Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Географічний факультет

кафедра геодезії і картографії

Конспект лекцій з дисципліни

«ФОТОГРАММЕТРІЯ»

Укладач: к.т.н., доц. Білоус В.В.

Фотограмметрія (phonos – світло, gramma – запис, metreo - вимірюю)–

наука про визначення кількісних і якісних характеристик об’єктів

безконтактними (дистанційними) методами за їх фотографічними

зображеннями-фотознімками.

Дистанційне зондування (ДЗ) (фр. sonder – досліджувати, розвідувати;

лат. distantia – відстань, дистанція) - процес вивчення закономірностей

побудови та розвитку географічної оболонки Землі який включає комплекс

заходів і засобів для збору інформації про об'єкт, територію або явище без

безпосереднього контакту з ним.

ВИЗНАЧЕННЯ

ДИСТАНЦІЙНЕ ЗОНДУВАННЯ ЗЕМЛІ

ФОТОГРАММЕТРІЯ

Повітряний сегмент Наземний сегмент Космічний сегмент

Фототеодолітна

зйомка

Фотозйомка аналогова, цифрова

Ехолокація

Фотозйомка Видимий діапазон

Мультизональна

фотозйомка

Фотозйомка ІЧ діапазон

Спектрозональна фотозйомка

Аерофотозйомка

Спектрозональна фотозйомка

Цифрова

фотозйомка

Цифрова

фотозйомка

Лазерене

скануваня Голографія

Класифікація методів зйомки

Активні методи використовують прилади,

що генерують спрямоване на об’єкт.

Відбитий сигнал сприймається бортовими

приймачами. До активних методів зйомки

належить радіолокаційна зйомка , лазерна

зйомка, голографія, ехолокація.

d

Пасивні методи зйомки

використовують власне

випромінювання об’єкта. До них

належать: візуальні

спостереження, фотографічні,

телевізійні, геофізичні зйомки.

Fг

β

x X

D

b

a B

A

fo fo

F1 F2

g1 g2

S2 S1

III I

IV

II

β

На головній оптичній осі об’єктива розміщуються дві вузлові точки передня - S1 і задня - S2.

Площини I i II, що проходять через вузлові точки об’єктива під прямим кутом до головної

оптичної осі, називаються головними пердньою і задньою площинами об’єктива. Промені, які

входять в об’єктив паралельно до головної оптичної осі об’єктива, збираються в точці яка

називається головним фокусом об’єктива. На головній оптичній осі існує два головних фокуса:

пердній F1 і задній F2. Площини, що проходять через головні фокуси перпендикулярно до

головної оптичної осі, називаються головними фокальними площинами об’єктива: передня

ІІІ і задня ІV. Відстань fo від передньої (задньої) вузлової точки об’єктива до переднього

(заднього) головного фокуса, називається головною фокусною відстанню об’єктива.

Об’єктив 1

DfFг

111

0

о

ог

fD

fDF

Формула лінзи

Гіперфокальна відстань

Об`єктиви сучасних АФА являють собою багатолінзові системи, в яких кількість лінз доходить

до 10-15 й більше. Така велика кількість лінз необхідна для виключення різних аберацій.

Ідеальний об’єктив задовольняє наступним умовам: пучок променів, який виходить з однієї

точки (гомоцентричний пучок) залишається гомоцентричним після проходження об’єктива;

площина, перпендикулярна до оптичної осі, зображається також перпендикулярною до цієї осі;

зображення плоского об’єкта, розміщеного перпендикулярно до оптичної осі, подібне до самого

об’єкту.

Кутом поля зору об`єктива (2) називають частину зображення, яка задовольняє вимозі щодо

якості зображення.

Фактично лінійне збільшення в площині знімка не є постійним через похибки виготовлення

об`єктива, що призводить до порушення подібності зображення в площині знімка. Це

спотворення називають дисторсією об`єктива. Дисторсія у сучасних об`єктивів знаходиться в

межах 0,005-0,04 мм. Зображувальні й метричні якості знімка залежать від багатьох факторів.

Під роздільною здатністю об`єктива розуміють його спроможність давати роздільне

зображення двох близько розташованих точок або ліній. Роздільна здатність оцінюється числом

роздільно зображених ліній, що приходиться на 1 мм (лін/мм). У наш час якість об`єктивів й

зображення оцінюється за частотно-контрастною характеристикою (ЧКХ) й фазочастотною

характеристикою (ФЧХ), де ЧКХ - залежність між роздільною здатністю й контрастом

зображення, а ФЧХ - міра порушення ортоскопічності об`єктива. Дисторсія у сучасних

об`єктивів знаходиться в межах 0,005-0,04 мм.

Об’єктив 2

Воно має форму, що наближається до кулі і складається із

трьох оболонок. Зовнішня захисна оболонка ока (склера) 1 у

передній своїй частині переходить у тонку й прозору роговицю

10. Під склерою перебуває судинна оболонка 2, що переходить

у непрозору райдужну оболонку 9. Попереду райдужної

оболонки перебуває зіниця 11 (отвір зі змінним в межах 2-8

мм діаметром). Він відіграє роль діафрагми й регулює кількість

світлових променів які поступають в око. Третя (внутрішня)

оболонка 3 називається сітківкою й складається з

фоторецепторів - великої кількості світлочутливих елементів

(колбочок і паличок), що передають своє роздратування через

нервову систему в мозок людини. Палички чутливі до слабкого

освітлення, колбочки - до яскравого світла й мають чутливість

до кольору. Місце входження зорового нерва в сітківку зветься

сліпою плямою 7, тому що воно не має колбочок і паличок, а,

отже, і не реагує на світлове роздратування. У середині

сітківки напроти зіниці перебуває жовта пляма 4, що є

найбільш чутливою частиною сітківки. Центральне

поглиблення жовтої плями 5 складається з одних колбочок.

Діаметр западини жовтої плями становить приблизно 0,4 мм,

діаметр колбочки приблизно 2 мкм.

В передній частині ока за зіницею розташований кришталик

12, що представляє собою двоопуклу лінзу. Він будує на

сітківці дійсне, зменшене й зворотне зображення

спостережуваного об’єкта. Таким чином, його призначення

аналогічно об’єктиву фотоапарата. Сітківка відіграє таку ж

роль, як і ПЗЗ матриця фотокамери.

1 2 3 4

5

6

7 8

9

10

11

12

13

Будова ока

O K

h k

h k

κ

α

E

t p

p

α v

V

T

Q

S

i

h i

h i

n

C N

c

P

t p

ω

ЛНЗ

o

Основні площини, лінії і точки перспективи

ЛПН

Т - предметна площина, на якій розміщуються

об’єкти, місцевість, тощо); Р - картинна площина,

на яку проектується зображення (знімок - р

розміщується в картинній площині); Е – площина

істинного горизонту; V - площина головного

вертикалу; Q - площина картинного горизонту;

ЛНЗ – лінія напрямку знімання ; ЛПН – лінія

польоту носія; tt – основа картини; vv - головна

вертикаль; hihi - лінія істинного горизонту; hкhк-

лінія картинного горизонту; So – головний промінь

(у фотоапараті головна оптична вісь об'єктива); -

поздовжній кут нахилу знімка; - поперечний кут

нахилу знімка; - кут повороту знімка навколо

головного променя; О, o - головна точка знімка; N, n

- точка надира; C, c – точка нульових спотворень. i -

точка перетинання лінії істинного горизонту з

головною вертикаллю називається головною

точкою сходу на картинній площині; К - головна

точка сходу на предметній площині; So - фокусна

відстань камери f; SN - висота фотографування Н.

v

О

1. Перспективним зображенням будь точка місцевості, наприклад, А, є точка а і притому єдина/ Будь-якій

точці знімка, наприклад, а відповідає незліченна безліч точок місцевості A, A1 і т.д.

2. Перспективним зображенням будь-якої прямої простору, наприклад ВC, що не проходить через центр

проекції, є пряма bc, і притому єдина. Але вона зобразилася б точкою, якби розташовувалася на

проектують промені, наприклад пряма DK і крапка d (або k). Будь-якому відрізку на знімку, наприклад bc,

відповідає незліченна кількість відрізків місцевості BC, B1C1 і т.д.

3 . Зображення будь-якої системи взаємно паралельних прямих простору , наприклад AB CD і т.д. ,

сходяться на знімку в одній точці i , яка називається точкою сходу . Для того , щоб її отримати необхідно з

центру проекції провести проектуючий промінь паралельно системі прямих простору. Там , де він перетне

площину знімка і знаходиться точка сходу. Будь-яка система прямих ліній , паралельних площині знімка ,

має точку сходу в нескінченності. Якщо паралельні прямі знаходяться на місцевості ( в площині основи) ,

то точка сходу їх зображень розташована на лінії hi hi дійсного горизонту .

Властивості центральної проекції

i

a

b

c

d

A

B

C

D

S

S

C

B

K

D

A

P

c

b

a k

d C1

B1

A1

tg fon

2tg

foc

ctgi fo

sini fS

р%

вх

Оп Ол

Л П О1

О2

ву

q%

а б

координатні мітки

ly

lx

Перекриття знімків

А

Елементи зовнішнього

орієнтування –XS,YS,ZS,α,ω,κ

Системи координат

Sx,y,z

у

х О(х0 ,у0 )

fк

S0

Zф

Xф

Yф

ω

α

Hг Xг

Yг Sг

Елементи внутрішнього

орієнтування – fк, x0 ,y0

Плоска система координат

знімка xoy

Просторова фотограмметрична

система координат Xф Yф Zф Геодезична система координат XГ YГ ZГ

Sx,y,z

ly x0 ,y0 x

fк

y α

ω

κ

lх

а

XА

YА

ZА

H

А

хл хп

В

р

Л

П

В′

хл

Z

(H)

f X

Z

(H)

Зв’язок координат точок місцевості і знімка

X

Y

y

X

x

Z

f лл

лxf

ZX

лyf

ZY

пл xxp

p

xBX

p

yBY

p

zBZ

t

t

t

t

t

t

Sп Sл о

О

а

Поздовжній паралакс – різниця абсцис

зображень лівому і правому знімках.

Поздовжній паралакс – базис в масштабі знімка.

Залежність координат точок горизонтального знімка і місцевості випливає із співвідношень в

подібних трикутниках АSлО, а Sло. Формули показують, що для визначення координат X і Y

потрібно додатково вимірювати координату Z. Спосіб одного знімка використовують для

визначення планового положення контурів рівнинної місцевості. У випадку великих перевищень

на місцевості для визначення планово-висотного положення точок використовують стереопару

горизонтальних знімків які виконані з точок рознесених на деяку відстань В – базис. Якщо

знімки виконані з кутами нахилу їх координати трансформують в горизонтальні знімки.

t t t

у

О

fк(zt)

х

хt уt

а

Sx,y,z

у

О

fк(zt)

х

Sx,y,z

κ

у

О

fк(zt)

х

Sx,y,z

у

О

fк(zt)

х

Sx,y,z

α

Зв’язок координат нахиленого і горизонтального знімків

При виконанні аерофотозйомки строго горизонтальні знімки

отримати практично неможливо, тому переходять від коор-

динат нахиленого знімка x , y до координат горизонтального

знімка xt , yt . Такий процес називають трансформуванням

координат, а координати – трансформованими. Залежність

між координатами точки в двох системах має вигляд:

CosSina

CosSinSinSinCosa

SinSinSinCosCosa

3

2

1

Sinb

CosCosb

SinCosb

3

2

1

CosCosс

CosSinCosSinSinс

SinSinCosCosSinс

3

2

1

де a, b, c – направляючі косинуси кутів

α,ω,κ, вигляд яких (96 варіантів)

залежить від системи координат (права

чи ліва), напрямку і порядку повороту.

S

α

A

c a

zt=f zt

′

xt

xt′

zcycxcz

zbybxby

zayaxax

t

t

t

321

1

321

1

321

1

1

1 t

t

tt x

z

zx

t

t

t

t

z

z

x

x 11

x=x-x0

y=y-y0

z=-f

1

1 t

t

tt y

z

zy

Окремі випадки зв’язку координат нахиленого і горизонтального знімків

tS

S xf

ZZXX

tS

S yf

ZZYY

SinxfCosCosxSinfHX /)(

SinxfCosHyY /

Початок координат в точках o і N (α>0,ω==0)

Початок координат в точках o і О (α>0,ω==0)

)/( SinxfCosHyY

)(/ SinxfCosCosHxX

Початок координат в точках с і С (α>0,ω==0)

)/( SinxfHxX

)/( SinxfHyY

Формули обчислення

просторових координат по

виміряним координатам

нахиленого знімка

Геометричний аналіз аерознімка. Масштаб аерознімка.

Спотворення які обумовлюють відмінність нахиленого знімка від

горизонтального викликані його нахилом, а відмінність

горизонтального знімка від ортогонального плану – перевищеннями

точок місцевості і кривизною поверхні Землі. Масштаб зображення

плоскої місцевості на горизонтальному аерознімку – величина

постійна.

H

f

Y

y

X

x

L

l

m

1

На нахиленому аерознімку внаслідок перспективних

спотворень масштаб може бути охарактеризований

відношенням безмежно малих відрізків на знімку і

місцевості.

22

221

dYdX

dydx

dL

dl

m

h

n

H

f

mm hv

11Масштаб горизонтального

аерознімка (α==κ=0)

Масштаб в головній точці

(α>0,=κ=0, x0 = y0 =0)

Геометричний аналіз аерознімка. Масштаб аерознімка.

Sin

f

x

H

f

m

c

h

11

2

11

Sin

f

x

H

f

m

c

v

Початок координат на

знімку і місцевості

знаходиться відповідно

в точках с і С

Початок координат на

знімку і місцевості

знаходиться відповідно

в точках о і О

Sin

f

xCos

H

f

m

o

h

1

2

1

Sin

f

xCos

H

f

m

o

v

CosH

f

mh

1

Масштаб в точці нульових

спотворень

Масштаб в точці надира

(α>0,=κ=0, x0 = ftgα

HCos

f

mh

1

21

HCos

f

mv

21

CosH

f

mv

hn

I n c

hc

hc

o

h

o

ho

Нахилений аерознімок горизонтальної місцевості не можна вважати планом. Під впливом кутів

нахилу масштаб такого знімка різний для різних точок. Для отримання плану по нахиленому

аерознімку його потрібно трансформувати в горизонтальний і привести до заданого масштабу.

Масштаб аерознімка. Вектори зміщень точок

n c o

ho

ho

Зміщення за рахунок рельєфу

S

A0

r0

f

A

a

r

H-h

H

о

O,N

R

0rrrh

H

f

R

r0

H

fRr 0

hH

fRr

h

hH

f

R

r

HhH

hRfrh

)(

H

rhrh

(1)

(2)

(3)

(4) (5)

Зміщення за рахунок нахилу знімка

S

α

c a

f

O

R

C A

r0

0rrr (1) )/( SinxfHxX

)/( SinxfHyY (2)

2

22222 )(

xSinf

HyxYXR (3)

)( 222 yxr (5) rSinx (4)

φ

r

SinrSinf

rHR

(6)

H

H

f

R

r0 (7)

H

fRr 0

(8)

SinrSinf

rfr

0 (9)

SinrSinf

SinSinrr

2

(10)

0r

rfSinrSinf (11) (12)

f

SinSinrrr

0f

SinSinrr

2

(13)

p

xBX

p

yBY

p

zBZ

Аерофотозйомка. Точність визначення просторових координат.

xf

ZX

yf

ZY

222

x

m

f

m

Z

mYm xfz

Y

222

x

m

f

m

Z

mXm xfz

X

2

2

2

2

2

2

2

pxBX mBf

xZm

f

Zm

Bf

Zxm

2

2

2

2

2

2

2

pyBY mBf

Zym

f

Zm

Bf

Zym

2

22

2

2

2

2

pfBZ mBf

Zm

f

Zm

B

Zm

pZ mBf

Zm

2

pZ Мmm 10

1) 2)

3) 4)

5)

6)

Стереоскопічні спостереження

Спостереження моделі з розділенням

каналів за допомогою стереоскопа

Стереоскопічні спостереження

Спостереження моделі з розділенням

каналів анагліфічним методом

Спостереження моделі з розділенням

каналів абтюраторним методом

Стереоскопічні спостереження

р%

вх

Оп Ол

Л П О1

О2

ву q%

а б

Рис. 3.35. Перекриття знімків.

ly

lx

Фотоплівки

1 2 3 4 5 6

7

8

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4

5

Чорно-біла фотоплівка Кольорова

фотоплівка

Спектрозональна фотоплівка

При чорно-білому фотографуванні

використовують ізопанхроматич-

ну плівку, емульсія якої чутлива до

всіх променів вдимої зони спектра.

Фіксується яскравість об`єктів в

широкому діапазоні довжин хвиль

(0,40-0,80 мкм). Об`єкти, що

мають однакову інтегральну

яскравість, але різний колір,

наприклад, з синім або з червоним

відттінком, на знімку не

розрізняються.

1 - захисний шар, 2 - ізопанхро-

матичний світлочутливий шар, 3-

підшар, 4 - плівка - основа, 5 –

протиореольний шар.

Після експонуваня в кожному шарі

отримують скрите зображення. Після

проявки негатив отримує у верхньому шарі

замість синього - жовтий колір; у

середньому - замість зеленого – пурпур-

ний, а в нижньому - замість червоного –

блакитний. Кольорове зображення об`єкта

на негативі пофарбо-ване не в натуральні,

а в додаткові кольори.

1 - захисний шар, 2 - інфрахроматичний

світлочутливий шар, 3 - панхроматичний

світлочутливий шар, 4- підшар, 5 - плівка -

основа, 6 – протиореольний шар.

1 - захисний шар, 2 - світлочутливий шар (синій)

, 3- жовтий фільтруючй шар, 4 - світлочутливий

шар (зелений), 5 - світлочутливий шар (червоний), 6 - підшар, 7 - плівка - основа, 8 – протиореольний

шар.

Після фотографування й прояв-

лення на негативі отримують два

окремих зображення. Об`єкти

місцевості, що відбивають про-

мені видимої зони спектра, зо-

бражаються у пурпурному кольо-

рі, а об`єкти, що відбивають

промені інфрачервоної зони

спектра - у зелений. Для об`єктів,

які відбивають промені у двох

зонах спектра, кольори дадуть

зеленкуватосірий колір.

с

e

a α

D

lgH

b

d

Фотоекспозиція Оптична густина D, тобто почорніння світлочутливого шару, залежить від його непрозорості. У сенситометрії для

вимірювання густини користуються десятковим логарифмом непрозорості. Густина шару перебуває у функціональній

залежності від світлової експозиції: D = f (H), її можна виразити графічно в системі прямокутних координат у вигляді

характеристичної кривої. Середня частина характеристичної кривої cd прямолінійна. Це область нормальних

експозицій, краща для зйомки, у межах якої однакові прирости логарифма експозиції ∆1gН спричиняють пропорційні

прирости густини почорніння ∆D. У цьому випадку на відбитку буде пропорційне, правильне відтворення інтервалів

яскравості об'єкта зйомки. Тому цю область називають також областю пропорційної передачі.

У нижній частині кривої аb збільшення експозиції не спричиняє

наростання почорніння — це область вуалі.

Відрізок кривої bс (між порогом чутливості й областю нормальних

експозицій) називають областю недотримки. Тут однакові прирости

експозиції ∆lgН спричиняють слабкі непропорційні поступово збільшувані

від точки b до точки с прирости почорніння ∆D. Вони слабко різняться між

собою і на відбитку передаються майже однаково темними.

Частина кривої de — це область перетримки. Тут нахил кривої

поступово зменшується, наближаючись до прямої, паралельної осі абсцис.

Пропорції приростів густини почорніння ∆D, які відповідають однаковим

приростам логарифма експозиції ∆1gH, у різних негативних плівок при

однаковому часі проявлення різні. Якщо однаковим ∆1g H на

прямолінійному відрізку кривої відповідають пропорційні однакові ∆D, то

така плівка щодо контрастності вважається нормальною. На нормальній

плівці правильно передається шкала яскравостей об'єкта. Після

продовження прямолінійного відрізка такої кривої до перетину з віссю

абсцис утворюється кут 45°. Плівки з кутами нахилу характеристичної

кривої більшими за 45° називають контрастними, меншими – м’якими.

Конструктивно ПЗЗ-элемент включає: кремнієву підкладку p

- типу оснащену каналами з напівпровідника n - типу; над

каналами знаходяться електроди з ізолюючим прошарком з

оксиду кремнію. Після подачі на такий електрод

електричного потенціалу, у збідненій зоні під каналом n -типу

створюється потенціальна яма, призначення якої- зберігати

електрони. Фотон, що проникає в кремній, призводить до

генерації електрона який притягається потенційною ямою й

залишається в ній. Більша кількість фотонів (яскраве світло)

забезпечує більший заряд ями. Для подальшого запису

значення цього заряду (струму) зчитують. Зчитування фотоструму ПЗЗ-элементів здійснюється

так званими послідовними регістрами зсуву, які

перетворюють низку зарядів на вході в серію імпульсів

на виході. Дана серія являє собою аналоговий сигнал,

що надалі поступає на підсилювач. Такоий пристрій

базується на здатності приладів із зарядовим зв'язком

(саме це означає абревіатура ПЗЗ) обмінюватися

зарядами своїх потенційних ям. Обмін здійснюється

завдяки наявності спеціальних електродів переносу,

розташованих між сусідніми ПЗЗ-элементами. При

подачі на найближчий електрод підвищеного

потенціалу заряд «перетікає» під нього з потенційної

ями.

ПЗЗ-элемент

ПЗЗ-матриця

Прибором для измерения фотокоординат, продольного и поперечного параллаксов является

стереокомпаратор (Рис. 52). Их конструкции различны (например, СК-2, или стереокомпаратор 1818 фирмы

«Цейсс»), но принципиальные схемы одинаковы. Основными частями любого стереокомпаратора являются:

1

2 3

m1 m2 P

Q

X

Y

4

5

6 7

Рис. 52. Схема стереокомпаратора

1 2

Станина 1 с двумя взаимно перпендикулярными направляющими X и Y (при измерении наземных снимков – Z);

•Основная каретка 2, перемещается вдоль направляющей X при вращении штурвала X. Величину перемещения можно

определить по шкале X;

•Бинокулярная система 3 с марками m1 и m2, перемещается вдоль направляющей Y при вращении штурвала Y. Отсчет

можно взять по шкале Y;

•Каретка продольных параллаксов 4 с винтом P, при вращении которого она перемещается вдоль оси X и который имеет

шкалу для определения величины перемещения;

•Каретка поперечных параллаксов 5. При вращении винта Q она перемещается вдоль оси Y, и по его шкале можно

оценить величину перемещения;

•Снимкодержатели 6 и 7. Их можно вращать в своей плоскости винтами 1 и 2