CC BY
92
ПЛАНИРОВАНИЕ АЭРОСЪЁМКИ В ЭПОХУ ЦИФРОВОЙ ФОТОГРАФИИ ИЛИ ОТ ПОПЕРЕЧЕНОГО ПЕРЕКРЫТИЯ К УКЛОНУ ЗДАНИЙ
Юрий Григорьевич Райзман
Компания Visionmap, ул. Менахем Бегин, 7, Рамат-Ган, 52681, Израиль, зам. директора по науке, тел. +972 3 6091042, e-mail: yuri@visionmap.com
В статье приводится новый подход к планированию аэросъёмки в эпоху цифровой фотографии.
Ключевые слова: аэросъёмка, ортофотоплан, цифровая камера.
FLIGHT PLANNING FOR THE DIGITAL ERA Yuri Raizman
Visionmap Ltd, 7 Menachem Begin Rd. Ramat-Gan. 52681, Israel, VP EMEA & Chief Scientist, tel. +972 3 6091042; e-mail: yuri@visionmap.com
The article describes a new approach for flight planning for the digital era.
Key words: aerial survey, orthophoto, digital camera.
В аналоговую эру аэросъёмки, которая продлилась довольно долго - около 100 лет, для обеспечения правильного выполнения аэросъёмки и обеспечения качества при производстве ортофотопланов использовались, в основном, такие параметры, как продольное и поперечное перекрытие между снимками и маршрутами и фокусное расстояние камеры. Причиной тому была однотипность используемых аэрокамер. Стандартные фотограмметрические камеры имели, в основном, два стандартных размера снимка - 24 х 24 см или 18 х 18 см, и стандартные фокусные расстояния - 150, 210, 300 мм для первого размера снимков и 70, 100, 140, 200, 250 и 350 для второго размера снимков.
В цифровую эпоху аэросъёмки, которая длится уже более 10 лет, ситуация изменилась. На аэросъёмочном рынке существуют различные камеры с разным размером кадра, разной разрешающей способностью CCD и разными фокусными расстояниями объёктивов.
В статье делается попытка выработать современный универсальный подход для планирования аэросъёмки и производства ортофотопланов в современную эпоху цифровой фотограмметрии.
На рис.1 представлена схема планирования полёта аэросъёмки.
FOV - угол поля зрения камеры поперёк линии полёта. Соответствует расстоянию W на местности.
2а - допустимый угол съёмки для ортофото поперёк линии полёта. Соответствует расстоянию Wo на местности. Только эта часть снимка используется для производства ортофотопланов.
2А, - допустимый угол съёмки вдоль линии полёта (не показан на рисунке). Это оусловлено продольным перекрытием. Обычно, 2 А, < 2а.
Б - расстояние между маршрутами.
Q - поперечное перекрытие.
Здесь:
Эта схема, в принципе, справедлива для всех типов камер. Только значения параметров этой схемы будут меняться в зависимости от типов камер.
На рис. 2 представлено влияние допустимого угла съёмки на уклон («развал») зданий на ортофото и на размер скрытого изображения.
Здесь:
БОУ - угол поля зрения камеры. Для современных камер варьируется в пределах 27° - 110°;
2а1, 2а2 - допустимые углы съёмки для ортофото;
Ь1, Ь2 - скрытое изображение;
Ку = tg(a)*100% - коэффициент уклона зданий на ортофото при максимально допустимом угле съёмки;
При одинаковой высоте здания сохраняется следующее условие: 2а2 > 2а1 ^ L2 > L1;
и
Рис. 2. Наклон зданий и скрытое изображение на ортофото
Как мы видим, чем больше допустимый угол съёмки, тем больше уклон зданий и тем больше скрытое пространство. На самом деле, именно допустимый угол съёмки и, как следствие, коэффициент уклона зданий, являются основными геометрическими параметрами определяющими измерительные качества и читабельность ортофотопланов.
Для дальнейшего рассмотрения возьмем за основу рекомендуемые значения поперечного и продольного перекрытия для аналоговых камер. Как мы все знаем из инструкций и из опыта, для городской съёмки и производства ортофото, рекомендуется использовать камеру с фокусным расстоянием 300 мм, в то время как для открытой местности можно использовать камеру с фокусным расстоянием в 150 мм. Продольное перекрытие Р в обоих случаях предполагается 60%. Поперечное перекрытие Q задаётся 25-30% для открытой местности и 35-40% - для городской. Ортофото строится из части снимка (’ЭДо), ограниченной линиями порезов, проходящими примерно в середине зон перекрытия.
Для проведения сравнительных вычислений для цифровых камер удобно перейти от метрических единиц измерения (мм и см) к пикселям. Для аналоговых камер предположим, что стандартный снимок сканирован с разрешением 15 мкм. В этом случае размер кадра в пикселях составит 16,000 на
16.000 пикселей. Фокусное расстояние в пикселях составит соответственно
10.000 пикселей (150 мм) и 20,000 пикселей (300мм). Зависимость между допустимым углом съёмки и перекрытием вычисляется по следующим формулам:
21=2*
[2]
Где:
2а и 2Х - допустимый угол съёмки поперек и вдоль линии полёта соответственно,
Q, Р - поперечное и продольной перекрытие,
Lq, Ьр - размер снимка в пикселях поперек и вдоль линии полёта,
Б - фокусное расстояние в пикселях.
Основываясь на этих формулах и данных снимков различных камер, рассчитаем для этих камер значения допустимого угла съёмки и уклон зданий в зависимости от значения продольного и поперечного перекрытия (Табл. 1).
Таблица 1. Допустимый угол и уклон зданий
Аэрокамера A3 UC EAGLE UC- Xp UC-Xp wa DMCI I 250 ADS 80 RC-30 / RMK-TOP
Фокусное расстояние (мм) 300 210 80 100 70 112 62,77 150 300
Размер пикселя (мкм) 9 5,2 5,2 6 6 5,6 6,5 15 15
Фокусное расстояние (пиксель) 33333 4038 5 15385 16667 11667 20000 9657 1000 0 2000 0
Поперечный размер снимка (пиксель) 62000 2001 0 20010 17310 17310 17216 1200 0 1600 0 1600 0
Продольный размер снимка (пиксель) 8000 1308 0 13080 11310 11310 14656 7530 1600 0 1600 0
Площадь снимка (Мега пискель) 496 262 262 196 196 252 90 256 256
Угол поля зрения (поперечный) 110° 27,8° 66,1° 54,9° 73,1° 46,6° 63,7° 77,3° 43,6°
Угол поля зрения (продольный) 13,4° 18,4° 46,1° 37,5° 51,7° 40,2° 42,6° 77,3° 43,6°
Продольное перекрытие 60% 60% 60% 60% 60% 60% 60% 60% 60%
Допустимый продольный угол (2Ь) 5° 7° 19° 15° 22° 17° 18° 35° 18°
Уклон зданий при X 5% 6% 17% 14% 19% 15% 16% 32% 16%
Аэрокамера A3 UC EAGLE UC- Xp UC-Xp wa DMCI I 250 ADS 80 RC-30 / RMK-TOP
Поперечное перекрытие 40% 40% 40% 40% 40% 40% 40% 40% 40%
Допустимый попереченый угол (2а) 80° 17° 43° 35° 48° 29° 41° 51° 27°
Уклон зданий при а 84% 15% 39% 31% 45% 26% 37% 48% 24%
Поперечное перекрытие 25% 25% 25% 25% 25% 25% 25% 25% 25%
Допустимый поперечный угол (2а) 93° 21° 52° 43° 58° 36° 50° 62° 33°
Уклон зданий при а 105% 19% 49% 39% 56% 32% 47% 60% 30%
Результаты расчётов показывают, что при одинаковых значениях продольного и поперечного перекрытия, допустимый угол аэросъёмки и, как следствие, скрытое пространство и уклон зданий на ортофотоплане, варьируются в больших пределах.
Для стандартного продольного перекрытия 60% уклон зданий варьируется в пределах от 5% до 32%. Для поперечного перекрытия в 40% уклон зданий находится в пределах 15% - 84%. И для 25% поперечного перекрытия уклон зданий меняется от 19% до 105% для разных камер.
Чем меньше уклон зданий, тем больше обычный ортофотоплан приближается к «истинному» ортофотоплану, тем лучше читабельность и измерительные качества такого продукта.
Из таблицы 1 возьмём значения уклона зданий 60% и 24% (отмечены зелёным цветом) соответствующие 25% и 40% поперечного перекрытия для аналоговых камер и рассчитаем по ним поперечное перекрытие для цифровых камер (Табл.2).
Таблица 2. Поперечное перекрытие в соответствии с уклоном зданий
Аэрокамера A3 UC EAGLE UC- Xp UC- Xp wa DM C II 250 ADS 80 RC-30 RMK-TOP
Фокусное расстояние (мм) 300 210 80 100 70 112 62.77 150 300
Поперечный угол поля зрения 110° 27,8° 66,1° 54,9° 73,1° 46,6° 63,7° 77,3° 43,6°
Г ородская местность
Требуемый уклон зданий на ортофото 24 % 24% 24% 24% 24% 24% 24% 24% 24%
Допустимый угол для ортофото (2а) 27 27 27 27 27 27 27 27 27
Аэрокамера A3 UC EAGLE UC- Xp UC- Xp wa DM C II 250 ADS 80 RC-30 RMK-TOP
Поперечное перекрытие 80 % 3% 63% 54% 68% 44% 61% 70% 40%
Межселённая местность
Требуемый уклон зданий на ортофото 60 % 60% 60% 60% 60% 60% 60% 60% 60%
Допустимый угол для ортофото (2а) 62 62 62 62 62 62 62 62 62
Поперечное перекрытие 60 % 142% 8% 16% 19% 39% 3% 25% 50%
Как видно, для того, чтобы получить уклон зданий в 24%, поперечное перекрытие для разных камер меняется в пределах 3% - 80%. С уклоном зданий 60%, что типично для открытой плоско-равнинной местности, проводить аэросъёмку можно только с тремя камерами - А3 (У1вюпшар), ЯС-30 и ЯМК-ТОР с Б=150 мм. Остальные камеры из-за относительно небольшого поля зрения не позволяют проводить аэросъёмку с уклоном зданий 60%, что, в принципе, соответствует 25% поперечному перекрытию для аналоговых камер.
Проведём планирование аэросъёмки для открытой местности, задавая следующие параметры: продольное перекрытие - не меньше 60%, поперечное перекрытие - не меньше 25%, наземное разрешение - 25 см, допустимый угол аэросъёмки - не больше 60°, наземная скорость самолёта - 250 узлов (463 км/час):
Элементы Табл. 3 рассчитываются следующим образом:
1. Продольное перекрытие - по возможной частоте фотографирования (БРБ) и скорости самолёта,
2. Поперечное перекрытие и допустимый угол аэросъёмки взаимосвязаны и вместе зависят от поля зрения камеры (см. Рис.1) - поперечное перекрытие не может быть меньше 25%, в то время как допустимый угол аэросъёмки не может быть больше 60°.
Таблица 3. Рассчёт параметров аэросъёмки
Аэрокамера A3 UC EAGLE DMC II 250 UC- Xp wa UC- Xp RC-30 RMK-TOP ADS 80
Фокусное расстояние (мм) 300 210 80 112 70 100 300 150 62.77
Поперечный угол поля зрения 110° 27,8° 66,1° 46,6° 73,1° 54,9° 43,6° 77,3° 63,7°
Частота фотографирования (снимок/сек) 7,40 0,56 0,56 0,59 0,50 0,74 - - -
Наземное разрешение (см) 25 25 25 25 25 25 25 25 25
Высота фотографирования (м) 8333 10096 3846 5000 2917 4167 5000 2500 2414
Продольное перекрытие 60% 93% 93% 94% 91% 94% 60% 60% 60%
Поперечное перекрытие 59% 25% 25% 25% 25% 26% 26% 28% 25%
Допустимый угол (2а) 60° 21° 52° 36° 58° 42° 3 о 60° 50°
Площадь снимка (км2) 63,5 16,4 16,4 15,8 12,2 12,2 16,0 16,0 5,6
Расстояние между маршрутами (м) 9 623 3 742 3 752 3 249 3 233 3 199 2 962 2 887 2 251
Как видно из расчетов, опять только три камеры (А3, ЯС-30, ЯМК-ТОР) позволяют достичь максимально допустимого угла аэросъёмки 60°. Камера ИС-ХР ,№а приближается к этому параметру.
Задание одинаковых геометрических ограничений на аэросъёмку позволяет провести корректный сравнительный анализ между существующими на рынке аэрокамерами. График на рис. 3 построен по результатам расчета аэросъёмки, представленным в Табл. 3.
Рис. 3. Расстояние между маршрутами для разных камер
Заключение:
1. Задавая в техническом задании на производство ортофото такие параметры, как поперечное и продольное перекрытие и предполагая, что аэросъёмка будет выполнена одной из существующих сегодня цифровых или аналоговых камер, мы заведомо обрекаем себя, как пользователя этого ортофото, на неоднозначность относительно измерительных качеств и читабельности этого продукта.
2. Для получения ортофото одинакового измерительного качества от разных поставщиков, вместо продольного и поперечного перекрытия необходимо задавать допустимый угол аэросъёмки или уклон зданий.
3. Понимание геометрических законов планирования аэросъёмки позволяет провести корректный анализ существующих аэрокамер и, в конечном итоге, сделать правильный выбор для каждого конкретного проекта. Что, в свою очередь, всегда приводит к экономии материальных средств и времени.
© Ю.Г. Райзман, 2012
