2 курс / 2 семестр / Методы дистанционных исследований / Шалькевич Курс лекций

При спектрометрической съемке из космоса существенным препятствием является атмосфера, которая селективно (выбороч- но) рассеивает солнечную радиацию и ослабляет отраженное земной поверхностью излучение, искажая тем самым полученные данные. Для выявления степени влияния атмосферы одновременно проводятся наземные наблюдения, а также с самолета и с космических летательных аппаратов.

Кроме того, знание отражательных и излучательных свойств различных объектов позволяет наиболее эффективно подбирать фотоматериалы как для съемок, так и для дешифрирования определенных объектов.

С использованием спектрометрической съемки можно решать следующие задачи:

определение концентрации озона и углекислого газа в атмосфере, наличие нефтяной пленки на водной поверхности;

изучение снежного покрова и льда;

определение содержания паров в атмосфере;

изучение влажности почвогрунтов.

6.8. Лазерная съемка

Создание лазера положило начало разработкам различных лазерных систем дистанционного зондирования, которые получили различные названия. Наиболее широкое применение получило название лидар, который состоит из передатчика и приемника.

Лазерное зондирование относится к активным видам съемок, которое может вестись от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона. Ввиду поглощения атмосферой коротких волн, используемых в лидаре, он эффективно работает только при ясном небе.

В настоящее время созданы лидары трех типов: высотомер, который позволяет строить профили; сканирующий лидар, который можно использовать как инструмент для картографирования, и третий тип лидара — для спектроскопических исследований и создания карты распределения загрязняющих атмосферу веществ.

Основные области применения лазерной съемки следующие:измерение концентрации веществ, содержащихся в атмос-

фере и связанных с ее загрязнением;

82

определение термических, структурных и динамических характеристик атмосферы, океана и подстилающей поверхности;

обнаружение порогового (критического) содержания различных веществ в атмосфере (углекислого газа, окиси азота и двуокиси серы);

наблюдение за динамикой шлейфов промышленных выбросов;

распознавание и выделение в океане зон распространения фитопланктона с целью обнаружения косяков рыб, а также обнаружение нефтяных пятен.

6.9. Разрешающая способность материалов дистанционных съемок

Материалы дистанционных съемок, используемых в различ- ных научно-практических целях, обладают различной детальностью. На одних снимках деревья можно распознать по видовому составу, на других — с трудом различается кустарниковая растительность от лесной. Это связано с тем, что размер объектов земной поверхности на снимках уменьшается в тысячи и миллионы раз. Величина уменьшения их зависит от разрешающей способности съемочной системы, т. е. ее способности воспроизводить мельчайшие детали, размеры которых на снимке измеряются десятыми и сотыми долями миллиметра.

Разрешающая способность съемочных систем (объектив, фотопленка) определяется с использованием специальных приборов — резельвометров и тест-объектов (мир). Прямоугольная штриховая мира состоит из элементов, каждый из которых содержит различное количество штрихов различной ширины, приходящихся на единицу длины (миллиметр).

Известно, что съемочная система воспроизводит детали одинаковой яркости, но разного размера и с различным контрастом. С уменьшением размера объектов падает контраст их изображения и при достижении пороговой величины объект уже не воспроизводится на снимке.

Если проанализировать последовательно отдельные элементы миры, состоящих из черных штрихов и белых промежутков, ширина которых постоянно уменьшается, то мы увидим, что с увеличением количества штрихов и промежутков между ними контраст между темными и светлыми штрихами постепенно

83

снижается. Если же эти отдельные элементы миры поочередно фотографировать с помощью съемочной системы (объектив, фотопленка), то при определенном сочетании черных и светлых штрихов они сольются, т. е. контраст будет равен нулю, а коли- чество штрихов будет равно пороговой величине, которая будет соответствовать разрешающей способности фотопленки, измеряемой числом линий, раздельно передаваемых на одном миллиметре изображения.

Разрешающая способность обычных пленок составляет 35—40 лин/мм, панхроматической — 90 лин/мм, пленок, используемых для многозональной съемки — 150—180 лин/мм. Чем выше разрешающая способность объектива камеры и фотопленки, тем выше разрешающая способность снимков.

При практической работе важно знать размер того минимального объекта (или его детали), который изображается на снимке, т. е. знать разрешение снимка. Следовательно, если мы знаем, что разрешение снимка составляет 10 м, это значит, что на этом снимке можно распознать объекты размером в 10 м и крупнее. Следует отметить, что величина разрешаемого объекта также зависит от его контраста и формы.

В настоящее время разработаны съемочные системы, в которых сочетание длиннофокусных объективов (3000 мм) и высоко- чувствительных фотопленок позволяет получать снимки с разрешением в несколько десятков сантиметров. Снимки высокого разрешения можно подвергнуть многократному увеличению без потери изобразительных и информационных свойств.

Анализ гистограммы (рис. 20) показывает, что для решения значительной части задач используются материалы космической съемки с пространственным разрешением 5 м.

84

7. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ И СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СНИМКОВ

Изучением метрических свойств снимков с использованием их в целях измерений занимается фотограмметрия. Фотограмметрические способы обработки снимков позволяют определять пространственное положение объектов, получать их геометрические характеристики и прослеживать изменения.

В процессе работы с плановыми снимками географ использует их не только для выявления и прослеживания линейных границ объектов, но изучает и их объемные формы, и пространственное положение. Для этого приходится прибегать к ряду измерений и дальнейших построений, как это делается при составлении тематических карт на топографической основе. Однако между снимком и топографической картой имеются существенные и принципиальные различия. Поэтому знание основных геометрических и фотограмметрических свойств аэрокосмических снимков необходимо каждому географу, для того чтобы избежать грубых ошибок при работе с ними. Так как фотографические снимки обладают наиболее высокими геометрическими и изобразительными свойствами, в этой главе будут рассмотрены их геометрические и стереоскопические свойства.

7.1. Центральная проекция снимка

Изображение земной поверхности на аэроснимке строится с помощью прямолинейных лучей, идущих от разных точек земной поверхности через общий центр проектирования S (рис. 21), которым является узловая точка объектива аэрофотоаппарата.

Такая проекция называется центральной в отличие от ортогональной, при которой все точки местности проектируются на плоскость непосредственно прямыми линиями, перпендикулярными к этой плоскости (рис. 21). По принципу ортогональной проекции строятся топографические карты. Из рисунка видно, что при перемещении плоскости проекции параллельно самой себе (например, из Ð â Ð1) положение точек местности в ортогональной проекции не изменится. В условиях же центральной проекции положение одних и тех же точек местности будет меняться в зависимости от изменения высоты центра проекции над поверхностью Земли и от положения плоскости проекции Ð.

85

Ðèñ. 21. Центральная проекция аэроснимка и ортогональная проекция карты: à è b — центральная проекция точек À è Â на плоскость Ð при положении центра проекции в точке S; à0 è b0 — ортогональная проекция тех же точек на плоскость Ð

Рассмотрим элементы центральной проекции и введем обозна- чения характерных линий и точек (рис. 22). Центром проекции является центр объектива — S, а плоскость Ð является картинной плоскостью, которой принадлежит плоскость снимка. Главный луч, или оптическая ось объектива, SO располагается перпендикулярно плоскости снимка, а SÎ = f, т. е. главному расстоянию камеры, или фокусному расстоянию объектива АФА. Точка Î — главная точка снимка, его геометрический центр. Плоскость Å есть некоторая уровненная поверхность Земли, или предметная плоскость. Предметная и картинная плоскости пересекаются по линии ÒÒ, которая называется осью перспективы. Проведем перпендикуляр SN к плоскости Å — это расстояние называется высотой съемки и обозначается H. Плоскость V проходит через главный луч SO и называется плоскостью главного вертикала. Линия пересечения плоскости V с плоскостью снимка Ð называется главной вертикалью vv.

Линия h0h0, проходящая через главную точку снимка перпендикулярно к главной вертикали, называется главной горизонталью. Параллельная ей линия hihi, которая получается в пересе- чении плоскости снимка Ð с горизонтальной плоскостью, прове-

86

Ðèñ. 22. Особые плоскости, линии и точки центральной проекции

денной через центр проекции, называется линией горизонта. Она несколько не совпадает с изображением на снимке видимого горизонта из-за кривизны Земли и влияния рефракции, а также неровностей поверхности Земли.

На главной вертикали, как показано на рис. 22, кроме главной точки снимка O, отмечается еще ряд характерных точек. На пересечении главной вертикали с линией горизонта размещается точка i — главная точка схода. Она является точкой схода на снимке всех прямых линий местности, параллельных линии направления фотографирования ÎÑN. От главной точки снимка O главная точка схода находится на расстоянии oi = fctga, ãäå à — угол наклона снимка, или угол наклона оптической оси.

Точка надира n отмечается на пересечении плоскости снимка с отвесной линией SN. Точка надира является на снимке точкой схода всех вертикальных линий местности. Точка надира ï отстоит от главной точки снимка на расстоянии îï = ftgà.

На пересечении биссектрисы угла наклона оптической оси с главной вертикалью находится точка нулевых искажений ñ. Все углы на местности, имеющие вершину в точке нулевых искажений, равны соответствующим углам на снимке. Расстояние точки нулевых

a

искажений от главной точки снимка oc = ftg 2. Горизонталь hñhñ,

87

проходящая через точку нулевых линий ñ, называется линией нулевых искажений или линией неискаженного масштаба.

В общем случае съемки координатные оси снимка развернуты по отношению к линии главного вертикала на угол õ, называемый углом поворота снимка. При малых углах наклона снимка линия горизонта уходит далеко за пределы снимка, а точка нулевых искажений и точка надира располагаются вблизи от главной точки снимка. На горизонтальных снимках все точки совпадают в главной точке снимка.

Использование аэроснимков для картографических целей, а также для различного рода специальных точных измерительных работ с помощью стереоприборов требует определения элементов их внутреннего и внешнего ориентирования.

Элементы внутреннего ориентирования аэроснимка определяются тремя величинами: фокусным расстоянием АФА (fê) и фотограмметрическими координатами õ, ó главной точки снимка, которые определяют положение центра проекции относительно аэронегатива в аэрофотоаппарате.

Элементы внешнего ориентирования аэроснимка позволяют восстановить положение, которое занимал аэрофотоснимок в пространстве в момент фотографирования. Таких элементов шесть, три из них линейные и три угловые. В качестве линейных элементов служат три пространственные координаты, определяющие поло-

жение S, — XS, YS è ZS â

системе координат X, Y, Z (ðèñ. 23).

Угловыми элементами являются следующие:

à — угол отклонения главного луча SO от отвесной прямой SN, который определяет наклон аэроснимка;

À — угол, составленный линией пересечения вертикальной плоскости SNO и координатной плоскости ÕÓ с направлением

88

îñè X, который определяет азимут линии направления аэросъемки;

Ê — угол, определяющий поворот аэроснимка в своей плоскости вокруг главного луча SO.

Измерения, выполненные по отдельным снимкам, такие, как измерение линейных величин, могут производиться с помощью простых измерительных средств: масштабной линейки, измерителя, транспортира, планиметра и т. д. Измерения по стереопаре аэроснимков выполняются при помощи специальных стереофотограмметрических приборов, позволяющих получать по данной паре снимков пространственную модель местности.

7.2. Масштаб снимка

Масштаб снимка является одним из важнейших показателей снимка. Размер объектов на снимке изменяется в зависимости от его масштаба. По масштабам аэрокосмические снимки можно разделить на группы.

Следует отметить, что данное деление несколько условное. В настоящее время существует большое разнообразие снимков, которые могут составить непрерывный ряд масштабов в ту и другую сторону. Наибольшее применение в научно-практических целях получили среднемасштабные аэроснимки (1:10 000) и среднемасштабные космические снимки (1:1 000 000).

Существует понятие «идеальный снимок» — снимок, который может быть получен в том случае, если местность представляет собой плоскость, а оптическая ось аэрофотоаппарата в момент съемки находилась в отвесном положении. Такой снимок отличается от плана тем, что его изображение строится в центральной проекции, а план — в ортогональной.

89

Ðèñ. 24. Горизонтальный снимок (ab) равнинной местности (ÀÂ)

На обычных топографических картах, представляющих ортогональную проекцию местности, масштаб определяется отношением линии на карте к соответствующей горизонтальной линии, проложенной на местности. Определение масштаба аэроснимка, представляющего центральную проекцию изображений местности, сложнее и зависит от фокусного расстояния камеры, высоты фотографирования Í, наклона оптической оси аэрофотокамеры в момент съемки и от рельефа местности.

Однако для «идеального снимка» масштаб можно определить из отношения фокусного расстояния фотокамеры к высоте фото-

графирования Í по формуле: m1 = Hfk , ãäå m — знаменатель масштаба аэроснимка. Эта зависимость видна из рис. 24, где треугольник aSb подобен треугольнику ÀSB. Отсюда: ABab = Hfk . Ýòî

соотношение есть ничто иное, как масштаб аэроснимка, т. е. ABab = m1 . Следовательно m1 = Hfk .

При проведении плановой съемки не удается точно и постоянно получить значение масштаба, приведенного в таблице. Это обуславливается колебанием высоты полета самолета, поэтому масштаб отдельных снимков может отличаться от среднего масштаба всей съемки, указанного в паспорте залета. Следовательно, в случае необходимости установления более точного масштаба снимков при отсутствии паспортных данных залета, их масштаб можно определить с использованием топографической карты пу-

90

тем сравнения длины идентичных отрезков, измеренных на снимке lCH и топографической карте LK по формуле:

M = mK LK .

lCH

При составлении тематических карт в качестве картографи- ческой основы, как правило, используются плановые снимки, у которых искажения масштаба увеличиваются радиально от центра снимка к периферийным частям.

Поэтому при дешифрировании следует использовать центральные части аэрофотоснимков, так называемую рабочую или полезную их площадь. Для этого по середине продольного перекрытия каждых двух соседних снимков маршрута и по середине поперечного перекрытия соседних снимков смежных маршрутов опознаются и отмечаются идентичные точки (рис. 25). Ими могут быть пересечения дорог, углы угодий, отдельно стоящие предметы, поляны в лесу и т. д. Таким образом, на каждом аэрофотоснимке в четырех угловых его частях отмечаются четыре точки. Каждая из этих точек познается и отмечается на четырех снимках (на двух смежных снимках одного маршрута и двух смежных снимках соседнего маршрута). Выделенные четыре точки на од-

Ðèñ. 25. Выделение рабочей (полезной) площади на аэроснимке: 4 —аэрофотоснимок первого маршрута; 81, 82, 83 — второго маршрута; 107 — третьего маршрута;

abcd — рабочая площадь аэроснимка

91