Фотограмметрия и дистанционное зондирование
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Геодезия. Картография
Издательство:
Российский университет транспорта
Автор:
Ниязгулов Урал Давлетшиевич
Год издания: 2018
Кол-во страниц: 451
Дополнительно
Изложены основы получения информации о поверхности Земли, об объектах на ней и явлениях дистанционными методами. Рассмотрены современные методы и технические средства дистанционного зондирования земли. Приведены технологии обработки и интерпретации данных дистанционного зондирования для решения задач кадастра недвижимости.
Учебное пособие предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению 21.03.02 «Землеустройство и кадастр», а также может быть использовано магистрами, аспирантами и студентами других специальностей.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)» _________________________________________________ Институт пути, строительства и сооружений Кафедра «Геодезия, геоинформатика и навигация» У.Д. Ниязгулов ФОТОГРАММЕТРИЯ И ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ Учебное пособие Москва – 2018
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)» _________________________________________________ Институт пути, строительства и сооружений Кафедра «Геодезия, геоинформатика и навигация» У.Д. Ниязгулов ФОТОГРАММЕТРИЯ И ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ Учебное пособие для бакалавров направления «Землеустройство и кадастры» Москва – 2018
УДК 55
H 71
Ниязгулов У.Д. Фотограмметрия и дистанционное
зондирование: Учебное пособие. – М.: РУТ (МИИТ), 2018.
– 451 с.
Изложены
основы
получения
информации
о
поверхности Земли, об объектах на ней и явлениях
дистанционными методами. Рассмотрены современные
методы
и
технические
средства
дистанционного
зондирования земли. Приведены технологии обработки и
интерпретации данных дистанционного зондирования для
решения задач кадастра недвижимости.
Учебное пособие предназначено для бакалавров,
обучающихся по направлению 21.03.02 «Землеустройство и
кадастр», а также может быть использовано магистрами,
аспирантами и студентами других специальностей.
Рецензенты:
С.П. Гриднев – профессор кафедры кадастра
недвижимости, землеустройства и геодезии
Воронежского государственного Технического
Университета.
В.С. Миронов – профессор кафедры
«Проектирование и строительство железных
дорог» РУТ (МИИТ).
© РУТ (МИИТ), 2018
ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ .......................................................... 9 ВВЕДЕНИЕ ................................................................. 13 Краткая история развития методов дистанционного зондирования земли (ДЗЗ) ................... 16 Глава 1. Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) ....................................................................................... 23 1.1.Основны дистанционного зондирования Земли. Спектр электромагнитного излучения ................................ 23 1.2. Спектральная отражательная способность объектов ................................................................................. 26 1.3. Классификация съемочных систем ..................... 32 1.4. Основные характеристики съемочных систем .. 34 Глава 2. Фотографические съемочные системы ....... 36 2.1. Основы фотосъемки ............................................. 36 2.2. Понятие о цветной, спектрозональной и многозональной фотографии ............................................... 38 2.3. Основы цифровой съемки .................................... 42 Глава 3. Дистанционные методы съемок ............. 47 3.1. Фотографические съемочные системы............... 47 3.1.1. Кадровые аэрофотоаппараты ........................... 48 3.1.2. Деформация изображения в кадровых аэрофотоаппаратах ............................................................... 60 3.2. Нетопографические аэрофотоаппараты ............. 63 3.2.1. Щелевые аэрофотоаппараты ............................ 63 3.2.2. Панорамные аэрофотоаппараты ....................... 65 3.2.3 Тепловые съёмочные системы .......................... 67 3.3. Нефотографические съемочные системы ......... 69 3.3.1. Кадровые телевизионные системы .................. 70 3.3.2. Сканирующие съёмочные системы ................. 72 3.3.2.2. Радиолокационная съемка ............................. 75 3.3.2.3. Лазерные съёмочные системы ....................... 83
3.4. Цифровые съемочные системы ........................... 90 Глава 4. Понятие о съемке Земли с космоса ........ 93 4.1. Условия получения космических снимков ........ 93 4.2. Отличие космических фотоснимков от аэрофотоснимков .................................................................. 96 4.3. Космические съёмочные системы ............................ 99 Глава 5. Производство аэрофотосъемки ............. 107 5.1. Технические показатели аэрофотосъёмки ....... 107 5.2. Расчет задания на аэрофотосъемку площади ... 113 5.3. Оценка качества результатов аэрофотосъёмки 117 5.4. Особые условия проведения аэрофотосъёмки . 124 застроенных территорий ............................................. 124 Глава 6. Основные сведения по теории линейной перспективы ....................................................................... 126 6.1. Понятие о проекциях .......................................... 126 6.2. Элементы центральной проекции ..................... 128 6.3. Перспектива точки, расположенной ................. 133 в предметной плоскости ........................................... 133 6.4. Теорема Шаля ..................................................... 134 6.5. Эпюры .................................................................. 135 6.6. Системы координат ............................................ 138 6.7. Перспектива отрезков прямых, расположенных в предметной плоскости ........................................................ 139 6.8. Построение в предметной плоскости соответственной линии по перспективе ........................... 141 6.9. Масштаб перспективы ....................................... 143 6.10. Перспектива угла .............................................. 147 6.11. Перспектива отвесной прямой. ....................... 149 Нахождение плоскости плана и построение его по перспективе.......................................................................... 149 Глава 7. Фотограмметрическая обработка материалов аэро- и космических снимков ................... 153 7.1.Принципы фотограмметрии ............................... 153 7.2. Геометрические особенности аэроснимков ..... 156
7.3. Системы координат, используемые в фотограмметрии .................................................................. 162 7.4. Элементы ориентирования одиночного аэроснимка ........................................................................... 163 7.5. Зависимость между координатами точек горизонтального аэроснимка и местности ....................... 166 7.6. Зависимость между координатами точек наклонного и ........................................................................ 167 горизонтального аэрофотоснимков ......................... 167 7.7. Зависимость между координатами наклонного аэрофотоснимка и местности ............................................. 170 7.8. Геометрический анализ аэрофотоснимка ......... 171 7.8.1. Смещение точек на аэрофотоснимке, вызванное влиянием наклона снимка .................................................. 171 7.8.2. Искажение масштаба аэрофотоснимка за его угол наклона ........................................................................ 175 7.8.3. Смещение точек аэроснимка вследствие влияния рельефа местности ............................................... 177 7.8.4. Искажение масштаба аэроснимка вследствие влияния рельефа местности ............................................... 179 7.8.5. Анализ аэроснимка. Элементы ориентирования ................................................................... 181 7.8.6. Связь координат соответственных точек ...... 183 аэроснимка и местности ............................................ 183 7.8.7. Изменение масштаба аэроснимка вследствие влияния угла наклона ......................................................... 185 7.8.8. Смещение точек аэроснимка вследствие влияния угла наклона ......................................................... 191 7.8.9. Искажение направлений на аэроснимке вследствие влияния угла наклона ...................................... 195 7.8.10. Искажение площади контура на аэроснимке вследствие влияния угла наклона ...................................... 199 7.8.11. Изменение масштаба аэроснимка вследствие влияния рельефа местности ............................................... 202
7.8.12. Смещение точек аэроснимка вследствие влияния рельефа местности ............................................... 206 7.8.13. Искажение направлений на аэроснимке вследствие влияния рельефа местности ........................... 209 7.8.14. Искажение площади контура на аэроснимке вследствие влияния рельефа местности ........................... 212 7.8.15. Совместное влияние угла наклона и рельефа местности на геометрические свойства аэроснимка ....... 216 7.9. Трансформирование аэроснимков .................... 222 Глава 8. Стереоскопические методы съемки ..... 230 8.1. Основы стереоскопических измерений ............ 230 8.2. Способы стереоскопических измерений .......... 239 8.3. Геометрическая модель местности ................... 242 8.4. Элементы ориентирования пары аэроснимков 245 8.5. Аналитическое определение элементов взаимного ориентирования ................................................ 247 8.6. Внешнее ориентирование модели ..................... 253 8.7. Зависимость между превышениями точек и разностями продольных параллаксов ............................... 257 8.8. Стереотопографические методы съемок .......... 262 8. 9. Цифровая обработка изображений .................. 266 8.9.1 Понятие об изображении ................................. 266 Глава 9. Теория и алгоритмы фотограмметрической ...................................................... 303 обработки цифровых изображений .......................... 303 9.1 Алгоритм подготовки исходной информации и внутреннего ориентирования изображений ..................... 303 Подготовка исходной информации ......................... 303 9.2 Алгоритм взаимного ориентирования изображений и построения стереоскопической модели . 311 9.3 Алгоритм внешнего ориентирования снимков и построения геометрической модели местности ............... 318 Алгоритм внешнего ориентирования одиночного снимка .................................................................................. 318
9.4. Понятие о фототриангуляции ............................ 332 Глава 10. Наземная фотограмметрическая съемка .................................................................................. 339 10.1. Понятие о наземной фототопографической съемке ................................................................................... 339 10.2. Фототеодолитный комплект ............................ 343 10.3. Производство наземной фототопографической съемки .................................................................................. 346 Глава 11. Дешифрирование материалов аэро- и 350 космических съемок ................................................ 350 11.1. Дешифрирование – процесс получения семантической информации со снимков .......................... 350 11.2. Классификация дешифрирования ................... 351 11.3. Визуальный метод дешифрирования .............. 354 11.4. Материалы съемки, используемые при визуальном дешифрировании ............................................ 358 11.5. Дешифровочные признаки, используемые при визуальном дешифрировании ............................................ 360 11.6. Генерализация информации при дешифрировании ................................................................. 368 11.7. Технические средства, используемые при визуальном дешифрировании ............................................ 370 11.8. Технологии визуального дешифрирования ... 372 11.9. Досъемка не изобразившихся на снимках объектов при дешифрировании ......................................... 375 11.10. Способы определения положения построек на дешифрируемых снимках при инвентаризации земель .. 380 Глава 12. Дешифрирование аэро- и космических снимков для создания кадастровых планов и карт ... 387 12.1. Задачи и содержание кадастрового дешифрирования снимков .................................................. 387 12.2. Объекты дешифрирования при создании базовых карт земель масштаба 1:10 000 - 1:25 000 и их признаки ............................................................................... 388
12.3. Требования к качеству дешифрирования для создания кадастровых планов и карт. ............................... 401 Генерализация информации ..................................... 401 12.4. Подготовительные работы при дешифрировании снимков для создания кадастровых планов и карт ....................................................................... 402 12.5. Технология дешифрирования и контроль результатов .......................................................................... 406 12.6. Дешифрирование снимков поселений для целей кадастра и инвентаризации земель .................................... 410 12.7. Условные знаки, применяемые при дешифрировании снимков населенных пунктов, нормы генерализации и требования к точности результатов дешифрирования ................................................................. 418 12.8. Выбор съемочной системы и условий съемки для выполнения дешифровочных работ при составлении кадастровых карт и планов ................................................ 419 12.9. Понятие о машинно-визуальном методе ........ 424 дешифрирования ........................................................ 424 12.10. Понятие об автоматизированном методе дешифрирования ................................................................. 430 Приложение 1 ........................................................... 442 Литература ................................................................ 450
ПРЕДИСЛОВИЕ Создание кадастра недвижимости, земельно-учетные работы и природоохранные мероприятия требуют регулярного получения разнообразной и качественной информации о земной поверхности и объектах недвижимости на ней. Основой получения такой информации в настоящее время служат материалы аэро- и космических съемок. Материалы аэро- и космических съемок используются при решении многообразных задач изучения объектов недвижимости, земной поверхности и т. д. По снимкам, полученным с воздушных или космических носителей, изготавливаются карты и планы, используемые в земельном кадастре и землеустройстве. По снимкам определяются геодезические координаты изобразившихся точек местности, границы изучаемых объектов, их принадлежность к соответствующему классу, а также их качественные характеристики. Точность решения этих задач в значительной степени зависит от величины геометрических деформаций используемых снимков и искажений яркостей изображённых объектов при выполнении съёмки. Материалы дистанционного зондирования Земли находят все более широкое применение при ведении государственного земельного кадастра, кадастра недвижимости и мониторинге земель. Это обусловлено, во- первых, относительной дешевизной обследования единицы площади дистанционными методами по сравнению с наземными, особенно при обследовании значительных территорий. Во-вторых, при дистанционном зондировании отсутствует непосредственный контакт между объектом исследования и техническими средствами, производящими измерения различных характеристик объекта, что обеспечивает неизменяемость объекта при обследовании.
В-третьих, и это главное, дистанционное зондирование в целом дает более информативные материалы, характеризующие состояние объекта исследования: в результате зондирования, получают продукцию, характеризующую количественно без пробелов и разрывов целые обследуемые площади как совокупность множества отдельных точек (естественно, с тем шагом, который определяется масштабом съемки и ее разрешающей способностью). При наземных обследованиях в большинстве случаев количественно фиксируется значение интересующего показателя лишь для ряда отдельных точек пробоотбора, а значения его для промежуточных точек приходится аппроксимировать. Специфические требования к дистанционному зондированию для целей мониторинга земель отличны от таковых для земельно-кадастровых съемок и обусловлены необходимостью выявления процессов на землях и их динамики, что требует высокой спектральной чувствительности аппаратуры. В результате требования к точности определения границ и ареалов обследуемых процессов в натуре нечетких и нерезких, снижаются. В то же время повышаются требования к спектральным характеристикам и объективности их регистрации (пригодна, например, многозональная цифровая сканерная съемка). Пространственная привязка информации достигается совместным применением нескольких видов различной аппаратуры. Особенности съёмочной аппаратуры и условия получения снимков являются главными факторами, приводящими к деформациям и яркостным искажениям изображений объектов недвижимости. Координаты поворотных точек границ земельных участков, положение объектов недвижимости, а также элементов топографической ситуации при инвентаризации земель и
кадастре недвижимости определяются в настоящее время преимущественно в результате фотограмметрической обработки снимков. Смысловая (семантическая) информация о недвижимостях извлекается из тех же или специально полученных для этих целей снимков. С помощью последних составляют кадастровые и другие специальные планы, и карты. Они могут использоваться в качестве информационных слоев в географических информационных системах (ГИС). Таким образом, исходные аэро- и космические снимки в данном процессе выполняют функции информационных моделей, представленных в аналоговой или цифровой форме. С их помощью решаются многие задачи метрического и семантического характера. В большинстве случаев исходные снимки подвергаются различным преобразованиям с целью, например, выявления и учета различных геометрических и изобразительных искажений, приведения полученного изображения к единому стандартному масштабу и т. д. Спектр решаемых по ним задач значительно расширяется. Поэтому в учебном пособии рассматриваются теоретические основы и технологии: получения снимков методами дистанционного зондирования; определения их информационных свойств и возможности их использования; геометрического преобразования снимков с целью получения количественных и качественных характеристик объектов недвижимости; применения методов дистанционного зондирования и фотограмметрии при формировании информационных баз кадастра недвижимости и государственного мониторинга земель и др. Специалисты профиля кадастр недвижимости с введением компьютерных технологий обработки аэро- и
космических снимков, хранения и использования получаемой при этом информации в информационных базах данных становятся не только заказчиками картографической продукции, как это было раньше, но и непосредственными участниками процесса создания и использования базы земельно-кадастровых данных, функционирования системы государственного мониторинга землепользования и др. Дистанционное зондирование и фотограмметрия в кадастре недвижимости и землеустроительном производстве имеет прикладной характер. Поэтому автор учебного пособия считает возможным опустить некоторые выводы формул и акцентировать внимание обучающихся на их анализе и практическом применении при решении специальных задач.
ВВЕДЕНИЕ Дистанционные методы применяются в исследованиях Земли очень давно. Вначале использовались рисованные снимки, которые фиксировали пространственное расположение изучаемых объектов. С изобретением фотографии возникла наземная фототеодолитная съемка, при которой по перспективным фотоснимкам составляли карты горных районов. Развитие авиации обеспечило получение аэрофотоснимков с изображением местности сверху, в плане. Это вооружило науки о Земле мощным средством исследований – аэрометодами. История развития аэрокосмических методов свидетельствует о том, что новые достижения науки и техники сразу же используются для совершенствования технологий получения снимков. Так произошло в середине XX в., когда такие новшества, как компьютеры, космические аппараты, радиоэлектронные съемочные системы, совершили революционные преобразования в традиционных аэрофотометодах – зародилось аэрокосмическое зондирование. Разрешение и метрические свойства космических снимков открытого доступа быстро повышаются. Получают распространение орбитальные снимки сверхвысокого разрешения – метрового и даже дециметрового, которые успешно конкурируют с аэроснимками. Аналоговые фотографические снимки и традиционные технологии их обработки утрачивают свое прежнее монопольное значение. Основным обрабатывающим прибором стал компьютер, оснащенный специализированным программным обеспечением и периферией.
Развитие всепогодной радиолокации превращает ее в прогрессивный метод получения метрически точной пространственной геоинформации, который начинает эффективно комплексироваться с оптическими технологиями аэрокосмического зондирования. Быстро формируется рынок разнообразной продукции аэрокосмического зондирования Земли. Неуклонно увеличивается число коммерческих космических аппаратов, функционирующих на орбитах, особенно зарубежных. Наибольшее применение находят снимки, получаемые ресурсными спутниковыми системами Landsat (США), SPOT (Франция), IRS (Индия), картографическими спутниками ALOS (Япония), Cartosat (Индия), спутниками сверхвысокого разрешения Ikonos, QiuckBird, GeoEye (США), в том числе радиолокационными TerraSAR-X и TanDEM-X (Германия), выполняющими тандемную интерферометрическую съемку. Успешно эксплуатируется система спутников космического мониторинга RapidEye (Германия). Аэрокосмические снимки применяются во всех направлениях изучения Земли, но интенсивность их использования и результативность применения в разных областях исследований различны. Они чрезвычайно важны в исследованиях литосферы, показывая раздробленность геологического фундамента линейными разломами и кольцевыми структурами и облегчая поиски месторождений полезных ископаемых; в исследованиях атмосферы, где снимки дали основу метеорологических прогнозов; благодаря снимкам из космоса открыта вихревая структура океана, зафиксировано состояние растительного покрова Земли на рубеже веков и его изменения в последние десятилетия. Пока космические снимки значительно меньше применяются при социально-экономических исследованиях. Различаются и типы задач, решаемых по
снимкам в разных предметных областях. Так, решение инвентаризационных задач реализуется при изучении природных ресурсов, например, при картографировании почв, растительности, поскольку снимки наиболее полно отображают сложную пространственную структуру почвенно-растительного покрова. Оценочные задачи, оперативная оценка состояния экосистем выполняются в рамках исследований биопродуктивности океанов, ледового покрова морей, контроля за пожароопасной ситуацией в лесах. Прогностические задачи: использование снимков для моделирования и прогнозирования наиболее развито в метеорологии, где их анализ является основой прогнозов погоды; в гидрологии – для прогноза талого стока рек, паводков и наводнений. Начинаются исследования по прогнозированию сейсмической активности, землетрясений на основе анализа состояния литосферы и верхней атмосферы. Космические снимки, оперативно размещаемые в Интернете, становятся наиболее востребованной видеоинформацией о местности как для специалистов- профессионалов, так и для широких слоев населения.