Конспект лекцій для самостійного опрацювання (розділ 1)

Національний університет «Львівська політехніка»

Інститут геодезії

Кафедра фотограмметрії та геоінформатики

Конспект лекцій з дисципліни

«Фотограмметрія та дистанційне зондування, частина 1

(Розділ 1)»

Автор: к.т.н., доцент Процик Михайло Теодорович

Вступ

Тематичний план

1.Структура, мета та завдання дисципліни.

2.Основні поняття, терміни та визначення.

3.Взаємозв’язок основних напрямів фотограмметрії і дистанційного зондування

1. Структура та завдання дисципліни

1.1 Структура навчальної дисципліни

1.2 Мета та завдання навчальної дисципліни Мета вивчення навчальної дисципліни. Мета викладання - сформувати в

майбутнього фахівця І (бакалаврського) рівня вищої освіти основні компетентності передбачені освітньо-професійною програмою, потрібні для дальшого успішного навчання і професійної діяльності, набуття практичних навиків із застосування методів фотограмметрії та дистанційного зондування в різних сферах науки та народного господарства.

Завдання навчальної дисципліни. Внаслідок вивчення навчальної дисципліни студент повинен бути здатним продемонструвати такі результати навчання:

1.здатність демонструвати теоретичні знання і розуміння наукових і математичних принципів, що лежать в основі фотограмметрії та дистанційного зондування;

2.розуміння геометричних та фізичних основ побудови зображень;

3.знання теорії та технологій аеротопографічного і космічного знімання методів дистанційного зондування та їх застосування при дослідженні навколишнього природного середовища та картографування територій;

4.уміння опрацьовувати різні типи зображень на сучасних фотограмметричних приладах з використанням спеціалізованого програмного забезпечення;

5.здатність використовувати різноманітні підходи при розв’язанні спеціальних задач в сфері наук про Землю за фотограмметричними та даними дистанційного зондування;

6.застосовувати знання, технічні характеристики, конструкційні особливості призначення та правила експлуатації устаткування і фотограмметричного обладнання та спеціалізованого програмного забезпечення для вирішення технічних задач у сфері наук про Землю;

7.уміння використовувати фотограмметричні та дистанційні дані для вивчення процесів і явищ навколишнього середовища;

8.здійснювати пошук інформації з різних джерел та виконувати індивідуальні завдання з критичною оцінкою отриманих результатів.

2.Основні поняття, терміни та визначення

Фотограмметрія та дистанційне зондування – науково-практична дисципліна, яка вивчає способи отримання та опрацювання зображень для визначення форм, розмірів і просторового положення, якісних і кількісних характеристик різних об'єктів шляхом їх вивчення і вимірювання за фотографічними та іншими зображеннями.

Термін "фотограмметрія" вперше запровадив А. Майденбауер (1893 р.), що складається з трьох грецьких слів: "фотос" -світло, "грамма" - запис, "метрео" - вимірювання і означає вимірювання світло-запису, тобто вимірювальну фотографію.

Міжнародне товариство з фотограмметрії та дистанційного зондування

(International Society for Photogrammetry and Remote Sensing - ISPRS) e 1988 році на

XVI Конгресі прийняло таке визначення :

Фотограмметрія та дистанційне зондування – це область технічних наук, що займається отриманням достовірної інформації про фізичні об’єкти та їх оточення за допомогою формування, вимірювання та інтерпретації зображень або їх цифрових представлень; ці зображення отримані за допомогою сенсорів, що не знаходяться у прямому (безпосередньому) контакті з досліджуваними об’єктами.

Фотограмметрія застосовується у різних галузях науки і техніки, і її засобами можна дослідити і вивчити різноманітні об’єкти. Це астрономія (вивчення небесних тіл за їх фотографіями), металургія чи медицина (вивчення структури мікробів), архітектура (вивчення споруд за їх фотографіями, складання фронтальних планів будівель тощо), інженерна геодезія (побудові та експлуатації інженерних споруд), геодезія і картографія (створення топографічних планів та карт) та багато інших напрямків.

Методи дистанційного зондування застосовують для моніторингу та оцінки стану довкілля, лісівництва та сільського господарства, метеорології, геології, географії, картографії, військовій галузі та інші.

Фотограмметрія має такі переваги:

• значно підвищує продуктивність праці, тому що вимірюються не об'єкти, а їх

фотозображення;

•забезпечує високу точність вимірювань і визначень, що гарантується сучасними вимірювальними та обчислювальними засобами;

•гарантує об'єктивність, достовірність і оперативність (швидкість) отримання інформації;

•надає можливість вивчення рухомих об'єктів та короткочасних явищ;

•надає можливість автоматизації робіт.

Основні терміни та визначення дисципліни представлені в глосарії ЕНМК курсу.

3.Взаємозв’язок основних напрямів фотограмметрії і дистанційного зондування

Фотограмметрія, як технічна дисципліна, в першу чергу ґрунтується на фізикоматематичних дисциплінах, геодезії. З них особливо важливі розділи оптики, геометрії та тригонометрії.

Питання дешифрування, особливо сільськогосподарського, вимагають знання основ ґрунтознавства, геоботаніки, землеробства, меліорації, рослинництва та шляхових справ.

Питання зйомки рельєфу потребують достатніх знань геоморфології.

При вивченні фотограмметрії необхідно знати потреби землеустрою та планування сільських населених пунктів.

Сучасний облік земель та висока механізація сільськогосподарських угідь підвищили вимоги до землеустрою, а відповідно, і до якості планів місцевості та їх детальності. Тому землеустрій потребує переважно великомасштабних планів.

Для розвитку економіки країни та для виконання багатьох реформ треба мати повну інформацію про природно-географічіний стан всіх регіонів. Така інформація надається створенням Топографічних карт. Найбільш оперативним, об'єктивним, економічно вигідним і сучасним методом створення і оновлення карт є фотограмметричний метод, з використанням аерофотознімків та результатів космічного фотографування.

ЛІТЕРАТУРА ДО ТЕОРЕТИЧНОГО КУРСУ

Базова

1.Дорожинський О.Л. Фотограмметрія та дистанційне зондування. Книга 1. Підручник. - Львів: Видавництво НУ «Львівська політехніка», 2019. – 176 с.

2.Дорожинський О.Л. Основи фотограмметрії. Підручник.-Львів: Видавництво НУ «Львівська політехніка», 2003. –214 с.

3.Дорожинський О.Л. Тукай Р. Фотограмметрія. Підручник. – Львів: Видавництво НУ «Львівська політехніка», 2008. – 332 с.

4.Бурштинська Х.В., Станкевич С.А. Аерокосмічні знімальні системи: підручник. – Львів: Видавництво Львівської політехніки, 2013. – 316 с.

5.Бурштинська Х.В., Станкевич С.А., Денис Ю.В. Фотограмметрія та дистанційне зондування. Книга 2. Підручник. - Львів: Видавництво НУ «Львівська політехніка», 2019. – 216 с.

6.Бабушка А. В., Бурштинська Х. В. Авіаційне лазерне сканування. Навчальний посібник. Львів: Видавництво Львівської політехніки, 2019. – 116 с.

7.Топографо-геодезична та картографічна діяльність: Законодавчі та нормативні акти. – ч.1 – Вінниця: Антекс, 2000 – 408 с.

8.Shan J. and C.K. Toth, Eds., 2008. Topographic Laser Ranging And Scanning – Principles and Processing, CRC Press, Taylor & Francis Group, London 590 pp.

Допоміжна

1.Байрак Г.Р., Муха Б.П. Дистанційні дослідження Землі: Навчальний підручник. - Видавничий центр ЛНУ імені Івана Франка, 2010. – 712 с.

2.Катушков В.О. та інші. Прикладна фотограмметрія. – Київ: ІСДО, 1994. – 280с.

3.Рудий Р.М. Прикладна фотограмметрія: Навч. посібник – К.: НМК ВО, 1991. – 172с.

4.Ильинский Н.Д., Обиралов А.И., Фостиков А.А. Фотограмметрия и дешифрование снимков. - М.: Недра, 1986. - 375с.

5.Лаврова Н. П., Стеценко А. Ф. Аэрофотосъёмка. Аэрофотосъёмочное оборудование. М.: Недра, 1981. – 296с.

6.Лобанов А.Н., Буров М.И., Краснопевцев Б.В. Фотограмметрия. - М.: Недра,

1987. – 309 с.

7.Дистанционное зондирование: Количественный подход / Под ред. Ф. Свейна и Ш. Дейвиса. / - М.: Недра, 1983.

Інформаційні ресурси

1.http://vns.lpnu.ua/course/view.php?id=2933 – Електронний навчально-

методичний комплекс дисципліни «Фотограмметрія та дистанційне зондування»

2.http://www.usgs.gov – Національна геологічна служба (USGS) США.

3.http://www.nkau.gov.ua – Державне космічне агентство України.

4.http://www.noaa.gov – Національне управління з досліджень океану та атмосфери (NOAA) США.

5.https://desktop.arcgis.com/en/ – ArcGIS Desktop.

Тема 1. Геометричні та фізичні основи отримання аерокосмічних зображень

Тематичний план

1.Знімок як центральна проекція. Елементи центральної проекції;

2.Зв'язок між основними точками центральної проекції;

3.Основні властивості центральної проекції;

4.Побудова перспектив в центральній проекції.

При фотограмметричному методі створення топографічних планів або інших картографічних матеріалів використовують фотознімки (фотозображення), які з геометричної точки зору формуються за законами геометричної оптики і відповідають властивостям центральної проекції.

Якщо точки простору (місцевості) проектують на деяку поверхню променями, які сходяться в точці S, що називається центром проекції, то такий спосіб проектування називається центральним, а сліди перетину таких променів з вибраною поверхнею називаються центральною проекцією, або перспективою цих точок, а промені, за допомогою яких проводиться центральне проектування – проектуючими променями.

Сукупність проектуючи променів, що розміщені в просторі, називають в’язкою, а їх спільну точку S – вузлом в’язки (центром проектування, а у фотограмметричних побудовах – центром фотографування або центром проекції). Перспектива називається лінійною, якщо об’єкт проектується на одну площину з одного центра проекції (рис.1 а, б).

оптичний центр об’єктива фотокамери є центром проекції, через який проходять всі проектуючі промені в момент фотографування, а ПЗЗ-матриця (фотографічна платівка, фотоплівка,) – площиною, на якій будується зображення об’єкта за законом центрального проектування.

проекцію сфотографованої місцевості. Для того щоб знати геометричні властивості

hіhі – лінія горизонту – перетин площин G і P.

SO – головний оптичний промінь перпендикулярний до площини P і лежить в площині W (відповідає головній оптичній осі аерофотокамери).

So – фокусна віддаль (відповідає фокусній віддалі аерокамери і позначається f) SN – висота центра проекції S – перпендикуляр, який опущений з S на

предметну площину Е (лежить в площині W і відстань від S до Е відповідає висоті аерофотознімання).

n, N – точки надиру площин P і Е – перетин прямовисної прямої SN, проведеної із точки S, з площинами P і Е відповідно.

o, O – головні точки площин P і Е – перетин головного променя SO з головною вертикаллю vv і л.н.з. відповідно (точка о відповідає головній точці аерофотознімка).

α0 – кут нахилу картинної площини P – кут між площинами P і Е. Або кут відхилення головного променя SO від прямовисної прямої SN (відповідає куту нахилу аерофотознімка).

с, С – точки нульових спотворень площини Р і площини Е – перетин бісектрисиOSN = α0 з головною вертикаллю vv (точка с) і л.н.з. (точка С) відповідно.

I – головна точка сходу – перетин головної вертикалі vv і лінії горизонту hіhі, або променя що виходить з S паралельно до л.н.з. і перетинає головну вертикаль і лінію горизонту.

hchc – лінія неспотворених масштабів (нульових спотворень) – горизонталь що перпендикулярна до головної вертикалі vv в точці нульових спотворень с (лінія перетину нахиленого і горизонтального знімків).

Якщо α0=0, то o, c, n співпадуть і картинна площина Р буде паралельна до предметної площини Е. В застосуванні до аерофотознімання такі знімки називають горизонтальними. При плановому аерозніманні (α0<3°) основні точки o, n, c будуть близькі одна до одної. При збільшенні кута нахилу α0 віддалі між точками o, n, c будуть збільшуватись.

Виходячи із рис.2 розглядаючи прямокутні трикутники Son, Soc, SoІ та враховуючи, що So=f встановлюємо такі зв’язки між основними точками на аерознімку:

Основними геометричними властивостями центральної проекції є:

1.Промені, відбиті від поверхні об’єктів місцевості сходяться у головну точку об’єктива (центр проекції) S.

2.Всі прямі, паралельні до лінії напрямку знімання, які лежать на поверхні місцевості (належать предметній площині), на картинній площині (знімку) прямують у головну точку сходу I.

3.Всі прямі перпендикулярні до поверхні місцевості (предметної площини) на картинній площині (знімку) прямують у точку надиру картинної площини (знімку) n.

Застосування цих властивостей демонструють рис.3-6, на яких показані наступні перспективи:

Рис.3 Побудова зображення паралельних прямих

Рис.4 Побудова зображення прямої, перпендикулярної до ЛНЗ

t

Рис.5. Побудова перспективи вертикального відрізка

Рис.6. Побудова перспективи куба