Temat ćwiczenia: Plan nalotów, parametry zdjęć lotniczych

Transkrypt

1 Uniwersytet Rolniczy w Krakowie Wydział InŜynierii Środowiska i Geodezji Katedra Fotogrametrii i Teledetekcji Temat ćwiczenia: Plan nalotów, parametry zdjęć lotniczych

2 Podstawowe parametry zdjęć lotniczych przy opracowaniu planu nalotu, wybór ich wartości. 1. Ocena jakości fotogrametrycznej wykonanego nalotu. 2. Praktyczne opracowanie planu nalotu. Ad. 1 Podstawowe parametry : skala oryginalnego zdjęcia (m), wysokość fotografowania (W), ogniskowa kamery (f), format zdjęcia (lx ly), wielkość pokrycia (p i q), czas otwarcia migawki (T), prędkość samolotu (V), interwał między dwiema kolejnymi ekspozycjami (t) plamka rozmazania (σ)

3 Wybór konkretnych wartości tych parametrów powinien być uzasadniony: podstawowym przeznaczeniem wykonywanego nalotu, np wykonanie w Ŝądanej skali opracowania sytuacyjnego, sytuacyjno- wysokościowego, fotointerpretacja, specjalne przeznaczenie. charakterem fotografowanego terenu (rzeźba, zagęszczenie sytuacji, rodzaj szczegółów itp). przewidywaną technologią i okresem wykonania niezbędnych opracowań a równieŝ ich dokładnością i kosztami.

4 Sposoby doboru skali nalotu Wybór skali : A/ według empirycznego wzoru Grubera m z = C M gdzie: m z - mianownik skali zdjęcia M - mianownik skali opracowania, C - wielkość stała, wartość której moŝe się wahać w zaleŝności od jakości technicznej sprzętu stosowanego zarówno do wykonania jak i opracowania zdjęć. Gruber przyjął c =130, obecnie w związku z postępem technicznym w konstrukcji sprzętu fotogrametrycznego wartość C dochodzi do 280 a nawet 300.

5 Sposoby doboru skali nalotu B/ na podstawie wielkości błędów pomiaru fotogrametrycznego (w skali zdjęcia lub modelu) i dopuszczalnych błędów opracowania końcowego (w skali opracowania) Średnie błędy połoŝenia wyraŝone w skali zdjęcia wynoszą odpowiednio: 0,04-0,06 mm dla metody analitycznej, 0,06-0,08 mm dla sposobu analogowego, autogrametrycznego 0,10-0,12 mm przy opracowaniu w oparciu o przetwarzanie Przyjmując skalę opracowania 1 : 2000 i dopuszczalny błąd połoŝenia 0,3-0,4 mm otrzymamy skalę zdjęcia odpowiednio : 1 : dla metody analitycznej 0,05 7 = 0,35 mm 1 : dla metody analogowej 0,07 5 = 0,35 mm 1 : 7000 przy przetwarzaniu 0,11 3,5=0,38 mm W przykładzie nie wzięto pod uwagę błędów graficznych nieuniknionych przy sporządzaniu pierworysu. Po ich uwzględnieniu otrzymamy odpowiednio : dla metody analitycznej 1 : : dla metody analogowej 1 : : 9000 przy przetwarzaniu 1 : : 7000

6 Sposoby doboru skali nalotu C/ na podstawie minimalnych wielkości obiektów, które powinny zostać odfotografowane 1 1 = m z d gdzie : z - zdolność rozdzielcza oryginalnego zdjęcia d - minimalny wymiar obiektu w terenie

7 Typowe relacje między skalą zdjęć a skalą opracowania 1 : M (skala mapy) 1 : m (zakres skal zdjęć) 1: : : : : : : : : : : : : : : : : : 45000

8 Wysokość fotografowania i ogniskowa kamery są wielkościami bezpośrednio zaleŝnymi od skali zdjęcia. Konkretna wartość f jest uzaleŝniona warunkami terenowymi i przeznaczeniem wykonywanego nalotu. Dla opracowań sytuacyjnych stosowane są zazwyczaj obiektywy normalnokątne, rzadziej szerokokątne przy załoŝeniu, Ŝe teren jest równy lub pofałdowany. Przy opracowaniach stereometrycznych terenu równinnego celem zwiększenia dokładności określenia wysokości stosuje się obiektywy szerokokątne. W terenach górskich obiektywy szerokokątne raczej nie są stosowane. Minimalna wysokość fotografowania jest limitowana szybkością i moŝliwym najmniejszym pułapem samolotu, interwałem czasowym, dopuszczalnym rozmazaniem (wielkość plamki rozmazania), a w przypadku znacznych deniwelacji w terenie, stosunkiem h : W, którego wielkość powinna wynosić 1/8 do 1/10 i nie moŝe być większa od 1/4. RównieŜ stosunek B : W jest bardzo istotny szczególnie dla opracowań stereometrycznych. Na wartość B : W wpływa wielkość pokrycia podłuŝnego. Pokrycie podłuŝne zaleŝy od przeznaczenia zdjęć i tak dla opracowań sytuacyjnych drogą przetwarzania wynosi 20% - 30%, natomiast dla stereometrycznych pokrycie powinno być większe od 50%.

9

10 Dla obecnie powszechnie uŝywanego formatu kadru lotniczych kamer pomiarowych 23x23 cm stosuje się obiektywy: normalnokątny f 305 mm, 2β = 55º półnormalnokątny f 210 mm, 2β = 70º szerokokątny f 153 mm, 2β = 90º nadszerokokątny f 88 mm, 2β = 120º 1:

11

12

13

14

15 Wielkość pokrycia podłuŝnego (określa pokrycie między sąsiednimi zdjęciami w szeregu i wyraŝane jest w procentach). Projektowane zasadnicze pokrycie podłuŝne zdjęć lotniczych dla opracowań stereoskopowych wynosi standartowo po= 60 % Przy fotografowaniu terenów pofałdowanych pokrycie podłuŝne naleŝy zwiększyć o wpływ rzeźby terenu. Oblicza się je ze wzoru : p[%] = p o [%] + 50 h W p o zasadnicze pokrycie (po= 60 %) h przewyŝszenie względem średniej płaszczyzny odniesienia

16 Wielkość p o w funkcji skali zdjęć Skala zdjęć p o 1: : : : : : : i mniejszych 60

17 Pokrycie poprzeczne (określa pokrycie zdjęć między sąsiednimi szeregami i wyraŝane jest w %). Projektowane zasadnicze pokrycie poprzeczne zdjęć lotniczych wynosi standartowo: q o = 30% dla fotografowania z wysokości 1500 m q o = 25% dla fotografowania z wysokości > 1500 m Przy fotografowaniu terenów pofałdowanych pokrycie poprzeczne naleŝy zwiększyć o wpływ rzeźby terenu. W przybliŝeniu określa je zaleŝność q[%]= h q o [%]+ 70 W Wielkość q o w funkcji skali zdjęć Skala zdjęć q o 1: : : : : : : : : i mniejszych 30

18 Format zdjęć - zdjęcia lotnicze wykonywane są w formatach 18 x 18 cm (zdjęcia archiwalne) i 23 x 23 cm (obecnie stosowane). Pomimo ustalonych parametrów zdjęć, nalot dla celów kartograficznych powinien dodatkowo spełniać szereg warunków : linie nalotu (osie szeregów) powinny być z dokładnością 0,015 m równoległe do zadanych linii, np. ramki sekcyjnej, linii znaków orientacyjnych itp. szeregi powinny być prostoliniowe a odchylenie punktów głównych poszczególnych zdjęć od prostej łączącej punkty główne skrajnych zdjęć szeregu nie powinny przekroczyć 3% długości tej prostej, brzegi zdjęć powinny być w przybliŝeniu równoległe (prostopadłe) do osi szeregu, wahania wysokości nie powinny przekracza 3% W, kąty odchylenia osi optycznych od linii pionu nie powinny przekraczać 1,5-2, a nachylenia powyŝej 3 są niedopuszczalne, osie szeregów powinny przebiegać równoleŝnikowo to jest ze wschodu na zachód, lub być dostosowane do kształtu zdejmowanego obiektu (np. pokrywać się z osią obiektów liniowych), linie nalotu powinny być tak zaprojektowane aby w ramach poszczególnych stereogramów wahania wysokości były moŝliwie jak najmniejsze.

19 Dla prawidłowego projektu planu nalotu istotnymi są zaleŝności jakie zachodzą pomiędzy określonymi jego parametrami. W szczególności pomiędzy prędkością samolotu (v), czasem otwarcia migawki (T) a wielkością rozmazania σ (plamka rozmazania) oraz prędkością samolotu (v), czasem pomiędzy ekspozycjami (t) a pokryciem podłuŝnym (p). Rozmazanie obrazu spowodowane ruchem samolotu w czasie otwarcia migawki kamery wynosi: δ = f V W T = V T m V - prędkość samolotu T - czas ekspozycji m - skala zdjęć

20 Aby wielkość plamki σ nie przekroczyła Ŝądanej wielkości (np. 0,04mm) naleŝy zastosować odpowiedni czas ekspozycji (T) obliczony ze wzoru : T m = δ V Interwał fotografowania (t) (interwał czasu między wykonaniem kolejnych zdjęć w szeregu) zaleŝy od skali zdjęć, prędkości samolotu, pokrycia podłuŝnego i wynosi t = B V x = l m V 100 p 100

21 Projekt lotu składa się z części obliczeniowej i graficznej, opracowywany jest na istniejących mapach topograficznych w skali kilkakrotnie mniejszej od skali zdjęć

22 Dane wejściowe skala mapy (M) obszar opracowania (wniesiony na mapę) rodzaj opracowania fotogrametrycznego typ kamery prędkość (V) i pułap samolotu wysokość bezwzględna lotniska H lot Na podstawie analizy danych określa się: rodzaj stoŝka kamery (f) pokrycie podłuŝne (p) i poprzeczne (q) zdjęć skalę wykonanych zdjęć (1: m) kierunek lotu

23 Następnie oblicza się: wysokość lotu ponad poziom lotniska W lot odstęp między osiami szeregów (By) długość bazy (Bx) ilość szeregów (Ny) ilość zdjęć w szeregach (Nx) powierzchnia stereogramu (Pm) i powierzchnia uŝyteczna (Pn) interwał czasu między kolejnymi ekspozycjami (t) maksymalny dopuszczalny czas ekspozycji (T) długość błony filmowej Na mapę do projektu naleŝy wnieść: granicę obiektu terenu granicę sekcji osie szeregów znaki włączenia i wyłączenia kamery

24 Podstawowe wzory: 1. skala zdjęć 1: m= f :W 2. wysokość fotografowania W = m f 3. terenowy zasięg zdjęcia L = l m 4. baza podłuŝna 100 p B x = L baza poprzeczna 100 q B y = L stosunek bazowy B v = W 7. wysokość absolutna lotu W abs = W + H śr 8. wysokość lotu względem lotniska H lot = W + H śr - H lot x = b f x

25 9. powierzchnia zdjęcia P z = L powierzchnia modelu P m = (L B x ) L 11. powierzchnia uŝyteczna modelu P n = B x By 12. liczba zdjęć w szeregu 13. liczba szeregów N x = (Dx długość obszaru fotografowania) N = y D B x x D B y + 5 (Dy szerokość obszaru fotografowania) y 14. całkowita liczba zdjęć w rejonie N = N x N y lub N = P P ob n P ob - powierzchnia obszaru fotografowania

26 PRZYKŁAD OBLICZENIA Dx = 24 km, Dy = 6 km, Pob = 144 km2, M = 1:2000, f = 200mm, format 18x18cm, Hśr =300, h = 100m, wysokość lotniska Hlot= 200m, V=160 km/godz., δ = 0,03mm, mk = Na podstawie podanej skali opracowania wybieramy zalecaną skalę nalotu mz = 8000 Obliczamy wysokość względną lotu W = m f = mm = 1600 m Bezwzględna wysokość wyniesie : W = 1600 m +300 m = 1900 m Wysokość lotu odniesiona do wysokości lotniska W = 1600 m m 200 m = 1700 m

27 Z podanych powyŝej zaleŝności wyznaczamy pokrycie podłuŝne (p) i poprzeczne (q) 100 p% = 64% + 50 = 67% q% = 36% + 70 = 40% 1600 Zasięg pojedynczego zdjęcia w terenie bez uwzględnienia pokrycia Lx = 18cm 8000 = 1440m Ly = 18cm 8000 = 1440m UŜyteczny zasięg zdjęcia to jest po uwzględnieniu pokrycia wyniesie : Bx = 1440m (1-0,67)= 475m By = 1440m (1-0,39)= 878,4 m

28 Powierzchnia uŝyteczna jednego zdjęcia wyniesie : Bx By = 41,72ha Ilość zdjęć (N) na obiekt moŝemy obliczyć z zaleŝności : 14400ha N = = 345 zdjęć 41,72ha lub jako iloczyn zdjęć w szeregu (N x ) i ilości szeregów (N y ) N D 24000m 475m 6000m x y x = = = 50,5 = 51 N y = = = 6,63 = 7 B B 878,4m x y N = Nx Ny = 51* 7 = 357 zdjęć D

29 do obliczonej ilości dodajemy jeszcze 10% do 15% tak zwanego zapasu, otrzymując ogólną ilość zdjęć, która w naszym wypadku wyniesie : 357 1,1 = 393 zdjęć. Mając ogólną ilość zdjęć obliczamy ilość potrzebnej błony w metrach : d = 18 cm 393 = 70,74m poniewaŝ odstęp pomiędzy sąsiednimi zdjęciami wynosi 1 do 2 cm, to przy 393 zdjęciach na odstępy naleŝy doliczyć 393 1,5cm = 5,90m zatem łączna długość błony wyniesie: 70,74m + 5,90m = 76,64m Typowe długości błon lotniczych wynoszą 60 lub 120 m, a zatem naleŝy zabrać jedną szpulę ze 120 metrami taśmy filmowej.

30 Linię nalotu wykreślamy z uwzględnieniem wyŝej podanych wymagań, przy B czym skrajna linia przebiega w odległości y od brzegu obiektu a 2 następne w odległości By Pozostało jeszcze obliczenie wielkości najbardziej istotnych dla operatora kamery to jest t, T, ewentualnie δ i V. T m = δ V = 0,03mm km / godz = 240mm 160km 3600sekund 864sekund = = sekundy interwał czasowy pomiędzy dwoma kolejnymi ekspozycjami wyniesie : t = B V x = 475m 160km / godz. = 475m 3600sekund m = 10,68sekund

31 Zdjęcie będzie rzutem środkowym jeśli: obiektyw kamery będzie wolny od błędu dystorsji, w momencie ekspozycji materiał negatywowy lub matryca CCD będą tworzyć płaszczyznę, po obróbce fotochemicznej lub długim przechowywaniu obraz nie zostanie zdeformowany, migawka aparatu nie zniekształci obrazu (dlatego w kamerach fotogrametrycznych stosuje się migawki centralne), obraz nie zostanie zniekształcony przez refrakcję atmosferyczną, wyŝej wymienione błędy zostaną usunięte w procesie fotogrametrycznym

32 Zdjęcie lotnicze jako rzut środkowy

33 Odległość ogniskowa, a odległość obrazowa kamery c k Rys 1 Relacje między ogniskową obiektywu a odległością obrazową kamery Dla kamer lotniczych fotografowanym przedmiotem jest powierzchnia Ziemi, znajdująca się w odległości, co najmniej kilkuset metrów (dla obiektywu leŝąca praktycznie w nieskończoności). Oznacza to, Ŝe obraz tworzy się w płaszczyźnie ogniskowej kamery (F ). W wyniku pozostałości szczątkowych błędów optycznych ostry obraz utworzy się nie w płaszczyźnie ogniskowej (F ), lecz na pewnej sferze, stycznej do płaszczyzny ogniskowej w ognisku F. W kamerach lotniczych tak dobiera się połoŝenie obiektywu względem płaszczyzny ramki tłowej (π), Ŝe ramka tłowa jest sieczną powierzchni najlepszej ostrości, a rozkład ostrości na całej powierzchni zdjęcia jest najkorzystniejszy.

34 Odległość ogniskowa, a odległość obrazowa kamery c k Odległość ramki tłowej (π) od obrazowego środka rzutów O jest odległością obrazową kamery c K (inaczej stałą kamery) i jest ona nieznacznie mniejsza od ogniskowej obiektywu. Dla obecnie powszechnie uŝywanego formatu kadru lotniczych kamer pomiarowych 23x23 cm stosuje się obiektywy: normalnokątny f 305 mm, 2β = 55º półnormalnokątny f 210 mm, 2β = 70º szerokokątny f 153 mm, 2β = 90º nadszerokokątny f 88 mm, 2β = 120ºk

35 Elementy orientacji wewnętrznej kamery Obraz utworzony idealnym obiektywem jest rzutem środkowym przestrzennego obiektu (np. powierzchni Ziemi fotografowanej z samolotu) na płaszczyznę obrazową. Z teorii rzutu środkowego wiadomo, Ŝe dla rekonstrukcji wiązki projekcyjnej potrzebna jest znajomość połoŝenia środka rzutów względem obrazu (tj. zdjęcia). To połoŝenie wyznaczają: połoŝenie tzw. punktu głównego zdjęcia O, tj. spodka prostopadłego środka rzutów (obrazowego środka rzutów S o ) na płaszczyznę ramki tłowej, odległośćśrodka rzutów S od płaszczyzny ramki tłowej, tzw. odległość obrazowa kamery c k (inaczej stała kamery)

36 Elementy orientacji wewnętrznej kamery Wielkości pozwalające na rekonstrukcję wiązki projekcyjnej zdjęcia określają tzw. elementy orientacji wewnętrznej kamery, do których zaliczamy: - odległość obrazową kamery c k - połoŝenie punktu głównego, określone przez jego współrzędne tłowe x o, y o

37 Elementy orientacji wewnętrznej kamery

38 Techniczna definicja elementów orientacji wewnętrznej kamery Z powodu błędów rzeczywistego obiektywu model matematyczny obiektywu zastępujemy modelem technicznym, w którym oś główną obiektywu zastępuje się autokolimacyjną osią obiektywu PR A (taką, która w przestrzeni przedmiotowej jest prostopadła do ramki tłowej kamery i przechodzi przez przedmiotowy punkt węzłowy S). Oś autokolimacyjna po przejściu przez obiektyw wyznacza punkt główny autokolimacji PPA. Rys. 4 Elementy orientacji wewnętrznej realnego obiektywu PR A - autokolimacyjna oś obiektywu, PPA - punkt główny autokolimacji, KL, K L wejściowa i wyjściowa źrenica obiektywu, S, S przedmiotowy i obrazowy fizyczny środek projekcji, C k odległość obrazowa, S M matematyczny środek proje

39 Techniczna definicja elementów orientacji wewnętrznej kamery Ze względu na fakt, Ŝe dystorsja radialna nie jest ściśle symetryczna (jej wartości w danym punkcie zdjęcia zaleŝą nie tylko od promienia radialnego, ale równieŝ od połoŝenia) i jeŝeli ta asymetria jest znacząca, to dąŝy się do scentrowania jej wykresów przez odniesienie ich nie do punktu głównego autokolimacji PPA, lecz do punktu najlepszej symetrii PPBS. Tak określony punktu najlepszej symetrii jest w dalszych opracowaniach fotogrametrycznych traktowany jako punkt główny.

40 Zdjęcie lotnicze w skali 1: 5000