МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Шкурченко Юрій Володимирович

УДК 528.72

ФОТОГРАММЕТРИЧНЕ КАЛІБРУВАННЯ ЗНІМКІВ ПРИ ПОБУДОВІ МЕРЕЖ АНАЛІТИЧНОЇ ФОТОТРІАНГУЛЯЦІЇ

05.24.02 – фотограмметрія та картографія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Дорожинський Олександр Людомирович,

завідувач кафедри фотограмметрії та геоінформатики Національного університету “Львівська політехніка”.

Офіційні опоненти:

·

·

Провідна установа:

Івано-Франківський Національний технічний університет нафти і газу Міністерства освіти і науки України, м. Івано-Франківськ.

Захист відбудеться “_12_ __листопада__ 2004 року о 14 годині

на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 35.052.13 при Національному університеті “Львівська політехніка”

за адресою:79013, м. Львів, вул. С.Бандери, 12, ауд. 518 ІІ навч. корпусу,

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного

університету “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м.Львів,

вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий “_5_” _жовтня_ 2004р.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої ради

кандидат технічних наук, доцент Савчук С.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. Центральне місце в сучасних умовах фотограмметричного виробництва займає комплексна проблема ефективності функціонування знімально-вимірювальних систем при побудові мереж фототріангуляції. Невід’ємну частину цієї актуальної проблеми складає задача забезпечення точності фотограмметричних побудов, визначення і дослідження фізичних джерел похибок вихідних даних та їх врахування при фотограмметричних побудовах.

Нові можливості вдосконалення технології, а також засобів знімання і обробки даних виникли у зв’язку із загальним розвитком теорії аналітичної та цифрової фотограмметрії, різким зростанням технічних можливостей обчислювальної техніки.

Ці можливості визначаються наступними основними обставинами :–

потенційним підвищенням точності фотограмметричних побудов за рахунок більш повного використання вимірювальних властивостей фотозображень і відсутності методичних похибок;–

використанням при вимірюванні знімків високоточних стереокомпараторів, а в цифровій фотограмметрії – прецизійних цифрових дисплеїв та фотограмметричних станцій;–

можливостями зберігати величезні обсяги відеоінформації та швидко їх опрацьовувати.

Тому питання підвищення метричних характеристик зображень при використанні аналітичних та цифрових методів фотограмметричних побудов, зокрема при фототріангуляції, потребують постійної уваги та вдосконалення і є актуальним завданням. При цьому математична обробка фотограмметричних вимірів повинна враховувати калібрувальні компоненти фотограмметричної системи в цілому – як вплив спотворень фотознімка, так і похибки вимірювання. Дослідженню цієї важливої і актуальної тематики присвячена дана робота.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи тісно пов’язана з науковою та навчальною роботою кафедри фотограмметрії та геоінформатики Національного університету “Львівська політехніка”. Дослідження виконані в рамках наукової тематики кафедри “Розробка та дослідження стереофотограмметричних методів розв’язання спеціальних задач, що висуваються різними галузями науки та виробництва”.

Дисертація є результатом науково – дослідних робіт, у яких брав участь автор з 1986 року, зокрема при виконанні госпрозрахункової теми № 4018 (номер держреєстрації № 01840021276) “Виконання дослідно-методичних робіт з вияснення можливостей планово-висотного забезпечення гравіметричних робіт фотограмметричним способом в умовах високогір’я Таджикистану”, а також в якості відповідального виконавця по темі “Дослідження та впровадження аерофотогеодезичного методу забезпечення гравіметричних робіт в умовах високогір’я Таджикистану“, які виконувались на замовлення Південної Геофізичної експедиції Управління геології Таджикської РСР.

Результати досліджень використані для розробки моделей, алгоритмів та програмного забезпечення методів калібрування знімків при фотограмметричних побудовах, а також використані та впроваджені при фототріангуляційних побудовах для геофізичних досліджень в умовах високогір’я Таджикистану.

Мета і задачі дослідження.

Мета досліджень – розробка та удосконалення методів фотограмметричного калібрування знімків при високоточних фотограмметричних побудовах. В роботі поставлено задачу виконати теоретичні дослідження в галузі фотограмметричного калібрування знімків, що дозволяє сформувати теоретичний базис для технологічних досліджень методів калібрування знімків при побудові мереж фототріангуляції.

Об’єкт дослідження – фотографічні та цифрові знімки.

Предмет дослідження– методи фотограмметричного калібрування знімків.

Задачі досліджень: –

виконати аналіз існуючих методів калібрування знімків;–

розробити математичні моделі, алгоритми та програмне забезпечення методів калібрування та самокалібрування знімків при фотограмметричних побудовах;–

удосконалити методику фотограмметричного калібрування фотографічних систем з використанням дослідного полігону;–

розробити та експериментально перевірити технологію фотограмметричного калібрування відеозображень при наземному зніманні з малих відстаней;–

дослідити методику самокалібрування знімків при відомих лінійних елементах зовнішнього орієнтування;–

розробити методику фототріангуляційних побудов при геофізичних дослідженнях в умовах високогір’я;–

виконати виробничі дослідження фотограмметричного методу визначення координат і висот пунктів геофізичних спостережень.

Методи дослідження: математичне моделювання процесу калібрування фотограмметричних систем, математична обробка фотограмметричних вимірів на базі методу найменших квадратів, статистичне оцінювання результатів експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Досліджено і удосконалено модель фотограмметричного калібрування з використанням фотознімків дослідного полігону.

2. Теоретично обгрунтовано та експериментально перевірено технологію фотограмметричного калібрування цифрових зображень при наземному зніманні з малих відстаней.

3. Створено загальну фотограмметричну модель вирівнювання даних фототріангуляції з врахуванням параметрів калібрування.

4. Виконано експериментальні дослідження методики вирівнювання блочної фототріангуляції з самокалібруванням знімків при відомих лінійних елементах зовнішнього орієнтування.

5. Розроблено нову методику аерофототріангуляції при проведені гравіметричного знімання в умовах високогір’я, яка базується на технології аерофотоприв’язки точок гравіметричних спостережень.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені математичні моделі, алгоритми та програмне забезпечення методів калібрування і самокалібрування знімків використано для підвищення точності визначення координат при фотограмметричних побудовах, що доцільно використовувати при великомасштабному картографуванні, кадастрових роботах та інженерно-технічних вишукуваннях, а також в фотограмметричних роботах при малих відстанях (інженерна справа, архітектура, будівництво та ін.).

Виконані дослідження підтверджують ефективність використання неметричних цифрових камер для визначення просторових координат точок об’єкту при обов’язковому застосуванні технології самокалібрування зображень.

Методика калібрування знімків з використанням дослідного полігону, яка розроблена і досліджена в дисертації, була реалізована в навчальному процесі кафедри фотограмметрії та геоінформатики у вигляді методичних вказівок та програмного забезпечення для практичних та лабораторних робіт студентів.

Опрацьована автором методика аерофотоприв’язки пунктів геофізичних спостережень була впроваджена у виробництво Південної Геофізичної експедиції Управління геології Таджикистану.

Особистий внесок здобувача. Результати, приведені в дисертаційній роботі, отримані автором самостійно. Теоретичні основи вирівнювання блочної фототріангуляції з самокалібруванням знімків при відомих лінійних елементах зовнішнього орієнтування були визначені на основі консультацій проф. О.Дорожинського.

Із наведених в списку робіт, опублікованих в співавторстві, здобувачу належить постановка окремих задач, виконання технологічних досліджень методики аерофотоприв’язки пунктів гравіметричних спостережень, проведення натурних досліджень при випробуваннях та при впровадженні методу у виробництво [1], дослідження параметрів калібрування сканерних систем при складанні цифрових планів [3], дослідження моделі деформації фотоплівки, інтерпретація та аналіз отриманих результатів [6], розробка алгоритмів та створення програмного забезпечення автоматизованої системи цифрової та графічної побудови геологічної карти [7].

Апробація результатів роботи. Дослідно-виробничі роботи по апробації та впровадженню у виробництво методики аерофотоприв’язки виконані автором в 1989 році сумісно з гравіметричною партією Південної Геофізичною експедицією Управління геології Таджикистану.

В 1989 році на Виставці досягнень народного господарства СРСР відзначено працю “Апаратура і технологія фотограмметричного забезпечення проведення експериментальних робіт в геології” дипломом І ступеня. Керівник роботи Дорожинський О.Л. нагороджений золотою медаллю, а автор цієї дисертації нагороджений срібною медаллю ВДНГ СРСР.

Під керівництвом О.Л.Дорожинського на кафедрі виконано значний обсяг науково-дослідних робіт, результати яких були високо оцінені замовниками. Наукова розробка “Метод спостереження за зсувами в гірських районах” отримала срібну та бронзову нагороди ВДНГ. Автора дисертації нагороджено бронзовою медаллю ВДНГ СРСР.

Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на: Міжнародному науково-практичному семінарі “Комп’ютерні технології: застосування до технічних, комерційних, кадастрових, видавничих та навчальних проблем”, Львів, 1994; Науково-практичній конференції “Принципы и методы картографирования геологической среды для экологических оценок” Киев, 1994; Міжнародній науково-практичній конференції “Геодезичний моніторинг, геодинаміка і рефрактометрія”, Львів, 1998; 2-ій, 3-ій, 4-ій Міжнародних конференціях “Кадастр, фотограмметрія, геоінформатика – сучасні технології і перспективи розвитку”, Львів-Краків, 2000, 2001, 2003; наукових конференціях професорсько-викладацького складу НУ “Львівська політехніка”.

Публікації. Основні положення і результати дисертації відображені у 9-ти друкованих працях (4 із них у фахових виданнях), Окрім цього, автор прийняв участь у написанні 2-х звітів з науково-дослідних робіт, пов’язаних з темою дисертації.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 108 найменувань та додатків. Загальний обсяг роботи складає 143 сторінки, робота містить 25 рисунків і 21 таблицю. Обсяг додатків – 3 сторінки, в тому числі акти впроваджень результатів досліджень.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано обгрунтування актуальності предмету дослідження, вказано мету та основні завдання дисертаційної роботи, визначено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, приведено дані про публікації, структуру та обсяг роботи, апробацію та впровадження результатів досліджень.

Перший розділ присвячено аналізові існуючих методів калібрування знімків. Враховуючи важливість представлення основних чинників похибок знімків, у підрозділі 1.1 розглянуто фактори спотворення зображень на фотознімках і способи врахування їх у фотограмметрії. На рис.1 представлено схему формування зображення та вимірювання знімків в аналітичній та цифровій фотограмметрії.

Рис.1.Схема формування та вимірювання зображень при фотограмметричних побудовах

Визначено, що кожен з елементів фотограмметричної знімально–вимірювальної системи (І-V) вносить спотворення в геометричні характеристики зображення. Підкреслено, що слід розрізняти дві основні групи факторів, які впливають на якість фотограмметричних побудов:

1.Фактори, які впливають на точність визначення координат точок знімка.

2.Фактори, які визначають якість технологіних процесів і методики фотограмметричних побудов.

Особливістю аналітичних методів обробки фотознімків є можливість врахування впливу більшості цих факторів і тим самим суттєво підвищити точність фотограмметричних побудов.

Якщо загальну похибку знімка представити з поділом на систематичну і випадкову складові: = + ,

де – постійна систематична похибка, – випадкова складова похибки, то систематичну складову похибки можливо виразити в якості додаткових невідомих, які входять у вихідні рівняння (похибок) у вигляді функції :

= f ().

Вказано, що в сучасній фотограмметрії задача визначення парамерів функції (2) вирішується способами калібрування і самокалібрування знімків з обов’язковим врахуванням впливу фактору зовнішнього середовища. Відповідно розрізняють :

– способи камерального (лабораторного) визначення калібрувальних поправок, які включають лабораторні калібрування апаратури (фотооб’єктив, світлофільтр, вирівнююче скло і т.п.) з фіксацією підчас фотознімання умов середовища (температури, тиску, спектрального складу світла та інших);

– польові способи, в яких систематичні похибки визначають за фотознімками, отриманими в тих же умовах, в яких виконується фотознімання .

Зауважено, що другий напрямок прийнято в фотограмметрії як найбільш перспективний.

В роботі розглядаються рівняння (1,2) з врахуванням двох груп невідомих (шуканих значень елементів фотограмметричної задачі і параметрів калібрування ), тому рівняння (2) можливо записати у вигляді :

fx = gx ( , ), fy = gy ( , ),

Таким чином, базовим для всіх способів калібрування параметрів системи (3) покладено аналітичне рішення однієї з фотограмметричних задач, в яку включено додаткові невідомі – параметри калібрування. В роботі розглянуто теоретичні основи способів врахування систематичних спотворень знімків: поліномного та зонного, дано характеристику модифікованих методах врахування спотворень знімків: методу скінченних елементів, методу “незалежних зон”. Розглянуто аналітичні залежності, що характеризують основні групи факторів, які викликають спотворення на знімку при формуванні та вимірюванні фотозображення.

В підрозділі 1.2 приведено аналіз методів калібрування фотограмметричних систем. Розгляд спеціальної літератури з цього питання визначив, що в сучасній фотограмметрії існує два підходи до рішення задачі калібрування: компонентний і системний. Відмічено, що з точки зору повноти врахування похибок знімків, системний підхід забезпечує отримання більш достовірних значень компонентів калібрування.

Аналіз методів калібрування знімків доводить, що строгий спосіб вирівнювання фототріангуляційних мереж за зв’язками із самокалібруванням при використанні даних GPS (високоточного фіксування координат центрів проекцій аерофотознімків) має очевидні перспективи при побудові блочних мереж фототріангуляції.

На основі виконаного аналізу сформульовані задачі дисертаціії та шляхи їх розв’язання. Представлені завдання роботи створюють теоретичні та технологічні передумови для практичного застосування розроблених та досліджених методів калібрування при побудові мереж аналітичної фототріангуляції.

Другий розділ роботи присвячено питанням теорії фотограмметричного калібрування знімків при фотограмметричних побудовах на основі методу зв’язок. В підрозділі 2.1 розглянуто теоретичну модель задачі фотограмметричного калібрування з використанням фотознімків дослідного полігону. У відповідності до адитивної структури помилок (1), похибку координат точки знімка представлено, як різницю між виміряними величинами x, y на знімку та обчисленимиx,y за відомими просторовими координатами точки об’єкта :

, ,

де xti,yti – трансформовані значення виміряних координат i-точки фотознімка;

xi,yi, – обчислені значення координат i–точки на горизонтальному знімку;

XS,YS – координати центру проекції у вибраній абсолютній (зовнішній) системі ;

Xri,Yri – координати відповідної точки місцевості у згаданій вище системі;

f, Hi – фокусна відстань фотокамери (паспортне значення), значення висоти фотографування.

В якості функції, яка описує систематичні спотворення аерофотознімків x, y прийнято поліном третьої степені виду:

x = a1 + a2x + a3y + a4xy + a5x2 + a6x3 + a7y3 + a8x2y + a9xy2 + a10y2,

y = b1 + b2x + b3y + b4xy + b5y2 + b6x3 + b7y3 + b8x2y + b9xy2 + b10x2.

Рівняння похибок, які використано при розрахунках параметрів калібрування зображень за фотознімками дослідного полігону, мають вигляд:

+,

де , , , Xs ,Ys ,Hs ,f – поправки в наближені значення елементів зовнішнього орієнтування (ЕЗО) та фокусної відстані фотокамери;

c1-c7 , d1-d7 –часткові похідні функції (4) за всіма змінними ;

a6-a10 , b6-b10 – шукані параметри калібрування (коеф. полінома (5));

vx ,vy – значення похибок на точках знімка.

Значення коефіцієнтів ci,di обчислюються за наближеними значеннями елементів зовнішнього і внутрішнього орієнтування.

Розв’язуючи систему рівнянь (6) за способом найменших квадратів (при умові [vv]=min), знаходимо елементи внутрішнього та зовнішнього орієнтування аерофотознімків та шукані значення систематичних спотворень в кожній точці аерофотознімка. Особливістю даного способу повного та часткового калібрування є визначення коефіцієнтів апроксимуючого поліному замість невідомих значень xi , yi систематичних спотворень аерофотознімків в і-х точках фотознімка.

Зроблено висновок, що значення залишкових вільних членів після рішення рівнянь (6) характеризують точність апроксимації систематичних спотворень аерофотознімків поліномами (5).

В підрозділі 2.2 розглянуто особливості калібрування відеозображень, отриманих при наземному стереозніманні. Визначено, що для рішення задачі в випадку невідомих елементів орієнтування (внутрішнього і зовнішнього орієнтування знімків стереопари), необхідно знати координати X, Y, Z мінімум п`яти опорних точок, які не розташовані в одній площині. При умові фотографування об’єкту двома синхронно працюючими відеокамерами і вимірюванні маркерів на цифрових знімках в автоматичному режимі, нами запропоновано для досліджень використати просторову фотограмметричну систему координат з центром в точці 1 ( див. схему на рис.2).

Рис.2. Просторова фотограмметрична система координат при синхронному відеозніманні

Цей підхід дозволив визначити параметри центральної проекції знімків на момент фотограмметричної обробки, тобто параметри калібрування (поправки хо, уо, f до елементів внутрішнього орієнтування знімків) і невідомі ЕЗО знімків стереопари (XSл, YSл , ZSл , л , л , л , XSр, YSр , ZSр , р , р , р ) за опорними маркерами тест-об’єкту.

В роботі використано метод, в якому параметри калібрування визначаються і враховуються одночасно з рішенням фотограмметричної задачі.

Теоретичні значення координат опорних точок на правому та лівому знімку обчислювались за відомими формулами колінеарності.

В якості функції, яка описує систематичні спотворення прийнято поліном виду:

x = a1z + a2xz + a3xz2 + a4x2z,

z = b1z + b2xz + b3xz2 + b4x2z,

Нами визначено схему рішення задачі:

І. Калібрування цифрових відеокамер з визначенням елементів орієнтування знімків стереопари;

ІІ. Обчислення просторових координат точок фотограмметричної моделі за прямою фотограмметричною засічкою.

В підрозділі 2.3 на основі методу зв’язок сформульовано математичну модель вирівнювання блочної фототріангуляції з самокалібруванням знімків при відомих опорних даних (геодезична опорна мережа та відомі лінійні елементи орієнтування).

Загальна модель містить рівняння поправок для фотограмметричних вимірів та двох типів геодезичних опорних даних (геодезична опорна мережа та відомі лінійні елементи орієнтування) :

VФ = – BS – C – DГ – FK – GГоп + RФ , вага Р1 ,

VГ = – EГоп + RГ , вага Р2 ,

VS = – ES + RS , вага Р3 ,

де S=[XS, YS, ZS ]T, =[, , ]T, Г=[X, Y, Z]T, K=[x0 y0, f, x, y]T–

вектори шуканих поправок відповідно до лінійних, кутових ЕЗО, просторових координат точок і в параметри калібрування; R–вільний член (вектор-стовбчик результатів вимірів), V–вектор поправок до вимірюваних величин;

B, C, D, F,G – блоки відповідних часткових похідних;

Р1,Р2,Р3 – матриці ваг відповідно фотограмметричних даних, центрів фотографування, опорних точок.

Отриману систему рівнянь розв’язують за методом найменших квадратів, який передбачає сталість дисперсій результатів вимірів. У випадку різнородної групи вимірів (фотограмметричні, геодезичні опорні дані), для вирівнювання використовують діагональну матрицю погоджених ваг, вводячи відповідні коєфіцієнти погодження.

З рівнянь (8) представлено декілька варіантів вирівнювання мережі фототріангуляції в залежності від опорних даних, для них отримані відповідні математичні моделі.

Модель 1. Опорні точки відсутні, вирівнювання мережі при відомих координатах центрів з повним самокалібруванням .

Модель 2. Опорні точки відсутні, координати лінійних елементів орієнтування (ЕЗО) є величинами безпомилковими – побудова мережі без геодезичної опори.

Модель 3. Координати опорних точок відомі і безпомилкові.

Модель 4. Координати опорних точок і лінійних елементів орієнтування безпомилкові.

Дослідження моделі (8) дозволили визначити наступний алгоритм вирішення задачі:–

Спочатку розглядається випадок часткового калібрування знімків, коли значення f, x0,y0 (ЕВн.О), визначене лабораторним способом, приймають за початкові;–

Визначають поправки до кутових і відомих лінійних ЕЗО і в додатковому наближенні параметри калібрування (вектор K1 – поправки xiz , yiz в і-ту зону знімка, або коефiцiєнти aі , bі поліному);–

Далі за виправленими координатами точок знімка визначають остаточні поправки до ЕЗО знімків та ЕВн.О (вектор K2 – f, хо, уо ,‘xiz , ‘yiz), виконавши повне калібрування знімків.

В залежності від якості та кількості вихідних даних можливо виконати повторний цикл калібрування знімків і відповідно побудову мережі блочної фототріангуляції.

В третьому розділі роботи розглядаються технологічні та експериментальні дослідження методів калібрування знімків на матеріалі дослідних об’єктів та макетних даних. В підрозділі 3.1 на основі теоретичних досліджень моделі (4) виконано дослідження задачі калібрування фотознімків за даними дослідного полігону.

За розробленою автором комп’ютерною програмою часткового та повного калібрування фотознімків аеро та наземного фотознімання передбачено 2 варіанти розв’язання задачі. В першому коефіцієнти поліному визначають сумісно зі знаходженням елементів зовнішнього орієнтування фотознімків (6). В другому варіанті за обчисленими елементами зовнішнього орієнтування визначають спотворення координат точок фотознімка, які в подальшому апроксимуються поліномом (5).

Вихідний матеріал для визначення параметрів систематичних спотворень фотознімка складається з:–

паспортних даних фотокамери (лабораторне калібрування);–

файлу результатів вимірів (x,y) або (x,y,p,q) – для знімків або стереопар;–

файлу геодезичних координат точок дослідного полігону.

Оптимальний варіант точок – через 2 см. (число точок 80). Програма обчислення передбачає обробку вимірів як поодиноких знімків, так і стереопар, виміряних на стереокомпараторах.

Розрахунки параметрів часткового калібрування виконано для реальних аерофотознімків масштабу 1:5000 з фокусною відстанню f=350 мм, а також для М 1:8000 з f=70 мм. Вимірювання координат x,y виконано з точністю 0.01 мм. Виміряно відповідно 64 та 72 точки, рівномірно розташованих по площі фотознімка. За файлом вимірювань стереопар розраховано координати маркованих точок калібрувального полігону.

На рис.3 приведено векторні діаграми систематичних та залишкових похибок аерофотознімка, отримані способом часткового калібрування з використанням аерофотознімків дослідного полігону (64 точки). Максимальні значення систематичних спотворень визначені на краях фотознімка і не перевищують величин 0.02 – 0.03 мм (0.01 – 0.02 для залишкових похибок).

Рис.3. Векторна діаграма систематичних спотворень та залишкових похибок на точках аерофотознімка дослідного полігону

В роботі виконано апріорну оцінку точності обчислення систематичних спотворень за поліномом (5). Представлено розрахунки для різного числа та розташуваня точок на фотознімку.

На завершальній стадії експерименту отримані середні квадратичні значення систематичних похибок (x, y) аерофотознімка після першого етапу рішення: mx c = 0.010 мм myc =0.011 мм, що відповідає точності вимірювання координат на стереокомпараторі ( mxy = 0.01 мм).

Середні квадратичні значення залишкових похибок (x, y) після апроксимації поліномом дорівнювали: mx з = 0.007 мм, myз =0.007 мм, що відповідає попереднім розрахункам точності mx , mу .

У підрозділі 3.2 досліджено технологію фотограмметричного калібрування відеозображень при наземному зніманні з малих відстаней.

Головною метою випробовувань методики стало визначення координат точок рухомого об’єкту, а саме можливість застосування фотограмметричного методу для дослідження біомеханіки опорно-рухового апарату людини (рис.4).

Рис.4. Відеокадри об’єкту з зображенням контрольних точок тест-об’єкту

Технологічною схемою експериментальних робіт передбачено наступні процеси:

Ю

Ю

Ю

Ю

Виконано попередній розрахунок точності визначення координат точок об’єкту при наземному цифровому зніманні з близької відстані при різних значеннях роздільної здатності зображення (dpi) і масштабу знімання ( 1:150 ).

Врахувавши вихідні умови експерименту, нами визначено:

1.

2.

3.

4.

Обчислення виконано за алгоритмом, представленим вище.

В результаті обчислень нами отримано :–

елементи орієнтування лівого та правого знімка,–

параметри калібрування знімальної системи,–

просторові координати маркерів об’єктів.

За результатами обчислень виконано аналіз ходи пацієнта. Визначено траекторії руху 4-ох маркерів, закріплених на нозі пацієнта (див. Рис.4,5).

Рис.5. Графік аналізу ходи пацієнта за результатами фотограмметричної обробки серії з 40 знімків для 1-ого маркеру (праве стегно)

Результати оцінки точності за 6-ма опорними маркерами тест-об’єкту представлено в таблиці 1, що відповідає попередньому розрахунку точності визначення просторових координат точок об’єкту.

Таблиця 1

Оцінка точності обчислення координат маркерів тест-об’єкту

№ | Відомі | Обчислені

маркера | Yфi (м) | Xфi (м) | Zфi (м) | Yф (м) | Xф (м) | Zф (м)

1 | 0 | 0 | 0 | 0.021 | 0.005 | -0.007

2 | 1 | 0 | 0 | 1.005 | -0.001 | 0.007

3 | 0 | 1 | 0 | -0.026 | 0.990 | -0.001

4 | 0 | 0 | 1 | 0.011 | 0.007 | 1.012

5 | 0.5 | 0 | 0.3 | 0.500 | 0.002 | 0.287

6 | 0 | 0.5 | 0.25 | -0.012 | 0.506 | 0.252

my(м) | mx(м) | mz(м)

0.015 | 0.006 | 0.008

Методику апробовано у Львівському реабілітаційному Центрі для дослідження біомеханіки опорно-рухового апарату людини.

У підрозділі 3.3 подано результати дослідження методики побудови блочної фототріангуляції з самокалібруванням знімків при відомих лінійних елементах зовнішнього орієнтування (розв’язок задачі виконано за макетними знімками). Зокрема для моделі (8) прийнято, що опорні точки відсутні, лінійні ЕЗО безпомилкові, використано метод самокалібрування знімків за принципом зон:

VФ = – C – DГ – FK + RФ;

VК = – F1K1 + RК ,

де K = [ x0 , y0 , f ]T; K1 = [xi , yi ]Т, для моделей використано вектор K1 – шуканих сумарних поправок xi, yi в одну із i-х зон знімка.

Макетні знімки розраховано для масштабу 1:10000 з фокусною відстанню f=100мм. Моделювання макетних блоків проводилось на блоках з 60% поздовжнім та поперечним перекриттям. Змодельовано наступні блоки знімків:

A – 3 маршрути по 6 знімків; B – 5 маршрутів по 8 знімків.

У фотограмметричні виміри (на знімках та на місцевості) вводились випадкові нормально розподілені незалежні помилки із стандартом 0.01 мм. Моделювання радіальної симметричної дисторсії ri виконувалось за полиномом типу:

rі = k1 ri3 k2 ri5 k3 ri7.........,

де ri= (xi2+yi2) 1/2 ; 1 ,2 ,3 – коефіцієнти дисторсії.

Поправки xi, yi в координати за дисторсію вводились за формулами:

xi = (xi / rі ) rі, yi = (yi / rі ) rі.

З аналізу спеціальної літератури визначено, що у випадку калібрування знімків для задачі побудови фотограмметричної мережі знімок достатньо поділити на 81 зону, але для стандартно розташованих точок достатньо визначити поправки для дев’яти зон знімка за наступною схемою (див. рис.6).

Рис.6. Схема розташування і номери зон на знімку

Результати дослідження методу представлено в таблиці 2.

Таблиця 2

Результати експериментальної перевірки методики самокалібрування знімків при відомих лінійних ЕЗО (для блоку А)

Вид геодезичної мережі

Без помилок | Мережа з випадковими похибками

№ | Введено | Б е з о п о р и | З опорою( 4 ОП)

п/п | систематичні похибки | Отримано поправки в зони (варіант І) | Отримано поправки в зони

(варіант ІІ) | Отримано поправки в зони

(варіант ІІІ)

З | xсер. (мм) | yсер. (мм) | x (мм) | y (мм) | x (мм) | y (мм) | x (мм) | y (мм)

1– | 0.025– | 0.025 | 0.020 | 0.024 | 0.031 | 0.037 | 0.026 | 0.029

о | 2 | 0.0– | 0.050 | 0.0 | 0.049 | 0.004 | 0.059 | 0.001 | 0.051

3 | 0.025– | 0.025– | 0.015 | 0.014– | 0.010 | 0.023– | 0.014 | 0.017

4– | 0.050 | 0.0 | 0.057 | 0.002 | 0.064 | 0.009 | 0.060 | 0.002

н | 5 | 0.0 | 0.0 | 0.001 | 0.001 | 0.006 | 0.006 | 0.002 | 0.0

6 | 0.050 | 0.0– | 0.046 | 0.001– | 0.039 | 0.006– | 0.049 | 0.001

7 | –0.025 | 0.025 | 0.026– | 0.024 | 0.029– | 0.016 | 0.032– | 0.021

и | 8 | 0.0 | 0.050 | 0.001– | 0.044 | 0.002– | 0.034 | 0.001– | 0.042

9 | 0.025 | 0.025– | 0.023– | 0.032– | 0.014– | 0.018– | 0.031– | 0.031

На першому етапі (варіант І) для обчислень поправок в зони знімка використано безпомилкову геодезичну мережу точок блоку.

На другому етапі метод апробовано з використанням для вирівнювання блоку геодезичної мережі, в точки якої введено незалежні випадкові похибки. Результати калібрування за варіантом ІІ практично відповідають попереднім, що підтверджує правильність методики.

Результати обчислення поправок в зони знімка з використанням для вирівнювання опорних геодезичних точок (ІІІ варіант), дозволили удосконалити алгоритм самокалібрування за знімками дослідного полігону.

За дослідженнями зроблено висновки :

1. Представлено математичні моделі вирівнювання блочної фототріангуляції з самокалібруванням знімків при відомих лінійних елементах орієнтування.

2. Опрацьовано алгоритм рішення задачі часткового самокалібрування знімків з використанням принципу зон. Виконано розрахунки для макетних аерофотознімків.

3. Результати експериментальних досліджень на макетних знімках підтверджують можливість застосування вказаного методу самокалібрування знімків для вирівнювання блочної фототріангуляції.

В четвертому розділі роботи приведено результати технологічних досліджень методики фототріангуляційних побудов при проведенні геофізичного знімання в умовах високогір’я та доведено позитивний вплив калібрування фотограмметричної системи на визначення координат пунктів гравіметричної мережі.

На рис.7 представлено загальну технологічну схему фотограмметричного визначення координат точок геофізичних спостережень з використанням технології калібрування знімально-вимірювальної системи.

Визначено, що заміна фототріангуляції матеріалами фотограмметричного згущення минулих років на І стадії зробила технологію ще більш ефективною.

Розгляду підлягали наступні основні фотограмметричні задачі:–

маршрутна аерофототріангуляція;–

багатомаршрутна аерофототріангуляція;–

блочна аерофототріангуляція;–

згущення фотограмметричної мережі аналітичним методом для обліку впливу рельефу на виміряне значення сили тяжіння.

В роботі вказано, що для вирішення задачі аерофототріангуляції були задані:

1) параметри калібрування знімально-вимірювальної системи:–

елементи внутрішнього орієнтування фотокамери xo, yo, f, (паспортні дані АФА);–

параметри дисторсії об’єктиву АФА ai, bi (паспортні дані АФА);–

параметри деформації фотоматеріалу ci, di; (дані досліджень);–

параметри похибок вимірювального приладу або спотворень сканера ei, hi; (дані досліджень приладу);

2) відліки x, y, p, q на координатні мітки і точки мережі, виміряні на стереокомпараторах (Steco 1818, Stecometer, Dicometer), або на ЦФС;

3) номери і координати опорних точок в геодезичній системі координат;

4) у випадку забезпечення методу GPS обладнанням, передбачено ввід координат центрів проектування XS, YS, ZS в геодезичній системі.

Рис.7. Загальна технологічна схема згущення опорної мережі при визначені координат і висот пунктів геофізичних спостережень

Приведено опис методики аерофотоприв’язки пунктів гравіметричних спостережень (ПГС).

Приклади використання знімків фотоприв’язки для розпізнавання гравіметричних пунктів на основних (архівних) аерофотознімках наведені на рис. 8.

Визначено, що гравіметричний пункт, який розпізнано на основному аерознімку, включається в проект фототріангуляції.

Виконано дослідні та виробничі роботи при застосуванні фототріангуляційних побудов в гірському районі “Диджикрут”, проведені експериментальні роботи на спеціальній еталонній ділянці об’єкту “Матча” в умовах гірського Таджикистану.

Знімок фотоприв’язки

Рис.8. Приклад перерозпізнавання гравіметричних пунктів з допоміжних на архівні аерофотознімки

В таблиці 3 наведені результати оцінки точності фотограмметричного згущення, виконаного на дослідній ділянці “Матча”.

Таблиця 3

Оцінка точності визначення висот пунктів гравіметричного знімання дослідної ділянки “Матча”, отриманих геодезичним та фотограмметричним способом

№ п/п | № ПГС | Геодезія

(м) | Фотограмметрія (м) | Dz (м ) | № п/п | № ПГС | Геодезія (м) | Фотограмметрія (м) | Dz (м )

1 | 42 | 2814.0 | 2813.8 | 0.2 | 16 | 84 | 1750.0 | 1752.2 | -2.2

2 | 43 | 2954.8 | 2956.6 | -1.8 | 17 | 85 | 1547.3 | 1549.5 | -2.2

3 | 44 | 2924.9 | 2927.7 | -2.8 | 18 | 86 | 1984.5 | 1980.7 | 3.8

4 | 46 | 3173.5 | 3176.4 | -2.9 | 19 | 2920 | 2920.0 | 2921.8 | -1.8

5 | 47 | 3119.1 | 3123.6 | -4.5 | 20 | 3347 | 3347.0 | 3340.5 | 6.5

6 | 50 | 2914.9 | 2913.1 | 1.8 | 21 | 2957 | 2957.0 | 2959.7 | -2.7

7 | 51 | 2959.6 | 2958.8 | 0.8 | 22 | 2689 | 2689.0 | 2691.3 | -2.3

8 | 52 | 2260.4 | 2258.3 | 2.1 | 23 | 3119 | 3119.0 | 3124.0 | -5.0

9 | 53 | 2919.5 | 2917.1 | 2.4 | 24 | 2819 | 2819.0 | 2822.1 | -3.1

10 | 55 | 3070.2 | 3066.8 | 3.4 | 25 | 2524 | 2524.0 | 2527.2 | -3.2

11 | 69 | 2978.0 | 2980.8 | -2.8 | 26 | 1572 | 1572.0 | 1575.8 | -3.8

12 | 72 | 3041.0 | 3042.2 | -1.2 | 27 | 2181 | 2176.0 | 2174.3 | 1.7

13 | 77 | 1492.3 | 1494.0 | -1.7 | 28 | 2983 | 2983.0 | 2985.3 | -2.3

14 | 78 | 1825.5 | 1828.0 | -2.5 | 29 | 1954 | 1954.0 | 1956.4 | -2.4

15 | 79 | 2179.5 | 2179.4 | 0.1

mz = 2.8 м

Основними позитивними результатами розробки слід вважати:

1. Дослідними роботами, які виконані в реальних умовах паралельно з виробничим гравіметричним зніманням доведено, що перерозпізнавання маркованих пунктів з малоформатних знімків, отриманих камерою СШ-45, на аерофотознімки формату 180 180 мм2 виконується впевнено.

2. Визначення планово-висотного положення пунктів гравіметричного знімання в масштабі 1 : 200000 в умовах високогір’я методом аналітичної фототріангуляції відповідає за точністю нормативним документам. Середня квадратична похибка за контрольними опорними точками для всієї території дослідної ділянки склала по висоті 2.8 м.

3. Впровадження методики побудови мережі аналітичної фототріангуляції з калібруванням знімально-вимірювальної системи підвищило точність визначення висот пунктів гравіметричного знімання в 1.3 раза.

Перенос центру тяжіння топографічних робіт в умови камерального виробництва, врахування при фотограмметричному опрацюванні параметрів фотограмметричного калібрування знімків дозволили рекомендувати до впровадження у виробництво технологію фотограмметричного визначення планово-висотного положення гравіметричних пунктів в умовах високогір’я.

У висновках сформульовано результати дисертаційної роботи.

1. На основі аналізу існуючих методів калібрування фотограмметричних систем, нами опрацьовано наступні теоретичні моделі:–

математичну модель задачі фотограмметричного калібрування з використанням фотознімків дослідного полігону;–

модель калібрування відеозображень, отриманих при наземному стереозніманні з малих відстаней для випадку невідомих елементів орієнтування;–

математичну модель вирівнювання блочної фототріангуляції з самокалібруванням знімків при відомих лінійних елементах зовнішнього орієнтування;–

модель аерофототріангуляції з врахуванням параметрів калібруванням знімально-вимірювальної системи при проведенні гравіметричного знімання в гірських умовах.

2. При теоретичних дослідженнях моделей фотограмметричного калібрування знімків, які отримано на основі методу зв’язок, вирішено ряд питань, серед яких найбільш важливими є наступні:–

отримано рівняння повного калібрування фотограмметричної системи за фотознімками дослідного полігону;–

розроблено методику калібрування відеозображень, в якій параметри калібрування визначаються і враховуються одночасно з рішенням фотограмметричної задачі визначення просторових координат рухомого об’єкту;–

представлено моделі вирівнювання блочної мережі фототріангуляції з самокалібруванням в залежності від опорних даних;–

визначено параметри калібрування знімально-вимірювальної системи, які необхідно врахувати при побудові фототріангуляції за архівними аерофотознімками.

3. Виконано технологічні та експериментальні дослідження розроблених методів калібрування, які дозволили:–

визначити теоретичну і реальну точність задачі калібрування фотознімків за даними дослідного полігону;–

оцінити точність визначення фотограмметричних координат точок рухомого об’єкту з використанням розробленої технології фотограмметричного калібрування відеозображень при наземному зніманні з малих відстаней;–

оцінити результати дослідження методики побудови блочної фототріангуляції з самокалібруванням знімків при відомих лінійних елементах зовнішнього орієнтування за макетними даними;–

визначити точність фототріангуляційних побудов при проведені геофізичного знімання в умовах високогір’я з використанням технології калібрування знімально-вимірювальної системи.

4. Основні результати розробленого та дослідженого фотограмметричного методу аерофотоприв’язки пунктів геофізичних спостережень та планово-висотного забезпечення гравіметричного знімання в умовах високогір’я впроваджено в практичну діяльність Геофізичної експедиції Виробничого об’єднання “Таджикгеологія”.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дорожинский О.Л., Тумская О.В., Шкурченко Ю.В. Методика аэрофотопривязки пунктов гравиметрической съемки в условиях высокогорья // Геодезия, картография и аэрофотосъемка. – Львов. – 1988. – Вып.48. – С.123-129.

2. Шкурченко Ю.В. Калібрування цифрових аерофотознімків з використанням дослідного полігону // Геодезія, картографія і аерофотознімання. – 2003. – Вип.63. – С.164-167.

3. Шкурченко Ю.В. Методика самокалібрування знімків при відомих лінійних елементах зовнішнього орієнтування // Вісник геодезії і картографії. – 2004 – №2. – С.70-73.

4. Колос А.–Ю.С., Котик З.О., Шкурченко Ю.В. Особливості складання цифрових планів під час моніторингу лінійної частини магістральних газопроводів // Геодезія, картографія і аерофотознімання, –2000. – Вип.60. – С.85-86.

5. Шкурченко Ю.В. Фотограмметричне калібрування відеозображень при зніманні з малих відстаней. // Матеріали 2-ої Міжнародної науково-технічної конференції “Кадастр, фотограмметрія, геоінформатика – сучасні технології та перспективи розвитку”. – Львів-Краків. – 2000. – С.160–162.

6. Шкурченко Ю.В. Математична модель вирівнювання блочної фототріангуляції з самокалібруванням знімків при відомих лінійних елементах орієнтування // Матеріали 3-ої Міжнародної науково-технічної конференції “Кадастр, фотограмметрія, геоінформатика – сучасні технології та перспективи розвитку”. Архівум з фотограмметрії, картографії і ДЗ. – Краків. – 2001. – С. 67–70.

7. Турук Д.Н., Шкурченко Ю.В. Исследование деформации фотопленок типа “Микрат” используемых в фототеодолитах ФЗЛТ / Львов. политехн. ин-т. – Львов, 1985. – 5 с. – Рус. – Деп. В УкрНИИНТИ №2344 Ук-85.

8. Тумская О.В., Шкурченко Ю.В. Програмно-математическое обеспечение автоматизированной системы цифрового и графического построения геологической карты // ЭИ ВИЭМС. Общ. и регион. геология геол. картирование. Отеч. произв. опыт. – 1987. – Вып.3. – С.1-6.

9. Шкурченко Ю.В. Крупномасштабная плановая аэрофотосъемка при производстве гравиметрических наблюдений в условиях высокогорья / Львов. политехн. ин-т. – Львов, 1989. – 3 с. – Рус. – Деп. В УкрНИИНТИ №1414 Ук-89 // Анот.в ж. Геодезия и аэросъемка, № 10, 1989.

АНОТАЦІЯ

Шкурченко Ю.В. Фотограмметричне калібрування знімків при побудові мереж аналітичної фототріангуляції. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.24.02 – фотограмметрія та картографія. – Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2004.

Дисертація присвячена розробці та удосконаленню методів фотограмметричного калібрування знімків при високоточних фотограмметричних побудовах.

В роботі досліджено і удосконалено модель фотограмметричного калібрування з використанням фотознімків дослідного полігону. Розроблено алгоритм та програмне забезпечення методу.

Теоретично обгрунтовано та експериментально перевірено технологію фотограмметричного калібрування цифрових зображень при наземному зніманні з малих відстаней. Розроблено та реалізовано схему калібрування зображень при відеозніманні рухомих об’єктів.

На основі аналізу існуючих теоретичних розробок, в дисертації сформульовано загальну фотограмметричну модель вирівнювання мережі фототріангуляції з врахуванням параметрів калібрування. Експериментальні дослідження методики вирівнювання блочної фототріангуляції з самокалібруванням знімків при відомих лінійних елементах орієнтування підтвердили практичну доцільнсть побудови високоточної блочної мережі фототріангуляції.

Опрацьована автором методика аерофотоприв’язки пунктів геофізичних спостережень була впроваджена у виробництво Південної Геофізичної експедиції Управління геології Таджикистану.

Ключові слова: фотограмметричне калібрування, самокалібрування, калібрувальний полігон, аерофотознімок, цифровий знімок, відеозображення, аналітична фототріангуляція, математичне моделювання, метод