреннем ориентировании цифрового изображения.

В общем случае геометрические преобразования можно условно разделить на простые, требующие изменения только геометрического разрешения, и сложные, в результате которого выполняется изменение масштаба и поворот изображения.

Простые преобразования выполняются при изменении масштаба изображения путем соответствующего изменения геометрического разрешения, когда каждому пикселу исходного изображения соответствует пиксел преобразованного с тем же или иным геометрическим разреше- Рис. 9.4. Простые нием. При этом формируется новая матрица, эле- геометрические преобразования ментам которой присваивается радиометрическое разрешение соответствующего ему исходного изображения (рис. 9.4).

Сложные преобразования выполняются c a b при трансформировании изображения, когда ко- a b c 3 эффициент увеличения различных его частей не- 3 2 одинаков или когда выполняется разворот на не- 2 1 который угол. Первая ситуация возникает при восстановлении, например, сетки квадратов по ее Рис. 9.5. Сложные перспективе, а вторая – при внутреннем ориен- геометрические тировании снимка. В обоих случаях (рис. 9.5) ка- преобразования ждому пикселю формируемого изображения соответствует несколько пикселов или их частей исходного изображения, или наоборот.

Сущность выполняемых при этом геометрических и оптических преобразований можно видеть на рис. 9.5, где элементы строк и столбцов исходного изображения обозначены цифрами 1, 2, 3 и буквами a, b, c. Соответствующие элементы формируемого изображения обозначены цифрами 1, 2, 3 и буквами a, b, c. Совместим левые нижние углы изображений и положим, что элементу 1a соответствуют фрагменты четырех элементов исходного растра: 1a (45%), 1b (35%), 2a (15%) и 2b (5%). В этом случае оптическая плотность формируемого элемента 1a зависит от оптических плотностей 1a, 1b, 2a, 2b элементов 1a, 1b, 2a и 2b, причем =0,451a+0,351b+0,152a+0,052b.

Координаты элемента формируемого изображения находят по координатам соответствующего ему элемента исходного изображения, подставляя их в нужную формулу преобразования – трансформирования координат точек наклонного снимка, связи координат точек снимка и местности, внутреннего ориентирования снимка или иную.

В современных цифровых фотограмметрических системах для преобразования изображения применяют более сложный математический аппарат, например – метод билинейной интерполяции, когда для формирования оптической плотности выходного пикселя используются плотности четырех пикселей исходного изображения, размещенных в виде окна размером 2х2.

9.4. Источники цифровых изображений Цифровые изображения получают двумя способами, один из которых предполагает сканирование аналоговых фотоснимков (аэронегативов), полученных в процессе аэрофотосъемки, а второй – использование цифровых съемочных систем (сенсоров) непосредственно в процессе съемки. В обоих случаях цифровое изображение формируется с помощью либо фотодиодов, либо приемников с зарядовой связью (ПЗС) в форме ПЗС-матрицы или ПЗС-линейки с примерно одинаковыми техническими возможностями. Применение ПЗСматрицы предполагает формирование всего кадра изображения по схеме, аналогичной фотокамере, где в фокальной плоскости вместо фотопленки располагается ПЗС-матрица. Применение ПЗС-линейки предполагает сканирование местности или изображения параллельными маршрутами с шагом, равным размеру элемента геометрического разрешения.

Сканирование фотоснимков выполняется с помощью оптико-электронных приборов – сканеров, которые по принципу исполнения можно разделить на роликовые, планшетные и барабанные, а по точности и назначению – на офисные и фотограмметрические.

Роликовые сканеры имеют малый формат, неподвижную считывающую головку и низкую точность. Планшетные сканеры – более точные, но низкоскоростные; столбцы и строки изображения задаются перемещениями источника света и считывающей головки. Барабанные сканеры не без оснований считаются наиболее точными;

строки формируемого изображения задаются вращением барабана, а столбцы – перемещением считывающей головки.

Офисные сканеры характеризуются относительно низким геометрическим разрешением (от 10 мкм с использованием фотодиодов до 100 мкм на основе ПЗС-линеек), существенными геометрическими ошибками положения элементов растра и используются для сканирования фотоснимков только в исключительных случаях.

Фотограмметрические сканеры характеризуются высоким геометрическим разрешением (не менее 10 мкм при использовании ПЗС-матриц и ПЗС-линеек) и высокой геометрической точностью, определяемой величиной ошибки сканирования и повторяемостью (изменением ошибки). С их помощью можно сканировать чернобелые (штриховые) или цветные снимки. Технические характеристики некоторых наиболее распространенных фотограмметрических сканеров приведены в табл. 9.2; наличие 24-х уровней квантования обеспечивает получение цветного изображения (3 канала по 8 бит).

Таблица 9.2 Наименование Характеристика Характеристики фотограмметрического сканера ОАО «Дельта», СКФ-11.

DSW500 «Пеленг», РБ Украина Россия LH System Размер снимка, мм 300400 300450 300300 260260 Размер пиксела, мкм 5 8 – 128 8 9 Ошибка сканирования, мкм 2 3 3 2 Число уровней квантования, бит 38 =24 38 =24 38 =24 110 Некоторые фотограмметрические сканеры (например, «Дельта»

и др.) предусматривают возможность сканирования аэронегативов с неразрезанного аэрофильма, как это практикуется в фотограмметрическом производстве.

Затраты времени на сканирование характеризуются следующими данными для сканера «Дельта» (рис. 9.6): черно-белый снимок формата 2323 см с геометрическим разрешением 8 мкм сканируется за 12 минут, а с геометрическим разрешением 30 мкм – за 4 минуты. Для получения цветного растрового изображения того же формата и с той же геометрической точностью требуется 30 и 9 минут соРис. 9.6. Фотограмметрический ответственно.

сканер «Дельта» (Украина) Важнейшим элементом формирования цифрового изображения является эталонирование сканера, особенно в случае, если он не является фотограмметрическим.

Сущность эталонирования заключается в сканировании контрольной сетки с нанесенными на нее горизонтальными и вертикальными штрихами, расстояния между которыми известны с точностью 1–2 мкм. На полученном изображении измеряют «пиксельные» координаты xP, yP крестов контрольной сетки в системе oPxPyP (рис. 9.2), преобразуют их в линейную меру с учетом заданного геометрического разрешения и сравнивают полученные значения с точными координатами, отсчитанными по контрольной сетке. По найденным разностям координат соответствующих точек строят поле искажений, характеризующее все виды геометрических искажений, вносимых сканером в той или иной точке поля сканирования.

В последующем изображения, полученные с помощью этого сканера, могут быть исправлены в соответствии с параметрами поля искажений. Имеющиеся публикации свидетельствуют, что искажения фотограмметрического сканера можно уменьшить до 1 мкм.

Цифровые съемочные системы (сенсоры) появились только на рубеже веков. К этому времени было достигнуто сопоставимое с фотоснимками геометрическое разрешение (5–6 мкм), появились средства хранения громадных объемов информации (порядка 1 Гб на каждый снимок), создана аппаратура стабилизации съемочной камеры в полете и высокоточного определения координат центров фотографирования.

В настоящее время успешно эксплуатируются несколько цифровых камер, в частности: ADS40 (фирма LH-System, Швейцария), DMC2001 (фирма Z/I Imaging (США, Германия), HRSC (центр космических исследований Германии DLR) и др., обеспечивающие возможность получения изображений как в видимой части спектра, так и в инфракрасном диапазоне. Имеются данные о Российских цифровых съемочных комплексах ЦТК-140 и ЦТК-70. Некоторые характеристики этих камер приведены в табл. 9.3.

Таблица 9.3 Наименование Характеристика камеры характеристики ADS40 DMC HRSC ЦТК-140 ЦТК-70 Фокусное расстояние, мм 62,5 120 47 - 175 140 70 Размер пиксела, мкм 6,5 6 7 7 Число спектральных каналов 6 12 5 1 4 Радиометрическое разрешение, бит 8 8 8 10/8 Светочувствительный ПЗС-элемент линейка матрица линейка линейка линейка С точки зрения фотограмметрической обработки цифровых изображений, получаемых с помощью цифровых съемочных систем на

ПЗС-линейках, чрезвычайно важны два обстоятельства:

1. Изображения формируются в результате сканирования местности в направлении, перпендикулярном направлению полета.

Поэтому результатом съемки являются не кадровые снимки, а полосы изображений, так что стереоскопические наблюдения и измерения возможны только по полосе перекрытия со смежным а) б) маршрутом (рис. 9.7, a). Рис. 9.7. Сканирование местности с

2. Геометрия сканерных записью результатов на одну (а) и три (б) ПЗС-линейки снимков не соответствует центральной проекции, поскольку каждая их строка формируется из собственного центра. Фотограмметрической обработке таких изображений предшествует преобразование их в форму, соответствующую законам построения изображений при центральном проектировании.

Отсутствие продольных перекрытий сканерных снимков и невозможность создания по ним стереопар существенно снижают точность их фотограмметрической обработки, поэтому современные съемочные системы предусматривают одновременное применение нескольких ПЗС-линеек, каждая из которых формирует изображение по определенному направлению (рис. 9.7, б).

Так, цифровая система ASD40 имеет в фокальной плоскости три ПЗС-линейки, одна из которых обеспечивает съемку полосы по направлению «вперед», вторая – полосы в направлении точки надира («вниз»), а третья – полосы «назад». Совместная обработка трех полос изображений позволяет получить продольные перекрытия и выполнить стереоскопические наблюдения.

Цифровая съемочная система HRSC (High Resolution Stereo Camera) с помощью девяти линеек ПЗС в фокальной плоскости объектива выполняет съемку одновременно девяти перекрывающихся полос, пять из которых используется для стереообработки, а остальные четыре обеспечивают получение изображения в том или ином оптическом диапазоне.

9.5. Стереоскопические наблюдения и измерения цифровых изображений Стереоскопические наблюдения двух изображений возможны при выполнении условий, полностью соответствующих сформулированным в Главе 6 и касающихся съемки с двух различных точек пространства, разномасштабности изображений, величины угла конвергенции главных оптических осей и тому подобное. Одним из основных условий получения стереоэффекта является требование наблюдения каждого снимка только одним глазом.

Как и в случае наблюдения аналоговых снимков, основными способами получения стереоскопического эффекта являются анаглифический, затворный, оптический и др., получившие в компьютерном исполнении новые возможности. Их реализация учитывает ряд особенностей работы с цифровыми изображениями, в частности: простота геометрических и фотометрических преобразований, формирование изображения на экране монитора с покадровым (page-flipping) или построчным (interlace) режимом вывода, наличие видеопамяти и др.

Анаглифический способ стереоскопических наблюдений не предполагает наличия какого-либо специального оборудования в виде плат или адаптеров, и требует наличия лишь анаглифических очков.

Наблюдаемая при этом стереоскопическая модель формируется по правилам, изложенным ранее для случая наблюдения аналоговых снимков.

Перекрывающиеся части левого и правого изображений, образующие зону стереоскопических наблюдений (рис. 9.8), окрашиваются в дополнительные цвета и выводятся на экран либо по строкам (четные – левого снимка, а нечетные – правого), либо путем наложения левого на правое. Полученное на экране монитора совмещенное изображение рассматривается через анаглифические очки, стекла Рис. 9.8. Зона которых окрашены в те же цвета, что и соответ- стереонаблюдений пары снимков ствующие им изображения снимков. В результате наблюдатель видит пространственную модель местности, механизм возникновения которой был рассмотрен ранее применительно к получению стереомодели по аналоговым снимкам. В первом случае наблюдатель видит «разреженное» изображение, что снижает точность стереоскопических измерений, а во втором – цвет и оптическая плотность каждого пикселя суммарного изображения (элемента монитора), формируемые в зависимости от цвета и плотности накладывающихся пикселей изображений, что неизбежно ведет к некоторым потерям четкости. Однако в обоих случаях каждый глаз наблюдателя видит только одно изображение, что и вызывает возникновение стереоскопической модели местности.

Затворный способ получения стереоскопического эффекта основан на специфике представления изображения на экране монитора и предполагает применение специальных затворных (жидкокристаллических) очков с LCD-затворами (Liquid Crystal Display) различных типов (ИБИК, NuVision, и др.), в которых стекла становятся прозрачными поочередно, в соответствии со сменой видеостраниц на экране монитора. Сущность способа заключается в следующем.

Изображения левого и правого снимков формируются на страницах видеопамяти и поочередно выводятся на экран монитора. Наблюдения выполняются через очки, представляющие собой пару плоскопараллельных пластин с заключенным между ними слоем жидкого кристалла, который при воздействии на него электрического импульса может изменять интенсивность проходящего через него света так, что в каждый момент времени наблюдатель воспринимает изображение на экране монитора только одним глазом, левым или правым. Поскольку смена страниц видеопамяти на экране монитора синхронизирована с изменением прозрачности пластин затворных очков при помощи специального канала связи, то наблюдатель видит либо прямой стереоэффект, либо обратный. Для смены прямого стереоэффекта на обратный и наоборот нужно изменить фазу, управляющую последовательностью вывода страниц видеопамяти.

Покадровый (page-flipping) режим стереонаблюдений предполагает поочередный вывод на экран левого и правого изображений синхронно со сменой прозрачности пластин затворных очков, установленных перед левым и правым глазом. Вывод полных изображений обеспечивает получение более высокого качества стереоизображения, но требует в целях обеспечения комфортности наблюдений для глаз достаточно высокой вертикальной частоты монитора (не менее 120 герц).

Построчный (interlace) режим стереонаблюдений предполагает деление кадра на два полукадра с чётными и нечетными строками соответственно. Правое и левое изображения стереопары выводятся на экран поочередно в «чётном» и «нечётном» полукадре, а синхронизируемые с вертикальной разверткой монитора затворные очки позволяют наблюдать два изображения «одновременно» и таким образом проводить стереоизмерения. Необходимым условием комфортной для глаз работы в этом режиме является достаточно высокая вертикальная частота монитора (как минимум 75 герц на «каждый глаз» – то есть примерно 150 герц при переключении в интерфейс).

Построчный режим применим только к экрану в целом, что приводит к некоторым неудобствам, например, при работе с меню. Другим недостатком является прореживание картинки и, как следствие, снижение разрешения в связи с использованием полукадров.

Оптический способ стереоскопических наблюдений предполагает вывод зоны стереонаблюдений левого и правого снимков (рис. 9.9) соответственно в левую и правую части экрана. Оба изображения окрашены в естественные цвета, поэтому для их рассматривания и получения стереоскопического эффекта нужно выполнить искусственРис. 9.9. Стереоприставка для ное разделение соответственных лунаблюдения стереомодели чей, что достигается применением специальной стереоприставки, устареоприставки, устанавливаемой перед монитором. Это обеспечивает возможность наблюдения стереоскопической модели местности и ее измерения, минуя неизбежные потери света при использовании некоторых других способов и приспособлений.

Имеются и другие способы получения стереоскопического эффекта по паре цифровых изображений, например, поляроидный, адаптированный к компьютерному построению модели и др.

Измерение построенной рассмотренными выше способами стереоскопической модели выполняют, как и в случае использования аналоговых изображений, монокулярным и стереоскопическим способами.

Монокулярный способ измерений используют при нанесении на снимки опорных точек, внутреннем ориентировании снимков и др. Применительно к обработке цифрового изображения монокулярные измерения сводятся к опознаванию нужной точки путем наведения на нее маркера, заменяющего измерительную марку стереокомпаратора. Считывание координат точки в системе растрового изображения oPxPyP (рис. 9.2) и преобразование их в ту или иную систему выполняется в автоматическом режиме.

Стереоскопические измерения выполняют способом мнимой марки, в качестве которой используют курсор, причем, оператор может выбрать любой из доступной палитры цвет его изображения, размер и форму (точка, крест, прицел, косой крест и пр.). С помощью специальных технологических приемов точность стереоскопических измерений может быть повышена до от величины геометрического разрешения цифровых снимков.

–  –  –

где 0 и 0 – средние оптические плотности элементов зон (фрагментов), соответствующих образам левого (R) и правого (R) снимков.

Коэффициенты, подсчитанные для сочетаний образа R со всеми образами R, образуют корреляционную матрицу: максимальное значение ее элемента соответствует наиболее тесной связи оптических плотностей сравниваемых участков левого и правого снимков, и, следовательно, выполнению условия (9.7). Так что искомая точка лежит в центре образа R с максимальным коэффициентом корреляции.

Некоторые способы предполагают отыскание искомой точки по максимуму корреляционной функции, составленной на основе анализа элементов корреляционной матрицы с частными коэффициентами корреляции (9.9), соответствующей искомому образу R.

Размер области снимка, отождествляемой с образом R, обычно составляет 2020 пикселов; при малом числе контуров местности он увеличивается до 4040 пикселов. Программы обработки обычно запрашивают полуразмер корреляционной матрицы (образа R).

Размер области поиска на правом снимке выбирается таким, чтобы он был в два раза больше ожидаемого смещения точки из-за влияния рельефа местности. Так, при высоте фотографирования H = 2000 м, максимальном превышении рельефа над средней плоскостью h = 50 м и расстоянии от центра снимка до угла рабочей площади r = 100 мм (формат кадра 2323 см) будем иметь h = 2,5 мм, а размер области поиска – 55 мм.

Рассмотренные варианты установления степени соответствия образов R и R далеко не единственные: в специальной литературе имеются упоминания о методе иерархической релаксации (методе пирамид HRC), методе вертикальной линии (ULL), методе динамического программирования и тому подобное. Некоторые из них основаны на анализе тех или иных признаков, характеризующих выделенные по группе пикселов элементы – их форму, взаимное расположение, ориентировку и другие.

Однако все методы идентификации точек объединяют два обстоятельства:

отождествление выполняется на основе более или менее строгого анализа элементов изображений – их оптических плотностей и геометрического положения;

корреляторов, обеспечивающих 100-процентную гарантию качества автоматической идентификации точек, не существует.

Эти обстоятельства предопределяют целесообразность стереоскопического контроля положения измерительной марки после работы коррелятора. В большинстве случаев опытный наблюдатель ее обязательно чуть-чуть подправит по высоте.

Искажения точек, вызванные влиянием угла наклона снимка и рельефа местности, вызывают смещения отдельных элементов растра, и это не может не сказываться на качестве идентификации.

Так, если на левом снимке образ R всегда представлен квадратом, то на правом снимке (рис. 9.11) из-за влияния угла наклона и рельефа местности Рис. 9.11. Геометрическое соответствующие элементы образа R положение элементов получают смещения, и в общем случае образа R образуют многоугольник. Поскольку на правом снимке анализируемый образ R геометриче- искажается рельефом ски не всегда подобен образу R, то вероятность полного совпадения искомой точки уменьшается. Еще более сложная ситуация возникает в случае, если изображения левого и правого снимков развернуты одно относительно другого.

Однако из-за малости элементов изображения эти искажения не столь значительны, а их влияние можно компенсировать геометрической коррекцией положения пика корреляции и соответствующей ему точки правого снимка. Одно из таких решений основано на том, что смещения элементов образа являются следствием неровностей рельефа в пределах соответствующего участка местности и интерпретируются как параллактические смещения.

9.7. Фотограмметрическая обработка цифровых снимков Основная задача фотограмметрии – определение формы, размеров и пространственного положения объектов местности – при использовании цифровых изображений решается путем определения координат этих объектов или их элементов с применением рассмотренных ранее аналитических способов. Важнейшей их особенностью является объединение вычислительной обработки (внутреннее, взаимное, внешнее ориентирование и т. п.) со сбором нужной для этого информации – измерением координат необходимых точек и автоматической их идентификацией на смежных снимках. Это обстоятельство в сочетании с максимальной автоматизацией технологических процессов делают цифровую фотограмметрическую обработку высокоэффективной и технологичной, не требующей высокой квалификации исполнителей.

Ниже рассмотрены некоторые элементы вычислительной обработки цифровых снимков, аналогичные процессам аналитической обработки данных в Главе 5.

9.7.1. Внутреннее ориентирование снимков Внутреннее ориентирование цифровых y op изображений (снимков) выполняется с целью xp установления соответствия между координатными системами растра oPxPyP и снимка x o oxy (рис.9.12).

Математическая модель внутреннего ориентирования цифрового изображения yp

–  –  –

где ai и bi (i=0,1,2) – коэффициенты аффинного преобразования, определяемые из решения системы уравнений поправок, составленных по результатам измерения координат оптических меток снимка.

Линейные координаты xP,yP точек снимка в системе oPxPyP связаны с геометрическим разрешением растра () и номерами столбцов (iX) и строк (iY) простыми зависимостями:

x p i X, iX x p /, и (9.11) y p iY iY y p / Для обратного преобразования координат точек из системы oxy в систему растра oPxPyP используются формулы xp A A2 x a0 x a0 1 P 1, (9.12) y p B1 B2 y b0 y b0 где P и P-1 – прямая и обратная матрицы аффинного преобразования.

Последовательность внутреннего ориентирования в современных цифровых фотограмметрических системах сводится к следующему.

Оператор выполняет идентификацию первых двух координатных меток (крестов), для чего наводит на них измерительную марку и выполняет регистрацию координат в системе oPxPyP. После этого программа выполняет расчет положения последующих координатных меток (крестов) и подводит к ним измерительную марку, а оператор выполняет необходимые уточнения и регистрацию координат точки. По завершению измерений всех меток программа запрашивает метод преобразований, выполняет расчет параметров и выводит расхождения между эталонными и вычисленными координатами меток (крестов). В случае несоответствия полученных расхождений требуемым нормативными документами (8–10 мкм) оператор может повторить все выполненные измерения или их часть.

Внутреннее ориентирование остальных снимков выполняется в автоматическом режиме, для чего оператор определяет прямоугольную область метки, область ее поиска, допустимый коэффициент корреляции и величину расхождения эталонных и вычисленных координат.

Снимки, для которых автоматическое внутреннее ориентирование завершилось неудовлетворительно, обрабатываются оператором вручную.

9.7.2. Выбор точек и построение фотограмметрических моделей

Последующая фотограмметрическая обработка снимков включает:

перенос на изображения опорных точек с известными координатами X, Y, Z в системе местности;

ввод элементов внешнего ориентирования снимков XS, YS, ZS,,, (при их наличии);

выбор связующих точек в зоне поперечного перекрытия, необходимых для связи смежных маршрутов;

выбор связующих точек в зоне тройного продольного перекрытия, используемых для связи смежных моделей маршрута;

выбор точек для подписи на карте высот, урезов вод и др., в соответствии с требованиями действующих нормативных документов;

выбор дополнительных точек в шести стандартных зонах для повышения точности взаимного ориентирования и соединения смежных моделей.

Все точки, положение которых не может быть произвольным (опорные, связующие, урезы вод и др.), наносят только на один снимок; перенос их на другие снимки того же или смежного маршрута выполняют либо в стереорежиме, либо с помощью коррелятора.

Точки, положение которых на снимке не является жестким (например, дополнительные точки в стандартных зонах для определения элементов взаимного ориентирования, или в зонах тройного продольного перекрытия для связи смежных моделей) могут быть нанесены на снимки автоматически, по заданному размеру стандартной зоны и числу точек в ней.

Настройка параметров коррелятора является одним из важных элементом фотограмметрической обработки. При этом определяют размер корреляционной матрицы (образа), возможность его автоматической подстройки при малом числе контуров, а также геометрической коррекции положения искомой точки в случае рельефной местности. Контроль работы коррелятора в стереорежиме является обязательным элементом фотограмметрической обработки любых снимков, поскольку качество отождествления точек определяет качество выполнения всех последующих операций.

Номера столбцов (iX) и строк (iY) пикселов растра с намеченными точками преобразуются в линейные координаты в системе oPxPyP, а затем – по формулам 10 и параметрам аффинного преобразования – в систему координат плоскости прикладной рамки аэрокамеры oxy (рис.

9.12) и исправляются поправками, учитывающими влияние:

кривизны Земли и атмосферной рефракции;

дисторсии объектива съемочной камеры путем интерполяции соответствующих величин по точкам ее определения или применением соответствующего полинома;

искажений сканера интерполяцией поправок по данным поля его искажений или по полиномам;

После выбора точек выполняют взаимное ориентирование снимков строгим способом, с применением метода наименьших квадратов. Критерием качества отождествления точек на смежных снимках является среднее квадратическое значение остаточного поперечного параллакса, величина которого не может превышать 10 мкм. Более значительные расхождения свидетельствуют о наличии ошибок, прежде всего, в отождествлении точек. Их устранение требует проверки качества отождествления и измерения точек в стереорежиме.

Менее вероятны ошибки внутреннего ориентирования изображений и паспортных данных съемочной камеры (фокусного расстояния, координат главной точки и др.).

Для повышения точности взаимного ориентирования и надежности определения неизвестных в каждой стандартной зоне намечают по две–четыре точки (желательно контурных, надежность измерения которых несколько выше); часть таких точек должна располагаться в зонах тройного продольного и поперечного перекрытий. Важным условием достижения оптимальной точности взаимного ориентирования является одинаковое число точек в стандартных зонах.

Перечисленные операции завершаются построением одиночной модели и подориентированием ее к предыдущей или к последующей. Полученные при этом разности координат связующих точек смежных моделей маршрута позволяют судить о качестве их измерения и отождествления. Величины таких расхождений не должны превышать 15 мкм в плане и 15(f/b) мкм по высоте.

9.7.3. Построение и уравнивание фототриангуляционной сети Построение фототриангуляционной сети в пределах маршрута или блока выполняется в автоматическом режиме с использованием рассмотренных ранее методов. Задача оператора на этом этапе фотограмметрической обработки сводится к выбору метода уравнивания (независимые или полузависимые модели, уравнивание маршрутов, подблоков, связок проектирующих лучей и т. п.), а также определению критериев для подготавливаемого программой отчета.

Критерием качества построения и уравнивания фотограмметрической сети служат величины расхождений исходных и найденных по результатам уравнивания координат, которые не должны превышать:

для опорных точек, по которым выполнено внешнее ориентирование – 0,2 мм в масштабе создаваемого плана в плановом положении и 0,15 сечения рельефа по высоте;

для контрольных опорных точек – не более 0,3 мм в масштабе создаваемого плана и 0,1–0,25 м по высоте при сечении рельефа 0,5–1,0 м;

связующих точек смежных маршрутов – не более 0,5 мм в масштабе создаваемого плана (карты).

Надежность уравнивания фотограмметрического блока повышается, если число использованных опорных точек в полтора – два раза превышает минимально необходимое.

При этом наиболее достоверную оценку получают по контрольным опорным точкам, координаты которых использовались при уравнивании. Важно, чтобы эти точки располагались в наиболее слабых местах фототриангуляционной сети, примерно по середине между опорными точками, по которым выполнялось уравнивание.

Окончательное уравнивание фототриангуляционных сетей часто выполняют с помощью специализированных программ типа ORIMA, в которых реализованы более строгие алгоритмы обработки, а также имеются широкие графические и статистические возможности диагностики ошибок. Поэтому обработка аэроснимков средствами цифровых фотограмметрических систем зачастую ограничивается измерением координат и параллаксов точек, исключением грубых ошибок и экспортом результатов измерений снимков в эти специализированные программы.

Другие виды фотограмметрической обработки цифровых изображений связаны с получением той или иной выходной продукции – фотоплана (ортофотоплана), оригинала рельефа, векторной цифровой модели местности, фотокарт и т. д. Некоторые из них, непосредственно связанные с фотограмметрической обработкой данных, рассмотрены ниже.

9.8. Цифровая модель рельефа и ее построение Для преобразования снимка в план, изготовления ортофотоплана, создания оригинала топографической карты, решения других задач необходимы сведения о рельефе местности, получение которых требует определения координат и высот большого числа точек измерения их координат, параллаксов и последующего вычисления пространственных координат. Именно такое решение используется при обработке фотоснимков с помощью аналоговых и аналитических стереофотограмметрических приборов.

Автоматизация технологических процессов, ставшая реальной с применением аналитических методов обработки цифровых изображений, требует применения более общего подхода к решению названных выше задач, основанного на математическом моделировании процессов. Реализация такого подхода требует создания модели обрабатываемой территории, и в частности модели рельефа.

9.8.1. Способы представления цифровой модели рельефа Известно, что топографическая поверхность в общем случае может быть представлена как в аналоговой форме, так и в цифровой.

В первом случае имеют в виду изображение поверхности горизонталями или отмывками, а во втором – в виде каталога координат определенным образом упорядоченных точек, описания связей между ними и алгоритма определения высот точек в зависимости от их местоположения. С учетом этого можно дать следующее определение цифровой модели рельефа (поверхности):

Цифровая модель рельефа (ЦМР) представляет собой математическое описание земной поверхности с помощью совокупности расположенных на ней точек, связей между ними, а также метода определения высот произвольных точек, принадлежащих области моделирования, по их плановым координатам.

Применяемые в настоящее время способы построения цифровой модели рельефа, в зависимости от принятой схемы размещения точек и типа математической модели, можно условно разделить на две группы.

Первая группа объединяет способы, основанные на нелинейной интерполяции высот с использованием полиномов, сплайнов, корреляционных функций и т. п., различающиеся видом используемой функции, способом отбора исходных пунктов и пр.

Параметры применяемой математической модели вычисляют по исходным точкам, а затем используют для интерполяции высот произвольных точек области моделирования по их плановым координатам.

Полиномиальные способы предполагают представление моделируемой поверхности в виде полинома второй или третьей степени вида Ai Z i a0 a1 X i a2Yi a3 X iYi a4 X i2 a5Yi 2.... (9.13) Для отыскания неизвестных коэффициентов полинома для каждой опорной точки составляют уравнение поправок, в котором в качестве неизвестных приняты коэффициенты полинома a0…a5. Коэффициенты при неизвестных определяют как функции координат в соответствии с уравнением (9.13), а свободные члены находят как разности между отметками опорных точек и их вычисленными значениями при начальных значениях неизвестных. Полученную систему решают последовательными приближениями, в каждом из которых неизвестные находят методом наименьших квадратов, под условием [pv2] = min. Найденные таким образом коэффициенты a0…a5 используют для интерполяции высот произвольных точек области моделирования в соответствии с уравнением (9.13).

Кусочно-полиномиальные способы предполагают деление области моделирования на участки, подбор для каждого участка своего локального полинома вида (9.13) и последующую связь локальных полиномов с помощью переходных уравнений. Во всех случаях возникают переопределенные системы, решение которых выполняют методом наименьших квадратов, под условием минимума суммы квадратов расхождений высот точек реальной и аппроксимирующей поверхностей.

Сходные по характеру решения используют способы, основанные на применении рядов Фурье (разложения по сферическим гармоникам), различного рода сплайнов (кубические, бикубические, на многообразиях и др.) и т. п.

Вторая группа объединяет способы, основанные на построении геометрически упорядоченной (регулярной или нерегулярной) модели, элементами которой являются либо определенным образом упорядоченные линии, либо поверхности многогранников (треугольников, четырехугольников или иных фигур). Во втором случае поверхность задается точками в вершинах геометрически правильных фигур (треугольников, квадратов и др.) исходя из предположения, что ограничиваемая ими поверхность имеет одинаковый и однообразный Рис. 9.13. Структурная Рис. 9.14. Модель TIN Рис. 9.15. Модель DEM модель рельефа уклон. Различия между способами связаны со схемой расположения исходных точек и характером связей между ними (на рис. 9.13–9.15 модели наложены на изображение рельефа горизонталями).

Структурная модель местности представляется отметками точек, размещенных в характерных точках рельефа – на линиях водоразделов, тальвегов, в точках локального экстремума (рис. 9.13). Такая модель наиболее точно отражает поверхность минимальным числом точек, однако ее использование затруднено.

Цифровая модель рельефа на треугольниках произвольной формы представляет поверхность наиболее точно (рис. 9.14). Такая модель называется нерегулярной и известна как модель TIN (Triangulated Irregular Network) или модель на нерегулярной сетке.

Использование модели TIN для получения высот новых точек не вполне удобно, поскольку для этого необходимо не только определить принадлежность точки конкретному треугольнику, но и, что особенно важно, выполнить линейную интерполяцию высот по отметкам его вершин. практического использования модель на регуБолее удобна для лярной сетке со сторонами, параллельными координатным осям X и Y (рис. 9.15). Такая модель называется регулярной и известна как модель DEM (Digital Elevation Model), или матрица высот. Эта модель не может быть построена непосредственно по точкам с известными отметками, потому для ее получения используют либо полиномиальные методы, либо предварительно созданные на основе опорных точек другие модели – TIN, горизонтали и др.

9.8.2. Фотограмметрическая технология построения цифровой модели рельефа Фотограмметрические методы цифрового моделирования рельефа основаны на использовании полиномов, нерегулярной сети треугольников TIN и регулярной сети DEM. Причем непосредственно по аэроснимкам модель рельефа строится на сети треугольников, а для ортотрансформирования, проведения горизонталей, стереовекторизации и других операций она преобразуется в регулярную модель DEM.

Обязательным условием создания ЦМР является наличие элементов взаимного и внешнего ориентирования снимков, получаемых в процессе предварительного построения фототриангуляционной сети.

Некоторое представление о размере сторон нерегулярной сети треугольников TIN и шаге регулярной сети DEM могут дать следующие данные, имеющиеся в специальной литературе: для правильного отображения рельефа на плане масштаба 1:2000 путем линейной интерполяции между точками с известными высотами необходимо, чтобы средние расстояния между ними были не менее:

20 м – для плоскоравнинной местности со слабой расчлененностью;

10 м – для волнообразной поверхности с гладкими формами;

5 м – для сильно расчлененной местности с большим числом оврагов и промоин.

Современные цифровые фотограмметрические системы реализуют несколько стратегий моделирования рельефа в границах выбираемых пользователем локальных зон, каждая из которых предполагает создание нерегулярной сети треугольников TIN на основе критерия Делоне. В одних случаях это может быть «гладкая» модель (по терминологии, принятой в ЦФС Photomod) с использованием полиномиальной функции вида (9.13); в других – сеть треугольников, построенных по предварительно оцифрованным по стереоизображению векторным объектам (линиям тальвегов, водоразделов, береговых линий, бровкам оврагов и иным элементам, точки которых определены в плане и по высоте); в третьих – «адаптивная» или «регулярная» модель по точкам, размещенных в узлах некоторой сетки с заданным шагом и т.д.

С точки зрения фотограмметрии наибольший интерес представляет адаптивная и регулярная модели рельефа, построение которых требует автоматического отождествления точек с помощью коррелятора.

Технология построения таких моделей может включать, например, следующие основные операции:

1. Определение границ области моделирования (глобальной области).

2. Определение границ подобластей моделирования (локальных областей), различающихся характером рельефа местности и возможностями применения того или иного метода построения ЦМР.

3. Построение регулярной сети со сторонами, параллельными осям X и Y координатной системы местности и с шагом, зависящим от характера рельефа местности.

4. Присвоение всем узлам регулярной сетки высот, равных отметке средней плоскости снимка, и вычисление их координат xл, yл на левом снимке стереопары по формулам связи координат точек наклонного снимка и местности.

5. Идентификация узлов сети треугольников с помощью коррелятора, определение их координат xп, yп на правом снимке и вычисление пространственных координат X, Y, Z точек по формулам прямой фотограмметрической засечки.

6. Построение сети не перекрывающихся треугольников с вершинами в узлах регулярной сетки (модели TIN) на основе алгоритма Делоне.

Операции 3–6 выполняются в автоматическом режиме, без участия оператора.

Если в пределах области моделирования выбрано несколько локальных зон, объединяющих участки с различными формами рельефа, то для последующей их увязки в границах глобальной зоны и объединения в единую модель рельефа обрабатываемой территории, зоны должны перекрываться между собой, или, по крайней мере, между ними не должно быть разрывов.

При построении цифровой модели положение узлов регулярной сетки и совпадающих с ними вершин сети треугольников намечается автоматически, без учета характера местности. В связи с этим намечаемые точки могут оказаться на крышах домов, на крутых склонах, на водной поверхности и т. д., что предопределяет необходимость корректировки построенной сети треугольников путем изменения положения ее вершин в процессе стереоскопических наблюдений эпиполярных изображений. Последние создаются путем трансформирования левого и правого снимков на плоскость SXY базисной координатной системы с использованием формул связи координат точек наклонного и горизонтального снимков. Направляющие косинусы, необходимые для преобразования координат, находят по формулам с заменой углов внешнего ориентирования,, элементами взаимного ориентирования 1, = 0, 1 при трансформировании левого изображения и элементами 2, 2, 2 при трансформировании правого изображения. Особенностью таких изображений является отсутствие на них поперечных параллаксов, что создает несомненные удобства для ее наблюдений и измерений и повышает надежность работы коррелятора.

Современные средства построения ЦМР по цифровым изображениям обладают достаточно мощными технологическими средствами ее визуального и статистического контроля. Средствами такого контроля являются: преобразование элементов сети треугольников в пространственные объекты c последующим их вращением и визуальной оценкой «выбросов»; расчет уклонов с их анализом; статистический анализ экстремальных значений высот точек; оценка точности моделирования по уклонениям высот контрольных точек от аппроксимирующей поверхности. В качестве контрольных точек используются опорные, связующие и другие точки, включенные в фотограмметрическую сеть.

Построение цифровой модели завершается увязкой локальных моделей TIN по их границам и формированием общей модели в границах обработки, созданием регулярной модели DEM, интерполированием горизонталей с заданным шагом и редактированием их положения по эпиполярным изображениям.

Ниже будет показано, что цифровую модель рельефа DEM удобнее строить с шагом, соответствующим или (чаще всего) кратным геометрическому разрешению аэроснимка.

9.9. Ортотрансформирование снимков Применяемый в фотограмметрии принцип учета влияния рельефа местности при изготовлении плана (фотоплана) местности остается незыблемым уже около 100 лет, и заключается в делении изображения на отдельные участки, называемые зонами трансформирования, в соответствии с их положением по высоте, и последующим установлении для каждой такой зоны своего индивидуального масштаба проектирования. Причем колебание рельефа в пределах такой зоны не может превышать расчетного Q = 2h при заданных масштабе плана M, фокусном расстоянии аэрокамеры f, допустимом искажения точек под влиянием рельефа h на плане и расстоянии rсн от центра снимка до угла рабочей площади, определяемого по формуле:

2 fM.

Q 2h h 1000rсн Развитие фотограмметрической мысли, совершенствование технологии и соответствующих технических средств лишь корректировали понятие о зонах трансформирования и принципах их формирования, но не более.

До 1970-х гг. понятие «зона трансформирования» отождествлялось с фрагментами изображения, которым соответствовали участки местности между расчетными горизонталями. Преобразование таких зон выполнялось фотомеханическим способом с помощью фототрансформаторов. Для изменения масштаба проектирования зон использовалась информация о рельефе местности, представленная в виде горизонталей.

С 1973 г., с серийным выпуском ортофотопроекторов, зону трансформирования стали отождествлять с щелью, через которую фрагменты изображения снимка проектируются на план в масштабе, согласованном с профилем местности. Такое трансформирование, называемое дифференциальным (или, реже, ортогональным), требовало наличия ориентированной в плане и по высоте модели местности, стереоскопическое наблюдение которой обеспечивало возможность изменения высоты щели и тем самым получения информации о рельефе местности в конкретной точке.

С середины 1980-х гг., с появлением и массовым внедрением цифровых фотограмметрических систем (ЦФС), зону трансформирования стали отождествлять с фрагментом изображения, трансформируемым как единое целое – с пикселом или группой пикселов. Размер такого фрагмента может быть установлен так же, как и ширина щели при дифференциальном трансформировании, однако, учитывая технические возможности современных ЭВМ, чаще всего он соответствует одному пикселу. Такое преобразование изображения, называемое ортотрансформированием, требует наличия цифровой модели рельефа DEM, со сторонами, параллельными осям X и Y координатной системы местности. Сущность такого трансформирования рассматривается в следующем разделе.

–  –  –

Трансформированием снимков в фотограмметрии называют процесс преобразования исходного снимка объекта в изображение объекта в заданной проекции.

При цифровом трансформировании исходный снимок представляет собой цифровое изображение, получаемое или непосредственно цифровой съемочной системой или путем преобразования аналогового снимка в цифровую форму на сканере.

Основными областями применения цифрового трансформирования являются топография и картография.

При создании и обновлении карт различного назначения по аэрокосмическим снимкам создаются трансформированные изображения местности в проекции карты. Эти изображения могут быть созданы по одиночным снимкам или по нескольким перекрывающимся снимкам. Цифровое трансформирование выполняется с точностью, соответствующей точности, предъявляемой действующими нормативными документами к точности карт соответствующего масштаба.

Цифровые трансформированные изображения используют для создания контурной части карт, путем векторизации цифровых изображений в среде CAD или ГИС, а также как самостоятельные картографические документы. В частном случае, если при трансформировании снимков не учитывается влияние кривизны Земли и проекции карты на положение контуров, трансформированное изображение представляет собой ортогональную проекцию местности на горизонтальную плоскость. Такой вид трансформирования называется ортофототрансформированием.

Помимо топографии и картографии, цифровое трансформирование используется для создания по исходным снимкам перспективных изображений местности из заданных точек пространства. Такие изображения используют в военной области, например, в летных тренажерах и в архитектуре при проектировании различных сооружений.

Цифровое трансформирование применяют также для преобразования стереопар исходных снимков в стереопару снимков идеального случая съемки в системе координат фотограмметрической модели. Такое преобразование выполняется в цифровых стереофотограмметрических системах.

В настоящем разделе рассматриваются теоретические основы цифрового фототрансформирования снимков, в частности, методы наблюдения и измерения цифровых снимков и методы создания цифровых трансформированных снимков и фотопланов.

9.10.2. Наблюдение и измерение цифровых изображений Цифровое изображение хранится в памяти компьютера, в общем случае, в виде прямоугольной матрицы, элементы ij которой содержат информацию об оптических плотностях или цвете элементарных участков изображения (пикселей), а номера i строки и j столбца эле

–  –  –

Выражение (9.34) представляет собой уравнение плоскости проведенной через вершины l, k, m треугольника, внутри которого находится узел i.

Коэффициенты уравнения (9.34) A, B и C получают в результате решения системы из трёх уравнений:

A + BX + CY Z = 0, (9.35) составленных по значениям координат X, Y и высот Z каждой из вершин l, k, m треугольника.

Цифровое трансформирование снимка выполняется следующим образом.

Сначала формируется прямоугольная матрица цифрового трансформированного изображения, строки и столбцы которой параллельны осям X и Y системы координат объекта, а координаты одного из углов матрицы заданы в этой же системе координат.

Размер элементов (пикселей) матрицы обычно выбирают приблизительно равной величине m, в которой:

- размер пикселя цифрового изображения исходного снимка;

- m знаменатель среднего масштаба снимка.

Значения координат начала системы координат создаваемой матрицы, выбирают кратными величине элементов матрицы.

Для формирования цифрового трансформированного изображения, каждому элементу цифрового изображения aij необходимо присвоить оптическую плотность изображения соответствующего участка объекта на исходном цифровом снимке. Эта операция выполняется следующим образом. По значениям индексов i и j элементов матрицы aij определяются координаты X, Y центра соответствующего пикселя цифрового трансформированного изображения в системе координат объекта.

По координатам Xi, Yi точки объекта, соответствующей центру пикселя, по цифровой модели рельефа определяется высота этой точки Zi.

Определение значения Zi по ЦМР в виде матрицы высот выполняется методом билинейного интерполирования (рис. 9.25).

На рис. 9.25 X = Xi - X1, а Y= Yi - Y1, где X1 и Y1 - координаты узла i цифровой модели рельефа.

–  –  –

z * Z ZS По координатам х,у и значениям параметров внутреннего ориентирования цифрового изображения определяют координаты точки снимка в системе координат цифрового изображения осхсус.

В случае использования аффинных преобразований при выполнении внутреннего ориентирования, определение координат выполняется по формулам:

xc x a 0 A1 A2 x a 0 P 1 y y b0 B1 B 2 y b 0 c Затем по координатам хС и уС вычисляются пиксельные координаты точки xc xp.

yc yp По значениям пиксельных координат xp, yp точки цифрового изображения снимка, которая является проекцией центра пикселя матрицы цифрового трансформированного изображения, находят ближайшие к этой точке четыре пикселя цифрового изображения снимка. А затем, методом билинейной интерполяции, изложенным выше, по формулам (9.20) определяют значение оптической плотности Di или цвета соответствующего пикселя матрицы цифрового трансформированного изображения. При этом значение величин xp,

yp в формулах (6.20) определяют по формулам:

x p x pi x pk.

y p y pi y pk Таким же образом определяются оптические плотности или цвет всех остальных пикселей цифрового трансформированного изображения.

Помимо метода билинейной интерполяции для формирования цифрового трансформированного изображения применяют метод “ближайшего соседа”, в котором по пиксельным координатам xp,yp находят пиксель цифрового изображения снимка, на который проектируется точка, соответствующая центру пикселя цифрового трансформированного изображения, и значение его оптической плотности или цвета присваивается пикселю цифрового трансформированного изображения.

Метод “ближайшего соседа” позволяет сократить время формирования цифрового трансформированного изображения по сравнению с методом билинейной интерполяции, однако изобразительные свойства формируемого цифрового изображения при этом ухудшаются.

Если превышения точек на участке местности, изображенной на снимке, незначительны, то при создании цифрового трансформированного изображения поступают упрощенно. Значения высот точек местности, соответствующие центрам пикселей трансформированного изображения, принимаются равными для всех смежных участков.

В этом случае, нет необходимости в создании цифровой модели рельефа местности, так как трансформированное цифровое изображение представляет собой центральную проекцию исходного снимка на горизонтальную плоскость, расположенную на высоте Z, равной среднему значению высоты участка местности. Такой метод трансформирования допустим в случае, если ошибки в положении точек на трансформированном изображении, вызываемые рельефом местности, не превышают допустимых значений.

Величины максимально допустимых значений превышений точек местности – h max относительно средней плоскости, при которых ошибки в положении точек на трансформированном изображении не будут превышать установленного допуска R max, можно определить по формуле h max = f Rmax, (9.38) r в которой f – фокусное расстояние съёмочной камеры;

r – расстояние на исходном снимке от главной точки до точки на снимке.

Как следует из формулы (9.38), величина ошибки, Rmax прямо пропорционально значению r. Поэтому при определении hmax измеряется значение r до наиболее удаленной от главной точки снимка точки, участвующей в формировании трансформированного изображения.

Следует отметить, что формулы (9.38) используют только в случае, если трансформирование выполняется по снимкам, углы наклона которых не превышают 3 - 5.

Аналогичным образом можно определить величину допустимой ошибки hmax определения высот точек местности, соответствующих центрам пикселей трансформированного изображения, по цифровой модели рельефа.

f h max = R max. (9.39) r В случае, если трансформирование снимков выполняется с целью создания или обновления карт и планов значение Rmax выбирается равной величине 0,2 мм на карте или плане. То есть R max = 0.2 мм · M, где М – знаменатель масштаба создаваемой карты.

При создании цифровых трансформированных изображений местности в проекции карты, плановые координаты узлов цифровой модели рельефа определяют в системе координат карты. В России топографические карты создаются в проекции Гаусса - Крюгера в государственных системах координат СК 42, СК 63 и СК 95.

Высоты узлов цифровой модели рельефа задают равными геодезическим высотам H этих узлов относительно поверхности референц

– эллипсоида.

По значениям координат узлов x, y в государственной системе координат вычисляют значения геодезической широты В и долготы L узлов цифровой модели рельефа, а затем по величинам B, L и H, координаты узлов Xгц, Yгц и Zгц в геоцентрической системе координат.

Эти преобразования подробно изложены в курсах высшей геодезии и математической картографии.

В остальном, процесс цифрового трансформирования аналогичен процессу создания цифрового ортофотоизображения. Необходимо только отметить, что элементы внешнего ориентирования снимка, в этом случае, должны быть определены в геоцентрической системе координат.

Вместо геоцентрической системы координат можно использовать топоцентрическую систему координат Oтц Xтц Yтц Zтц. Начало топоцентрической системы координат обычно выбирают в середине обрабатываемого участка местности. Ось Xтц топоцентрической системы координат лежит в плоскости меридиана, проходящего через начало системы координат. Ось Zтц совпадает с нормалью к поверхности референцэллипсоида в начале системы координат, а ось Yтц дополняет систему до правой. При использовании топоцентрической системы координат, элементы внешнего ориентирования исходного снимка должны быть определены в этой системе координат.

9.10.5. Создание цифровых фотопланов Цифровым фотопланом будем называть цифровое трансформированное изображение местности (объекта) созданное по перекрывающимся исходным снимкам.

Цифровые фотопланы могут быть сформированы из трансформированных изображений, созданных по каждому из перекрывающихся снимков, или путём формирования фотоплана непосредственно в результате трансформирования всех перекрывающихся исходных снимков.

На рис. 9.26 представлен принцип формирования цифрового фотоплана по трансформированным изображениям, созданным по каждому из перекрывающихся снимков.

–  –  –

Для создания фотоплана используются цифровые трансформированные изображения снимков с одинаковым размером пикселей и имеющие координаты начал систем координат цифровых изображений O1 и O2 кратные размеру пикселя.

При создании цифрового фотоплана в зоне перекрытия трансформированных изображений снимков проводят линию пореза в виде полилинии с узлами Ki.

Затем, в каждой строке определяют граничные пиксели, совмещенные с линией пореза, и приступают к формированию матрицы цифрового фотоплана.

Координата начала системы координат цифрового фотоплана XOM принимается равной наименьшему значению координат XO1 и XO2 начал систем координат цифровых трансформированных изображений снимков, а YOM – наибольшему значению координат YO1 и YO2.

Формирование цифрового фотоплана производят следующим образом.

Каждая строка матрицы фотоплана формируется из строки трансформированного изображения снимка P1, включая граничный пиксель и строки изображения снимка P2, начиная с пикселя, следующего за граничным.

Описанным выше методом можно присоединить к созданному фотоплану другие перекрывающиеся изображения снимков.

Цифровые фотопланы могут быть созданы путем формирования матрицы цифрового фотоплана непосредственно по всем перекрывающимся цифровым снимкам.

На рис. 9.27, а, б иллюстрируется процесс формирования цифрового фотоплана этим методом.

В рассматриваемом методе на перекрывающихся цифровых изображениях снимков проводят линии пореза, которые представляют собой полилинии. По коорди- Рис. 9.27,а. Исходные цифровые снимки.

натам узлов полилинии в системе координат цифрового снимка определяют координаты проекций узлов полилинии на цифровом фотоплане в системе координат объекта и формируют полилинии на Рис.9.27, б. Цифровой фотоплан цифровом фотоплане.

По этим полилиниям определяют граничные пиксели, которые формируют границы участков цифрового фотоплана, создание которых будет производиться по соответствующим цифровым изображениям снимков.

Формирование цифрового фотоплана в пределах каждого из этих участков производится аналогично процессу формирования цифрового ортофотоснимка.

Определение координат X,Y узлов полилинии в системе координат цифрового фотоплана по значениям координат xc, yc их изображений в системе координат цифрового изображения снимка производится методом приближений следующим образом.

По координатам xc, yc изображения узла вычисляются координаты x, y изображения узла в системе координат снимка.

В случае если при внутреннем ориентировании цифрового снимка использовались аффинные преобразования, эти вычисления производятся по формулам:

x a0 a1 a2 xc y b b b y.

0 1 2 c

–  –  –

Z f В первом приближении значение высоты узла принимают равной среднему значению высот точек цифровой модели рельефа Z1.

По вычисленным значениям X1,Y1 по цифровой модели рельефа методом билинейной интерполяции, определяют уточненное значение высоты узла Z2. по Рис. 9.28. Определение координат узлов которому по формулам (9.36) определяют уточненное значение координат узла X2,Y2. По координатам X2, Y2 узла, в свою очередь, определяют новое значение высоты узла Z3.

Вычисление продолжают до тех пор, пока разность значений координат X и Y узла в приближениях не будут превышать установленного допуска.

Процесс определения координат X,Y узлов полилинии методом приближений представлен на рис. 9.28.

9.10.6. Оценка точности цифровых трансформированных фотоснимков и фотопланов Созданные в результате цифрового трансформирования снимков цифровые изображения местности по точности должны соответствовать требованиям, предъявляемым к их точности нормативными документами Роскартографии, если фотопланы предназначены для создания кадастровых и топографических карт (планов) или технического задания на производство работ, если фотопланы создаются для решения других задач.

Контроль созданных трансформированных фотоснимков и фотопланов проводят по расхождениям значений координат контрольных точек, измеренных непосредственно на цифровом плане и координат этих точек, определенных в результате геодезических измерений или в результате построения сети пространственной фототриангуляции.

В качестве контрольных точек выбираются только точки, расположенные непосредственно на земной поверхности, так как изображения объектов местности, возвышающихся над ней (крыши домов, мосты и т.п.), имеют на фотопланах искажения.

Контроль фотопланов производится также по расхождениям одноименных контуров расположенных на линии пореза (граничной линии) смежных трансформированных фотоснимков.

В случае если трансформированные фотоснимки и фотопланы создавались для создания топографических и кадастровых карт (планов), расхождения в плане положения контрольных точек не должны превышать величины 0.5 мм в масштабе создаваемой карты (плана), а расхождения одноименных контуров на граничной линии величины

0.7 мм.

При цифровом трансформировании снимков с целью контроля точности определения элементов ориентирования исходных снимков и точности построения цифровой модели рельефа местности, перед выполнением процесса формирования цифровых трансформированных изображений производят априорную оценку их точности.

Априорная оценка точности производится по контрольным точкам, путем сравнения значений их плановых координат, определенных в результате геодезических или фотограмметрических определений и значений координат расчетного положения изображения контрольной точки на трансформированном изображении.

Определение плановых координат расчетного положения изображения контрольной точки производится по значениям координат изображений контрольных точек на исходных снимках, значениям элементов внутреннего и внешнего ориентирования снимков, параметрам внутреннего ориентирования снимка в системе координат цифрового изображения с использованием цифровой модели рельефа.

При этом используется алгоритм, аналогичный алгоритму определения координат углов граничной линии на фотоплане.

При определении координат в качестве начального приближения, используется высота контрольной точки, значение которой было определено в результате геодезических или фотограмметрических определений.

Проведение априорной оценки точности позволяет проконтролировать качество фотограмметрических работ, выполняемых для обеспечения процесса цифрового трансформирования и при необходимости повторить эти процессы.

9.11. Современные цифровые фотограмметрические системы и их основные характеристики Применение цифровых методов фотограмметрии в практике топографических, кадастровых и других съемок, как и картографического обеспечения геоинформационных и кадастровых систем, стало реальностью сегодняшнего дня. И нет никаких сомнений в том, что вытеснение классических аналоговых методов обработки материалов аэрофотосъемки – задача уже ближайшего будущего. Это обстоятельство и послужило основанием для того, чтобы в действующих инструкциях по фотограмметрическим работам были обозначены как основные задачи, решаемые цифровыми методами, так и критерии их эффективности.

Требования к цифровым фотограмметрическим системам (ЦФС) делятся на общие, технические и технологические.

Общие требования к ЦФС включают такие условия, как строгость алгоритма, максимальная автоматизация процессов обработки, гарантированное решение задачи при наличии теоретической возможности, использование всей геометрической точности исходных изображений, насыщенность алгоритмов логическими операциями контроля полноты и корректности данных, авторская поддержка программных средств и др.

Технические требования определяют главные условия функционирования цифровых систем и в частности – возможность обработки черно-белых и цветных снимков в сжатых и несжатых форматах, отсутствие ограничений на объем памяти и быстродействие ПЭВМ, реализация оптических и электронных средств стереоизмерений и ряд других.

Технологические требования к цифровым системам определяют перечень функциональных возможностей систем, наличие которых обеспечивает их эффективную эксплуатацию, в частности:

автоматическое распознавание и измерение изображений координатных меток и выполнение внутреннего ориентирования;

автоматическое стереоотождествление и измерение идентичных опорных и фотограмметрических точек перекрывающихся снимков;

автоматическое построение по стереопарам цифровых моделей рельефа;

ортотрансформирование изображений с использованием информации о рельефе, представленной в виде горизонталей, отдельных точек (пикетов), регулярной или нерегулярной ЦМР, формирование выходного ортоизображения с заданным геометрическим разрешением и автоматическое выравнивание его плотности;

внутреннее, взаимное и внешнее ориентирование снимков и моделей (маршрутов) по произвольному числу исходных точек (меток, крестов);

сбор цифровой информации об объектах местности в процессе стерео- и моно векторизации (по эпиполярным снимка м и ортоизображению соответственно) с использованием настраиваемого классификатора, ее редактирование с использованием автоматизированных процедур и представление результатов в распространенных форматах.

В настоящее время имеется достаточно большое число цифровых фотограмметрических систем, из которых можно выделить две лучшие отечественные Photomod и ТАЛКА.

ЦФ С P hotom od разработана ОАО «Ракурс» в содружестве с ведущими специалистами России. Система создана в 1993 г. и ныне используется более чем в 40 странах мира.

Photomod – полнофункциональная система с богатейшими возможностями и оригинальным графическим интерфейсом. Используемые системой математические модели позволяют обрабатывать не только наземные и воздушные снимки, полученные по законам центрального проектирования, но и сканерные, радиолокационные изображения, а также снимки, полученные неметрическими камерами.

Это одна из немногих фотограмметрических систем на рынке СНГ, позволяющая обрабатывать космические и иные цифровые сканерные изображения, полученные с помощью различных сенсоров.

К достоинствам системы относится замкнутый технологический цикл получения всех видов конечной продукции: ЦМР, 3D-векторов, ортофотопланов и цифровых карт без использования других программных продуктов.

Рис. 9.29. Структура и основные функции системы Photomod ЦФС Photomod имеет гибкую модульную структуру, обеспечивающую оптимальное соответствие конфигурации задачам пользователя, функционирует в локальной сети и может эксплуатироваться совместно с другими фотограмметрическими системами. Структура системы и основные функции ее компонентов показаны на рис. 9. 29.

Широкое распространение и профессиональное признание системы обеспечили ее богатейшие технологические возможности, основные из которых сводятся к следующему:

оригинальная графическая среда и доступный интерфейс;

возможность обработки сканерных спутниковых изображений, включая снимки SPOT, TERRA, EROS, LANDSAT, IRS, ASTER, ICONOS, QuickBird, GeoEye-1;

наличие интерфейса, обеспечивающего эксплуатацию системы в среде ГИС «Карта 2008» (ГИС «Панорама»), MicroStation/95/SE/J (модуль StereoLink), экспорта данных в геоинформационные и картографические системы и др.;

возможность использования при построении и уравнивании фотограмметрических измерений полного набора систем координат, картографических проекций и данных GPS-измерений;

наличие эффективных средств калибровки планшетных полиграфических сканеров;

наличие настраиваемого классификатора картографических объектов;

применение графических и статистических методов оценки достоверности данных и диагностики ошибок измерений;

возможность формирования ЦМР на регулярной сетке (DEM) с переменным разрешением и использования ее при ортотрансформировании;

наличие эффективных средств оцифровки в монокулярном и стереоскопическом режимах и редактирования полученной графической (векторной) информации.

Система постоянно совершенствуется (в год появляется 2–3 новых версии), пополняется новыми инструментальными средствами и технологическими возможностями.

ЦФ С ТАЛКА р азработана в 1996 г. ИПУ РАН под руководством доктора физико-математических наук Д. В. Тюкавкина. Она отвечает производственным требованиям, технологична и изначально хорошо приспособлена для работы с большими объемами данных.

К особенности системы можно отнести:

использование «сжатых» изображений, состоящих из точных фрагментов («фотоабрисов») с изображениями точек и пространств между ними с 10-кратным прореживанием;

возможность обработки больших изображений объемом до 4 Гб;

полную автоматизацию стереоизмерений, включая нанесение необходимых точек с использованием четырех режимов отождествления: «грубого» (аффинного), «стандартного» (с обычной корреляцией), «быстрого» (с малой областью поиска) и «надежного»

(с поконтурной обработкой);

построение маршрутных сетей по перекрывающимся триплетам, их объединение в блок в свободной системе координат с последующим уточнением, ориентирование блока маршрутов по опорным точкам и уравнивание связок проектирующих лучей;

возможность выполнения значительного объёма работ (до 95 % от общего объема) в свободной системе координат;

ортотрансформирование снимков по фрагментам (максимум 128128), полученным делением рабочей площади на заданное число элементов в зависимости от уклона местности;

возможность выполнения фотометрической коррекции изображения путем локального выравнивания яркостей между фрагментами, глобального выравнивания всего изображения и межпиксельного выравнивания плотности.

К недостаткам системы можно отнести скромные графические возможности при векторизации, отсутствие классификатора объектов (что важно при последующем создании оригинала карты или плана) и невозможность построения и измерения анаглифических изображений исходных снимков.

Среди других ЦФС следует отметить системы корпорации Intergraph, LH-System, (рабочие станции DWP 770) и SOCET SET, IMAGINE OrthoBase фирмы ERDAS, ЦФС ЦНИИГАиК, Цифровой стереоплоттер SDS (Новосибирск).

Контрольные вопросы

1. Поясните векторную и растровую формы представления изображения объекта.

2. Что определяет выбор элемента геометрического разрешения цифрового изображения?

3. В чём отличие радиометрической характеристики цветного изображения от чёрно-белого?

4. Какой объём памяти необходим для хранения снимка формата 230*230 мм с радиометрическим разрешением 8 бит/пиксел при разрешении 5 мкм?

5. В чём заключается фотометрическая коррекция?

6. Когда возникает необходимость в геометрических преобразованиях растрового изображения?

7. Каковы варианты геометрических преобразований растрового изображения?

8. Перечислите источники цифровых изображений.

9. Какие особенности при получении цифровых изображений с помощью съёмочных систем на ПЗС-линейках?

10. Перечислите современные способы стереоскопических наблюдений.

11. В чём заключается принципиальная схема действий при автоматической идентификации точек цифрового изображения?

12. Какие естественные факторы ухудшают качество идентификации образов?

13. Какими способами решается основная задача фотограмметрии при использовании цифровых изображений?

14. С какой целью выполняется внутреннее ориентирование цифровых изображений?

15. Какие точки используются при построении фотограмметрических моделей?

16. Какую схему размещения точек применяют для повышения точности и надёжности взаимного ориентирования снимков?

17. Перечислите критерии качества построения и уравнивания фотограмметрической сети.

18. Назовите основные способы представления цифровой модели рельефа.

19. В чём заключается технология и стратегии построения цифровой модели рельефа с использованием современных цифровых станций?

20. С чем отождествляют зону трансформирования в традиционной и современной цифровой технологиях?

21. Что включает понятие в фотограмметрии трансформирование снимка?

22. Для каких целей, кроме картографирования, используется цифровое трансформирование?

23. Каким образом формируется цифровой фотоплан?

24. Перечислите критерии оценки точности изготовления цифрового фотоплана (ортофотоплана).

25. Дайте основные характеристики современных фотограмметрическим систем (станций).

Глава 10. МЕТОДЫ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ И СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ

На протяжении продолжительного времени методы решения навигационных задач базировались на определении положения звезд и Солнца, пока на смену компасу, секстанту и хронометру не пришла и н е р ц и а л ь н а я навигационная система (ИНС). Эта система позволяет определить пространственное положение объекта и параметры его движения (ускорение движения, скорость, направление и пр.) автономно, без использования дополнительных данных и вне зависимости от условий наблюдений: под землей, под водой, на закрытой местности и пр. Однако весьма быстрое накопление ошибок позиционирования с помощью навигационной системы требует периодической коррекции его результатов по внешним данным, в качестве которых с 1980-х годов начали использовать данные спутниковых измерений.

Это обстоятельство, а также применение фильтра Калмана для совместной обработки данных, содержащих погрешности и полученных с использованием различных физических принципов, послужило толчком к разработке и использованию интегрированных систем инерциальной и спутниковой навигации.

–  –  –

ционных задач с помощью спутниковых и инерциальных навигационных систем используются несколько координатных систем: геоцентрическая, инерциальная, местная (горизонтная), транспортного средства (самолета, автомобиля и др.), блока инерциальных измерений и некоторые другие (рис. 10.1).

Геоцентрическая система координат OXYZ используется для обработки результатов спутниковых измерений и отождествляется с системой координат ПЗ-90.02 или WGS-84, в зависимости от того, какая именно спутниковая навигационная система используются при навигации (GPS или ГЛОНАСС).

Начало системы O совмещается с центром земных масс, ось OZ

– с осью вращения планеты, ось абсцисс OX размещена в плоскости Гринвичского меридиана, а ось ординат OY дополняет систему до правой. Система OXYZ вместе с планетой вращается вокруг оси OZ с угловой скоростью 7,29211510-05 радиан в секунду.

Система геодезических эллипсоидальных координат (B, L, H) используется наряду с геоцентрической системой координат для определения положения точек через широту, долготу и высоту.

Горизонтная (навигационная) система координат OГXГYГZГ используется для представления результатов обработки инерциальных или спутниковых данных, необходимых для решения некоторых задач (в частности, определения пространственного положения самолета, угловых элементов внешнего ориентирования аэроснимков). Начало OГ этой системы совмещается с текущим (мгновенным) положением центра блока инерциальных датчиков, ось OГZГ – с нормалью к эллипсоиду, ось OГYГ указывает на север вдоль местного меридиана, а ось OГXГ дополняет систему до правой.

Положение горизонтной системы координат относительно геоцентрической известно, если известны геодезические или геоцентрические координаты ее начала.

Бортовая система координат OБXБYБZБ связана с корпусом перемещающегося в пространстве транспортного средства (самолета, автомобиля и пр.). Ее начало размещается в центре тяжести носителя (самолета, автомобиля), ось аппликат OБZБ – с отвесной линией, ось ординат OБYБ – с продольной осью транспортного средства, а ось абсцисс OБXБ дополняет систему до правой.

Система координат аэроснимка Sxyz (на рис. 10.1 не показана) связана с пространственным положением фокальной плоскости аэрокамеры. Ее начало размещено в центре проекции, ось Sz совпадает с продолжением главной оптической оси объектива, а оси Sx и Sy параллельны осям снимка ox и oy (при аналоговой аэросъемке) или соответствует ориентации светочувствительных датчиков изображения.

Определение пространственной ориентации этой системы и является задачей блока инерциальных измерений.

Система координат блока инерциальных измерений (на рис. 10.1 не показана) используется для выполнения инерциальных измерений, и ее пространственное положение определяет направления осей чувствительности гироскопов и акселерометров. Взаимное положение этой системы относительно «целевой» в виде смещений вдоль координатных осей и трех углов наклона определяют в процессе выставки инерциальных приборов и уточняют по результатам обработки данных, полученных на специальном полигоне. Причем, «целевой» считается система координат аэроснимка Sxyz, бортовая система координат OБXБYБZБ или какая-либо иная, определение ориентации которой является задачей инерциальной системы.

Инерциальная система координат OXИYИZИ (рис. 10.1) представляет собой геоцентрическую систему координат OXYZ, зафиксированную на момент включения навигационной системы в рабочий режим и не участвующую в суточном вращении Земли.

10.2. Инерциальные навигационные системы Принципы аналитического и геометрического решения задачи инерциальной навигации были сформулированы Р. Вуссовом (1905 г.), М. Керри (1903 г.) и В.В. Алексеевым (1911 г.), которые и получили соответствующие патенты; началом ее практической реализации считаетcя разработка системы управления немецкой баллистической ракетой ФАУ-2. Однако создание работоспособных алгоритмов обработки информации в системах инерциальной навигации потребовало больших усилий целых научных коллективов математиков и механиков СССР, США и некоторых стран Западной Европы.

Развитие науки и техники привело к разработке достаточно точных и эффективных инерциальных приборов и систем, способных решать самые разнообразные задачи, связанные с обеспечением полетов самолетов и космических кораблей, перемещением автомобилей и морских судов. Причем в целом ряде случаев (например, при навигации подводных лодок, работах под землей и пр.) никакие иные навигационные средства не могут быть применимы в принципе.

С появлением во второй половине прошлого столетия систем глобального позиционирования некоторые специалиста полагали, что методы инерциальной навигации исчерпали свои возможности и завершили свое развитие, передав эстафету спутниковым навигационным системам. Жизнь, однако, показала, что это не так.

10.2.1. Общие принципы инерциальной навигации Инерциальная навигация базируется на использовании достаточно простых положений, заключающегося в том, что ускорение движения объектаwi, как и его скоростьVi, характеризуются величинами и направлением, т.е. являются векторными переменными. Поэтому если в процессе движения объекта непрерывно выполнять измерение мгновенных ускорений вдоль координатных осей (wX, wY, wZ), то их сумма даст скорости перемещения вдоль тех же осей (VX, VY, VZ), а сумма мгновенных скоростей – координаты объекта (X, Y, Z) на момент времени t.

Заменив суммирование дискретных величин интегрированием, получим математическую модель навигации в виде t tt t

–  –  –

где верхний индекс «0» обозначает значение соответствующего параметра (координат объекта и скорости) в начале измерений (t = 0).

Таким образом, при известных начальных условиях (скорости и положения в пространстве) можно автономно и без привлечения дополнительной информации определить пространственное положение движущегося объекта. Для этого на его борту достаточно поместить прибор, позволяющий измерять проекции возникающих ускорений на координатные оси некоторой системе координат. Такой прибор, называемый а к с е л е р о м е т р о м (accelero – ускоряю, лат.), должен иметь три оси чувствительности, ориентированных параллельно координатным осям X, Y, Z некоторой неподвижной (инерциальной) системы.

Изменение направления движения регистрируется с помощью г и р о с к о п о в, ориентированных по координатным осям и обеспечи

–  –  –

Рис. 10.2. Модель вычислительной обработки данных измерение акселерометром кажущегося ускорения, в которое полностью или частично входит ускорение свободного падения g;

интегрирование функции (10.2), определение скорости движения и координат объекта в инерциальной системе координат согласно формулам (10.1);

определение ускорения свободного падения g по текущим координатам и на основе известной модели гравитационного поля;

вычитание найденного ускорения g из измеренного значения и уточнение параметров движения вторым приближением.

На выходе системы получаются координаты центра тяжести измерительного блока в инерциальной системе координат, скорость перемещения объекта и его ускорение.

В первых инерциальных системах для исключения влияния гравитации на сигнал акселерометра ось его чувствительности размещали в горизонтальной плоскости, для чего использовалась с т а б и л и з и р о в а н н а я п л а т ф о р м а, которая с помощью карданного подвеса изолировалась от поворотов подвижного объекта, что и обеспечивало стабильность ориентации акселерометров относительно Земли.

В настоящее время используются преимущественно б е с п л а т ф о р м е н н ы е с и с т е м ы навигации, в которых учет влияния наклонов платформы на показания гироскопов и акселерометров, а также интегрирование уравнения движения (10.2), определение ускорения, скорости движения, координат объекта и мгновенных углов ориентации платформы выполняются с помощью бортового компьютера.

10.2.2. Базовые элементы инерциальных навигационных приборов Основой инерциальной навигационной системы являются установленные на платформу тройки акселерометров и гироскопов, оси чувствительности которых ориентированы по координатным осям целевой системы координат. Рассмотрим конструктивные особенности этих приборов.

Акселерометр (от лат. accelero «ускоряю» и греч. «измеряю») предназначен для измерения возникающих на движущихся объектах ускорений (перегрузок), которые необходимы для счисления пути. Акселерометры различаются:

по виду исследуемого движения (датчик линейный или угловой скорости, ускорения и др.);

по принципу действия (механический акселерометр, электромеханический и др.);

по назначению (для измерений ускорения и определения скорости и ускорения, определения местоположения и др.), Так, в механическом акселерометре с одной осью чувствительности ускорение воспринимается маятниковым устройством, отклонение которого от положения равновесия фиксируется с помощью стрелки-указателя, потенциометра и пр. В электромеханическом акселерометре ускорение воспринимается специальным датчиком, изменяющим свой параметр (сопротивление, емкость и пр.) пропорционально воздействию внешней силы, и фиксируется, например, на осциллографе.

Простейший механический маятниковый акселерометр (рис.

10.3) представляет собой инерционную массу m (например, грузик), которая через упругую пружину связана с корпусом прибора. Под воздействием ускорения масса m перемещается вдоль оси чувствительности l1l2 и сжимает (растягивает) U потенциометр пружину.

Величина смещения инерционной массы регистрируется датчиком перемеm m ускорение l щения (потенциометром), вырабатываюРис. 10.3. Схема щим сигнал U, величина напряжения котомаятникового рого пропорциональна этому смещению акселерометра (связь показаний потенциометра и силой натяжения пружины устанавливается при изготовлении и тарировании прибора). Усиленный сигнал используется для выработки противодействующей силы пружины, что позволяет возвратить грузик в исходное положение. Тем самым осуществляется мгновенная реакция акселерометра на возникающие ускорения путем измерения и регистрации данных. На основе этой информации определяется мгновенное ускорение, скорость перемещения объекта и его мгновенное пространственное положение.

Акселерометры характеризуются стабильностью масштабного коэффициента (нелинейностью), чувствительностью и диапазоном измерений, причем, два первых параметра определяют точность работы системы в целом, класс прибора и возможности его использования для решения конкретных задач.

Точность показаний акселерометра определяется погрешностями измерения ускорения, и, следовательно, зависит от точности регистрации смещений чувствительной массы, сил трения, параметров жесткости пружины (для механических приборов) и пр.

Уменьшение погрешностей измерений достигается снижением трения в элементах конструкции акселерометра. С этой целью инерционную массу m акселерометра (рис. 10.3) помещают на бесконтактном подвесе в электрическое или магнитное поле, вакуум или в жидкость с большим удельным весом (для уравновешивания массы m гидростатическими силами) и пр. Точность измерения ускорения современными акселерометрами сопоставима с точностью полевых гравиметров и достигает 0,1 мГал (107g).

Гироскоп (греч. – «вращение» и – «смотрю», «наблюдаю») используется в инерциальной навигации для воспроизведения системы отсчёта путем определения углов поворота и наклона платформы. Прибор был предложен в 1852 г. французским ученым Леоном Фуко для демонстрации вращения Земли вокруг своей оси.

Обычно он представляет собой вращающийся маховик, помещенный в кардановый подвес, поэтому долгое время слово «гироскоп» использовалось для обозначения быстро закрученного вращающегося симметричного твердого тела.

Простейшим, с детства знакомым гироскопом является волчок, стремящийся сохранить направление своей оси в пространстве. Такой гироскоп называется позиционным и используется для стабилизации положения платформы (или аэрокамеры).

В инерциальной навигации находят применение гироскопы – датчики угловой скорости (ДУСы), у которых, в отличие от позиционных гироскопов, ось вращения зажата, и при повороте платформы возникает кориолисова сила, величина которой пропорциональна угловой скорости; ее интегрирование по времени позволяет вычислить угол наклона соответствующей координатной оси.

Области применения гироскопов достаточно разнообразны, поскольку с их помощью можно определять угловые отклонения от заданного направления и угловые скорости перемещения, стабилизировать положение объектов в пространстве и пр.

В настоящее время создано ряд конструкций гироскопов, в частности [37]:

поплавковые с погруженными в жидкость элементами и ротором, вращающимся на воздушной подушке в аэродинамических подшипниках при практически полном отсутствии трения;

кольцевые лазерные гироскопы (RLG – Ring Laser Gyroscope), в которых угол отклонения оси чувствительности определяется на основе эффекта интерференции встречных волн, распространяющихся по замкнутому кругу;

волоконно-оптические (FOG – Fiber-Optic Gyroscope), использующие аналогичный эффект распространения встречных волн в многовитковой катушке оптического волновода, частью которого является свернутое в спираль оптическое волокно;

микромеханические, построенные по технологии MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) или iMEMS (интегральные MEMS) и представляющие собой выполненную на одном кристалле кремния интегральную микросхему малого размера и веса (рис. 10.4). Низкая стоимость и малые размеры таких гироскопов открывают возможность их широкого применения в автомобилях, телескопах, персональных компьютерах, мобильных робототехнических устройствах, детских игрушках и пр.

Погрешности работы гироскопа характеризуются стабильностью масштабного коэффициРис. 10.4.

Микромеханический ента, измеряемой в процентах, и дрейфом (скоростью ухода его оси от первоначального пологироскоп Silicon Sensing Systems жения), измеряемым в градусах в час (/час).

Численные значения этих показателей определяются особенностями конструкции гироскопа и составляют [37]:

стабильность масштабного коэффициента: от 10 – 100 % у кварцевых, кремниевых и микромеханических гироскопов, до 10-4 – 10-5 % у волоконно-оптических и лазерных гироскопов;

дрейф: от 1 – 100 /час у механических и микромеханических гироскопов до 10-3 – 10-5 у электростатических, поплавковых и кольцевых лазерных гироскопов.

Значительные погрешности работы гироскопов требуют коррекции их показаний, способ выполнения и периодичность которой определяется величинами погрешностей измерений. В последние годы для этой цели используются спутниковые системы GPS и ГЛОНАСС, что объясняет повышенный интерес к и н т е г р и р о в а н н ы м навигационным системам, объединяющим инерциальные и спутниковые измерения.

10.2.3. Инерциальные измерительные блоки При промышленном изготовлении инерциальных приборов акселерометры и гироскопы объединяются в один блок, который устанавливается на подвижном объекте (самолете, автомобиле, беспилотном летательном аппарате и др.) и жестко скрепляется с его основанием так, чтобы любые перемещения и изменения пространственной ориентации транспортного средства были зафиксированы измерительным блоком.

Измерительный блок представляет собой бесплатформенную инерциальную систему, объединяющую две тройки ориентированных по координатным осям измерительных приборов (акселерометров и гироскопов), и называется IMU (Inertial Measurement Unit, инерциальное измерительное устройство) или INS (Inertial Navigation System, инерциальная навигационная система, ИНС). Сбор измерительных данных выполняется через стандартные последовательные (СОМ) порты или разъемы (RS-232, RS-422 и др.). Аналогичные по назначению приборы российских компаний ориентированы преимущественно на использование их для управления беспилотными летательными аппаратами, навигационное обслуживание автомобильного транспорта и иные сходные по характеру задачи, и потому здесь не рассматриваются.

Наиболее известными компаниями, поставляющими инерциальные измерительные блоки для геодезических измерений, являются Honeywell (США), Northrop Grumman (США), iMAR (Германия) и др.

Их технические характеристики даны в табл. 10.1, а внешний вид – на рис. 10.5.

a) б) в)

–  –  –

Данные табл. 10.1 показывают, что измерения с помощью инерциальных блоков могут выполняться с точностью, достаточной для создания съемочного обоснования; периодическая коррекции их показаний по опорным точкам или иным внешним данным или совместная их обработка приводит к повышению точности решения в 1,5–3 раза.

10.2.4. Обработка инерциальных данных

В целом технологическая схема обработки данных, полученных с помощью акселерометров и гироскопов, соответствует рассмотренной выше (10.2) с учетом назначения системы.

Так, если инерциальная система является частью системы управления полетом летательного аппарата, то ее главной задачей является непрерывная регистрация тангажа, крена и курса с отображением их на соответствующих приборах или (на беспилотных аппаратах) выработка соответствующих противодействующих усилий [37].

Функциональная схема такой системы представлена на рис. 10.6.

Начальные условия

–  –  –

Рис. 10.6. Принципиальная схема работы инерциальной навигационной системы При выставке инерциальной системы платформа с блоком измерений приводится в горизонтальное положение и ориентируется относительно носителя. В дальнейшем все параметры полета (углы, скорость, ускорение, координаты и пр.) будут определены относительно этого положения.

Сущность обработки данных заключается в следующем (см. рис.

10.6). Информация гироскопов в виде проекций вектора абсолютной линейной скорости VX, VY, VZ на оси блока инерциальных измерений поступает в Алгоритм ориентации.

Алгоритм ориентации выполняет вычисление углов рысканья (курса), тангажа, крена и параметров матрицы вращения C для перехода к горизонтной системе координат.

Информация акселерометров nC в виде проекций кажущегося ускорения (т.е. измеренное значение ускорения с учетом силы тяжести) передается в Блок пересчета.

Блок пересчета выполняет преобразование проекций ускорения nG на координатные оси горизонтной системы координат, используя элементы матрицы вращений C.

Алгоритм навигации осуществляет обработку данных в соответствии со схемой, приведенной на рис. 10.6: выполняет интегрирование уравнения движения Ньютона, определение текущих координат X, Y, Z и скорости полета V в горизонтной системе координат. Одновременно вычисляется абсолютная угловая скорость G вращения Земли и передается на вход алгоритма ориентации для коррекции матрицы вращения и последующего уточнения координат.

Вычисленные параметры движения передаются на панель управления полетом; при необходимости пространственные координаты могут быть перевычислены из горизонтной системы в ортодромическую систему координат, используемую при дальних и сверхдальних полетах.

Легко видеть, что если инерциальная навигационная система используется для нужд навигации автомобильного транспорта, то обработка инерциальных измерений может быть несколько иной:

вычисленные с помощью гироскопов углы наклона платформы с блоком инерциальных измерений используются только для счисления пути;

вместо горизонтной системы координат используется система, в которой создана навигационная карта (преимущественно система координат 1942-го года, проекция Гаусса-Крюгера).

Для получения более точных навигационных данных блок измерений (см. рис. 10.6) дополняется датчиком температуры, давления и трехосным магнитометром для измерения параметров атмосферы и магнитного поля Земли; в связи с этим дополняются и функции блока вычислений.

10.3. Спутниковые навигационные системы

–  –  –

Спутники GPS-III третьего поколения будут иметь увеличенный до 180-ти дней период автономной работы без вмешательства сегмента управления и до 12–18 лет срок эксплуатации, а также средства борьбы с внешними воздействиями. Кроме того, увеличивается интенсивность сигнала, повышается до 1 м геометрическая точность позиционирования и пр.

Первый спутник системы GPS III должен быть запущен в 20132015 гг., а срок ее готовности к эксплуатации – 20182020 гг. Как ожидается, GPS-III прослужит до 2030 г.

В настоящее время исследуются достоинства и недостатки двух вариантов построения орбитальной группировки: 6 плоскостей по 4 спутника на каждой и 3 орбитальные плоскости по 7–8 спутников.

ГНСС ГЛОНАСС система, разрабо- Рис. 10.8. Космическая танная в 1978 г. и принадлежащая Министер- группировка ГЛОНАСС ству обороны России. Орбитальная группировка, включает 24 спутника в трех орбитальных плоскостях (рис. 10.8); высота орбиты 19130 км, наклонение 64.8о, период обращения 11h16m. Запуск трех спутников ГЛОНАСС осуществляется одной ракетой-носителем «Союз-2».

Система в полном составе была введена в действие в 1995 году.

По заявлениям разработчиков, она обладает некоторыми техническими преимуществами перед GPS. С 1998 г. орбитальная группировка практически не поддерживалось, в результате система оказалась частично неработоспособной.

Восстановление системы ГЛОНАСС осуществлялось по Федеральной целевой программе «Глобальная навигационная система». В соответствии с ней создаются навигационные спутники новых серий «ГЛОНАСС-М» и «ГЛОНАСС-К».

Г Л О Н А С С - М (рис. 10.9)

– первый спутник второго поколения, запущенный на орбиту в конце 2004 г. Спутники этой серии характеризуются наличием двух сигналов для гражданских потребителей, увеличенным до семи лет сроком эксплуатации и более точной температурной стабилизацией часов, что позволяет увеличить точность позициониРис. 10.9. Спутник Глонасс-М рования в два раза.

Г Л О Н А С С - К – спутник третьего поколения ГЛОНАСС, летные испытания которого начались с 2010 г. Он отличается от предшественников: отсутствием импортных комплектующих; негерметичным исполнением корпуса (которое позволило существенно уменьшить его массу); повышенным до 10-ти лет сроком эксплуатации; наличием трех навигационных сигналов для гражданских потребителей и повышением (в сравнении с ГЛОНАСС-М) точности навигационных определений вдвое за счёт добавления 3-й частоты.

Некоторые характеристики космических аппаратов ГЛОНАСС представлены в табл. 10.3.

Таблица 10.3 Модификация космического аппарата Параметр

ГЛОНАСС ГЛОНАСС-М ГЛОНАСС-К

Масса спутника, кг 1415 1415 950 Срок активного существования, лет 3-4.5 7.5 10-12 Число сигналов для гражданского использования Мощность батарей, Вт 1000 1600 1270

Состав группы КНС ГЛОНАСС на 05.09.2012:

Всего в составе ОГ ГЛОНАСС находится 31 КА. Используются по целевому назначению 24 КА. Временно выведены на техобслуживание 2 КА. Орбитальный резерв 4 КА. На этапе лётных испытаний 1 КА.

С 2013 г. планируется запуск новых спутников ГЛОНАСС-КМ, параметры которых позволят достичь точности, сравнимой с точностью аппаратов GPS III.

ГНСС Galileo – спутниковая навигационная система, разрабатываемая с 1999 г. по инициативе Европейской Комиссии (EC) и Европейского Космического Агентства (ESA) с целью обеспечения Европы собственной независимой глобальной навигационной системой и создания конкуренции, в первую очередь с GPS. Ее разработку не контролируют ни военные, ни правительственные структуры странучастниц проекта.

Полная орбитальная группировка Galileo будет насчитывать 30 спутников в трех орбитальных плоскостях высотой 23616 км от Земли и наклонением орбиты 56о; в каждой плоскости будут находиться 9 рабочих и 1 резервный спутник.

Принятая модель космической группировки, увеличение высоты орбиты и числа спутников в каждой из них гарантируют возможность наблюдения в любой точке планеты не менее восьми спутников. Это позволит повысить расчетную точность системы до 4-х м в плане и 8-ми м по высоте (с вероятностью 0,95), что вполне достаточно для многих применений на транспорте без дифференциальных поправок.

Кроме того, в Galileo на порядок увеличивается скорость передачи навигационных данных (что важно для авиации) и предусмотрен контроль целостности системы, гарантирующий ее от случайных сбоев.

В конце 2005 г. с космодрома Байконур был запущен первый спутник Glove-A системы Galileo, работавший до конца 2006 г. в демонстрационном режиме, а в апреле 2008 г. – второй спутник Glove-B.

ГНСС Galileo, вводимая в эксплуатацию в 2013 г., будет передавать 10 сигналов различного назначения, в том числе для позиционирования с точностью не ниже 9-ти, а на платной основе – не ниже 1 м.

ГНСС Сompass – Китайская глобальная спутниковая навигационная система, которая создается для решения задач навигации, мониторинга лесных пожаров, наблюдений за погодой, обеспечения национальной безопасности и пр.

В начале 2007 г. СМИ Китая сообщили об успешном запуске с космодрома в южной провинции Сычуань и выводе на орбиту ракетой-носителем «Чанчжэн-3А» («Великий Поход») очередного, четвертого навигационного спутника «Beidou» («Путеводная звезда», как называют в Китае созвездие Большой Медведицы). Этот спутник, возможно, заменит один из запущенных ранее (два – в 2000 г. и один – в 2003 г.).

Уже эксплуатируемые спутники располагаются на одной геостационарной орбите, и определять по ним свои координаты могут только жители Китая и прилегающих к нему областей. Объявлено о развертывании системы второго поколения в составе 5-ти спутников на геостационарной орбите и 30-ти спутников на средней земной орбите.

Доступ к навигационной системе будет предоставлен не только военным (как было объявлено ранее), но и гражданским лицам, которым обещана возможность определения координат с точностью до 10-ти м, определения времени с точностью в 50 нс и скорости перемещения приемника с точностью до 0,2 м/с; военные смогут получать более точные данные. Кроме того, Китай обещает расширить зону своего влияния до территории всего мира, но планы глобального покрытия территории планеты пока не объявлены.

Вместе с тем, специалисты считают подготовку системы к эксплуатации в ближайшие 5 лет маловероятной, так как несколько лет будут посвящены развертыванию наземного и космического сегментов системы, экспериментальной ее эксплуатации, тестированию и настройке.

IRNSS – Индийская региональная навигационная спутниковая система, разрабатываемая с мая 2006 г. Ее спутниковая группировка включает семь спутников, три из которых размещаются на геосинхронных орбитах, в зоне постоянной радиовидимости с управляющих станций, а четыре – на орбитах с наклонением 29о.

Контроль и координация работ по развертыванию системы осуществляется правительством Индии; разработка и выпуск спутниковых приемников, принимающих сигналы IRNSS, будут осуществляться только индийскими компаниями.

QZSS – Японская региональная навигационная система, о создании которой объявлено в 2002 г., предназначенная для улучшения характеристик GPS на национальной территории и некоторых соседних территориях Юго-Восточной Азии. Внедрение QZSS позволит существенно повысить эффективность решения навигационных и других задач и придаст ускорение внедрению новых применений для навигации, которые требуют большей точности и надежности.

11 сентября 2010 г. в Японии с космодрома Танегасима был успешно запущен навигационный спутник Michibiki.

В космический сегмент войдут 3 спутника, орбиты которых выбираются так, чтобы их подспутниковые точки описывали на земной поверхности одну и ту же траекторию с одинаковыми интервалами времени. Один из спутников будет виден в любое время на территории Японии и Кореи под углом места более 70-ти градусов, что и определило название системы Quasi-Zenith (квази-зенит). Сигналы спутников будут приниматься во всей зоне их видимости, обеспечивая навигацию и передачу сигналов точного времени [45].

Сигналы спутников QZSS будут полностью совместимы с сигналами будущей GPS; некоторые из этих сигналов будут передаваться с помощью параболической антенны на Японию и содержать поправки, позволяющие повысить точность измерений с помощью сигналов GPS и, возможно, Galileo.

10.3.2. Основные компоненты СНС Основными компонентами любой спутниковой навигационной системы являются:

• орбитальная группировка (космический сегмент);

• наземный сегмент управления;

• аппаратура пользователя;

• дифференциальная подсистема, осуществляющая определение и передачу по радиоканалам поправок к дальностям или координатам определяемых точек.

Ниже рассмотрены перечисленные компоненты систем ГЛОНАСС, GPS и Galileo, эксплуатация которой начнется уже в ближайшие годы.

Орбитальная группировка Орбитальная группировка состоит из симметрично распределенных по орбитам основных и резервных спутников и характеризуется числом спутников, плоскостей орбит, их высотами и наклонением к экваториальной плоскости.

Модель группировки определяет важнейшие эксплуатационные параметры системы и разрабатывается на начальном этапе создания системы. Обычно она обозначается в виде T/P/F, где T – общее число спутников; P – число плоскостей орбит; F – период обращения спутника. Отношение T/P определяет число спутников в каждой плоскости [7]; в некоторых работах параметр F характеризует специфическую геометрию группировки в части межплоскостной фазировки орбит через 360° по возвышениям узлов (ascending node).

Модель группировки определяет видимое в каждый момент времени созвездие спутников в той или иной точке планеты, и, как показывают расчеты, она оптимальна в системах ГЛОНАСС и Galileo.

Поэтому не случайно, что группировка GPS сегодня насчитывает 31 спутник и рассматривается возможность ее увеличения до 32-х спутников.

Рабочая зона системы включает поверхность планеты и околоземное пространство до высоты, зависящей от модели группировки и высоты орбиты. Для системы GPS эта высота составляет 3000 км (высота орбиты 20180 км), а для ГЛОНАСС – 2000 км (высота 19130 км).

Наклонение орбиты определяет максимальную широту подспутниковых точек, и, следовательно, обеспечение оптимальных выходных характеристик СНС для стран, расположенных в южных, средних, северных или близких к ним широтах (например, спутники индийской системы IRNSS с наклонением орбиты 29 ориентированы на использование в странах, прилегающих к экватору; американской и европейской систем с наклонениями орбит 55-56 – в южных странах, а ГЛОНАСС с наклонением 65 – в северных странах).

Параметры действующих орбитальных группировок, в том числе основные характеристики спутников, рассмотрены ранее (3.1).

На спутниках имеется несколько эталонов частоты и времени, аппаратура для приема и передачи радиосигналов, бортовой компьютер, солнечные батареи и другое оборудование.

Наземный сегмент Наземный сегмент системы включает главную станцию управления и несколько станций слежения, на которые выполняются траекторные измерения, расчет элементов орбиты, прогноз положения спутников на сутки вперед и пр. Эти данные, называемые эфемеридами, через главную станцию управления транслируются на спутники, чтобы через них дойти до пользователя в навигационных сообщениях.

В 1994 г. к траекторным измерениям и расчету эфемерид спутников GPS и ГЛОНАСС подключилась Международная Служба Глобальных Навигационных Спутниковых Систем (The International GNSS Service, IGS), объединяющая на добровольной основе более 200 организаций 80-ти стран мира и около 380-ти станций, которые регистрируют и сохраняют "сырые" данные. Кроме выполнения измерений IGS занимается определением и уточнением параметров Международной Земной Отсчетной Основы (ITRF), ее реализацией, определением точных эфемерид спутников GPS/ГЛОНАСС, поправок в часы приемников и спутников, исследованием вращения Земли и состояния различных слоёв атмосферы и др.

Представленные в IGS «сырые» результаты измерений обрабатываются, а вычисленные эфемериды всех спутников в виде их геоцентрических координат в системе ITRF с интервалом через 15 минут в виде текстовых файлов через сеть Интернет бесплатно представляются заинтересованным предприятиям и организациям.

Эфемериды спутников GPS готовятся в файлах трех типов:

Final – «суточные» файлы, доступные через 12 дней и содержащие окончательные значения эфемерид и поправок часов;

Rapid – те же файлы, но с задержкой примерно на 17 часов;

Ultra-rapid – файлы, подготавливаемые и обновляемые четыре раза в сутки сериями данных за 48 часов, в т.ч. числе измерения за прошедшие сутки с задержкой на 3 часа, и прогноз положения спутников на следующие сутки.

Во всех файлах эфемериды имеют погрешности менее 5-ти см, а поправки к часам каждого спутника – порядка 0,1 – 0,2 нс.

Аналогичные данные для спутников ГЛОНАСС менее востребованы, а точность их эфемерид составляет порядка 30 см.

Аппаратура пользователя Аппаратура пользователя представлена спутниковыми навигационными приемниками, которые различаются по способности приема и обработки сигналов одной или нескольких навигационных систем (GPS/ГЛОНАСС/Galileo), числу каналов (определяющему число одновременно наблюдаемых спутников), виду обрабатываемых сигналов (кодовые, фазовые) и др.

Рис. 10.10. Приемники геодезический NovAtel DL-V3 (слева) и навигационный GPS Pocket Navigator PN-169

Фирмы, осуществляющие выпуск и распространение спутниковых приемников, классифицируют их по области применения:

навигация (морские, речные, автомобильные, авиационные и др.

приемники);

геодезия (приемники для построения геодезических сетей, топографической съемки, специальных работ);

ГИС (для сбора и анализа данных);

телекоммуникация (мобильная связь) и пр.

Удобство такой классификации заключается в том, что ориентированный на конкретное использование приемник заранее комплектуется графическим дисплеем, прикладным программным обеспечением, навигационными картами и средствами их редактирования и др.

(рис. 10.10).

Современные приемники обычно принимают сигналы одной, двух или трех навигационных систем, обеспечивают возможность кодовых и фазовых измерений и пр. Они имеют по 6–12 и более каналов, что позволяет отслеживать практически все навигационные спутники в зоне радиовидимости объекта; если каналов меньше, чем «видимых» спутников, то автоматически выбирается их оптимальное сочетание.

Дифференциальная подсистема (ДПС) Дифференциальная подсистема (ДПС) представляет собой группу объединенных в единую сеть пунктов с известными координатами, называемыми базовыми станциями, на которых выполняются непрерывные спутниковые измерения. На основе этих измерений строится оптимальная модель влияния каждого источника погрешностей (хода часов, эфемерид, ионосферных задержек и пр.), определяются ее параметры для зоны действия ДПС и используются для исправления измеренных дальностей (PDGPS) или координат (DGPS).

В зависимости от зоны действия ДПС различают:

локальные ДПС, действующие в радиусе 50–200 км и обеспечивающие точность позиционирования на уровне 2,0–4,5 м;

региональные ДПС, действующие в радиусе от 400 км до 2000 км (например, сеть Startfix с заявленной погрешностью не более 3 м);

глобальные и широкозонные ДПС, действующие в радиусе до 5000 км (например, EGNOS, WAAS, MSAS, OmniSTAR и др.);

Дифференциальный метод позиционирования предполагает, что на каждой базовой станции независимо от других станций формируются и распространяются потребителям поправки для наблюдений каждого спутника в отдельности, и остающиеся после коррекции погрешности положения пунктов будут обусловлены влиянием ионосферных и тропосферных погрешностей, многолучевости, а также орбитальными погрешностями. При этом «… для погрешностей с сильной пространственно-временной корреляцией (атмосферные и орбитальные эффекты) эффективность их коррекции уменьшается с увеличением расстояния между базовой станцией и потребителем и на больших удалениях (500–2000 км) точность DGPS-местоопределения может быть практически сравнимой с точностью автономного местоопределения …» [45].

Это обстоятельство обусловило появление так называемых широкозонных дифференциальных подсистем как функциональных дополнений GPS (GNSS), в которых наблюдения разреженной сети базовых GPS-станций обрабатываются совместно, путем моделирования атмосферных и орбитальных (эфемеридных) погрешностей в зоне покрытия сети референцных станций с учетом свойства пространственно-временной корреляции. Такой подход позволяет значимо повысить уровень точности и надежности позиционирования, обеспечить практически равномерное распределение точности коррекций по всей зоне покрытия сети станций и носит наименование WADGPS.

Сущность коррекции спутниковых измерений поясним на примере системы OmniSTAR, включающей около 100 референцных станций, три Центра загрузки данных на спутники и два Центра сбора, обработки и управления глобальной сети референцных GPSстанций (рис. 10.11).

Рис. 10.11. Принцип работы системы OmniSTAR [45] Результаты измерений на референцных станциях (2) через выделенные каналы передаются в Центры сбора и управления (1). Эти Центры принимают данные, контролируют их и передают на геостационарный спутник GEOS для трансляции в L-диапазоне на приемники потребителей (3) с целью получения оптимального решения путем взвешенной обработки данных референцных станций, причем веса являются функциями расстояний между потребителем и станциями. В результате множество коррекций по каждому спутнику заменяется единственной оптимальной.

Точность позиционирования с коррекцией OmniSTAR для коммерческих приемников высокого качества с вероятностью 95% составляет менее 1 м по плановым координатам и 2–2,5 м по высоте.

В настоящее время работает несколько ДПС аналогичного класса:

на американском континенте – WAAS (Wide Area Augmentation System) и LAAS (Local Area Augmentation System);

в Европе – EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System);

в Японии – MSAS (MTSAT Space-based Augmentation System, где MTSAT – Multifunctional Transport Satellite System).

В России региональные дифференциальные подсистемы и станции только начинают развиваться, и главной преградой на их пути являются законодательные ограничения точности.

10.3.3. Навигационные сигналы GPS, ГЛОНАСС и Galileo Высокоточное решение навигационных задач предполагает синхронизацию хода часов в приемной аппаратуре и на спутниках, точное определение их положения в планетарной системе координат и наличие измерительных спутниковых сигналов с точными радиотехническими параметрами.

Счет времени Определение расстояния между движущимися со скоростью около 3,9 км/сек спутниками и наземными пунктами выполняется путем измерения времени прохождения радиосигнала между этими точками. Громадная скорость распространения сигнала (около 300000 км/сек), требует точной синхронизации времени в спутниковых системах.

В связи с этим на главных станциях управления любой СНС устанавливается системное время, принимаемое за эталон и поддерживаемое высокоточным генератором шкалы времени на основе водородного стандарта, нестабильность которого оценивается на уровне (1-5)10-14.

На спутниках установлены генераторы частоты на основе цезиевого и рубидиевого стандарта с погрешностью хода порядка 110-13;

уход шкал времени спутников относительно эталона аппроксимируется полиномами первой или второй степени, коэффициенты которых передаются на спутники и в последующем включаются в навигационную информацию, поступающую в спутниковые приемники.

Время в системе GPS имеет собственную шкалу и обозначается в виде «N:S», где S – номер секунды в неделе, а N – номер недели в диапазоне от 0 до 1023, начиная с 0 часов 06.01.1980 г., увеличивающийся на единицу, когда S = 604800; после N = 1023 счет недель начинается с нуля.

Различия между шкалой координированного времени UTC (Universal Time Coordinated) и временем GPS, которое обозначается символами UTC (USNO) или UTC (GPST), передается в навигационном сообщении.

Время в системе ГЛОНАСС устанавливается в соответствии с Государственным эталоном частоты и времени Российской Федерации. Оно сдвинуто относительно времени UTC на 3 часа, корректируется одновременно с ним и обозначается UTC (SU); величина поправки указывается в навигационном сообщении. Счет времени выполняется с 00h00m00s 1 января последнего високосного года.

Координатное обеспечение Для построения математической модели движения спутника используется общеземная (планетарная) система координат, в качестве которой могут использоваться геоцентрические системы ITRS (Terrestrial Reference System), ITRF (ITRS Terrestrial Reference Frame), WGS-84 (World Geodetic System, 1984), ПЗ-90.02.

Передаваемые со спутников навигационные сообщения содержат не координаты спутника и изменения вектора его скорости, а относительно медленно меняющиеся параметры некоторой модели, которая аппроксимирует траекторию полета космического аппарата на достаточно большом интервале времени [5]. Соответствующая обработка этих данных позволяет вычислить координаты спутника на нужный момент времени.

В системе GPS используется общеземная система координат WGS-84 и Кеплеровская модель движения с оскулирующими элементами. При этом траектория полета спутника разбивается на участки аппроксимации длительностью в один час.

Потребителю навигационной информации передается положение центральной точки участка, параметры движения на соответствующий момент времени, а также параметры модели оскулирующих элементов и функций, аппроксимирующих изменения параметров модели во времени, как предшествующем узловому элементу, так и следующем за ним.

В системе Глонасс для определения точного положения спутника используется общеземная система координат ПЗ-90.02 и дифференциальная модель движения, в которой координаты и составляющие вектора скорости спутника определяются численным интегрированием дифференциальных уравнений его движения, учитываюющих конечное число действующих сил. Начальные условия интегрирования задаются на середину интервала аппроксимации.

В системе Galileo в качестве наземной опорной системы координат планируется использовать систему GTRF, независимую от WGS-84 и согласованную с ITRF. Описание этой системы, модели движения спутников на участке траектории и перечень параметров ее аппроксимации в технической литературе не приводится.

Навигационные сигналы Каждый спутник на строго определенных частотах генерирует сигналы, в которые путем модуляции встраиваются дополнительные данные, включающие измерительные коды и навигационные сообщения (свои эфемериды, данные о точности часов, параметры модели ионосферной задержки, временные метки и альманах). Соответствующая обработка принятых спутниковым приемником сигналов позволяет вычислить положение фазового центра его антенны в нужной координатной системе.

Сигналы передаются на близких и частично перекрывающихся участках частотного спектра и обозначаемых символами L, G и E, обозначающими принадлежность системе (рис. 10.12).

GPS Galileo GPS ГЛОНАСС Galileo GPS GPS ГЛОНАСС E2 E1 L5 E5 L2 G2 E6 L3, L4 L1 G1 1164 1215 1260 1300 1559 1600 МГц

–  –  –

В спутниках нового поколения Block IIR-M и Block IIF (табл. 10.2) предусмотрена передача нового сигнала на частоте L5 с пониженными ионосферными задержками и усложненного L2C на частоте L2 с пониженным шумом и ослабленной многолучёвостью. Планируется, что все спутники системы GPS будут передавать названные коды с 2014 г. [52].

В системе ГЛОНАСС для каждого спутника установлена фиксированная частота (табл.10.4), по которой они и различаются. Поскольку для космических аппаратов, находящихся в противоположных точках орбитальной плоскости, допустимо излучение сигналов на одинаковых частотах, то можно обойтись 12-ти рабочими частотами в каждом из двух диапазонов. Разделение таких сигналов в приемнике выполняется за счет пространственной и доплеровской селекции.

Сигналы G1 и G2 формируются от эталонного генератора основной частоты и связаны с номерами спутников k следующими зависимостями:

G1 1602 0,5625 k, 18,7 см G2 1246 0,4375 k, 24,1 см.

Сигнал G1 модулируется кодами ВТ (высокой точности) и СТ (средней точности), а сигнал G2 - только кодом ВТ, причем, код СТ представляют собой 9-разрядную m-последовательность, а код ВТ псевдослучайную последовательность (табл. 10.4). Длина тактовой волны кода СТ равна 587 м, а кода ВТ – 58,7 м.

Для системы Galileo выделено 10 рабочих частот и сигналов в диапазонах, разделяемых по кодам (метод CDMA, табл. 10.4).

Из этих сигналов:

три снабжены криптографической защитой и используются либо по подписке, либо для правительственной навигации в особый период;

четыре не модулированы, не содержат информации и используются как пилот-сигналы в специальной аппаратуре для высокоточного позиционирования по фазе несущей;

три содержат навигационные сообщения, передаваемые со скоростью 25, 125 и 500 бит/с;

все информативные сигналы кодируются избыточным кодом.

При разработке СНС Galileo требование ее совместимости с GPS достигнуто путем использования сигналов с разной кодовой структурой, работающих в перекрывающихся диапазонах. Причем совместное использование совпадающих сигналов на некоторых частотах, уменьшает помехи для гражданских сигналов, излучаемых на одной несущей частоте.

10.3.4. Содержание и точность спутниковых измерений В технической литературе наблюдения по C/A-коду обозначаются символами SPS (Standard Positioning Service, стандартная служба позиционирования), а по P-коду – PPS (Precise Positioning Service служба точного позиционирования).

Для измерения дальностей при спутниковых измерениях используются методы, базирующиеся на использовании кодовых и фазовых измерений.

Кодовые измерения основаны на сравнении 10-разрядных (в системе GPS) или 9-разрядных (в системе ГЛОНАСС) кодов C/A (СТ) и генерируемых по одним и тем же правилам аппаратурой спутника и приемника с включением временных меток [39]. Расстояние между спутником и приемником (псевдодальность) можно получить либо по времени прохождения сигнала, либо по числу кодовых последовательностей и тактов, по формулам D ( ) c, (10.3, а) D N П ( m Ф ) m, (10.3, б) где ( + ) – время прохождения сигнала с учетом несинхронности хода часов спутника и приемника; c – скорость распространения радиоволн в вакууме; N, П – число кодовых последовательностей и длина кода PRN; m, Ф, m – целое число тактов, доля такта и длина тактовой волны.

Время прохождения сигнала определяется по меткам времени, содержащимся в принятой от спутника и сгенерированной приемником псевдослучайной последовательности.

Фазовые измерения основаны на определении целого числа радиоволн N, укладывающихся на расстоянии между спутником и приемником, и измерении фазы N. Тогда расстояние между спутником и приемником D = (N + N) + R, (10.4) где – длина волны несущей частоты L1 или L2; R – суммарная поправка, учитывающая влияние тропосферы, ионосферы, ошибок эфемерид спутника, несовпадения хода часов спутника и приемника, инструментальных погрешностей, релятивистских эффектов и др.

Точность измерения разностей фаз составляет около 1 %, что при длинах волн несущих L1 и L2 (G1, G2) 20 – 25 см соответствует 2,0

– 2,5 мм и определяет потенциальную точность фазового метода.

Сложность использования уравнения (2.4) заключается в том, что целое число радиоволн N не может быть измерено и определяется в процессе р а з р е ш е н и я н е о д н о з н а ч н о с т и. Эта задача решается либо с использованием избыточных фазовых измерений (при приеме сигналов двухчастотным приемником) или по результатам совместной обработки фазовых и кодовых измерений (при приеме сигналов одночастотным приемником) в процессе постобработки.

Погрешности спутниковых измерений обусловлены динамическим характером системы в целом, нестабильностью взаимного положения ее элементов и условиями прохождения сигнала. Точность позиционирования определяется значением геометрического фактора, зависящего от числа и размещения спутников, и качества навигационного сигнала, Геометрический фактор (ГФ) представляет собой количественную оценку схемы взаимного расположения наблюдаемых спутников и устанавливается по эфемеридам этих спутников на момент наблюдений.

Приведем значения ГФ, используя английские аббревиатуры их названий [47]:

GDOP Q11 Q22 Q33 Q44, PDOP Q11 Q22 Q33, VDOP Q33,, (10.5) HDOP Q11 Q22, TDOP Q44 где DOP (Dilution of Precision) означает «уменьшение точности», а первые буквы подсказывают, точность какого именно неизвестного уменьшается: G – всех составляющих (Geometrical), P – в пространстве (Position), H – в плане (Horizontal), V – по высоте (Vertical), T – во временных задержках (Time).

Чем больше значение ГФ, тем хуже точность, и для ее повышения необходимо увеличить число наблюдаемых спутников. Основным является фактор PDOP, для которого приняты следующие вербальные оценки: 4 – хорошо, 5–7 - удовлетворительно, 7 – плохо.

Качество навигационного сигнала зависит от условий его прохождения через тропосферу и ионосферу, точности содержащейся в нем информации, релятивистских эффектов и пр. (табл. 10.5).

Таблица 10.5 [8] Ошибка определения дальности по коду, м Источник погрешностей P C/A Прогноз эфемерид 3,5 3,5 Эталон времени спутника 1,7 1,7 Ионосферная рефракция 1,0 4,0 Тропосферная рефракция 0,5 0,5 Многолучевость 1,0 1,0 Аппаратура потребителя 1,08 10,8 Суммарная погрешность 4,31 12,21 Прогноз эфемерид. Эта погрешность связана с неточностью используемой модели геопотенциала Земли, в частности – влияния гравитационного поля, солнечного давления, движения полюсов Земли и пр.

Эталон времени спутника. Погрешность возникает из-за сдвига частот бортового эталона времени под влиянием релятивистского и гравитационного эффектов.

Ионосферная рефракция является следствием изменения коэффициента ее преломления и учитывается по данным измерений на двух частотах.

Тропосферная рефракция возникает из-за непостоянства коэффициента преломления при изменении высоты.

Многолучевость распространения сигнала зависит от взаимного расположения спутника, отражающей поверхности и размещения по

–  –  –

Достаточно длительное время основу наземной инфраструктуры систем точного позиционирования составляли постоянно действующие базовые (референцные) станции (рис. 10.16), обозначаемые аббревиатурой CORS (Continuous Operation Reference Station) [17]; в течение последних 3–4 лет начата реализация сходных принципов дифференциальной коррекции на основе временных или виртуальных станций [42].

Для обеспечения соответствующих работ, в зависимости от их точности и размера территории, может использоваться либо одиночная станция, либо несколько объединенных в сеть станций.

Одиночная станция может быть постоянной или временной и включает автономно работающий двухчастотный спутниковый приемник, двухчастотную антенну и средства связи. Управление работой приемника осуществляется компьютером, расположенным рядом с приемником или на удалении от него.

«Сырые» (не обработанные) результаты кодовых или фазовых спутниковых измерений, получаемые приемником ГНСС, передаются в память компьютера и записываются в файлы определенной длины и с помощью специализированного программного обеспечения передаются по каналам связи на FTP-сервер для обеспечения пользователям простого к ним доступа через Интернет. Одновременно с помощью этих программ выполняется обработка данных приемника ГНСС и расчет дифференциальных поправок, которые могут передаваться удаленному на расстояние до 300 км пользователю по радиоканалам, высокоскоростным беспроводным сетям (GSM, GPRS, CDMA и др.) или через Интернет [17].

Однако точность позиционирования по этой схеме заметно падает с увеличением расстояния до базовой станции, и сантиметровая точность определения координат в режиме реального времени RTK достигается лишь на удалениях, не превышающих 20–30 км [17], а субметровая – на удалениях до 200 км [42].

Сеть базовых станций является, как правило, стационарной и включает 5, 10, 20 и более подключенных к серверу по каналам связи спутниковых приемников, каждый из которых работает автономно и вне зависимости от других. В этом случае сантиметровая точность позиционирования может быть достигнута на значительной территории (рис. 10.16).

Такая сеть в большинстве случаев более эффективна по сравне- Рис. 10.16. Сеть постоянно нию с традиционными триангуляци- работающих базовых станций онными и полигонометрическими построениями, поскольку станции могут быть установлены в любом месте, вне зависимости от условий видимости между ними, геометрия сети не является столь критичной, а точность выше и более стабильна.

Все базовые станции по каналам связи (телефонным проводным линиям, компьютерной сети, сотовой связи или по сети Интернет) связываются с сервером стационарного вычислительного центра. Установленное на сервере специализированное программное обеспечение осуществляет управление всеми базовыми станциями сети, загрузкой файлов спутниковых данных приемников в память сервера через регулярные промежутки времени, расчет дифференциальных поправок и пр. [17].

Концепция виртуальной базовой станции (VRS - Virtual Reference Station), являющейся логическим продолжением рассмотренных выше технологий и объединяющей большую зону покрытия с небольшим количеством базовых станций, по сути, является дальнейшим развитием технологии ДПС OmniSTAR и сводится к следующему [5, 42]:

1) данные референцных станций сети непрерывно передаются в вычислительный центр, где выполняется разрешение фазовых неоднозначностей для базовых линий сети, сравнение полученных из мгновенных решений координат с известными координатами и формирование невязок;

2) используя математический аппарат фильтра Калмана (4.2), выполняется построение линейной или более сложной модели ошибок, необходимой для прогнозирования вероятных ошибки в положении базовых станций;

3) по навигационным координатам пользователя и поступающим с его приемника результатам измерений выполняется:



Pages:   || 2 | 3 |
Похожие работы:

«Рощин Борис Евгеньевич РОССИЙСКОЕ ФАБРИЧНО-ТРУДОВОЕ ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВО: СПЕЦИФИКА ФОРМИРОВАНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ (МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ) Адрес статьи: www.gramota.net/materials/1/2010/10/14.html Статья опубликована...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный унив...»

«ИНЖЕНЕРНО-ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ.УЧЕБНАЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ ПРАКТИКА Учебно-методическое пособие Омск • 2012 Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сиби...»

«Министерство путей сообщения Российской Федерации Департамент кадров и учебных заведений САМАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ Кафедра “Инженерной графики” Построение линии пересечения двух поверхностей в ортогональных и аксонометрических проекциях Методические указания по выполнению контрольных...»

«В.В. Коротаев ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ ДОКУМЕНТАЦИИ Конспект лекций. Методические рекомендации к выпускным квалификационным работам, курсовым проектам, учебно-исследовательским работам студентов и научно...»

«Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Горно-Алтайский государственный университет" МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ для обучающихся по освоению дисциплины: Страхование Уровень основной образовательной програ...»

«Пензенский государственный университет О.В.Калмин, О.А.Калмина АННОТИРОВАННЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ АНОМАЛИЙ РАЗВИТИЯ ОРГАНОВ И ЧАСТЕЙ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА Учебно-методическое пособие Издательство Пензенского государственного университетета Перечень аномалий развития органов и частей тела человека УДК 611.012+616-007.8/.9 Кал...»

«Утверждены Минздравом СССР 23 января 1986 г. N 28-6/2 ВРЕМЕННЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ЗАЩИТЕ НАСЕЛЕНИЯ ОТ ГНУСА И ИКСОДОВЫХ КЛЕЩЕЙ В ЗОНЕ БАМ (Извлечения) Система защиты от иксодовых клещей сведена в таблицу и приведена в приложении 1 (не приводится). Проведе...»

«Методические рекомендации по проведению внеучебного занятия казаков-наставников по теме "Казаки-герои – от Ильи Муромца и до наших дней"1. Илья Муромец Из того ли из города из Мурома, Из того ли села да Карачарова Была тут поездка богатырская,Выезжает оттуль да добрый мол...»

«РОСЖЕЛДОР Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВПО РГУПС) Тихорецкий техникум железнодорожного транспорта (ТТЖТ – филиал РГУПС) МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТАКТИКА РТВ ВВС Основы боевого применения сил и средств воздушно-космического нападения Методические указания к практическим и групповым заня...»

«МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ по освещению подвига новомучеников и исповедников Церкви Русской Пояснительная записка Настоящие методические рекомендации разработаны по решению дистанционного семинара Учебного комитета от 9.12.2015, утвержденного председателем Учебного коми...»

«ОО БЕЛОРУССКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ БАСКЕТБОЛА Программа тестирования баскетболистов Методические рекомендации для тренеров и врачей Кривцун А.В., Бойдаков Р.В., Вареводов С.С. 24.02.2013 [Введите аннотацию документа. Аннотация обычно представляет собой краткий обзор содержимого документа. Введите а...»

«КАЗАНСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ И НЕФТЕГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЦЕНТР ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МЕНЕДЖМЕНТА КАЧЕСТВА И МАРКЕТИНГА Степанов Андрей Владимирович УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ К...»

«3490 МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТ...»

«УМБЕРТО ЭКО КАК НАПИСАТЬ дипломную РАБОТУ ГУМАНИТАРНЫЕ HAУКИ Перевод с итальянского Елены Костюкович УНИВЕРСИТЕТ КНИЖНЫЙ ДОМ МОСКВА УДК 009(075) ББК 74.200а7 Э 40 Umberto Eco Come si fa una tesi di laurea Le materie umanistiche Эко Умберто Э 40 Как написать дипломную работу. Гуманитарны...»

«МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН КАЗАХСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОНКОЛОГИИ И РАДИОЛОГИИ РАННЯЯ ДИАГНОСТИКА РАКА ШЕЙКИ МАТКИ НА УРОВНЕ ПЕРВИЧНОЙ МЕДИКО-САНИТАРНОЙ ПОМОЩИ. ЦИТОЛОГИЧЕСКИЙ СКРИНИНГ Методические рекомендации Алматы 2012 Ранняя диагностика р...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижневартовский государственный университет" Естественно-географи...»

«С.Н. КУЗЬМИН, В.И. ЛЯШКОВ, Ю.С. КУЗЬМИНА Издательство ФГБОУ ВПО "ТГТУ" Учебное издание КУЗЬМИН Сергей Николаевич, ЛЯШКОВ Василий Игнатьевич, КУЗЬМИНА Юлия Сергеевна БИОЭНЕРГЕТИКА Учебное пособие Редактор И.В. К а л и с т р а т о в а Инженер по компьютерному макетированию М.А. Ф и л а т о в а Подписано в печать 27.12....»

«Л.В.Максименко Обращение с отходами лечебнопрофилактических учреждений Учебное пособие Под редакцией профессора Д.И.Кичи Для студентов специальности "Лечебное дело", "Стоматология", "Сестринское дело" Москва Российский университет дружбы народов У твержд ен о ББК РИС Ученого совета Российского университета дружбы народов Ре це нзе...»

«УРОКИ НАРКОУСТОЙЧИВОСТИ МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ жизнь без наркотиков Тиражировано в рамках государственной программы "Развитие здравоохранения Липецкой области на 2013-2020 год" Управление здравоохранения Липецкой области Упра...»

«Методические указания к выполнению практических и контрольных работ по дисциплине "Конструкция автомобилей и тракторов" Методическое указание №1 ПРЕДИСЛОВИЕ Данные методические указания предназначены для оказания помощи студентам заочного обучения при выполнении самостоятельной работы по изучению конструкции автотра...»

«ПРИНЯТИЕ И ИСПОЛНЕНИЕ ГОСУДАРСТВЕННЫХ РЕШЕНИЙ Методические указания к практическим занятиям и организации самостоятельной работы для студентов направления "Государственное и муниципальное управление" (уровень бакалавриата) Министерство образования и науки Российской Фе...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "ИНСТИТУТ РАЗ...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ СК РГУТИС УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТУРИЗМА И СЕРВИСА" Лист 1 из 117 ...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.