Фотограмметрия

           На рубеже XX и XXI вв. с появлением нового поколения коммерческих спутников высокого разрешения стало очевидно, что космическая съемка становится реальной, а во многих случаях единственно возможной, альтернативой съемке авиационной. 
           Полная коммерческая доступность спутниковых данных высокого разрешения открыла много новых возможностей их использования. В настоящее время данные ДЗЗ можно применять в случаях, когда в совсем еще недавнем прошлом использовались исключительно аэрофотоснимки или результаты наземной топографической съемки, несмотря на географические ограничения таких данных и методов. Спутниковые изображения могут быть получены для любой области мира в нужный временной период по стандартной цене. 
           В XX веке на помощь исследователям и картографам пришли фотографическая аппаратура и летательные аппараты, на которых её устанавливали. С большой высоты хорошо видна поверхность планеты. Специальная топографическая съёмка с самолётов позволила составлять планы и карты, наносить на них лесные массивы, долины рек, озёра и т.д. С началом космической эры возникла возможность производить съёмку поверхности с бортов космических кораблей.Первые снимки из космоса были сделаны с ракет в 1946, с искусственных спутников Земли (См. Искусственные Спутники Земли) — в 1960, с пилотируемых космических кораблей — в 1961 (Ю. А. Гагариным) в 1961 году космонавт Герман Титов. К. с. вначале ограничивалась фотографированием в видимом диапазоне спектра электромагнитных волн с непосредственной доставкой снимков на Землю (преимущественно в контейнерах с парашютом). После получения уже первых снимков, сделанных из космоса, оказалось, что по ним можно отслеживать не только очертания материков и океанов, но и состояние природы, конфигурацию погодных фронтов, прохождение циклонов и даже крупные геологические структуры. Многолетние исследования снимков дают возможность постоянного мониторинга состояния природной среды, что помогает вовремя получать информацию о заболачивании территории, наступлении пустынь, начале песчаных бурь, движениях ледников, изменении конфигураций берегов морей, озёр, рек, загрязнении акваторий, ледовой обстановке в полярных широтах и т.д. Знания о путях движения циклонов помогают составлять прогнозы погоды, снимки городов дают информацию о неблагоприятной экологии отдельных районов.                             

            С применением такой техники на нашей планете были закрыты последние «белые пятна». Наряду с черно-белой и цветной фото- и телесъёмкой применяются инфратепловая, микроволновая, радарная, спектрометрическая и др. фотоэлектронные съёмки (см. Аэрометоды). Съёмочная аппаратура принципиально та же, что и при аэросъёмке. Методами К. с. нашей планеты являются: 1) съёмки с высот 150—300 кмс недолговременных носителей и возвращением экспонированных плёнок и регистрограмм на Землю; 2) съёмки с высот 300—950км с долговременных носителей (на орбитах, при которых спутник находится как бы постоянно над освещенной стороной Земли) и передачей изображений на Землю с помощью радиотелевизионных систем; 3) съёмки с высоты примерно 36 тыс. км с т. н. стационарных спутников с доставкой фотоинформации на Землю путём применения тех же систем; 4) съёмки с межпланетных автоматических станций с ряда последовательно увеличивающихся высот (например, со станции «Зонд» с 60 и 90 тыс. км и т. д.); 5) съёмки Земли с поверхности Луны и ближайших планет, автоматически выполняемые доставленной туда регистрирующей фотоэлектронной и передающей радиотелевизионной аппаратурой; 6) съёмки с пилотируемых космических кораблей и пилотируемых орбитальных станций (первая — советская станция «Салют»). Средние масштабы космических снимков 1: 1000000 — 1: 10000000. Детальность изображения земной поверхности на снимках из космоса довольно значительна. Например, при рассматривании с 10-кратным увеличением фотографий масштаба 1:1500000, полученных с борта «Салюта», на открытой местности видны основная гидрографическая и дорожная сеть, контуры полей, селения средних размеров и все города с их квартальной планировкой. Современные области использования К. с.: метеорология (изучение облачности, снежного покрова и др.), океанология (течений, дна мелководий и др.), геология и геоморфология (в особенности образований большой протяжённости), исследования ледников, болот, пустынь, лесов, учёт культурных земель, природно-хозяйственное районирование территорий, создание и обновление мелкомасштабных тематических и общегеографических карт. Ближайшие перспективы практического применения К. с. для изучения, освоения и охраны географической среды и естественных ресурсов Земли связаны с выполнением с орбитальных научных станций-лабораторий т. н. многоканальных съёмок (одновременно в нескольких спектральных диапазонах при одинаковой освещённости местности). Это увеличивает разнообразие и объём получаемой информации и обеспечивает возможность её автоматической обработки, в частности при дешифрировании космических снимков.        Сравнительный анализ точностных, пространственных и геометрических характеристик данных, полученных со спутника QuickBird и с помощью авиационной съемки, показал соответствие изображений из космоса требованиям, предъявляемым к исходным данным для обновления топографической основы масштаба 1:10 000 и выше. Соответствующие исследования проводились в ряде стран независимыми группами экспертов, которые получили близкие результаты. Космическая съемка становится все более доступной. Тем не менее, в повседневной работе необходимо учитывать объективные особенности космических данных ДЗЗ и авиационной съемки. Существует несколько факторов, которые однозначно определяют предпочтительность использования космической съемки:  требуется получить картографический материал с разреженной (по сравнению с топографическими картами сопоставимого масштаба) нагрузкой; требуется получить большой пространственный охват при масштабе создаваемой или обновляемой карты (1:10 000 1:50 000); 
требуется получить изображение небольшой площади (до 25 км2), в таких случаях аэрофотосъемка представляется нерациональной; необходимо отобразить на карте объекты, которые не следует отображать на топографических или других специальных картах или напротив показаны с недостаточной точностью (степень заболоченности, мелкие озера, лесовозные дороги) и т. п.; необходимо определить и отобразить на карте специальные характеристики объектов (например, характер нарушения участка территории, параметры лесосек и т. п.); требуется провести инвентаризацию изменений на территории, произошедших в течение определенного периода времени, в том числе для заданного типа объектов. 

Область применения космических снимков и ранее была достаточно широкой: создание и актуализация картографической основы ГИС, картографические приложения, исследование природных процессов, мониторинг и оценка последствий стихийных бедствий и антропогенного воздействия на окружающую среду, проектирование строительных и проектно-изыскательских работ, градостроительный и земельный кадастр, планирование и управление развитием городской инфраструктуры; сельское и лесное хозяйства; туризм и т. д. 
             Между тем, запуск в 1999 г. первого коммерческого космического аппарата дистанционного зондирования высокого разрешения IKONOS открыл новую эру использование космических данных и сделал это реальным в тех областях, где раньше применялась только авиационная съемка. Сейчас на орбите находятся уже три спутника с разрешением 1 м и выше (IKONOS, OrbView-3, QuickBird). Планируются к запуску новые, еще более совершенные аппараты EROS-B и EROS-C, Orbview-5, Pleiades-1 и -2, WorldView-1 и -2. Все они будут иметь разрешение 0,6 м и выше. Всего к 2008 г. ожидается, что на орбите будут находиться, по меньшей мере, 12 коммерческих спутников высокого разрешения (1 м и выше). 
С появлением новых спутников высокого разрешения цена космических снимков значительно снизилась. Ожидается, что данная тенденция сохранится и в будущем. Сейчас можно заказать снимок с разрешением 0,6 м на площадь 25 км2 всего за 450 дол., что делает космическую съемку доступной даже для небольших муниципальных образований и городских (районных) администраций. В этом плане альтернативы космической съемке практически не существует.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Способы аэрофотосъемки, ведение, обработка изображений.

          Аэрофотосъемка имеет несколько важных возможностей для съемки заданной местности. Плоскость аэрофотоаппарата может занимать горизонтальное или наклонное положения. Эти аэрофотосъемки называются плановыми и перспективными соответственно. Так же возможно фотографирование на цилиндрическую поверхность или вращающимся объективом. Такая съемка называется панорамной. В основном, аэрофотосъемка выполняется однообъективным фотоаппаратом, но если требуется увеличить площадь снимка, используются многообъективные аэрофотоаппараты. Фотографирование могут производить одиночными аэроснимками, по определённому направлению или по площади. Последние названны маршрутными и площадными аэрофотосъеками соответственно.

            Для корректного прокладывания маршрута при аэрофотосъемке часть участка местности, сфотографированного на одном снимке, обязательно должна быть фотографированна и на другом. Эту особенность аэрофотоснимков называют продольным перекрытием. Продольное перекрытие - это отношение площади, сфотографированной на двух соседних снимках, к площади, изображенной на каждом отдельном снимке, выраженное в процентах. Обычно значение продольного перекрытия на аэрофотоснимках составляет 60%, хотя в особенных случаях данные значения могут быть изменены в соответствиями с требованиями к этим снимкам.

            Если требуется провести аэрофотосъемку обширного по ширине участка, то фотографирование заданной площади производят серией параллельных маршрутов, также имеющих между собой поперечное перекрытие. В данной фотосъемке стандартное значение перекрытия обычно составляет 30%. Для проведения аэрофотосъемки задается высота полёта относительно фотографируемой местности, фокусное расстояние камеры аэрофотоаппарата, сезон, время и порядок прокладывания маршрутов. Из-за подвижности основания при аэрофотосъемке в каждый момент фотографирования центр проектирования объектива и плоскость аэроснимка занимают произвольное положение. Величины, определяющие пространственное положение снимка относительно принятой системы координат, называются элементами внешнего ориентирования снимка. Это три линейные координаты центра проектирования x_s, y_s, z_s и три угла, определяющие поворот снимка вокруг трёх осей координат.

            В связи с развитием технологий спутникового позиционирования в последнее время при производстве аэрофотосъемки (с целью облегчения обработки результатов) большой популярностью пользуются системы GPS и ГЛОНАСС.

           Для определения пространственных координат сфотографированных точек по аэрофотоснимкам сначала находят элементы внешнего ориентирования снимков. Этими точками могут стать некоторые достоверно определённые кооридинаты геодезических или иных объектов, которые отчетливо видны на снимках. Для установления в полёте элементов внешнего ориентирования аэрофотосъемки применяют следующие устройства:

• статоскоп фиксирует по изменению давления воздуха изменение высоты полёта;
• радиовысотомер определяет высоту фотографирования относительно местности (см. аэрорадионивелирование);
• радиогеодезические станции дают возможность находить расстояния от самолёта до станций, расположенных на земной поверхности в точках, имеющих точные геодезические координаты.

            В сумме все данные позволяют вычислить координаты центра проектирования. Показания гировертикали дают возможность найти углы наклона снимка. Эти же углы можно определить обработкой снимков, на которых запечатлены звёздное небо, положение Солнца или линия горизонта.

           Для увеличения качества и точности полученных аэроснимков в настоящее время применяются аэрофотообъективы с высокой разрешающей способностью и малой дисторсией. Также широкое применение нашла аэроплёнка с очень малой деформацией. Падение освещённости по полю зрения должно быть наименьшим, а затвор должен обеспечить очень короткие (до 1/1000 с) выдержки, чтобы уменьшить нерезкость. Сама же аэроплёнка в момент фотографирования должна быть строго выравнена в плоскости.

            На сегодняшний день аэрофотографирование производят на следующие типы плёнок:

• черно-белую панхроматическую;
• черно-белую инфрахроматическую;
• цветную;
• спектрозональную (особый тип пленок на которой изображение получается с преобразованной передачей цветов, дающей возможность резче подчеркнуть различия объектов).

            Кроме этого в настоящее время приобретает популярность съемка на цифровые фотоаппараты, что позволяет достичь оперативности в работе.

            В настоящее время обработку полученных изображений ведут с помощью специальных компьютерных комплексов — Цифровых фотограмметрических станций (ЦФС) — например, Intergraph ImageStation или PHOTOMOD. При этом дополнительно выполняются коррекции перспективы, дисторсии и иных оптических искажений, цветовая и тоновая коррекция полученных снимков, сшивка смонтированного фотоплана в единое изображение, каталогизация изображений, совмещение их с уже существующими картографическими материалами, включение в Географические информационные системы (ГИС) и пр.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Применение  аэро и космических съемок

            2.1 Применение аэрокосмических методов при почвенно-эрозионном картографировании.

             Использование аэрокосмических снимков значительно облегчает почвенное картографирование, делает его более детальным. Работы по составлению почвенно-эрозионных карт на основе аэрокосмических снимков проводят в три этапа. На первом, пре-полевом, этапе собирают и анализируют литературные и картографические материалы, а также материалы аэро- или космической съемки для изучаемой территории. В результате выбирают ключевые участки для полевых работ. На втором, полевом, этапе, составляют подробные почвенао-эрозионные карты ключевых участков. На третьем - формируют таблицы и картотеки дешифровочных признаков, на основе которых и составляют методом экстраполяции почвенно-эрозионную карту.

           Согласно теории стратиграфии, дешифровочиым признакам объекта относятся форма, размер, тон (цвет), рисунок (текстура) изображения и др. (Андроников» 1979: Методические рекомендации, 1986). Временная ручейковая сеть, овраги, участки смытых почв имеют на снимках плавные извилистые формы. Гидротехнические противоэрозионные сооружения (террасы, водозадерживаюшие валы. лотки для сброса воды) и лесополосы видны как прямолинейные участки, сопряженные плавными кривыми. Размеры объектов, которые отображаются на снимках, зависят, главным образом, от масштаба съемки и отражательной способности их поверхности. Возможности дешифрирования этих объектов определяются обычно разрешающей способностью сетчатки человеческого глаза, которая составляет примерно 0,1 мм. Подверженность почвенного покрова эрозии четко выявляется по цвету (тону) и рисунку изображения. Дефлированные почвы имеют более светлый тон, для них характерны развитые микроформы эолового рельефа. Смытые почвы представлены на снимках также в более светлых тонах, а намытые - в темных. С увеличением степени смытости тон снимка становится более светлым, однако слабосмытые почвы визуально практически невозможно отличить от несмытых. Для определения мощности гумусового горизонта используют графики связи оптической плотности аэронегатива и мощности гумусового горизонта. Оптическую плотность аэронегатива определяют микрофотометрированием, а мощность гумусового горизонта - непосредственным измерением в полевых условиях. В настоящее время по имеющимся графикам связи можно различать маломощные, средне- и сильносмытые почвы с мощностью гумусового горизонта 30-40 см и несмьггые и слабосмытые почвы с мощностью гумусового горизонта более 50 см.

            Эродированные и дефлированные почвы на снимке обычно имеют пятнистую текстуру. Дополнительным дешифровочным признаком смытых почв является приуроченность их к достаточно крутым участкам склонов, которые легко выделяются при стереоскопическом изучении снимков.

            По данным аэрофотосъемки в ряде случаев можно не только определить степень смытости почвы, но и количество смытого материала. Если мутность временных водных потоков во время снеготаяния превышала 20-100 кг/м3, то значения коэффициентов интегральной яркости изображений образованных ими русел и конусов выноса обычно выше, чем у почв склона. Такие русла и конуса выноса легко опознаются на аэрофотоснимках. Если мощность отложений составляет 0,2-0,3 м то по аэрофотоснимкам она стереоскопически не воспринимается. Ее необходимо определять непосредственно в полевых условиях на характерных конусах выноса, либо по материалам наземной стереофотограмметрической съемки.

            Данные аэрофотоснимков в сочетании с данными наземных обследований по методу оценки полноты летописи можно использовать не только для определения степени смытости почв или количества смытого материала, но и для выявления зон активной эрозии. Особенно ценными такие снимки являются для целей размещения защитных лесных насаждений и противоэрозионных гидротехнических сооружений. На аэрофотоснимках хорошо видны овраги, можно различить даже стадию их развития. Промоины дешифрируются по более светлой окраске и вытянутой форме. Стадия врезания висячего оврага дешифрируется по извилистой, четко очерченной линии бровки и более светлой окраске склонов по сравнению с прилегающими участками. Для стадии выработки продольного профиля равновесия характерна несколько более темная окраска склонов и меньшая их крутизна, хорошо воспринимаемая стереоскопически. Стадия затухания роста оврага выделяется по более плавной, чем в предыдущих стадиях, линии бровки, большей ее ширине и наличию растительности. придающей более темный фон изображению откосов и дна оврага.

           По аэрофотоснимкам, полученным в разное время, можно судить о скорости роста оврагов и датировке тектонических событий. Для этого на аэрофотоснимке вблизи оврага выбирают четко выделяющиеся опорные точки (пересечение дорог, дома, отдельно стоящие деревья и др.). Прирост оврага определяют измеряя расстояние между положением вершины оврага при первой и последующей аэрофотосъемках. Разделив прирост оврага на время между съемками, получают скорость роста оврага. Следует иметь в виду, что короткие овраги не всегда видны на космических снимках. Например, на космических снимках масштаба 1:30000 достоверно дешифрируются овраги, длина которых превышает 30-40 м, а на снимках масштаба 1:100000 -100 м (Рожков и др., 1987).