Обзор современных стереофотограмметрических приборов

     МИНОБРНАУКИ    РОССИИ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное

учреждение высшего  профессионального образования

«Тульский государственный  университет»

 

 

Кафедра «Геоинженерии  и кадастра»

 

 

 

 

 

Реферат по дисциплине «Фотограмметрия и дистанционное зондирование»

Обзор современных стереофотограмметрических  приборов

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                        Выполнил ст.группы 331601 В.И.Кравченко 

                                                           Проверил проф., д.т.н. И.А.Басова

 

 

 

 

 

 

Тула 2013г.

Содержание

Введение…………………………………………………………………….3

Глава 1. Общие сведение о стереофотограмметрических приборах……4

1. История создания стереофотограмметрических приборов……….4
2. Виды стереофотограмметрических приборов…………………......8

Глава 2. Современные стереофотограмметрические приборы………...11

2.1. Цифровой самолетный сканер «3-DAS-1»………………………….12

2.2. Камера Microsoft UltraCam Eagle……………………………………14

2.3. Камера UltraCam-Xp Wide Angle……………………………………17

2.4. Камера UltraCam-L / LP……………………………………………...22

Заключение………………………………………………………………..28

Список используемых источников………………………………………29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     

    Введение

Стереофотограмметрические приборы-оптико-механические и электронные устройства, дополненные в ряде случаев ЭВМ и средствами автоматики; позволяют по стереоскопическим снимкам местности (стереопарам) определять размеры, форму и положение (координаты) изображенных на них предметов (объектов), а также вычерчивать топографические планы и карты.

По назначению стереофотограмметрические приборы делятся на универсальные и дифференцированного метода.

Универсальные стереофотограмметрические приборы делятся на аналоговые и аналитические. Аналоговые приборы воссоздают и измеряют геометрическую модель объекта. По способу построения модели они могут быть оптическими, механическими и оптико-механическими.

Для измерения модели местности в аналитических и  аналоговых приборах оптико-механического  и механического типа используют способ мнимой марки; в оптических универсальных  приборах иногда применяют способ действительной марки. Более подробно каждый будет рассмотрен далее.^[4]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Общие сведение о стереофотограмметрических приборах

Стереофотограмметрические приборы, приборы, позволяющие выполнять стереоскопические измерения по стереопаре фотоснимков с целью определения размеров, формы и пространственного положения сфотографированных объектов. Основные части каждого стереофотограмметрического прибора независимо от его принципиальной схемы и конструктивного оформления: координатно-измерительная система; снимкодержатели (обычно два), на которых располагаются фотоснимки; наблюдательная система, с помощью которой наблюдают стереомодель, измерительные марки, располагаемые в каждой ветви наблюдательной системы или в пространстве геометрической модели объекта, воссоздаваемой при проектировании двух его изображений. При измерениях на стереофотограмметрических приборах оператор осуществляет последовательное стереоскопическое наведение на различные точки изображений объекта и фиксирует их положение графически или отсчитывает их координаты по специальным счётчикам в координатной системе снимка или отдельной модели (в зависимости от типа стереофотограмметрического прибора).^[1] 

 

1.1. История создания стереофотограмметрических приборов

На границе 19 и 20 веков К. Пульфрих заинтересовался стереоскопией, но прежде, чем описывать его работы, нужно дать пояснение. По его собственному высказыванию он поранил себе левый глаз, когда был молодым человеком. Однако до 1905 г. К. Пульфрих не упоминал о каких либо ограничениях в своём зрении. По данным его коллеги Макса фон Рора у него с 1905 г. в левом глазу стала развиваться катаракта. В связи с этим К. Пульфрих не мог смотреть пространственно и, несмотря на этот недостаток, он создал стереокомпаратор, участвовал в разработке конструкции стереоавтографа, описал псевдостереоскопический эффект, названный его именем.

О создании стереокомпаратора  К. Пульфрих доложил в 1901 г. на 73-й  Конференции учёных естественных наук и врачей, проходившей в Гамбурге. Стереокомпаратор это первый стереофотограмметрический прибор, изготовленный на фирме Карл Цейсс Йена.

Первая модель стереокомпаратора отличалась от привычной для нас конструкции этого прибора. В качестве наблюдательной системы использовался либо зеркальный стереоскоп Гельмгольца, либо бинокулярный микроскоп с увеличениями 4, 6 и 8 крат. Движений по координатным осям наблюдательная система не имела. Для стереоскопического измерения фотоснимков К. Пульфрих применил способ мнимой марки, предложенный в 1892 г. Ф. Штольцем и применяющийся до сих пор для измерения стереоскопических изображений. Суть способа состоит в том, что в каждом окуляре устанавливается измерительная марка одинаковой формы (крест, точка), одинаковой величины и одинакового цвета. При наблюдении стереоизображения эти марки сливаются в одну мнимую марку (стереомарку), перемещающуюся по трём координатам.

Снимкодержатели (под  формат фотопластинок 13х18 см) располагались  на каретках, перемещающихся по осям х  и у. Каретка y перемещалась вверх-вниз по наклонным направляющим. Каретка х двигалась по направляющим, расположенным на каретке у. Для измерения продольного и поперечного параллаксов снимкодержатели перемещались по направляющим, установленным на каретке х. Измерение продольного параллакса выполнялось движением правого снимкодержателя вдоль оси х, а измерение поперечного параллакса - движением левого снимкодержателя вдоль оси у. Снимкодержатели вращались в своей плоскости. Чтобы компенсировать вес всех кареток, к каретке y был прикреплён тросик, а сзади прибора к тросику подвешен груз соответствующего веса.

Используя такую конструктивную схему К. Пульфрих разработал ещё  две модели стереокомпаратора: модель А под формат фотопластинок 24х30 см и модель В под формат фотопластинок 16х18 см. Кроме того, для одновременного измерения двух пар фотоснимков береговой полосы, полученных с борта судна, он создал модель С, у которой наблюдательная система перемещалась вверх-вниз для наблюдения каждой стереопары.

В 1906 г. К. Пульфрих разработал четвёртую модель D, имевшую конструкцию, по которой в дальнейшем создавались стереокомпараторы во всех странах. Каретка х со снимкодержателями была установлена горизонтально, а наблюдательная система стала перемещаться по оси у в горизонтальной плоскости. В результате отпала необходимость в противовесе. Правый снимкодержатель был установлен на двух крестообразных суппортах для измерения продольного и поперечного параллаксов. Левый снимкодержатель можно было перемещать вдоль оси x, но это было установочное движение, а не измерительное.

В нашей стране в середине 30-х годов завод "Геодезия" выпустил первый отечественный стереокомпаратор, который был построен по той же конструктивной схеме, что и у модели D. Однако у неё было неудобство для оператора. При перемещении наблюдательной системы оператор вынужден был вслед за бинокуляром перемещать голову вперёд-назад. На последующих моделях этот недостаток был исключён путём разделения оптической системы на неподвижную (бинокулярную головку) и подвижную части, между которыми в каждой ветви был установлен параллельный пучок оптических лучей.

В июне 1901 г. К. Пульфрих впервые  использовал стереокомпаратор для  измерения снимков звёздного  неба, которые ему предоставил астроном М. Вольф. К. Пульфрих отметил, что отыскание и отождествление звёзд и следов планет при стереоскопическом рассматривании происходит проще и быстрее, чем по одиночным фотоснимкам. Кроме того, оно позволяет отличать дефекты фотоэмульсии на фотопластинках от изображений небесных тел. Карл Пульфрих в своей работе по использованию стереокомпаратора в астрономии написал, что ему доставляло наслаждение стереоскопическое рассматривание снимков звёздного неба. Вместе с М. Вольфом они обнаружили, что при повороте фотопластинок на 900 стереоскопическое изображение превращалось в плоское (сейчас это называется нулевой стереоэффект), а при повороте ещё на 900 наблюдался обратный стереоэффект. По стереопаре фотоснимков Луны К. Пульфрих пробовал измерять высоты кратеров и составил план небольшого участка лунной поверхности. Им были выполнены на стереокомпараторе измерения снимков Солнца.

В 1957 г. на 1-м Международном  фотограмметрическом съезде канадский  фотограмметрист Ю.В. Хелава сообщил  об общих принципах конструкции  аналитического стереофотограмметрического прибора, который должен состоять из измерительного блока, созданного на базе стереокомпаратора, компьютера и координатографа. Таким образом, стереокомпаратор Пульфриха получил новую жизнь. Первый образец такого прибора был создан фирмами OMI и Bendix под названием АР-1 и был продемонстрирован в 1960 г. Программное обеспечение работы прибора было составлено Ю.В. Хелавой. Это событие стало началом перехода фотограмметрии на использование компьютеров и замену ими существовавших до сих пор аналоговых фотограмметрических приборов. В 1963 г. 2-й Международный фотограмметрический съезд был полностью посвящен аналитическим приборам. В 70-80-е гг. аналогичные приборы были выпущены в других странах, например, во Франции Трастер фирмы Матра, в ФРГ Планикомп фирмы Карл Цейсс. Особенностью Трастера является то, что оператор наблюдает снимки не в окуляры, а на экране через очки с поляроидными светофильтрами. В нашей стране были созданы стереопроектор аналитический (СПА) и стереоанаграф. Однако в конце 20 и начале 21 веков эти приборы стали заменять цифровыми фотограмметрическими системами (ЦФС). Таким образом, стереокомпаратор Пульфриха прослужил 100 лет, но в программном обеспечении ЦФС предусмотрен стереокомпараторный режим измерения снимков.^[4]

 

         1.2. Виды стереофотограмметрических приборов

По назначению стереофотограмметрические приборы делятся на универсальные и дифференцированного метода. Конструкция первых обеспечивает возможность выполнения на одном приборе всего комплекса технологических процессов, необходимого для получения геометрических характеристик изучаемого объекта. Каждый прибор дифференцирированного метода призван обслуживать какой-либо один технологический процесс. Наиболее распространённым прибором дифференцированного метода является стереокомпаратор. 

 Универсальные стереофотограмметрические приборы делятся на аналоговые и аналитические. Аналоговые приборы воссоздают и измеряют геометрическую модель объекта. По способу построения модели они могут быть оптическими, механическими и оптико-механическими.  

 Оптический прибор имеет две (или более) проектирующие камеры, с помощью которых по фотоснимкам воспроизводят связки проектирующих лучей и их взаимное ориентирование в пространстве, соответственно положению, существовавшему в моменты фотографирования; в результате пересечения проектирующих лучей от одноимённых точек фотоснимков строится геометрическая модель объекта. Масштаб модели определяется отношением базиса проектирования (расстояния между узловыми точками объективов двух проектирующих камер) к базису фотографирования. Пример стереофотограмметрических приборов данной группы — стереопланиграф. В универсальном стереофотограмметрическом приборе механического типа связки лучей и модель воспроизводят с помощью прецизионных рычагов или линеек, перемещающихся в плоскости или пространстве. На принципе механического проектирования созданы такие стереофотограмметрические приборы, как стереограф, стереопроектор, стереоавтограф и др. В оптико-механическом  стереофотограмметрическом приборе связки проектирующих лучей восстанавливаются оптически, а модель строится при помощи механических устройств. 

 Восстанавливаемые в аналоговых стереофотограмметрических приборах связки проектирующих лучей могут быть подобны связкам, существовавшим в момент фотографирования, или преобразованными; соответственно модель получается подобной местности или преобразованной. Преобразования связок возникают в тех случаях, когда в стереофотограмметрических приборах расстояние от снимка до центра проекции не равно фокусному расстоянию фотоаппарата, которым получены обрабатываемые снимки. Таким образом, на стереофотограмметрических приборах с преобразованными связками можно обрабатывать снимки, полученные фотоаппаратом с любым фокусным расстоянием.  

 Простейшим прибором  оптического проектирования является  двойной проектор, схема которого показана на рис1. Для установки элементов ориентирования камеры 1—2 могут наклоняться на углы a, w, камера 2 может перемещаться на величины Ьх, by, Ьг (базисные компоненты); снимки 3—4 могут поворачиваться в своей плоскости на углы и. Потоки лучей, идущие через объективы 5—6, от снимков восстанавливают пучки проектирующих лучей, которые пересекаются в пространстве прибора. Одноимённые проектирующие лучи (на рис. показаны два луча, идущие от точки М), взаимно пересекаясь, восстанавливают геометрическую модель, которую можно измерять с помощью столика 7, имеющего марку 8, свободно перемещающегося в плоскости экрана 9. Марка нанесена на диске 10 и вместе с ним может перемещаться в направлении оси 2. Совместно с маркой расположен карандаш 11, с помощью которого можно получить графический план сфотографированного объекта. 

 Аналитические универсальные стереофотограмметрические приборы состоят из стереокомпаратора, ЭВМ и координатографа, они обладают большими возможностями, чем аналоговые универсальные стереофотограмметрические приборы. Переход от координат точек фотоизображения к координатам точек объекта осуществляется с помощью ЭВМ. Для расширения сферы применения стереофотограмметрических приборов их дополняют особыми приставками, позволяющими изготавливать не только графические планы, но и ортофотопланы на любые районы. Ведутся также исследования по полной автоматизации процесса стереоизмерений.^[6]

 

Рис.1 Прибор оптического  проектирования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2.  Современные стереофотограмметрические приборы 

Современные стереофотограмметрические приборы  основаны на действии оптических, оптико – механических и аналитических приборов. Оптический прибор имеет две (или более) проектирующие камеры, с помощью которых по фотоснимкам воспроизводят связки проектирующих лучей и их взаимное ориентирование в пространстве, соответственно положению, существовавшему в моменты фотографирования; в результате пересечения проектирующих лучей от одноимённых точек фотоснимков строится геометрическая модель объекта. Масштаб модели определяется отношением базиса проектирования (расстояния между узловыми точками объективов двух проектирующих камер) к базису фотографирования. Пример стереофотограмметрических приборов  данной группы - стереопланиграф. В универсальном стереофотограмметрическом приборе механического типа связки лучей и модель воспроизводят с помощью прецизионных рычагов или линеек, перемещающихся в плоскости или пространстве. На принципе механического проектирования созданы такие стереофотограмметрические приборы, как стереограф, стереопроектор, стереоавтограф и др. В оптико-механическом стереофотограмметрические приборы связки проектирующих лучей восстанавливаются оптически, а модель строится при помощи механических устройств.^[5]