CC BY
60
УДК 528.711.089.6 В.Л. Быков, Л.В. Быков
Западно-Сибирский филиал ФГУП «Госземкадастрсъемка», Омск А.А. Макаров СибАДИ, Омск
РЕЗУЛЬТАТЫ КАЛИБРОВКИ СНИМКОВ НА ИСПЫТАТЕЛЬНОМ ПОЛИГОНЕ
Прогресс в области цифровых технологий привел к появлению на рынке высококачественной цифровой фотосъемочной аппаратуры. Малоформатные и среднеформатные цифровые камеры с успехом используются при наземной стереотопографической съемке, а также при аэрофотосъемке с беспилотных, легких летательных аппаратов и средств малой авиации. Разрабатываются широкоформатные цифровые аэрофотосъемочные комплексы, способные конкурировать с лучшими образцами пленочных камер.
С появлением цифровой техники для аэрофотосъемки изменились подходы к определению элементов внутреннего ориентирования камер [1]. Визуальные лабораторные способы калибровки, успешно применявшиеся на протяжении многих лет, становятся непригодными для исследования цифровой аппаратуры. В большинстве аппаратов объективы и светочувствительные твердотельные элементы (ПЗС или КМОП) не отделяются от камер, что не позволяет непосредственно исследовать оптическую систему аппарата. Более эффективными являются лабораторные фотографические способы калибровки, основанные на использовании фотографий тест-объектов.
Широкое распространение получили спутниковые навигационные системы. Благодаря их внедрению в топографо-геодезическое производство в корне изменилась технология геодезических, топографических, аэрофотосъемочных и фотограмметрических работ. Использование спутниковых навигационных систем при калибровке снимков позволяет успешно реализовать и усовершенствовать известные принципы полевой калибровки, использование которых ограничивалось отсутствием эффективных средств позиционирования в пространстве. Исследования способов калибровки, основанных на сочетании методов фотограмметрии и спутникового позиционирования, представляются актуальными.
Для калибровки широкоформатных разработан способ полевой калибровки на испытательном полигоне. Идея способа основана на использовании пары разномасштабных снимков с измеренной разностью высот фотографирования. Разность масштабов определяется по отрезкам, симметричным относительно начала координат.
где АН - разность высот фотографирования;
Ат - разность масштабов.
Современные средства спутникового позиционирования позволяют с высокой точностью определить как разности высот фотографирования, так и
координаты центров фотографирования. Более подробное изложение способа представлено в работе [2].
В теоретической части исследований получены формулы предвычисления требуемой точности определения разности высот фотографирования:
/ 2 2 . г> 2 2
< = f2 ■ • m‘ h4B •m v'2 (2)
b
Результаты расчетов по формуле (2) приведены в табл. 1.
Таблица 1. Требуемая точность определения разности высот
фотографирования
f (мм) 88 100 150 300
тш (м) 0.09 0.10 0.15 0.30
Современные средства спутниковой навигации позволяют получить разности высот фотографирования с требуемой точностью.
Экспериментальные исследования алгоритмов были выполнены с помощью имитационной модели аэрофотосъемки, которая может быть выполнена с помощью аэрофотоаппарата RC-30. Формат кадра 230 на 230 мм. Исследования проводились для объективов с фокусными расстояниями 88, 153 и 303 мм, входящих в комплекс RC-30. Моделировалась съемка с двух высот.
Для достоверного моделирования тест-объект был создан в виде набора точек равнинной местности. Координаты точек были определены по карте масштаба 1:10000 с высотой сечения рельефа 2.5 м. Для эксперимента были
л
выбраны 16 опорных точек на территории примерно в 5 км . При моделировании создавались снимки масштаба 1:12000.
Модель предусматривала расчет положения опорных точек на двух снимках. При моделировании было предусмотрено изменение отношения высот фотографирования крупномасштабного и мелкомасштабного снимков. Коэффициент увеличения высоты фотографирования составлял 1.5 и 2.0.
Для сохранения масштаба модели высота фотографирования мелкомасштабного снимка изменялась в соответствии с фокусным расстоянием. При фокусном расстоянии 88 мм высота составила 1056 м, для 153 мм - 1836 м, а для f = 303 мм Н = 3636 м. Такая высота фотографирования превышает гиперфокальное расстояния для заданных фокусных расстояний при допустимом кружке нерезкости 0.01 мм.
Условия эксперимента
Эксперимент устанавливал зависимость точности определения фокусного расстояния при изменении отношения случайных и систематических ошибок, вводимых в имитационные модели. Значения случайных ошибок вводились по нормальному закону распределения с математическим ожиданием равным 0 и со среднеквадратическим отклонением, равным 0.01 мм. Систематические ошибки имеют радиальный
характер 5=k г . Коэффициент k изменялся от 0.00000001 до 0.0000001. Такие величины приводят к изменению ошибки на краю снимка от 0.01 мм до 0.1 мм, что соответствует изменению отношения систематической ошибки к случайной от 1 до 10.
Фокусное расстояние определяется по моделям с введенными случайными и систематическими ошибками. Разность высот считается известной, так как в условиях калибровки она определяется по координатам центров фотографирования, полученных по GPS технологии. Погрешность определения высот фотографирования изменялась от 0.2 м до 0.5 м. Вычисление разности масштабов производилось по базисам, выбранным на крупномасштабном и мелкомасштабном снимках.
Оценка устойчивости полученного решения производится по уклонениям полученного значения фокусного расстояния от макетного значения. Для повышения достоверности оценка производится по уклонениям в 100 реализациях. Среднеквадратическая ошибка определения фокусного расстояния вычислялась по формуле (9):
mf
1
Уд2,
У f (9)
п
Оценка достоверности полученного решения производится по уклонению среднего значения фокусного расстояния, полученного в 100 итерациях, от истинного значения.
~ ^-р ~ ^0 (10)
Фокусное расстояние 88 мм
5/М 10 1
АН шЬ Устойчивость Достоверность Устойчивость Достоверность
1,5 0.2 0,026 -0,019 0,017 -0,002
0.5 0,029 -0,018 0,018 -0,001
2,0 0.2 0,021 -0,013 0,015 0,002
0.5 0,019 -0,011 0,016 0,001
Фокусное расстояние 153 мм
5/М 10 1
АН шЬ Устойчивость Достоверность Устойчивость Достоверность
1,5 0.2 0,047 -0,031 0,033 -0,007
0.5 0,043 -0,028 0,037 0,005
2,0 0.2 0,036 -0,022 0,028 -0,001
0.5 0,033 -0,019 0,029 -0,002
Фокусное расстояние 300 мм
5/М 10 1
АН шЬ Устойчивость Достоверность Устойчивость Достоверность
1,5 0.2 0,095 -0,070 0,067 -0,007
0.5 0,094 -0,063 0,064 -0,007
2,0 0.2 0,074 -0,049 0,063 0,008
0.5 0,073 -0,041 0,065 -0,017
Анализ полученных результатов показал:
- Результат решения наиболее достоверен при меньших абсолютных значениях фокусного расстояния;
- Результат решения не зависит от ошибки определения высоты фотографирования в пределах от 0.2 м до 0.5 м.
- При прочих равных условиях уменьшение влияния систематической ошибки в 10 раз приводит к улучшению достоверности решения в 8-10 раз. При этом устойчивость решения увеличивается в среднем в 1.5 раза.
- Увеличение отношения высоты фотографирования крупномасштабного снимка к мелкомасштабному от 1.5 до 2.0 раз значительно улучшает результат решения только при больших абсолютных значениях фокусного расстояния.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований положены в основу построения испытательного полигона на территории Омской области. Программа калибровочных испытаний принята к внедрению в ФГУП «Госземкадастрсъемка» - ВИСХАГИ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Предвычисление точности определения координат точек объекта в ближней фотограмметрии. Ю.С. Тюфлин и др. // Геодезия и картография. - 2004. - № 11. - С. 2932.
2. Калибровка снимков по плоскому испытательному полигону. Б.К. Малявский и др. // Сб. материалов междунар. конгр. «ГЕО-Сибирь-2006», Новосибирск, 24-28 апр. 2006 г.: - Новосибирск: СГГА, 2006. - С. 68-73.
© В.Л. Быков, Л.В. Быков, А.А. Макаров, 2007
