Фотограмметрия и дистанционное зондирование
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Геодезия. Картография
Издательство:
Российский университет транспорта
Автор:
Ниязгулов Урал Давлетшиевич
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 543
Дополнительно
Рассмотрены теория и практика получения информации о поверхности Земли, об объектах на ней и явлениях дистанционными методами. Изложены современные методы и техничесеие средства съемочных систем, технологии обработки и интерпретации результатов съемок для решения задач землеустройства и кадастра недвижимости. Особое внимание обращено на цифровую обработку материалов съемок. Учебное пособие предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению 21.03.02 «Землеустройство и кадастр», а также может быть использовано магистрами, аспирантами и студентами других специальностей.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА» _________________________________________________________ У.Д. Ниязгулов ФОТОГРАММЕТРИЯ И ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ Учебное пособие Москва – 2020
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА» _________________________________________________________ У.Д. Ниязгулов ФОТОГРАММЕТРИЯ И ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ Учебное пособие для бакалавров направления «Землеустройство и кадастры» Москва – 2020
УДК 528.74
H 71
Ниязгулов У.Д. Фотограмметрия и дистанционное
зондирование: Учебное пособие. – М.: РУТ (МИИТ), 2020.
– 543 с.: ил.
Рассмотрены теория и практика получения информации
о поверхности Земли, об объектах на ней и явлениях дистанционными методами. Изложены современные методы и
техничесеие средства съемочных систем, технологии обработки и интерпретации результатов съемок для решения задач землеустройства и кадастра недвижимости. Особое
внимание обращено на цифровую обработку материалов
съемок.
Учебное пособие предназначено для бакалавров, обу
чающихся по направлению 21.03.02 «Землеустройство и кадастр», а также может быть использовано магистрами, аспирантами и студентами других специальностей.
Рецензенты:
С.П. Гриднев – канд. техн. наук, профессор кафедры ка
дастра недвижимости, землеустройства и геодезии Воронежского государственного технического университета.
В.С. Миронов – канд. техн. наук, доцент кафедры «Про
ектирование и строительство железных дорог» РУТ (МИИТ).
© РУТ (МИИТ), 2020
Оглавление ПРЕДИСЛОВИЕ ................................................................... 10 ВВЕДЕНИЕ ............................................................................ 14 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ (ДЗЗ) ......................................................................................... 17 Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) ... 25 1.1. Основы дистанционного зондирования Земли. Спектр электромагнитного излучения ............................................... 25 1.2. Спектральная отражательная способность объектов ... 28 1.3. Классификация съемочных систем ................................ 35 1.4. Основные характеристики съемочных систем .............. 36 Фотографические съемочные системы ......... 39 2.1. Основы фотосъемки ......................................................... 39 2.2. Понятие о цветной, спектрозональной и ....................... 42 2.3. многозональной фотографии .......................................... 42 2.4. Основы цифровой съемки ............................................... 45 Дистанционные методы съемок ...................... 51 3.1. Фотографические съемочные системы .......................... 51 3.1.1. Кадровые аналоговые аэрофотоаппараты ......... 52 3.1.2. Деформация изображения в кадровых аэрофотоаппаратах ........................................................ 66 3.2. Нетопографические аэрофотоаппараты ......................... 69 3.2.1. Щелевые аэрофотоаппараты .............................. 69 3.2.2. Панорамные аэрофотоаппараты ......................... 72 3.2.3. Тепловые съемочные системы ........................... 74 3.3. Нефотографические съемочные системы ...................... 75 3.3.1. Кадровые телевизионные системы .................... 76 3.3.2. Сканирующие съемочные системы ................... 78 3.3.2.1 Радиолокационная съемка ..................... 81
3.3.2.2 Лазерные съемочные системы .............. 89 3.4. Цифровые съемочные системы ...................................... 96 Понятие о съемке Земли с космоса ............... 100 4.1. Условия получения космических снимков .................. 100 4.2. Отличие космических фотоснимков от аэрофотоснимков .................................................................. 104 4.3. Космические съемочные системы ................................ 106 Производство аэрофотосъемки ..................... 114 5.1. Технические показатели аэрофотосъемки ................... 114 5.2. Расчет задания на аэрофотосъемку площади .............. 121 5.3. Оценка качества результатов аэрофотосъемки ........... 126 5.4. Особые условия проведения аэрофотосъемки застроенных территорий ...................................................... 132 Анализ одиночного снимка ............................ 135 6.1. Снимок – центральная проекция .................................. 135 6.2. Элементы центральной проекции ................................ 137 6.3. Координаты точек местности и снимка ....................... 144 6.4. Элементы ориентирования одиночного снимка ......... 147 6.5. Пространственные координаты точек снимка ............ 149 6.6. Зависимость между координатами точек местности и снимка .................................................................................... 153 6.7. Зависимость между координатами соответственных точек горизонтального и наклонного снимков .................. 157 6.8. Связь координат соответственных точек наклонного аэроснимка и местности ....................................................... 158 Геометрический анализ изображений на аэроснимке ........................................................................... 162 7.1. Искажение масштаба аэроснимка в результате влияния угла наклона .......................................................................... 162
7.2. Смещение точек аэроснимка в результате влияния угла наклона ................................................................................... 168 7.3. Искажение направлений на эроснимке в результате влияния угла наклона ........................................................... 173 7.4. Искажение площади контура на аэроснимке в результате влияния угла наклона ........................................ 178 7.5. Изменение масштаба аэроснимка за счет влияния рельефа местности ................................................................ 181 7.6. Смещение точек аэроснимка в результате влияния рельефа местности ................................................................ 185 7.7. Искажение направлений на аэроснимке в результате влияния рельефа местности ................................................. 188 7.8. Искажение площади контура на аэроснимке в результате влияния рельефа местности .............................. 193 7.9. Совместное влияние угла наклона и рельефа местности на геометрические свойства аэроснимка ............................ 197 Наблюдение и измерение снимков ............... 206 8.1. Монокулярное зрение .................................................... 206 8.2. Бинокулярное зрение ..................................................... 207 8.3. Стереоскопический эффект и стереоскопические наблюдения снимков ............................................................ 212 8.4. Способы измерения снимков ........................................ 222 8.5. Точность наведения марки ............................................ 230 8.6. Стереокомпараторы ....................................................... 234 Трансформирование снимков ....................... 241 9.1. Назначение и сущность трансформирования .............. 241 9.2. Аналитический способ трансформирования ............... 246 9.3. Фотомеханический способ трансформирования ........ 248 9.4. Трансформирование снимков по установочным элементам ............................................................................... 250
9.5. Трансформирование снимков по опорным точкам .... 251 9.6. Понятие о трансформировании снимков по зонам ..... 253 9.7. Фототрансформаторы .................................................... 258 Фотопланы и фотосхемы .............................. 267 10.1. Изготовление фотоплана ............................................. 267 10.2. Изготовление фотосхем ............................................... 275 Анализ пары снимков ................................... 286 11.1. Элементы пары снимков и модель местности .......... 286 11.2. Геометрическая модель местности ............................ 288 11.3. Координаты и параллаксы точек стереопары ........... 292 11.4. Элементы ориентирования пары снимков ................. 293 11.5. Зависимость между координатами точки местности и ее изображениями на паре снимков .................................... 296 11.6. Зависимость между превышениями точек и разностями продольных параллаксов ................................. 300 11.7. Поперечный параллакс ................................................ 306 11.8. Определение элементов взаимного ориентирования α_1^',α_2^',ω_2^', ϰ_1^',ϰ_2^' ............................................... 310 11.9. Определение элементов взаимного ориентирования τ',γ',∆α,∆ω,∆ϰ.......................................................................... 317 11.10. Внешнее ориентирование модели ............................ 318 11.10.1. 318 11.10.2. Аналитический способ внешнего ориентирования модели .............................................. 319 Фототриангуляция ........................................ 323 12.1. Виды и методы фототриангуляции ............................ 323 12.2. Графическая плоскостная фототриангуляция ........... 325 12.3. Точность графического ряда фототриангуляции ...... 334 12.4. Аналитическая фототриангуляция ............................. 335 Стереотопографические методы съемок ... 341
13.1. Универсальный способ стереофотограмметрической съемки .................................................................................... 341 13.2. Дифференцированный способ стереотопографической съемки ........................................... 343 Цифровая обработка изображений ............. 346 14.1. Понятие об изображении ............................................. 346 14.2. Методы получения цифровой информации .............. 348 14.2.1. Фотограмметрические сканеры ...................... 349 14.2.2. Нефотограмметрические сканеры.................. 352 14.2.3. Цифровые съемочные камеры ........................ 353 14.2.4. Спутниковые методы ...................................... 358 14.3. Структура ЦФС ............................................................ 366 Алгоритмы фотограмметрической обработки цифровых снимков ......................................... 387 15.1. Основные этапы обработки цифровых снимков на компьютере ............................................................................ 387 15.2. Подготовка исходной информации ............................ 387 15.3. Внутреннее ориентирование изображений ............... 389 15.4. Взаимное ориентирование снимков и построение стереоскопической модели .................................................. 393 15.5. Внешнее ориентирование геометрической модели .. 398 15.6. Определение пространственных координат .............. 400 15.7. Ортотрансформирование цифровых изображений ... 400 15.8. Векторизация растрового изображения ..................... 402 Наземная фотограмметрическая съемка .. 405 16.1. Понятие о наземной фототопографической съемке . 405 16.2. Фототеодолитный комплект ....................................... 410 16.3. Производство наземной фотосъемки ......................... 413 Дешифрирование материалов аэро- и космических съемок ........................................................... 417
17.1. Суть дешифрирования снимков ................................. 417 17.2. Классификация методов дешифрирования ............... 418 17.3. Визуальный метод дешифрирования ......................... 421 17.3.1. Материалы съемки, используемые при визуальном дешифрировании .................................... 423 17.3.2. Дешифровочные признаки, используемые при визуальном дешифрировании .................................... 426 17.3.3. Технические средства, используемые при визуальном дешифрировании .................................... 434 17.3.4. Технологии визуального дешифрирования .. 436 17.4. Досъемка не изобразившихся на снимках объектов при дешифрировании ................................................................... 440 17.5. Способы определения положения построек на дешифрируемых снимках ..................................................... 444 Дешифрирование аэро- и космических снимков и для создания кадастровых планов и карт .. 453 18.1. Задачи и содержание кадастрового дешифрирования снимков .................................................................................. 453 18.2. Объекты дешифрирования при создании базовых карт земель ..................................................................................... 454 18.3. Требования к качеству дешифрирования для создания кадастровых планов и карт .................................................. 468 18.4. Подготовительные работы при дешифрировании снимков для создания кадастровых планов и карт ............ 470 18.5. Технология и контроль дешифрирования ................. 474 18.6. Дешифрирование снимков поселений для целей кадастра и инвентаризации земель ...................................... 480 18.7. Дешифрирование фотоснимков застроенных территорий ............................................................................. 493
18.8. Условные знаки, применяемые при дешифрировании снимков населенных пунктов, нормы генерализации и требования к точности результатов дешифрирования ...... 510 18.9. Выбор съемочной системы и условий съемки для выполнения дешифровочных работ при составлении кадастровых карт и планов .................................................. 511 Дешифрирование аэро- и космических снимков на компьютере..................................................... 517 19.1. Основы дешифрирования снимков на компьютере .. 517 19.2. Изобразительные свойства снимков .......................... 519 19.3. Схема компьютерного дешифрирования ................... 522 19.4. Компьютерная классификация изображений ............ 525 19.5. Характеристики компьютерных систем для дешифрирования снимков .................................................... 529 Приложение ........................................................................... 533 Список литературы…………………………………………541
Предисловие Создание кадастра недвижимости, земельно-учетные работы и природоохранные мероприятия требуют регулярного получения разнообразной и качественной информации о земной поверхности и объектах недвижимости на ней. Основой получения такой информации в настоящее время служат материалы аэро- и космических съемок, которые используются при решении различных задач изучения объектов недвижимости, земной поверхности и т.д. По снимкам, полученным с воздушных или космических носителей, изготавливают карты и планы, используемые в земельном кадастре и землеустройстве. По снимкам определяют геодезические координаты изобразившихся точек местности, границы изучаемых объектов, их принадлежность к соответствующему классу, а также их качественные характеристики. Точность решения этих задач в значительной степени зависит от величины геометрических деформаций используемых снимков и искажений яркостей изображенных объектов при выполнении съемки. Материалы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) все шире применяются при ведении государственного земельного кадастра, кадастра недвижимости и мониторинге земель. Это обусловлено, во-первых, относительной дешевизной обследования единицы площади дистанционными методами по сравнению с наземными, особенно при обследовании значительных территорий. Во-вторых, при ДЗЗ отсутствует непосредственный контакт между объектом исследования и техническими средствами, с помощью которых измеряют различные характеристики объекта, что обеспечивает неизменяемость объекта при обследовании.
В-третьих, и это главное, ДЗЗ дает более информативные материалы, характеризующие состояние объекта исследования: в результате зондирования, получают продукцию, характеризующую количественно без пробелов и разрывов целые обследуемые площади как совокупность множества отдельных точек (естественно, с тем шагом, который определяется масштабом съемки и ее разрешающей способностью). При наземных обследованиях в большинстве случаев количественно фиксируется значение интересующего показателя лишь для ряда отдельных точек пробоотбора, а значения его для промежуточных точек приходится аппроксимировать. Специфические требования к ДЗЗ для мониторинга зе мель отличны от таковых для земельно-кадастровых съемок и обусловлены необходимостью выявления процессов на землях и их динамики, что требует высокой спектральной чувствительности аппаратуры. В результате требования к точности определения границ и ареалов обследуемых процессов, в натуре не четких и не резких, снижаются. В то же время повышаются требования к спектральным характеристикам и объективности их регистрации (пригодна, например, многозональная цифровая сканерная съемка). Пространственная привязка информации достигается совместным применением нескольких видов различной аппаратуры. Особенности съемочной аппаратуры и условия получе ния снимков – главные факторы, приводящие к деформациям и яркостным искажениям изображений объектов ндвижимости. Координаты поворотных точек границ земельных участков, положение объектов недвижимости, а также элементов топографической ситуации при инвентаризации зе
мель и кадастре недвижимости определяются в настоящее время преимущественно при фотограмметрической обработке снимков. Смысловая (семантическая) информация о недвижимо стях извлекается из тех же или специально полученных для этих целей снимков. С помощью последних составляют кадастровые и другие специальные планы, и карты. Они могут использоваться в качестве информационных слоев в географических информационных системах (ГИС). Таким образом, исходные аэро- и космические снимки в данном процессе выполняют функции информационных моделей, представленных в аналоговой или цифровой форме. С их помощью решаются многие задачи метрического и семантического характера. В большинстве случаев исходные снимки подвергаются различным преобразованиям, например, для выявления и учета различных геометрических и изобразительных искажений, приведения полученного изображения к единому стандартному масштабу и т.д. Спектр решаемых по ним задач значительно расширяется. Поэтому в настоящей работе рассматриваются теоретические основы и технологии: получения снимков методами ДЗЗ; определения их информационных свойств и возможности их использования; геометрического преобразования снимков для получения количественных и качественных характеристик объектов недвижимости; применения методов дистанционного зондирования и фотограмметрии при формировании информационных баз кадастра недвижимости и государственного мониторинга земель и др.
Специалисты профиля кадастр недвижимости с введе нием компьютерных технологий обработки аэро- и космических снимков, хранения и использования получаемой при этом информации в информационных базах данных становятся не только заказчиками картографической продукции, как это было раньше, но и непосредственными участниками процесса создания и использования базы земельнокадастровых данных, функционирования системы государственного мониторинга землепользования и др. Дистанционное зондирование и фотограмметрия в ка дастре недвижимости и землеустроительном производстве имеют прикладной характер. Поэтому автор данного пособия считает возможным опустить некоторые выводы формул и акцентировать внимание обучающихся на их анализе и практическом применении при решении специальных задач.
ВВЕДЕНИЕ Дистанционные методы применяются в исследованиях Земли давно. Вначале использовались рисованные снимки, которые фиксировали пространственное расположение изучаемых объектов. С изобретением фотографии возникла наземная фототеодолитная съемка, при которой по перспективным фотоснимкам составляли карты горных районов. Развитие авиации обеспечило получение аэрофотоснимков с изображением местности сверху, в плане. Это вооружило науки о Земле мощным средством исследований – аэрометодами. История развития аэрокосмических методов пока-ывает, что новые достижения науки и техники сразу же используют для совершенствования технологий получения снимков. Так произошло в середине XX в., когда компьютеры, космические аппараты, радиоэлектронные съемочные системы совершили революционные преобразования в традиционных аэрофотометодах – зародилось аэрокосмическое зондирование. Разрешение и метрические свойства космических сним ков открытого доступа повышаются. Получают распространение орбитальные снимки сверхвысокого разрешения – метрового и даже дециметрового, которые успешно конкурируют с аэроснимками. Аналоговые фотографические снимки и традиционные технологии их обработки утрачивают свое прежнее монопольное значение. Основным обрабатывающим прибором стал компьютер, оснащенный специализированным программным обеспечением и периферией. Развитие всепогодной радиолокации превращает ее в прогрессивный метод получения метрически точной про
странственной геоинформации, который начинает эффективно комплексировать с оптическими технологиями аэрокосмического зондирования. Быстро формируется рынок разнообразной продукции аэрокосмического зондирования Земли. Увеличивается число коммерческих космических аппаратов, функционирующих на орбитах, особенно зарубежных. Наибольшее применение находят снимки, получаемые ресурсными спутниковыми системами Landsat (США), SPOT (Франция), IRS (Индия), картографическими спутниками ALOS (Япония), Cartosat (Индия), спутниками сверхвысокого разрешения Ikonos, QiuckBird, GeoEye (США), в том числе радиолокационными TerraSAR-X и TanDEM-X (Германия), выполняющими тандемную интерферометрическую съемку. Успешно эксплуатируется система спутников космического мониторинга RapidEye (Германия). Аэрокосмические снимки применяют во всех направле ниях изучения Земли, но их использование и результативность в разных областях различны. Они чрезвычайно важны в исследованиях литосферы, показывая раздробленность геологического фундамента линейными разломами и кольцевыми структурами и облегчая поиски месторождений полезных ископаемых; в изучении атмосферы, где снимки дали основу метеорологических прогнозов; благодаря снимкам из космоса открыта вихревая структура океана, зафиксировано состояние растительного покрова Земли на рубеже веков и его изменения в последние десятилетия. Космические снимки пока применяют значительно меньше при социально-экономических исследованиях. Различаются и типы задач, решаемых по снимкам в раз ных предметных областях. Так, решение инвентаризацион
ных задач реализуется при изучении природных ресурсов, например, при картографировании почв, растительности, поскольку снимки наиболее полно отображают сложную пространственную структуру почвенно-растительного покрова. Оценочные задачи, оперативная оценка состояния экосистем выполняют в рамках исследований биопродуктивности океанов, ледового покрова морей, контроля за пожароопасной ситуацией в лесах. Использование снимков для моделирования и прогнозирования наиболее развито в метеорологии, где их анализ служит основой прогнозов погоды; в гидрологии – для прогноза талого стока рек, паводков и наводнений. Начинаются исследования по прогнозированию сейсмической активности, землетрясений на основе анализа состояния литосферы и верхней атмосферы. Космические снимки, оперативно размещаемые в Интернете, становятся наиболее востребованной видеоинформацией о местности как для специалистов-профессионалов, так и для широких слоев населения.