Подготовительные работы включают:

Сбор и анализ материалов картографического значения;

Изготовление и контроль диапозитивов;

Определение коэффициентов деформации и искажений изображения;

Составление рабочего проекта пространственной фототриангуляции;

Подготовка приборов к работе.

Исходными материалами для построения сети пространственной фототриангуляции являются:

Диапозитивы на стекле;

Контактные отпечатки;

Паспортные данные аэрофотосъемки: значения элементов внутреннего ориентирования и расстояний между противоположными координатными метками прикладной рамки аэрофотоаппарата, масштаб аэрофотосъемки;

Материалы планово-высотной подготовки аэрофотоснимков: каталоги координат и высот опознаков, контактные отпечатки аэрофотоснимков с опознанными и наколотыми опознаками, абрисами и описанием опознаков.

От тщательности выполнения подготовительных работ в значительной мере зависит точность сгущения.

В данной курсовой работе измерения будут выполняться по диапозитивам .

До изготовления диапозитивов аэрофильмы следует хранить в герметически закрытых банках при постоянной влажности и температуре. Печать диапозитивов выполняется с ненарезанных аэрофильмов на пластинки форматом 180Ч180 мм (±2 мм). Желательно использовать пластинки на шлифованном стекле или пластинки для научных целей.

Контактные станки, используемые для печати диапозитивов, должны обеспечивать надлежащее выравнивание аэрофильма и хороший контакт эмульсионной поверхности аэрофильма и пластинки.

В помещении, где находится контактный станок, должна поддерживаться постоянная влажность и температура; в этом помещении не следует выполнять работы, нарушающие стабильность условий (фотографическую обработку и промывку).

Перед изготовлением диапозитивов проводиться акклиматизация аэрофильмов в условиях помещения, где будет происходить печать (в течение 2-3 суток).

Все диапозитивы одной секции или маршрута следует печатать одновременно. Непосредственно после печати проверяют фотографическое качество диапозитивов и деформацию изображения.

Диапозитивы должны быть прозрачными. Изображение и координатные сетки должны быть резкими, все детали все детали на негативах должны сохраниться на диапозитивах.

Для выявления диапозитивов, имеющих деформацию, измеряют расстояния между изображениями координатных сеток ХХ и YY и сравнивают их с соответствующими расстояниями на прикладной рамке аэрофотоаппарата, определяемыми при калибровке, или на одном из диапозитивов маршрута. Измерение отрезков выполняют, как правило, на стереокомпараторах. По результатам измерений определяют коэффициент систематической деформации, которую можно учесть, введя поправку в фокусное расстояние:

где - средний коэффициент систематической деформации;

Фокусное расстояние без учета деформации;

Перед составлением проекта работ по фотограмметрическому сгущению опорной сети следует убедиться в полноте и доброкачественности материалов геодезического обоснования: проверить качество изображения маркировочных знаков, соответствие накола опознанных точек по их описанию, идентичность наколов на основных и контрольных аэроснимках. При наличии ошибок опознавания или определения некоторых опорных точек, их следует исключить из обработки. В проекте фотограмметрического сгущения должны быть также указаны те точки, определение или опознавание которых вызывает сомнения. Эти точки должны быть проверены при построении или последующей обработки сети.

Для фотограмметрического сгущения опорной сети используют хорошо отъюстированные приборы. Один раз в полгода выполняется профилактический осмотр, чистка, проверка отдельных узлов и их юстировка. Рабочие поверки выполняют один раз в три месяца, а также в случае выявления нарушений юстировки в процессе работы.

Для проведения всего комплекса работ нам необходимо использовать следующие приборы: СПР-3, интерпретоскоп народного предприятия Сarl Ceiss, стереокомпаратор, фототрансформатор ФТМ.

Стереопроектор Г.В. Романовского.

1. Стереопроектор (СПР-3) предназначен для создания по аэрофотоснимкам топографических карт масштабов 1:25000, 1:10000 и крупнее. Прибор позволяет не только вычерчивать горизонтали и контуры карты в процессе фотограмметрической обработки отдельных стереопар по подготовленным заранее опорным точкам, но и определять координаты и отметки опорных точек методом пространственного фототриангулирования. Проектирование и пространственная засечка в СПР-3 осуществляются механически проектирующими рычагами, а фотограмметрическая обработка аэрофотоснимков происходит в условиях преобразования связок проектирующих лучей, замененных проектирующими рычагами.

СПР-3 позволяет создавать карту по аэрофотоснимкам формата 18*18 см, полученным аэрофотоаппаратами с фокусными расстояниями камер в пределах 200-55 мм, если углы наклона фотоснимков соответственно не более 10-3°, а соотношение масштабов фотоснимков и карты колеблется в пределах 0,5-2,0.

Если масштаб карты мельче масштаба фотоснимков, то можно обрабатывать стереопары с колебанием рельефа местности 0,65Н; если масштаб карты крупнее масштаба фотоснимков, то соответственно 0,37Н. аэрофотоснимки с большим колебанием рельефа местности могут быть обработаны по зонам.

Точность карты, полученной на СПР-3, характеризуется погрешностями: - не более Н/3000; проведения горизонталей - не более Н/1000положения точек в плане - не более 0,1мм; определения высот отдельных точек.

Стереопроектор - крупногабаритный прибор, высота которого около 2 м, а площадь основания 1*1 м. Рассмотрим схему устройства стереопроектора.

Посредством рабочих движений Y1, Z2 и X3 перемещается вдоль одноименных осей прибора каретка высот 4, несущая счетчик высот. Эти движения вызывают перемещение фотоснимков относительно наблюдательной системы, что позволяет осуществить стереоскопическое наведение измерительной марки на точки модели. Наблюдательная система содержит объективы 9 и 10, перемещающиеся под действием корректоров, основные конструктивные элементы которых показаны на схеме: коррекционная плоскость 6 и скользящий по ней “палец”, стержень 7, муфта и пространственный раздвижной шарнир 8 коррекционного механизма левого снимка и аналогично муфта, шарнир 11, стержень и коррекционная плоскость 12 правого коррекционного механизма.

Механические центры проекции укреплены на каретке фокусных расстояний 13. Значение фокусного расстояния проектирования, величина которого может меняться в пределах 150-300 мм, отсчитывается по шкале 5. Засечка точек модели осуществляется 2 проектирующими рычагами, из которых правый 14.

Левый проектирующий рычаг и снимкодержатели с шарнирами цифрами не обозначены. Кроме того, в кружках даны базисные движения шаровых опор проектирующих рычагов Bx, By, Bz, движения и, отнесенные к правой коррекционной плоскости, - поворот правой кассеты в своей плоскости, ?x и?y - линейные движения децентраций правой кассеты (фотоснимка), x и y - децентрирующие движения правого коррекционного механизма. Движения левой проектирующей системы на рисунке не показаны, так как движений, взятых в кружки, достаточно для построения модели перемещениями правого фотоснимка или их заменяющими движениями при неподвижном левом фотоснимке.

Наблюдение аэрофотоснимков в СПР-3 происходит ортогональными лучами; объективы 9 и 10 являются завершающими оптическими деталями стереоскопической системы, окуляры которой расположены перед глазами наблюдателя, сидящего за прибором.

В оптической системе имеются сменные, светящиеся (разного цвета и размера) измерительные марки в виде точек кружков. При правильном наблюдении исполнитель видит одну пространственную марку, перемещаемую в пространстве стереоскопической модели местности движениями X, Y и Z. Так как аэрофотоснимки в приборе расположены горизонтально, а при плановой аэрофотосъемке они получены с некоторыми малыми углами наклона, то для введения поправок за наклоны в положение точек фотоснимков служат специальные коррекционные механизмы.

2. Действие коррекционного механизма в СПР-3 схематически показано на рис.6.1.3. Здесь дана схема правого коррекционного механизма, левый механизм такой же. Механизм вводит поправку в положение точки “а” аэрофотоснимка 1 путем смещения объектива 2 наблюдательной системы. Это смещение происходит под действием толкателя 3, разделенного особым пространственным шарниром и соединенного с вертикально перемещающейся муфтой 4. Положение последней зависит от вертикального перемещения пальца 5, от наклона коррекционной плоскости механизма и от установленного расстояния l0 пальца от центра вращения этой плоскости.

Пространственный шарнир и коррекционная плоскость соединены со стержнями R 1 и R 2 , которые отклоняются на углы " и при перемещении фотоснимка перед наблюдательной системой. Если наблюдается точка нулевых искажений, то стержни занимают вертикальное положение и поправка = 0. Если визирная марка наводится наблюдателем на некоторую точку фотоснимка а, то стержни, наклоняясь на указанные углы, поворачивают коррекционную плоскость; палец 5 и муфта 4 меняют свою высоту на некоторую величину?, а пространственный шарнир соответственно приводит к перемещению объектива 2 на поправку.

Поправка за угол наклона в положение точки на снимке выражается формулой:

где r c - радиус-вектор взятой точки при полюсе в точке нулевых искажений;

Полярный угол радиус-вектора.

Если в этой формуле сомножитель заменить через и r 2 с, т.е. через угол наклона радиус-вектора и через его значения на горизонтальном и наклонном фотоснимках, то получим:

что и должно учитываться коррекционным механизмом.

Проследим действие коррекционного механизма по рис. 6.1.3. Из треугольника, образованного раздвоением пространственного шарнира, следует, что

а из треугольника, образованного пальцем 5 и его расстоянием от центра коррекционной плоскости.

Очевидно,

но так как

Приравнивая формулу (6.1.2.) и (6.1.3.), мы видим, что для правильного действия механизма необходимо установить

но так как механизм пространственный, то смещением пальца 5 устанавливается продольное и поперечное

Эта установка и подбирается взамен наклонов фотоснимка в процессе взаимного ориентирования фотоснимков на приборе последовательным приближением при устранении поперечных параллаксов по известной схеме.

3. Для того, чтобы решить вопрос о точности и использовании универсального метода при съемках в различных масштабах, необходимо учитывать много факторов, основными из которых будут: параметры аэрофотосъемки, точность универсального прибора и точность определения опорных точек.

Пусть создается карта в масштабе 1:10000 с сечением 2,5 м. Тогда при масштабе аэрофотосъемки около 1:14000 и при АФА с фокусным расстоянием 70 мм высота фотографирования будет порядка 1000 м и применение прибора СПР-3 обеспечит следующую точность карты: среднюю погрешность по высоте для отдельных точек 0,2 м и для горизонталей 0,5 м. В этом случае допуски соответственно 0,8 и 1,0 м удовлетворяются со значительным запасом .

Основные технические характеристики СПР.

Формат аэроснимков 18Ч18 см

Фокусное расстояние аэрофотоснимков от 35 до 350 мм

Фокусное расстояние прибора 150-300 мм

Увеличение наблюдательной системы 6 и 10Ч

Поле зрения 30 мм

Диаметр измерительных марок 0,03-0,04 мм

Отношение масштаба снимка к масштабу карты 0,5-10,0

Максимальная разность высот точек местности 0,5·H

Допустимые углы наклона аэрофотоснимков при фокусных

расстояниях f, равных 100 и 35 мм 5,1° и 1,8°

СКП определения высот по макетным снимкам 1:8000 от высоты фотографирования

Размер стереопроектора 116Ч120Ч190 см

Масса стереопроектора 800 кг

Размеры координатографа 120Ч128Ч80 см

Масса координатографа 150 кг

Рабочие поверки стереопроектора Г.В. Романовского.

В задачу рабочих поверок универсальных приборов входит периодическое определение мест нуля шкал всех отсчетных приспособлений.

Порядок выполнения поверок составлен таким образом, чтобы каждая последующая поверка не нарушала предыдущую. Кроме того, методика рабочих поверок основана на том, чтобы при их выполнении использовалась только контрольная сетка. Такая методика поверок исключает использование индикатора, струбцин, уровней. Выполнение рабочих поверок только по контрольной сетке позволяет использовать внутренние связи прибора и определить места нуля шкал при условии заюстирования погрешностей одного узла другим, что является положительным фактором, так как при обработке аэрофотоснимков на измеренные координаты оказывает влияние суммарный результат работы всех узлов прибора. Если при выполнении рабочих поверок наблюдается отклонение от требуемых условий, то прибор должен быть переюстирован механиком.

Перед началом поверок в оба снимкодержателя закладывают контрольные сетки стороной с нарезанными линиями к прижимному стеклу и центрируют с помощью 4-кратной лупы по штрихам, награвированным на этом стекле. С целью облегчения нахождения в дальнейшем центрального креста нужно на контрольной сетке с обратной стороны тушью или чернилами нарисовать круг (квадрат) вокруг этого креста. Линии сетки, параллельные глазному базису, называются продольными, а перпендикулярные к нему - поперечными.

Необходимо проверить установку в обеих оптических ветвях наблюдательной системы одинаковых марок, диаметр которых должен быть 0,04-0,06 мм.

На шкалах установить отсчеты, указанные в таблице 6.1.1.:

Таблица 7.1.1.

При наведении левой измерительной марки на центральный крест левого снимкодержателя подключают счетчики X и Y и на них устанавливают отсчет 500 мм.

На счетчике высот необходимо установить пару одинаковых шестерен (80-80) и шкалу №1.

Необходимо обратить внимание на то, что на точность выполнения поверок сильное влияние оказывают мертвые ходы в узлах прибора, поэтому марку штурвалами X и F следует наводить только с одной стороны: слева направо и снизу вверх, а микрометренными винтами -- только при их ввинчивании.

1. Определение мест нуля шкал винтов, и.

На стереопроекторе места нуля шкал винтов и соответствуют положению, когда точка, вокруг которой вращается плоскость коррекционного механизма и центр сферы, расположенной в основании пальца, опирающегося на эту плоскость совпадает.

2. Определение мест нуля шкал винтов децентраций снимка и.

Места нуля шкал винтов децентраций снимка и соответствуют положению, когда проектирующий стержень параллелен координатной оси Z прибора, а марка совпадает с центральным крестом снимкодержателя. Поверка выполняется отдельно для каждой проектирующей камеры.

3. Определение мест нуля шкал винтов и.

Места нулей шкал и соответствует положению, когда при наведении левой марки на центральный крест левого снимка правая марка устанавливается на центральный крест правого снимкодержателя.

Из-за отсутствия возможности установления отсчета на шкале b x , равного месту нуля и одновременному наведению обеих марок на центральные кресты, поверку выполняют путем раздельного наведения марок на центральные кресты, а место нуля шкалы определяют расчетным путем.

4. Определение места нуля шкалы винта и установка равенства фокусных расстояний проектирующих камер.

Место нуля шкалы винта соответствует положению, когда высоты проектирования у обеих проектирующих камер равны.

Определить место нуля шкалы винта b Z можно только при условии, что фокусные расстояния обеих проектирующих камер одинаковы. Равенство фокусных расстояний проектирующих камер устанавливается в ходе юстировки прибора и может быть нарушено только при разборке прибора.

5. Определение фокусного расстояния проектирующих камер F и мест нуля шкал F и Z.

Фокусным расстоянием проектирующей камеры в приборах с механической засечкой является расстояние (при вертикальном положении проектирующего стержня) между точкой пересечения осей шарнира, осуществляющего центр проекции, и точкой пересечения осей шарнира, связанного со снимкодержателем.

Местом нуля шкал F и Z является разность между отсчетами, установленными на этих шкалах, и фактической величиной фокусного расстояния или высоты проектирования .

Стереокомпаратор 1818.

Стереокомпаратор служит для измерения плоских прямоугольных координат и параллаксов соответственных точек пары снимков.

В СК 1818 фирмы Цейсс бинокулярный микроскоп состоит из подвижной и неподвижной частей. Подвижная часть находится под общей кареткой, а неподвижная - выше этой каретки. Негативы и диапозитивы освещаются верхними, а контактные отпечатки нижними лампами.

Общая каретка перемещается левым штурвалом, подвижная часть бинокулярного микроскопа - средним штурвалом перпендикулярно движению главной каретки. Эти перемещения служат для измерения координат точки левого снимка и учитываются по барабанам.

Левую каретку со снимкодержателем можно смещать относительно общей каретки влево и вправо от начального положения и закреплять в нужном положении.

Правая каретка со снимкодержателем перемещается правым штурвалом параллельно направляющим общей каретки. Это движение, соответствующее горизонтальному параллаксу, учитывается по барабану, расположенному между снимкодержателями.

Для измерения вертикальных параллаксов правая подвижная часть бинокулярного микроскопа перемещается при помощи шайбы относительно левой подвижной части вдоль оси Z прибора. Вертикальный параллакс отсчитывается по барабану.

Объективы О1 и О2 с измерительными марками и окулярами, составляющие неподвижную часть наблюдательной системы, представляют собой отфокусированные на бесконечность трубы. Подвижную часть наблюдательной системы, включающую объективы О3 и О4, можно считать коллиматорами К1 и К2, в фокальных плоскостях которых находятся снимки Р1 и Р2. между объективами О1, О2 и О3, О4 ход лучей всегда параллельный. Поэтому изображения снимков в плоскости измерительных марок получаются резкими, независимо от перемещения кареток W1 и W2, с которыми соединены подвижные части наблюдательной системы.

Резкость изображения снимка достигается вращением кольца подвижного объектива, доступ к которому возможен через отверстие в передней части прибора.

В поле зрения окуляра видны 2 марки - верхняя и нижняя, а также четыре перекрестия. Верхняя марка предназначена для измерения наземных снимков, а нижняя - для аэроснимков. Перекрестия служат для юстировок микроскопа на заводе и для специальных измерений.

К правой части прибора можно прикрепить чертежный столик .

Основные характеристики СК 1818 представлены в приложении 3.

Поверки СК 1818.

Перед измерениями должны быть выполнены рабочие поверки и исследования стереокомпаратора, которые выполняются с помощью измерительных или контрольных сеток. Штрихи таких сеток выгравированы на поверхности плоскопараллельных пластинок в виде взаимно параллельных и взаимно перпендикулярных линий, образующих систему прямоугольных координат. Расстояние между штрихами равно 5±0,005 мм. Перпендикулярность штрихов выдерживается с ошибкой не грубее ±5" дуги. Это гарантирует высокую точность сеток как эталонов измерения.

Для поверок используются сетка форматом 18x18 см. Прибор считается пригодным для работы, если выполняются следующие поверки:

1. Механическая часть прибора должна обеспечивать плавное, легкое и безлюфтное движение кареток и суппортов прибора.

2. Движение каретки х должно быть перпендикулярно к движению каретки у.

3. Движение параллактических суппортов должно происходить по направлениям, параллельным соответствующим основным осям прибора.

4. Масштаб изображения в окулярах должен быть одинаковым.

5. Изображение, даваемое бинокулярным микроскопом, должно быть свободным от астигматизма.

Поверки прибора начинаются с установки и ориентирования измерительных сеток. Они укладываются на стекла снимкодержателей таким образом, чтобы штрихи сеток были обращены в сторону объективов наблюдательной системы стереокомпаратора (вниз), и в этом положении закрепляются зажимными планками. После этого с помощью фокусирующей системы бинокулярного микроскопа добиваются резкого изображения штрихов сеток и измерительных марок, а изменением расстояния между зрачками -- слияния полей изображения и стереоскопического восприятия марки.

Ориентирование сеток заключается в том, чтобы горизонтальные штрихи сеток оказались параллельными оси х стереокомпаратора. Сначала ориентируют левую сетку, а затем правую в следующем порядке. Вращением штурвалов х и у левую марку совмещают с центральным горизонтальным штрихом сетки с левой ее стороны. Не трогая штурвал у, перемещают каретку х в крайнее правое положение. Если левая измерительная марка сойдет с горизонтального штриха, то видимое ее смещение по оси у устраняют на половину винтом х, а другую половину -- штурвалом у. Для контроля эти действия повторяют. Ориентирование считается законченным, если смещение штриха относительно марки не выходит за пределы четверти ее диаметра. Аналогично поступают и с правой сеткой .

Измерение аэрофотоснимков на стереокомпараторе включает следующие процессы:

Установку и ориентирование аэрофотоснимков;

Установку начальных отсчетов шкал;

Стереоскопическое измерение координат и параллаксов координатных меток и точек на стереопаре аэрофотоснимков;

Контроль результатов измерений.

Интерпретоскоп.

Для стереоскопического рассматривания и дешифрирования снимков мы запроектировали специальный прибор фирмы Цейсса, названный интерпретоскопом.

Прибор состоит из стола с прозрачным стеклянным экраном, на котором устанавливаются снимки, и бинокулярного микроскопа. Микроскоп имеет 2 части - подвижную и неподвижную. Подвижная перемещается по двум взаимно перпендикулярным направлениям, что позволяет рассматривать различные части стереопары. Увеличение бинокулярного микроскопа можно изменить с помощью панкратической системы и двух взаимозаменяемых объективов с различными фокусными расстояниями. Изменение увеличения осуществляется плавно как одновременно в левой и правой ветвях бинокуляра, так и отдельно в каждой ветви. Это обеспечивает возможность выравнивания масштабов левого и правого изображений даже в случае, когда масштабы снимков, составляющих стереопару, значительно отличаются друг от друга. Изображения снимков можно оптически поворачивать, что позволяет наблюдать неразрезанный фильм и быстро переходить от прямого стереоэффекта к обратному или нулевому.

Наведение марки бинокуляра на точку стереомодели производится четырьмя движениями подвижной части наблюдательной системы: совместными движениями левого и правого объективов в продольном и поперечном направлениях и движениями одного объектива относительно другого в тех же направлениях. Перемещение одного объектива относительно другого в продольном направлении можно отсчитать, что необходимо для измерительных целей.

Благодаря двум бинокулярам данный прибор позволяет одновременно рассматривать стереопару двум наблюдателям .

Интерпретоскоп Народного предприятия «Карл Цейсс Йена»

Формат снимков 30Ч30 см

Увеличение наблюдательной системы от 2 до 15Ч

Поле зрения 200 мм

Оптический поворот каждого изображения снимков до 400 g

Допустимая разномасштабность снимка до 1:7,5

Точность отсчета разности продольных параллаксов 0,02 мм

Размеры прибора 126Ч70Ч128 см

Масса прибора 176 кг

Фототрансформатор (ФТМ).

В ходе выполнения проекта существует необходимость выполнить трансформирование топографических аэрофотоснимков с целью преобразования изображения точек местности в заданном масштабе из центральной проекции снимка в проекцию создаваемой топографической карты.

Для данной работы был запроектирован фототрансформатор (ФТМ), разработанный на основе фототрансформатора SEG-4 (фирма “Карл Цейсс Йена”). Он предназначен для трансформирования плановых аэрофотоснимков.

ФТМ выполняет трансформирование аэрофотоснимков по принципу второго рода, т.е. с преобразованием пучка проектирующих лучей. Конструктивной осью является перпендикуляр, проведенный из задней узловой точки объектива к рабочей поверхности прижимного стекла кассеты. Технические характеристики ФТМ даны в приложении 5.

В связи с небольшой массой и возможностью быстро разобрать и упаковать в два специальных ящика ФТМ является транспортабельным прибором.

Экран 1 прибора подвешен к карданной системе 2 и имеет две взаимно перпендикулярные оси вращения, обозначаемые по аналогии с координатными осями аэрофотоснимка. У внешнего кольца карданного подвеса в передних углах крепятся опорные ножки, а дальняя сторона прикреплена к вертикальной стойке 3 фототрансформатора, имеющей внизу два опорных винта. Прибор устанавливается на полу на четыре ножки.

Два наклона экрана осуществляют с помощью двух ручных штурвалов, расположенных слева и справа на передней стороне внешнего кольца карданного подвеса экрана. Левым штурвалом 4 наклоняют экран вокруг оси х, правым штурвалом 5 - вокруг оси y. Для установки экрана в горизонтальное положение в его правом ближнем углу прикреплен круглый уровень.

Над экраном расположен объектив 6, который укреплен на каретке, перемещающейся вверх-вниз по направляющим, расположенным на вертикальной стойке ФТМ. Объектив перемещают с помощью ножного штурвала 7, установленного на полу. Объектив установлен в карданном подвесе и имеет две оси вращения, параллельные осям вращения экрана. Наклон объектива происходит одновременно с наклоном экрана и осуществляется с помощью двух перспективных инверсоров. Объектив снабжен диафрагмой, управление которой производится ручкой, расположенной на передней стенке объектива. При расположении ручки справа диафрагма открыта полностью. Смещая ручку влево, диафрагму закрывают, при этом имеются фиксированные положения, которые можно определить по щелчкам или по шкале, нанесенной на объективе. Под объективом укреплены два светофильтра: красный и желтый.

Над объективом располагается кассета 10, которая находится всегда в горизонтальном положении и может перемещаться вверх-вниз вдоль вертикальной стойки. Это перемещение происходит одновременно с движением объектива по высоте и осуществляется с помощью ленточного масштабного инверсора, расположенного с левой стороны вертикальной стойки.

Кассета имеет две децентрации, параллельные осям вращения экрана: ?x и?y . Децентрация?y вводится с помощью винта 11, расположенного на планке, прикрепленной к направляющим перед кассетой. На правой направляющей нанесена риска, у которой должна устанавливаться передняя стенка кассеты при среднем положении. Децентрация?x вводится перемещением рамки 12 с прикладным стеклом влево - вправо. К рамке слева и справа прикреплены держатели для использования неразрезанного аэрофильма. Для установки рамки в среднее положение ее сдвигают влево - вправо так, чтобы ее края одинаково выступали справа и слева от стенок кассеты.

Над кассетой установлен осветитель 13, состоящий из рефлектора и ртутной лампы. Осветитель укреплен на объективной каретке. Это сделано для того, чтобы диафрагма объектива располагалась в фокусе эллипсоидального рефлектора, в другом фокусе которого расположена лампа. Пространства между осветителем и кассетой, а также кассетой и объективом затянуты чехлами из светонепроницаемой материи, чтобы исключить распространение света вокруг прибора. Для обеспечения доступа к рамке с прижимным стеклом верхний чехол крепится не к кассете, а к специальной рамке, которую поднимают как при установке негатива, так и при замене электролампы.

Рабочими движениями являются три линейных и два угловых:

Масштабное движение с помощью ножного штурвала 7 (установка коэффициента трансформирования к t);

Децентрации негатива на величины: ?y с помощью винта 11 и?x перемещением рамки 12 руками;

наклоны экрана на угол левым ручным штурвалом 4 и на угол правым ручным штурвалом 5 .

Поверки фототрансформатора ФТМ.

В задачу поверок фототрансформатора входит приведение их в рабочее состояние. Выполняют поверки после сборки прибора, а также периодически по мере его эксплуатации.

Для выполнения поверок нужен рамный уровень с ценой деления 30”, который можно прикладывать к вертикальным направляющим и устанавливать на горизонтальные плоскости. Уровень должен быть предварительно поверен. Кроме того, нужны юстировочная шпилька, отвертка, гаечный ключ, штангенциркуль и контрольная сетка.

После того, как будет отрегулировано освещение, в кассету закладывают контрольную сетку, сцентрировав ее по координатным меткам, награвированным на прижимном стекле кассеты .

1. Установка прижимного стекла кассеты и экрана в горизонтальное положение, а вертикальной направляющей - в отвесное положение.

2. Установка главной оптической оси объектива в отвесное положение.

3. Поверка масштабного инверсора.

4. Поверка перспективного инверсора.

Требования к содержанию и точности топографического плана.......................... 7

3. Выбор метода фототопографической съёмки и варианта технологии создания топографического плана………………………………………………………………10

4. Обоснование требований к аэрофотографической съемке………………………11

5. Содержание и основные требования к выполнению полевых работ……………13

6 . Содержание и основные требования к выполнению камеральных

фототопографических работ…………………………………………………………..19

7.Технические характеристики фотограмметрических приборов………………….21

8. Заключение…………………………………………………………………………..22

9. Список литературы…………………………………………………………………23

Введение

Фотограмметрия – это наука, изучающая форму, размеры и пространственное положение объектов по измерениям их фотографических изображений.

Фототопография решает задачу создания топографических карт и планов и построения цифровых моделей местности с использованием материалов фотосъемки. Она является разделом фотограмметрии. Комплекс процессов, выполняемых для создания по снимкам топографических карт и планов, называется фототопографической съемкой.

Главный вид съёмок, применяемый в фотограмметрии при составлении планов и карт всех масштабов - это аэрофототопографическая съёмка. Основными методами создания карт и планов аэрофототопографической съёмки являются комбинированный и стереотопографический. При стереотопографическом способе выполняется только АФС, при комбинированном АФС дополняется наземными видами съёмки.

1.Исходные данные для разработки задания курсовой работы

Задание разрабатывается применительно к созданию топографического плана в масштабе 1:1000 на равнинную местность с углами наклона до 2 0 . Топографический план предназначается для решения архитектурных работ.

2.Требования к содержанию и точности топографического плана.

Требования к точности топографического плана определяются нормативными документами, которыми регламентируется съемка местности. Они зависят от характера местности, масштаба и назначения документа.

Топографические планы – могут быть представлены в графическом виде или в виде цифровой модели местности.

Существует несколько методов для получения топографо-геодезической информации о местности с помощью которой создают цифровые модели.

Мензульный

Тахеометрический или теодолитный

Стереотопографический

Наземный фототопографический (фототеодолитная съёмка)

Комбинированный аэрофототопографический

Высота сечения рельефа на топографических планах при съемке масштаба 1: 1000 в равнинной местности с углами наклона до 2° равна 0.5м.

Точность планов оценивается по расхождениям положения контуров, высот точек, рассчитанных по горизонталям, с данными контрольных измерений.

Средние погрешности (ошибки) в положении на плане предметов и контуров местности с четкими очертаниями относительно ближайших точек съемочного обоснования не должны превышать 0.5 мм.

Средние погрешности съемки рельефа относительно ближайших точек геодезического обоснования, выраженные в долях принятой высоты сечения рельефа, не должны превышать 1 / 4 при съемке в масштабе 1: 1000 в равнинной местности с преобладающими углами наклона до 2° и количество их не должно быть более 10 % от общего числа контрольных измерений.

При определении точек (пунктов) съёмочной сети построением съёмочных

Методы цифровой фотограмметрии

Изображения могут быть представлены, в зависимости от способа их получения, в аналоговой или цифровой форме.

Аналоговая форма изображения предполагает его получение каким-либо образом на физическом носителе – на бумаге, фотобумаге, фотопленке и др. и используется с незапамятных времен. Во многих случаях такая форма является основной, особенно там, где важна юридическая значимость изображения либо если оно необходимо для использования в нестационарных условиях.

Ц и ф р о в а я ф о р м а изображения возникла в связи с потребностью его представления в памяти электронных вычислительных машин, и в настоящее время является одной из основных. Для представления изображения в цифровой форме может использоваться две модели данных: векторная и растровая.

Векторная модель данных применяется для отображения дискретных объектов цифровой карты, плана, составительского оригинала и др. с помощью набора примитивов и их комбинаций – точек, соединяющих их линий, граней, ребер и др. Все точки векторной модели задаются в координатной системе местности.

Растровая модель данных применяется для представления непре­рывных изображений с помощью элементов упорядоченного массива цифровых сигналов, интерпретирующих яркости соответствующих им элементов исходного объекта или изображения. При визуализации этот массив преобразуется в двумерную матрицу, соответствующую плоскости исходного изображения, а элементы массива – в квадратные ячейки одинакового размера, являющиеся наименьшими адресуемыми элементами. Каждый такой элемент, называемый пикселем , соответствует определенному участку исходного объекта (изображения) и характеризуется цветом, яркостью и иными параметрами. Пиксель цифрового изображения является оптически однородным, и внутри его отдельные элементы изображения не выделяются. Экспериментально установлено, что для воспроизведения на цифровом снимке компактного объекта его размер должен быть не менее четырех пикселей.

В фотограмметрии под цифровым изображением понимают его растровую форму, в которой массив цифровых сигналов формируется непо­средственно в процессе съемки с помощью цифровой камеры, либо путем сканирования соответствующего аналогового изображения (аэронегатива, реже – диапозитива).

Растровое изображение строится из составляющих его пикселей, размещаемых построчно слева направо и сверху вниз, а доступ к какому-либо из них осуществляется по номеру соответствующего столбца и строки. Эти величины и используются в качестве координат пикселя в системе с началом в левом верхнем углу и осями, совмещенными с его внешними границами.

Растровые координаты пикселя относятся к его центру, хотя с помощью математического аппарата (например, при переносе со смежного снимка) они могут быть найдены с точностью до доли пикселя. В этих случаях для доступа к пикселю используется целая часть его растровых координат.

При фотограмметрической обработке цифрового изображения необходимо знать физические координаты избранной точки в линейной форме (в мм или мкм). Расчет таких координат выполняется по растровым координатам и известному размеру пикселя.

Цифровые изображения получают двумя способами, один из которых предполагает сканирование полученных в процессе аэрофотосъемки аэронегативов, а второй - непосредственно в процессе съемки, с использованием цифровых съемочных систем (сенсоров). В обоих случаях цифровое изображение формируется с помощью приборов с зарядовой связью (ПЗС) в форме ПЗС-матрицы или ПЗС-линейки с примерно одинаковыми техническими возможностями. При использовании ПЗС-матрицы кадр изображения формируется по схеме, аналогичной фотокамере, в фокальной плоскости которой вместо фотопленки располагается ПЗС-матрица. Применение ПЗС-линейки предполагает сканирование местности или изображения параллельными маршрутами.

Сканирование фотоснимков выполняется с помощью оптико-электронных приборов – сканеров различных конструкций, из которых в топографо-геодезическом производстве применяются только фотограмметрические сканеры планшетного или барабанного типа.

Фотограмметрические сканеры (рисунок 4.16) характеризуются высоким геометрическим разрешением и высокой геометрической точностью, определяемой величиной ошибки сканирования и повторяемостью (изменением ошибки в десяти сканированиях). С их помощью можно сканировать черно-белые (полутоновые) или цветные снимки.

Некоторые фотограмметрические сканеры предусматривают возможность сканирования аэронегативов непосредственно с аэрофильмов, как это и практикуется в фотограмметрическом производстве.

Важнейшим этапом технологии формирования цифрового изображения является эталонирование сканера , особенно в случае, если он не является фотограмметрическим. Сущность эталонирования заключается в сканировании контрольной сетки с нанесенными на нее горизонтальными и вертикальными штрихами, расстояния между которыми известны с точностью 1–2 мкм.

На полученном изображении измеряют растровые координаты крестов контрольной сетки в системе, преобразуют их в линейную меру с учетом заданного геометрического разрешения и сравнивают полученные значения с точными координатами, отсчитанными по контрольной сетке. По найденным разностям координат соответствующих точек строят поле искажений, характеризующее все виды геометрических погрешностей, вносимых сканером в той или иной точке поля сканирования.

В последующем полученные этим сканером изображения могут быть исправлены в соответствии с параметрами поля искажений. Как свидетельствуют публикации, таким способом искажения фотограм­метрического сканера можно уменьшить до 1 мкм.

Цифровые съемочные системы (сенсоры) представляют собой кадровые аэрокамеры или линейные сканеры, ориентированные на получение снимков местности. К особенностям таких камер относится то, что каждый пиксель формируемого изображения занимает строго определенное положение, а их последовательность определяет положение координатных осей измерительной системы, что исключает необходимость «впечатывания» координатных меток и внутреннего ориентирования полученных снимков, как это имеет место при использовании аналоговых аэрокамер.

Современная технология обработки материалов аэрофототопографической съемки предполагает получение цифровых топографических или специальных карт (планов) соответствующего содержания:

Цифровая карта (план) – это карта (план) в цифровой форме, обеспечивающей возможность ее хранения, манипулирования и отображения.

Цифровая модель местности (ЦММ) –совокупность информации о положении, характеристиках объектов местности, связях между ними, а также топографической поверхности, представленные в форме, доступной для обработки на ЭВМ.

Таким образом, цифровая карта (план) – это аналоговая карта (план) в форме базы данных или файла, которые становятся картой только при выводе на экран или при создании твердой копии. При этом математическая основа цифровой карты, проекция, разграфка, точность и др. остаются такими же, как и для соответствующей ей аналоговой карты. В то же время определение ЦММ не содержит привязки ни к какому-либо масштабу, ни к системе координат, ни к разграфке, ни к точности.

Основой для получения цифровых карт (планов) является цифровая модель местности (ЦММ), в составе которой можно выделить цифровую модель ситуации (объектов контуров) ицифровую модель рельефа, которые можно определить следующим образом.

Цифровая модель ситуации (ЦМС) –совокупность информации о плановом положении, характеристиках объектов и связях между ними.

Цифровая модель рельефа (ЦМР) –информация о рельефе местности, представленная совокупностью точек с известными координатами и высотами, связей между ними и способа определения высот новых точек по их известным плановым координатам.

В составе ЦММ выделяется две составляющих:

позиционная (метрика ), формируемая в процессе векторизации и определяющая описание положения объекта, его формы и размеров с по­мощью набора примитивов (точек, линий, дуг и др.);

непозиционная (семантика ), создаваемая с помощью классификатора и определяющая содержание объекта, его свойства и отношения с другими объектами.

Для решения задач цифровой фотограмметрии на современном этапе развития применяются полнофункциональные цифровые фотограмметрические системы, ориентированные на решение всего комплекса задач по созданию топографических и специальных карт и планов, эксплуатируются во многих специализированных топографо-геодезических и изыскательских организациях.

На правах рукописи

Шевчук Станислав Олегович

РАЗРАБОТКА ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОГО СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ АЭРОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Новосибирск - 2014

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»).

Научный руководитель - кандидат технических наук, старший научный

сотрудник

Лапко Александр Петрович.

Официальные оппоненты: Чибуничев Александр Георгиевич,

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждении «Московский государственный университет геодезии и картографии», проректор по международной деятельности;

Серебряков Сергей Владимирович, кандидат технических наук, ЗАО «Центр инженерных изысканий и проектирования «ИнжГео», генеральный директор.

Ведущая организация - Учреждение Российской академии наук

Геофизическая служба Сибирского отделения РАН (ГС СО РАН), г. Новосибирск.

Защита состоится 10 июня 2014 г. в 15 час. на заседании диссертационного совета Д 212.251.02 при ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, ауд. 402.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «СГГА».

Материалы по защите диссертации размещены на сайте ФГБОУ ВПО «СГГА»: http://www.ssga.ru/шain/zaschita_dissertaciy.html

Учёный секретарь

диссертационного совета Середович В. А.

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 28.03.2014. Формат 60x84 1/16. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 29 Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 10. Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 10.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Современные аэрогеофизические исследования всё чаще решают локальные поисковые задачи высокой детализации с крупными масштабами съёмки, в частности 1: 10 ООО, что в значительной мере повышает требования к точности, целостности и частоте фиксации величин навигационно-геодезических параметров.

Появление цифровых съёмочных систем и методов автоматической обработки фотограмметрических измерений создало возможность их применения

для эффективного решения некоторых задач навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизики, трудно реализуемых посредством ГНСС и других методов.

Степень разработанности темы.

При работе над вопросом, связанным с определением истинной высоты путем применения аэрофотосъёмки, рассматривались работы отечественных ученых (Журкин И. Г., Гук А. П., Антипов И. Т., Кашкин В. Г., Никитин В. Н. и др.) и зарубежных ученых (Гонсалес Р., Вудс Р., Прэтт У., Шовенгердт Р. А. и

По вопросам навигационно-геодезического обеспечения геолого-геофизических работ (в частности, аэрогеофизики) посредством ГНСС-технологий опубликован ряд работ, в частности методические разработки, статьи и исследования таких ученых, как Прихода А. Г., Глаголев В. А., Тригубович Г. М., Кагтеницкий А. И., Канторович А. Э., Антонович К. М., Сурнин Ю. В., Щербаков В. В., Войтенко А. В. и др. Из зарубежных авторов, прямо или косвенно занимающихся данным вопросом, могут быть отмечены: Rizos Ch., Hofmann-Wellenhof В., Petrovski I. G., Bisnath S., Leick А. и др.

Задачи исследования:

Предметом исследований является методика навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований, включающая применение технологий ГНСС и разработку фотограмметрического способа и устройства для

определения превышения над земной поверхностью (истинной высоты) выносной электромагнитной платформы.

Научная новизна результатов исследований. Впервые предложен фотограмметрический способ для определения истинной высоты выносной конструкции (платформы) и устройство, реализующее его. Основной особенностью устройства является применение пары камер, синхронно экспонирующих земную поверхность под выносной платформой. Преимуществами данного способа (в частности, в сравнении с применением лазерных высотомеров) является учёт углов наклона выносной конструкции и возможность смещения определяемой точки (в случае наличия препятствий на местности) на снимках.

На защиту выносятся:

Диссертация соответствует паспорту научной специальности 25.00.34 «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по следующим областям исследований:

- № 3: «Теория, технология и технические средства сгущения по аэрокосмическим снимкам геодезических сетей, создания и обновления

топографических, землеустроительных, экологических, кадастровых и иных карт и планов»;

IV Международная конференция «Геодезия. Маркшейдерия. Аэросъёмка. На рубеже веков», г. Москва, гостиница «НовОтель», 14-15 февраля 2013 года;

IX Международный научный конгресс «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013», г. Новосибирск, СГГА, 24-26 апреля 2013 года;

VII Международный форум по спутниковой навигации, г. Москва, Экспоцентр, 24-27 апреля 2013 года.

Основные результаты исследований применялись в ООО «Аэрогеофизическая разведка» при выполнении аэрогеофизических работ на Ванкорском месторождении (инженерные изыскания) и в Курагинском районе Красноярского края (Раздольная площадь). Методика внедрена в производство ООО ГП «Сибгеотех» и в учебный процесс ФГБОУ ВПО «СГГА».

На фотограмметрические способ и устройство для определения истинной высоты выносной аэрогеофизической платформы получен патент на изобретение от 27.02.2014 (Пат. 2508525 Российская Федерация МПК51 GOIC 11/04 GOIV 3/16).

Структура диссертации. Общий объём работы составляет 180 страниц печатного текста. Диссертация состоит из введения, трёх разделов, заключения,

списка литературы, включающего 125 наименований, 2-х приложений. Работа включает 29 таблиц и 56 рисунков.

В первом разделе диссертации рассмотрены задачи навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических работ, в частности с электромагнитным комплексом с выносной платформой «Импульс-Аэро». Исследованы навигационно-геодезические параметры и предложены рекомендации по точности их определения. Указанные величины и точностные рекомендации приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Навигационные и геодезические параметры аэроэлектромагнитной съемки с использованием подвесной платформы

Группа параметров

Назначение при выполнении аэрогеофизических исследований

Параметры навигации носителя (вертолёта)

Навигационные координаты Х„. У„

Высота полёта /;„

Путевая скорость У„

Выдерживание требований технического задания на выполнение съёмки, соблюдение требований безопасности полёта

от 0,8-10 "И (м) до 1,2" 10 "3-т (м)

не хуже 10 м

от 10 до 20 км/ч

Координаты и геодезические высоты вертолёта X¡, У/, Н(

Ввод поправок за влияние фюзеляжа (определение положения системы «вертолёт-платформа») при обработке и интерпретации результатов электромагнитных исследований

Координаты и геодезические высоты ЭМ-платформы Хъ У]. Н>

Обработка результатов электромагнитных исследований; определение относительного положения системы «вертолёт-платформа»

Координаты и геодезические высоты магнитометра Хи, У,„ Н„

Обработка результатов электромагнитных исследований_

не хуже 3-5 м

Редуцированные координаты и высоты центра ЭМ-платформы на топографическую основу

В плане ЬУ

Построение отчётной карты (плана) поискового объекта

Точность применяемой карты

Истинная высота центра приёмной антенны платформы (превышение над земной поверхностью) А

Обработка результатов электромагнитных исследований

от 0,6 до 1 м

Примечание - В графе рекомендуемой точности т - знаменатель масштаба аэрогеофизической съёмки. Требования к точности указанных величин сформированы как на основе соответствующих инструкций, так и получены по результатам геофизических экспериментов._

Рассмотрены требования к детальности указанных параметров и частоте их записи и вывода. Часть из параметров (в частности, параметры навигации носителя) должны выводиться в масштабе реального времени, в то время как остальные величины могут быть получены в процессе камеральной обработки.

В настоящее время позиционирование отдельных элементов аэроэлектромагнитного комплекса производится посредством аппаратуры ГНСС. Методы позиционирования данной аппаратурой определяют два наиболее оптимальных варианта методики навигационно-геодезического обеспечения, предложенные в данной работе: метод относительного позиционирования и точного точечного позиционирования (РРР).

Не решённым до настоящего времени оставался вопрос определения истинной высоты к выносной платформы со среднеквадратической погрешностью (СКП) 1 м и выше.

До сих пор использовалось приближённое значение й, получаемое по измерениям радиовысотомера типа РВ-5 (Л,), находящегося на борту вертолёта, из которого вычиталась высота (Л/г) от фюзеляжа вертолёта до платформы. В итоге истинная высота платформы, получаемая данным способом, имела значительные погрешности за счёт низкой достоверности А1г, низкой точности определения кн посредством РВ-5 (до 5 м), а также несоответствия планового положения носителя и платформы.

Получение величины /г посредством установки на платформу лазерного высотомера также оказалось затруднительно из-за погрешностей, связанных с наличием постоянно изменяющихся углов наклона платформы и наличием препятствий.

Использование результатов измерений аппаратурой ГНСС и данных топографической карты также в большинстве случаев не обеспечивает необходимой точности определения /г.

В итоге был предложен фотограмметрический способ, описанный во втором разделе диссертации.

Второй раздел диссертации посвящен описанию способа и устройства для определения истиной высоты платформы над земной поверхностью с

использованием фотограмметрической системы из двух камер и инерциальной навигационной системы (ИНС).

Теоретической основой способа является применение пары предварительно откалиброванных неметрических фотокамер, закреплённых на выносной платформе и синхронно выполняющих съёмку земной поверхности через заданный период времени. При этом углы наклона платформы, а, следовательно, и камер, и расстояние между камерами - базис В - должны быть известны. Первое условие выполняется с помощью инерциальной навигационной системы, второе - путём выполнения предварительных замеров базиса на земле.

Рассмотрим сущность описываемого метода.

Пусть съёмка производится с двух точек пространства и (точки фотографирования фотокамер 1 и 2 соответственно), расстояние между которыми (базис) - постоянная величина В. Правые системы координат З/Х"/У"^"; и 52Х"2У"2Т2 задаются системой ИНС и ориентированы таким образом, что оси аппликат 2"[ и 2"2 вертикальны (направлены по отвесу), а оси ординат У/ и У"2 направлены на север, рисунок 1,

Пусть Бо - точка, находящаяся в центре базисной линии, соответствующая центру платформы, а точка А - проекция Бо на местность. Главной определяемой величиной для данной системы является расстояние к, равное длине вектора БоА. Величина вектора превышения /г может быть определена как:

где Ха - координата X точки А в заданной системе координат, В2- проекция базиса (вектора Б^г) на ось 2.

В формуле (1) неизвестной величиной является аппликата 2А. Для её получения, и определения искомой величины к строится свободная модель местности по левому и правому снимкам, получаемым одновременно с разных точек пространства. Началом системы координат модели может являться точка Б]. При этом углы наклона базиса приблизительно соответствуют крену и тангажу платформы, то есть измерениям ИНС.

Рисунок 1 - Определение истинной высоты платформы с использованием системы из двух синхронизированных фотокамер

На практике определить 2\ непосредственно по углам, получаемым ИНС, невозможно без вычисления значений угловых элементов внешнего ориентирования левого и правого снимков (си, соь К| и оь, а>2, к2), предварительно выполнив взаимное ориентирование снимков.

Угловые элементы внешнего ориентирования снимков могут быть получены по формулам:

А = -Дццс " Д) ■ А \

А - А ■ А ■ А"

2 ~ Л1ШС Л0 2"

где А/ и А2 - матрицы направляющих косинусов, аргументами которых являются элементы внешнего ориентирования снимков;

А1! и А"т- матрицы направляющих косинусов, определённых через элементы взаимного ориентирования левого и правого снимков базисной системе координат (БСК);

Ао - матрица направляющих косинусов, аргументами которой являются углы поворота БСК относительно плоскости платформы (зависит от углов установки фотокамер).

Далее, используя полученные угловые элементы внешнего ориентирования снимков и известные ХА,УЛ, соответствующие середине базиса, вычисляют значение ZA, например, с использованием автоматизированного алгоритма, выполняющего подбор 2А для которого участки левого и правого снимков с центрами в координатах XI у! и х2уг будут иметь максимальное значение корреляционной функции, например площадной корреляции:

X +".>"1 +т)Р2(х1 + р + п,у, +д + т)

N12-4/2 -ыи-м/г

Р= Ртъ"Ртп +1Ртп +2-Р™,; 9 = 9шт + 1.9™, +2...

где М и N - соответственно ширина и высота образца или пределы участков изображений Р/ и Р2 (образы определяемой точки) левого и правого снимка; р, с/ -значения продольного и поперечного параллаксов, рт,п и соответствуют минимальному значению перебора а ртах и дтгк - максимальному.

Координаты точек дг/ у/ и х2 у2 на левом и правом снимках, являющиеся центрами образов Му.Ы в формуле (3) - соответствующие точки модели с ХА, Ул, ХА (для различных величин ХА в процессе подбора) вычисляются по формулам:

А?ХА+Ь?УА+с?2А. а?ХА+Ъ?УА+с?2А

х = / а?\ХА-Вх) + Ь?\УА-Вг) + с?\гА-Вг).

2 "2 2 а?(ХА-Вх) + Ъ?\УА-Вг) + с«\ХА-ВгУ

а«\ХА-ВХ) + Ь?(УА ~Вг) + С"-2\2а -Вг) (5)

^ а?>(Хл-ВХ) + Ь?(УЛ-Вг) + с?\2л-Вг)"

где а,...,с," - направляющие косинусы, выраженные через угловые элементы внешнего ориентирования левого снимка (он, юь кО;

я,(21,...,Сз2> - направляющие косинусы, выраженные через угловые элементы внешнего ориентирования левого снимка (а2, а2, к2);

//> /2 - фокусные расстояния левой и правой камер;

хо1, Уо1 и хо2> Уо2 - координаты главной точки левого и правого снимков соответственно;

Вх, В у, Вг - проекции базиса на оси X, У, 2.

Формулы (3) и (4) имеют указанный вид, так как в принятой внешней системе координат начало находится в точке фотографирования левого снимка 5/, в следствие чего её кординаты (Х?/, У5/, 231) равны нулю, а координаты точки Б2 (Х$2, Ув2, 7-82) равны соответствующим проекциям базиса на оси X, У, 2.

При этом задается начальная 2?л и диапазон возможных значений величин 2Л. В случае, если X, У полученной точки не соответствуют ХА,Ул более чем на 1 м (можно задать более жёсткие требования), выполняется повторное вычисление х(У/.

Таким образом, обработка снимков осуществляется по известным из фотограмметрии зависимостям и включает:

Ввод в блок обработки данных из блока управления и снимков с фотокамер;

Вычисление составляющих Вх, Ву, В2 базиса В по углам крена (апл), тангажа (сопл) и курса (кпл) платформы во вспомогательной системе координат Б^УХ, задаваемой инерциальной навигационной системой;

Вычисление координат ХА, УА центра 50 подвижной платформы в системе координат Б ¡ХУ2\

Определение элементов взаимного ориентирования (аД кД и2", к2") снимков в базисной фотограмметрической системе координат (например,

с применением автоматических алгоритмов, основанных на применении площадных корреляторов, реализованных в современных цифровых фотограмметрических станциях);

С использованием данных инерциальной системы (апл, ш[ТЛ, кпл) осуществляют переход к вспомогательной системе 5]ХУ2 (вычисление элементов внешнего ориентирования снимков);

После чего на левом и правом снимках по координатам ХА, УА и приближенному значению высоты (ХА) полёта в системе координат 8}ХУ2

вычисляют плоские координаты точки А на обоих снимках (х/, >>/)а и (х2, уг)д доя различных значений ХА и выполняют автоматизированный подбор значения аппликаты с максимальным значением функции площадной корреляции; - по полученным величинам 2А и Вг вычисляется истинная высота /г. Альтернативным способом получения Ъа может являться автоматическое построение цифровой модели рельефа (ЦМР) на территории между точками надирами п/ и п2 па левом и правом снимках с последующим определением по ней искомой величины.

Как уже было отмечено, устройство основано на совместном применении ИНС и пары неметрических фотокамер. Для синхронизации измерений ИНС и моментов получения снимков предлагается использовать автономный кодовый ГНСС-приёмник или информацию с установленной на платформе аппаратуры ГНСС. Запись данных ИНС и блока ГНСС и подачу команды фотографирования должно выполнять устройство управления - микрокомпьютер, устанавливаемый в капсуле платформы. Таким образом, устройство, реализующее описанный способ должно включать следующие блоки:

Две цифровые неметрические фотокамеры (предварительно откалиброванные в лабораторных условиях);

Блок ИНС (трёхосевой МЕМБ-гироскоп и трёхосевой акселерометр, компенсирующий его дрейф);

Блок управления - микрокомпьютер или портативный компьютер, ведущий запись информации с блока ИНС, посылающий камерам команду съёмки (сохраняя при этом метку времени её подачи), которая выполняется посредством исполнительных механизмов;

Блок ГНСС (автономный или в виде информации с внешнего устройства) для синхронизации отсчётов времени блоков ИНС и управления;

Блок обработки - персональный компьютер или ЦФС со специальным программным обеспечением для выполнения камеральной обработки данных съёмки.

Данную систему, учитывая конструктивные особенности платформ серии «Импульс-Аэро», предлагается размещать на платформе на жёстких креплениях, в соответствии с рисунком 2.

Рисунок 2 - Размещение блоков фотографического устройства на платформе

Точность и достоверность определения к данным устройством зависела от следующих факторов (исследованных эмпирически и смоделированных теоретически): погрешности фотограмметрического метода (включающие дисторсию объективов фотокамер), погрешности блока ИНС; погрешности измерения базиса В на земле; погрешности угловой калибровки системы (наличие углов между начальным положением фотокамер и ИНС); деформации платформы; асинхронность экспонирования фотокамерами; погрешности синхронизации системы по времени с другими элементами аэроэлектроразведочного комплекса.

С использованием ряда упрощений, была получена суммарная СКП ти, равная 0,052 м. Такая точность получена для короткофокусных неметрических камер. Для её получения необходимо обеспечить СКП определения углов посредством блоков ИНС и ГНСС тинс не грубее 0°35"; точность установки камер (калибровки системы) тм не хуже 1°; погрешность измерения базиса тв на земле не должна превышать 1,5 см. При расчётах не учитывалась асинхронность срабатывания камер, деформации платформы и погрешность в идентификации соответственных точек (считалась не грубее 1 пикселя).

Для каждого из перечисленных источников погрешностей была предложена модель, позволяющая минимизировать их влияние.

Также в разделе рассмотрено создание действующего прототипа устройства, определяющего истинную высоту Н фотограмметрическим способом. Схема устройства с указанием элементной базы приведена на рисунке 3.

Корпус устройства

Блок ИНС (InvenSense MPU 6050)

MEMS-гироскоп и акселерометр

Блок ГНСС (uBlox NE06N)

Приемник ГНСС

Угловые скорости, линейные ускорения

Антенна ГНСС

Сигнал точного времени

Блок управления

Устройство управления (микрокомпьютер Raspbrerry Pi)

Команда съемки

Исполнительный механизм 1

Исполнительный механизм 2

Нажатие кнопки спуска затвора

Фотокамера 1 (Sony Nex3)

Фотокамера 2 (Sony Nex3)

Фотоснимки

Метки времени фотографирования, данные блока ИНС, данные ГНСС

Блок обработки (ПК со специальным ПО - Equilibrium, PhotoMod, Correlator)

Рисунок 3 - Схема разработанного рабочего прототипа устройства

Макет устройства выполнял все необходимые функции для получения h в процессе аэрогеофизической съёмки. Запись данных с блока ИНС (MEMS-система MPU6050 из трёхосевого гироскопа и трёхосевого акселерометра), автономного блока ГНСС (кодовый приёмник uBlox Neo6N) и подачу команд съёмки на камеры выполнял микрокомпьютер Raspberry Pi. Выполнение команд производилось механическим способом с помощью исполнительных механизмов - миниатюрных сервомашин, управляемых микроконтроллерами. Передача команды от микрокомпьютера к исполнительным механизмам выполнялось посредством 15-метровых кабелей.

Блок обработки действующего макета был представлен программами Equilibrium (разработка сотрудника ФГБОУ ВПО СГГА Никитина В. Н.), ЦФС PhotoMod 5 Lite и специально разработанная автором программа Correlator, выполняющая автоматический подбор ZA посредством площадного коррелятора.

Третий раздел диссертации посвящен экспериментальным исследованиям и практическим испытаниям разработанной методики. В силу комплексности исследований и проведённых работ, третий раздел разделялся на два больших подраздела:

Исследования ГНСС-аппаратуры и методов позиционирования;

Лабораторные исследования и практические испытания рабочего макета устройства, реализующего фотограмметрический способ определения истинной высоты.

Исследования ГНСС-аппаратуры проводились в первую очередь для выбора оптимального метода позиционирования. Особый интерес представлял метод РРР, о применении которого для навигационно-геодезического обеспечения геолого-геофизических работ публикации отсутствовали.

При проведении испытаний использовалась аппаратура NovAtel DL-V3 и Leica Viva GS-10. Обработка результатов измерений производилась в программном комплексе ГНСС NovAtel WayPoint GrafNav. Эксперименты с аппаратурой ГНСС и методами позиционирования включали наземные и лётные испытания.

По результатам наземных экспериментов для получения методом РРР координат с СКП уровня первых дециметров (0,2-0,4 м) в плане и по высоте в режиме статики, необходимая продолжительность измерений должна составлять не менее 30-60 минут. При этом разности между решениями методом РРР по быстрым («Rapid», доступны в Интернете через сутки после сеанса измерений) и окончательных («Final», доступны через 14-21 сутки) файлам точных эфемерид и поправок к часам IGS составляют единицы сантиметров, что позволяет сделать вывод о том, что обработка может производиться по быстрым файлам поправок, доступным уже через сутки после проведения измерений.

При сравнении кинематических данных, обработанных методом РРР и относительным методом отклонения СКП, составили 0,3-0,5 м в плане и до 1 м по высоте (если принять измерения, обработанные относительным методом за истину). Относительное положение антенн двух приёмников, являвшееся контрольной величиной при проведении кинематических испытаний, при обработке как относительным методом, так и РРР, сохранялось на уровне СКП 0,1-0,2 м, что позволило сделать вывод о применимости данного метода к геодезическому обеспечению аэрогеофизического комплекса.

В процессе лётных исследований были испытаны различные места установки антенн спутниковых приёмников. Разности при позиционировании платформы и вертолёта для соответствующих точек треков, полученных относительным методом и РРР, отличались между собой на 0,2-0,3 м в плане и по высоте (при базовых линиях, не превышающих 50 км).

По результатам выполненных работ были сделаны следующие выводы: -метод РРР чувствителен к срывам в наблюдении фазовых циклов, что сделало наиболее эффективным комбинирование методов относительного позиционирования (для обработки кинематических треков) и РРР (для получения координат базовой станции);

Решения, получаемые методом РРР, могут использоваться при наличии сбоев в работе базовой станции с обеспечением необходимой точности.

Следующим этапом экспериментов являлись лабораторные и лётные исследования созданного макета устройства, реализующего фотограмметрический способ получения истинной высоты.

Лабораторные исследования включали в себя определение задержек от подачи команды блоком управления на фотокамеры до выполнения экспонирования 1кам] и 1ксш2 и наземный эксперимент, имитирующий аэросъёмку.

Полученные фотографированием тестового стенда величины гкаМ1 и?ка.,2 составили 496,9 мс и 524,4 мс, однако в работе обеих камер имелась нестабильность от 50 до 100 мс, связаная с неустойчивой работой сервомашин вследствие значительного сопротивления 15-метровых кабелей связи.

Целью следующего наземного эксперимента являлась оценка точности предложенного способа фотограмметрической обработки.

При проведении эксперимента имитировались условия летных работ в статике на земле. Эксперимент подразумевал имитацию съёмки земной поверхности при различных углах наклона платформы.

По измерениям девяти замаркированных точек была получена СКП определения расстояния до них 0,024 м, что соответствовало погрешности 0,12 м в реальных условиях (без учёта асинхронности камер и деформации платформы).

Летные испытания макета устройства, реализующего фотограмметрический способ получения высоты, показали, что в целом инженерные и теоретические решения, применяемые при его создании, позволяют получать непрерывные решения с частотой до 2 с (масштаб съёмки до 1: 10 000).

Всего было исследовано восемь стереопар, полученных при разных углах наклона платформы на различных высотах полёта. Также отличалась степень залесённости участков, отображённых на снимках - от густого леса с просветами между деревьями менее 1 м до лугов с отдельно стоящими деревьями.

Наличие на местности плотного смешанного леса создавало большие трудности в идентификации соответственных точек, необходимых как для выполнения взаимного ориентирования, так и для поиска аппликаты определяемой точки. На снимках, полученных над слабозалесенной (1-П категории сложности) местностью, в специально разработанной программе, корреляция была получена достаточно надежно (рисунок 4). Так как снимки трансформированы по элементам взаимного ориентирования от 2Д (а значит и К) зависела величина только продольного параллакса р, перебор которой выполнялся по формуле (3).

Для такой территории наиболее эффективно использовать площади корреляции от 100x100 пикселей до 200x200. При наличии деревьев (50 % площади снимка и более, Ш-У категории сложности), рекомендуется использовать ручной режим обработки.

Параметры сы В (мм): 14370

Пределы (+- м):

иВводт$ек]У Ы2-Х: 2200 V. 1087

□ ВеоатМ!

N1 -X: 2200У: 1087

Площади корреляции

30x150 -!"■/ 200x200 -Г/|:

Площади корреляции

50x150 - У 200x200 -200x50

Результаты обработки фотоснимков разработанным методом в сравнении с другими, используемыми ранее, показаны в таблице 2.

Таблица 2 - Определение истинной высоты /г по выбранным стереопарам

стереопары

Истинная высота Л, м

Фотограмметрический способ

По измерениям радиовысотомера

По ГНСС-измерениям и высотам карты 1: 50000

Рисунок 4 - Автоматическое определение истинной высоты платформы и графики зависимости коэффициента корреляции от подбираемого значения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате диссертационной работы был выполнен ряд теоретических и практических задач:

Определены задачи навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований, исследованы навигационные и геодезические параметры аэрогеофизического комплекса и требования к точности их определения.

Разработан фотограмметрический способ определения истинной высоты с помощью синхронной съёмки парой неметрических фотокамер и измерений инерциальной навигационной системой. Рассмотрена математическая модель способа, предложены алгоритмы вычислений.

Предложено устройство, реализующее данный способ, выполнен предрасчёт точности, смоделированы погрешности, вносимые различными факторами, разработан алгоритм работ с данным устройством, предложены пути дальнейшего совершенствования.

Усовершенствована методика навигационно-геодезического обеспечения многометодных аэрогеофизических исследований с использованием многометодного аэроэлектромагнитного комплекса с выносной приёмно-генераторной конструкцией с использованием разработанного способа и устройства.

Получена точность порядка единиц сантиметров для статики методом РРР и первых дециметров - для кинематики (при этом результаты измерений относительным методом применялись за истинные значения), предолжено применение метода в комплексной методике.

Создан действующий макет устройства, реализующего фотограмметрический способ определения истинной высоты. Выполнены лабораторные исследования и практические испытания действующего макета разработанного устройства, в результате которых были получены истинные высоты выносной платформы.

Разработанная методика может применяться для навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований, а предложенные

способ и устройство - для определения истинной высоты подвижных объектов, в том числе электромагнитной измерительной платформы.

ДИССЕРТАЦИИ

1 Шевчук, С. О. Навигационное и геодезическое обеспечение аэроэлектромагнитных исследований с подвесной вертолётной платформой [Текст] // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. - 2012. - № 2. - С. 72-75.

2 Навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических исследований [Текст] / Г. М. Тригубович, С. О. Шевчук, А. А. Белая [и др.] // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. - 2013. - № 2. - С.61-69.

3 Кузин, В. И. Фотограмметрический способ и устройство для определения истинной высоты выносной вертолётной платформы аэрогеофизического комплекса «Импульс-Аэро» [Текст] / В. И. Кузин, С. О. Шевчук, В. Н. Никитин // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъёмка. - 2013. - № 4/С. - С. 86-92.

4 Пат. 2508525 Российская Федерация МПК51 G01C 11/04 GOIV 3/16 Фотограмметрический способ определения превышений подвижного объекта над земной поверхностью и устройство для аэрогеофизической разведки, реализующее его [Текст] С. О. Шевчук, В. Н. Никитин, С. В. Барсуков; заявители и патентообладатели: Федеральное Государственное Унитарное Предприятие «Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья», Общество с ограниченной ответственностью Геофизическое предприятие «Сибгеотех» . - 2012139733; заявл. 17.09.2012; опубл. 27.02.2014 - Бюл. № 6. - 11 с.

5 Навигационно-геодезическое обеспечение геолого-геофизических работ с использованием глобальных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS [Текст] / А. Г. Прихода, А. П. Лапко, Г. И. Мальцев, С. О. Шевчук // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. - С. 174-180.

6 Шевчук, С. О. Исследование метода точного точечного позиционирования для геодезического обеспечения геолого-геофизических работ [Текст] / С. О. Шевчук // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия»: сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). -Новосибирск: СГГА, 2012. Т.2. - С. 251-258.

7 Шевчук, С.О. Применение метода точного точечного позиционирования (РРР) для геодезического обеспечения аэроэлектроразведочных работ [Текст] / С. О. Шевчук, Н. С. Косарев // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия»: сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГТА, 2012. Т.2. - С. 239-244.

8 Шевчук, С. О. Фотограмметрический способ получения истинной высоты выносной вертолётной платформы [Текст] / С. О. Шевчук, В. Н. Никитин // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII междунар. науч. конгр. 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск: сб. молодых ученых СГГА. - Новосибирск: СГГА, 2012. -С. 96-101.

9 Шевчук, С. О. Способы определения истинной высоты аэрогеофизической вертолётной электроразведочной платформы [Текст] / С. О. Шевчук, В. Н. Никитин // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология»: сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т.1. - С. 74-82.

10 Шевчук, С. О. Факторы, влияющие на точность определения истинной высоты выносной вертолётной платформы аэрогеофизического комплекса «Импульс-Аэро» [Текст] // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. (23). - С. 34-46.

11 Шевчук, С.О [Текст] Алгоритм определения пространственных углов аэрогеофизической платформы/ С.О. Шевчук, Н.С. Косарев // Вестник СГТА -2013. - Вып. (24). - С. 37-47.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Шевчук, Станислав Олегович, Новосибирск

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

(ФГБОУ ВПО «СГГА»)

На правах рукописи

Шевчук Станислав Олегович

РАЗРАБОТКА ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОГО СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ АЭРОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

25.00.34 - «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, ст. научный сотрудник Лапко Александр Петрович

Новосибирск - 2014

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

1 НАВИГАЦИОННО-ГЕОДЕЗИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

АЭРОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................13

1.1 Задача навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических работ 13

1.1.1 Геофизические методы исследования недр. Аэрогеофизика...........................13

1.1.2 Навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических работ...........14

1.2 Методы спутниковых измерений, применяемые при навигационно-геодезическом обеспечении геофизических работ....................................................17

1.2.1 Существующие и разрабатываемые глобальные спутниковые навигационные системы...........................................................................................................................17

1.2.2 Методы спутникового позиционирования.........................................................18

1.3 Топографо-геодезическое обеспечение аэрогеофизических работ....................22

1.4 Навигационно-геодезическое обеспечение многометодного аэрогеофизического комплекса....................................................................................24

1.4.1 Аэроэлектроразведочный комплекс «Импульс-Аэро».....................................24

1.4.2 Определяемые навигационные и геодезические параметры...........................27

1.4.3 Требования к точности определения навигационных и геодезических параметров......................................................................................................................29

1.5 Способы определения навигационных и геодезических параметров аэроэлектромагнитных исследований.........................................................................37

1.5.1 Определение параметров навигации носителя..................................................37

1.5.2 Определение геодезических координат и высот вертолёта, платформы и магнитометра..................................................................................................................40

1.5.3 Получение редуцированных координат магнитометра и платформы............43

1.5.4 Определение истинной высоты (превышения над земной поверхностью) выносной платформы....................................................................................................48

2 РАЗРАБОТКА СПОСОБА И УСТРОЙСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕВЫШЕНИЙ РАЗВЕДОЧНОЙ ПЛАТФОРМЫ НАД ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ...................55

2.1 Способ получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью.................................................................................................................55

2.1.1 Теоретическое обоснование способа получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью..............................................................................55

2.1.2 Устройство, реализующее способ получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью..............................................................................65

2.1.3 Априорный расчет точности способа и устройства. Факторы, понижающие точность системы. Расчёт поправок............................................................................68

2.1.4 Алгоритм выполнения работ с использованием способа и устройства для получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью..............81

2.1.5 Преимущества, технические ограничения и пути усовершенствования описанных способа и устройства.................................................................................82

2.2 Разработка рабочего макета (прототипа) устройства, реализующего способ получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью..............84

2.2.1 Макет разрабатываемого устройства.................................................................84

2.2.2 Критерии выбора аппаратуры, входящей в состав создаваемого прототипа устройства......................................................................................................................85

2.2.3 Выбор фотокамер, используемых в разрабатываемом устройстве.................87

2.2.4 Выбор устройств для блоков ИНС и ГНСС.......................................................92

2.2.5 Разработка блока управления. Создание объединенного блока......................93

2.2.6 Организация блока обработки...........................................................................100

2.3 Методика навигационно-геодезического обеспечения аэроэлектромагнитных

исследований, включающая в себя разработанные способ и устройство.............100

3 ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ НАВИГАЦИОННО-ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

АЭРОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................102

3.1 Испытания методов ГНСС-измерений, применяемых при навигационно-геодезическом обеспечении аэроэлектроманитных исследований........................102

3.1.1 Постановка задачи испытаний методов ГНСС-измерений............................102

3.1.2 Исследуемая ГНСС-аппаратура........................................................................103

3.1.3 Наземные исследования методов позиционирования в режиме статики.....104

3.1.4 Наземные исследования методов позиционироваиия в кинематическом режиме..........................................................................................................................108

3.1.5 Лётные испытания аппаратуры и методов позиционирования.....................113

3.1.6 Выполнение навигационно-геодезического обеспечения геофизических исследований в Курагинском районе Красноярского края.....................................119

3.2 Лабораторные исследования рабочего прототипа устройства, реализующего получение истинной высоты платформы фотограмметрическим способом........128

3.2.1 Исследование синхронности камер в макете устройства..............................128

3.2.2 Точность определения расстояний макетом устройства в статике...............130

3.3 Испытания рабочего макета устройства, реализующего фотограмметрический способ получения истинной высоты платформы....................................................134

3.3.1 Подготовка испытаний......................................................................................134

3.3.2 Настройки фотокамер и устройства управления. Выполнение съёмки.......136

3.3.3 Получение истинной высоты посредством рабочего макета разрабатываемого устройства....................................................................................138

3.3.4 Выводы по выполненным испытаниям............................................................152

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................154

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................156

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ И ЗАРУБЕЖНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ И ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ ГЛОНАССЛЗР8

АППАРАТУРЫ................................................................................170

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное) ИССЛЕДУЕМЫЕ ФОТОСНИМКИ (УМЕНЬШЕННЫЕ)........................................................................... 177

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В настоящее время при геофизической разведке широко применяются методы сбора геофизической информации с использованием летательных аппаратов, позволяющие получать параметры строения различных слоев земной коры дистанционно, с меньшими экономическими затратами. Методы аэрогеофизической разведки эффективно применяются при изучении земных недр, поиске как твёрдых, так и нефтегазовых полезных ископаемых, мониторинге разработки месторождений и решении широкого круга поисково-оценочных и инженерных задач. Значительное повышение экономической эффективности данных работ достигается применением многометодных систем, выполняющих комплексные измерения различных полей Земли (электрического, магнитного, электромагнитного поля, поля силы тяжести, радиационного, теплового), в том числе одновременно.

Одной из наиболее значимых задач аэрогеофизики (наряду с проблемами обработки и интерпретации геофизической информации) является получение пространственных данных аэрогеофизической съёмки - выполнение навигационного и геодезического обеспечения, в частности - параметризация съёмки (определение необходимых навигационных и геодезических параметров).

Современные аэрогеофизические исследования всё чаще решают локальные поисковые задачи высокой детализации с крупными масштабами съёмки, в частности 1:10 ООО, что в значительной мере повышает требования к точности, целостности и частоте фиксации величин навигационно-геодезических параметров.

В настоящее время в связи с развитием технологий спутникового позиционирования, для решения задач координатного обеспечения и навигации широко используются методы, основанные на применении глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Ранее для решения данных задач применялись методы аэрофотосъёмки и радиогеодезии.

Появление цифровых съёмочных систем и методов автоматической

обработки фотограмметрических измерений создало возможность их применения для эффективного решения некоторых задач навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизики, трудно реализуемых посредством ГНСС и других методов.

При навигационно-геодезическом обеспечении аэроэлектромагнитных исследований одной из задач параметризации является точное определение истинных высот (превышений над земной поверхностью) выносных конструкций (платформ или гондол), для чего может применяться фотограмметрический метод.

Учитывая появившиеся в последнее время новые технологии и программные средства, может быть разработана комплексная методика по навигационно-геодезическому обеспечению, включающая в себя перечень работ по навигационно-геодезическому обеспечению аэрогеофизических исследований, рекомендованное программно-аппаратное обеспечение для них, а также позволяющая варьировать некоторые технологические звенья.

Разработанная методика, включающая фотограмметрический способ и устройство для определения истинной высоты выносных конструкций, может в значительной мере повысить качество выполняемых аэрогеофизических работ.

Степень разработанности темы.

При работе над вопросом, связанным с определением истинной высоты путем применения аэрофотосъёмки, рассматривались работы отечественных ученых (Журкин И. Г., Гук А. П., Антипов И. Т., Кашкин В. Г., Никитин В. Н. и др.) и зарубежных ученых (Гонсалес Р., Вудс Р., Прэтт У., Шовенгердт Р. А. и ДР-)-

По вопросам навигационно-геодезического обеспечения геолого-геофизических работ (в частности, аэрогеофизики) посредством ГНСС-технологий опубликован ряд работ, в частности методические разработки, статьи и исследования таких ученых, как Прихода А. Г., Глаголев В. А., Тригубович Г. М., Каленицкий А. И., Канторович А. Э., Антонович К. М., Сурнин Ю. В., Щербаков В. В., Войтенко А. В. и др. Из зарубежных авторов, прямо или

косвенно занимающихся данным вопросом, могут быть отмечены: Rizos Ch., Hofmann-Wellenhof В., Petrovski I. G., Bisnath S., Leick А. и др.

Целью исследования являлось усовершенствование методики навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических работ с электромагнитным разведочным комплексом с подвесной вертолётной платформой, включая решение задачи получения её высоты над земной поверхностью фотограмметрическим способом.

Применение разрабатываемой методики при проведении детальных комплексных аэрогеофизических исследований повышает точность и достоверность определения параметров физических полей Земли и, как следствие, выделения (локализации) поисковых объектов.

Задачи исследования:

Конкретизация задач навигационно-геодезического и топографического обеспечения аэрогеофизических работ и методов их решения, анализ определяемых навигационно-геодезических параметров при выполнении многометодных аэрогеофизических съёмок, исследование необходимой точности их определения;

Разработка фотограмметрического способа определения превышений выносной вертолётной платформы (приёмно-генераторной конструкции) над земной поверхностью (истинной высоты);

Разработка методики навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических работ с обоснованием выбора аппаратуры, методов измерений и программного обеспечения для навигационно-геодезического сопровождения аэрогеофизической съемки и обработки результатов спутниковых измерений;

Создание рабочего макета устройства, реализующего способ определения превышений выносной вертолётной платформы и его испытания.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования диссертационной работы является навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических работ.

Предметом исследований является методика навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований, включающая применение технологий ГНСС и разработку фотограмметрического способа и устройства для определения превышения над земной поверхностью (истинной высоты) выносной электромагнитной платформы.

Научная новнзна результатов исследований. Впервые предложен фотограмметрический способ для определения истинной высоты выносной конструкции (платформы) и устройство, реализующее его. Основной особенностью устройства является применение пары камер, синхронно экспонирующих земную поверхность под выносной платформой. Преимуществами данного способа (в частности, в сравнении с применением лазерных высотомеров) является учёт углов наклона выносной конструкции и возможность смещения определяемой точки (в случае наличия препятствий на местности) на снимках.

Усовершенствована методика навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований с использованием подвесной электромагнитной платформы, обеспечивающая параметризацию электромагнитных измерений с необходимой точностью, надежностью и частотой (периодичностью).

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанная методика, включающая определение высоты фотограмметрическим способом, обеспечивает определение навигационно-геодезических параметров аэрогеофизической съёмки с необходимой точностью и в значительной мере повышает качество и эффективность аэрогеофизических исследований.

Методология и методы исследований. Выполненные исследования базировались на анализе научной и технической литературы, нормативных документов и выполнении экспериментальных работ.

Для решения поставленных задач применялись:

Теория математической статистики;

Теория фотограмметрической обработки пары снимков;

Теория математической обработки геодезических измерений;

Методы математического моделирования.

Применялись методы фотограмметрии, геодезии, обработки данных аэрофотосъёмки, геоинформатики, спутниковой навигации.

При выполнении исследовательских и практических работ применялось следующее программное обеспечение:

Программа для обработки спутниковых измерений NovAtel WayPoint GrafNav;

Среды разработки программ Borland Delphi, IDE Lazarus, Free Pascal;

ГИС Maplnfo, Garmin MapSource;

Вычислительная среда программирования Equilibrium;

Разработанная методика была испытана на практике (на нефтепроводе Ванкорского месторождения в Ямало-Ненецком автономном округе и в Курагинском районе Красноярского края). Предложенное фотограмметрическое устройство, включающее в себя пару неметрических камер, инерциальную навигационную систему и микрокомпьютер, было представлено и испытано в лабораторных и лётных условиях в виде рабочего макета.

На защиту выносятся:

а) разработанные фотограмметрические способ и устройство обеспечивают определение истинной высоты выносной аэрогеофизической платформы с необходимой точностью;

б) предлагаемая комплексная методика навигационно-геодезического обеспечения аэроэлектромагнитных исследований с использованием выносной электромагнитной платформы решает задачу определения необходимых навигационных и геодезических параметров.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертация соответствует паспорту научной специальности 25.00.34 «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по следующим

областям исследований:

- № 3: «Теория, технология и технические средства сгущения по аэрокосмическим снимкам геодезических сетей, создания и обновления топографических, землеустроительных, экологических, кадастровых и иных карт и планов»;

- № 5: «Теория и технология получения количественных характеристик динамики природных и техногенных процессов с целью их прогноза».

Степень достоверности и апробация. Основные положения и результаты научного исследования докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и конгрессах:

VII Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2011», г. Новосибирск, СГГА, 19-29 апреля 2011 года;

VIII Международный научный конгресс «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012», г. Новосибирск, СГГА, 10-20 апреля 2012 года;

IV Международная конференция «Геодезия. Маркшейдерия. Аэросъёмка. На рубеже веков», г. М