Топографической съемки

Топографическая карта представляет собой цифровую модель местности (ЦММ), которая в последнее время получила наиболее широкое распространение. ЦММ является информационной основой автоматизированных систем проектирования и управления, а также географических информационных систем. ЦММ создают применяя, главным образом, спутниковую аппаратуру и электронные тахеометры. Информацию о местности и ее элементах получают и обрабатывают в цифровом виде.

Топографическая съемка выполненная с использованием спутниковой аппаратуры и электронных тахеометров называется цифровой топографической съемкой. Современная технология производства цифровой топографической съемки состоит в сочетании использования спутниковых приемников, реализующих статистический и кинематический режим измерений в реальном времени и электронного оборудования (тахеометров). Используя спутниковые приемники, определяют плановые координаты и высоты объектов. Электронные тахеометры (см. п. 9.3) применяют для досъемки тех участков местности, где использование спутниковой аппаратуры невозможно («закрытая местность», т. е. территория плотно застроена высотными зданиями) или нецелесообразно.

Оборудование и производство цифровой топографической съемки.Спутниковая аппаратура состоит из комплекта спутниковых приемников, реализующих (поддерживающих) режим наблюдений в реальном времени, включающих базовую (опорную, референцную) станцию и, как минимум, одну подвижную (роверную) станцию.

Базовая станция включает геодезический фазовый спутниковый приемник со спутниковой антенной и передающий радиомодем с радиоантенной. Спутниковые приемники бывают двух типов: одночастотные и двухчастотные. В комплект базовой станции также входят: аккумуляторы, штатив, штанга для измерения высоты спутниковой антенны, соединительные кабели и другое вспомогательное оборудование.

Аппаратура подвижной (роверной) станции включает: спутниковый приемник со спутниковой антенной, приемный радиомодем с радиоантенной и многофункциональный контроллер, предназначенный для управления работой всего подвижного комплекта, а также дополнительные аккумуляторы и соединительные кабели. Спутниковый приемник закрепляют на специальной вехе и при помощи круглого уровня устанавливают на определяемой (снимаемой) точке.

В комплект электронного тахеометра входят вехи с призменными отражателями и рация для связи между исполнителем (наблюдателем) и речниками – вешечниками. В процессе съемки тахеометр регистрирует и накапливает данные в виде: названия (номера), координат и кода точки (пикета).

Перед производством цифровой топографической съемки с применением спутниковых технологий составляют абрис и подготавливают классификатор (библиотеку) кодов объектов, подлежащих съемке, которые в дальнейшем будут необходимы для рисовки рельефа и последующего распределения объектов съемки по слоям векторной электронной карты. Такими слоями являются: подземные коммуникации, наземные сооружения, дорожная сеть и т. п. Выбирают систему координат и проекцию, в которой будут определяться координаты. Возможные системы координат встроены в контроллер.

Съемка спутниковым приемником в реальном времени в режиме кинематики начинается с инициализации, т. е. с изначального разрешения многозначности результатов фазовых измерений. С применением двухчастотного спутникового приемника для инициализации достаточно 8 – 14 минут, причем антенна может находиться как неподвижно, так и в движении. При использовании одночастотного приемника на инициализацию затрачивается 20-25 минут и антенна должна быть установлена неподвижно. Спутниковый приемник центрируют над пунктом с известными координатами. Таким пунктом может быть, как пункт геодезической сети созданной ранее наземными методами, так и пункт вновь созданной геодезической сети спутниковым методом в режиме статики. Спутниковый приемник обрабатывает принятый антенной сигнал, а передающий радиомодем с помощью радиоантенны транслирует эту информацию на подвижную станцию. При благоприятных условиях этот сигнал может быть принят подвижной станцией на расстоянии до 10 км для одночастотного и 25 км – для двухчастотных приемников.

После завершения инициализации веху со спутниковой антенной устанавливают на определяемую точку и с клавиатуры контроллера- накопителя вводится название (номер) точки, а из классификатора кодов выбирается код определяемого объекта. После чего вводят значение высоты вехи. Спутниковый приемник после обработки сигналов спутников и информации, принятой по радиоканалу с базовой станции, вычисляет координаты точки, на которой установлена спутниковая антенна. В течение 2-5 секунд на дисплей контроллера выводятся координаты точки с оценкой их точности определения. Встроенные в контроллер функции позволяют вычислять координаты недоступной точки, например, оси столба. Контроллер фиксирует в памяти окончательные значения координат и атрибуты объекта.

Досъемку участков местности выполняют электронными тахеометрами в следующем порядке. Тахеометр устанавливается на точку с которой будет производиться съемка и приводится в рабочее положение. Сориентировав прибор по начальному направлению, вводят значение его высоты, высоту отражателя (вехи), номер определяемой точки (пикета) и код объекта. После этого включают режим измерений. При этом определяются вертикальный и горизонтальный углы на веху и расстояние до нее. По данным измерений автоматически вычисляются координаты точки (пикета) и фиксируются во внутренней памяти или в накопителе (регистраторе) прибора. Наличие в тахеометрах электронных регистраторов позволяет автоматизировать процесс съемки: в регистраторе фиксируются не только данные измерений, но и характеристики точек. Таким образом, ведется «электронный абрис» съемки. Кроме того, в электронных тахеометрах имеются встроенные функции определения недоступных высоты и расстояния, вычисление площади и пространственных координат, вынос в натуру расстояния, координат и высоты недоступных объектов. Предусмотренные стандартные программы измерений позволяют выполнять фасадную съемку. Перечисленные функции и программы позволяют контролировать и управлять измерительной информацией по конкретному объекту.

При выполнении цифровой съемки спутниковыми приемниками и электронными тахеометрами одновременно с определением и фиксацией координат точек и объектов, фиксируются их атрибуты: код объекта, его характеристики, комментарии. Эта информация заносится в цифровом виде в накопители и далее используется для автоматического составления плана, и связанной с ним базы данных. В последующем вся информация переносится в компьютер, который и используется для составления цифрового плана местности. После корректировки в полевых условиях получают окончательный вариант цифровой модели местности. ЦММ, созданная с применением спутниковой аппаратуры и/или электронных тахеометров предоставляет его пользователю большие возможности. Например, можно определить эллипсы ошибок каждого пикета, дату, время съемки и другие дополнительные сведения.

10. ФОТОТОПОГРАФИЧЕСКИЕ СЪЕМКИ

Фототопографией называется дисциплина, изучающая способы создания топографических карт и планов с использованием материалов фотосъемки. Теоретической основой фототопографии является фотограмметрия, которая занимается определением форм, размеров и положением различных объектов путем измерения их изображения на фотоснимках.

По способу получения фотоизображения различают воздушную (аэрофотосъемку) и наземную фотосъемки. К воздушным фототопографическим относят комбинированную и стереотопографическую, а к наземным фототопографическим – фототеодолитную. К фототопографическим съемкам относится и космическая фотографическая съемка, материалы которой используются для обновления топографических карт.

Одним из основных методов создания государственных топографических карт является стереотопографическая съемка.

10.1. Общие сведения об аэрофотосъемке

Аэрофотосъемка (АФС) местности осуществляется с самолета (АН–2, ИЛ–14, АН–30) или другого летательного аппарата при помощи специальных топографических аэрофотоаппаратов (АФА) – полностью автоматизированных приборов, управляемых электрическими командными приборами.

Во время съемочного полета АФА, включенный через командный прибор полностью осуществляет аэрофотосъемочный цикл: экспонирование (открытие и закрытие затвора АФА), перематывание пленки для нового кадра, выравнивание пленки в плоскость с точностью до 0,02 мм. Современные АФА обеспечивают выдержки от 1/30 до 1/1000 с.

Наиболее распространенные в странах СНГ АФА имеют размеры кадров 18×18 см, за рубежом – 23×23 см.

Основные части АФА следующие: объектив, состоящий из 4–10 линз; кассета для фотопленки с устройством для ее выравнивания; командный прибор, управляющий работой аэрофотоаппарата, который работает в автоматическом и полуавтоматическом режиме. Для стабилизации заданного положения АФА и уменьшения наклона плановых снимков применяют гиростабилизирующие установки.

В зависимости от величины фокусного расстояния f аэрофотоаппараты делятся на короткофокусные (70–140 мм), среднефокусные (200 мм) и длиннофокусные (350 и 500 мм).

В результате выполнения аэрофотосъемочного цикла получается непрерывный аэрофильм, представляющий собой ряд смежных аэронегативов.

По числу снимков и их взаимному расположению аэрофотосъемка подразделяется на выполненную одиночными кадрами, одномаршрутную (вдоль заданной трассы – дорог, нефте-газопроводов и других линейно-вытянутых объектов) и многомаршрутную, или площадную.

Многомаршрутная аэрофотосъемка местности производится по маршрутам, прокладываемым с запада на восток и обратно, параллельно друг другу. Для каждого маршрута намечаются входные и выходные ориентиры, четко различаемые с самолета.

Перед началом АФС рассчитывают расстояния между экспозициями затвора АФА для того, чтобы фотографирование местности выполнялось через определенные интервалы с расчетом, чтобы аэрофотоснимки в маршруте перекрывали друг друга. Тогда на каждом следующем аэрофотоснимке частично будет изображаться площадь, заснятая на предыдущем. Перекрытие двух смежных снимков в одном маршруте называется продольным перекрытием Рх и должно быть не менее 60 % от размера снимка. Расстояние между маршрутами устанавливается таким образом, чтобы поперечное перекрытие снимков Ру было не менее 30 % (рис. 10.1).

Рис.10.1

В результате продольного и поперечного перекрытия все снимки оказываются взаимосвязанными между собой. Два снимка одной и той же территории, полученные из разных точек пространства, называются стереоскопической парой.

АФС выполненная при отвесном положении оптической оси АФА (отклонение от вертикали не должно превышать 3º) называется плановой, а снимки – плановыми. Современные гиростабилизирующие установки обеспечивают отклонение оптической оси от вертикали в пределах 15–30´. Снимки получаемые с большим чем 3º отклонением оптической оси от вертикали являются перспективными.

Аэрофотоснимок представляет собой центральную проекцию местности. Если при съемке равнинной территории ось АФА занимает отвесное положение, то изображение на аэрофотоснимке подобно местности, а следовательно совпадает с ортогональной проекцией – планом. В таком случае масштаб изображения местности будет одинаков для всех частей снимка и будет равен отношению фокусного расстояния f к высоте летательного аппарата H, т. е. Отношение длины отрезка на аэрофотоснимке S_a к длине этого же отрезка на местности S_м является численным масштабом аэроснимка, т. е.

Масштаб перспективного снимка будет непостоянен, удаленные линии местности будут иметь более мелкий масштаб.

На масштаб аэрофотоснимка в целом влияет: отклонение оси аэрофотоаппарата от отвесного положения; рельеф земной поверхности, т. е. повышенные участки местности имеют более крупный масштаб и кривизна Земли – чем меньше масштаб съемки и больше охват территории, тем большее влияние она оказывает.

После окончания съемки пленка проявляется и нумеруются негативы, для чего в северо-восточном углу каждого аэрофотоснимка указываются номер снимка, шифр залета, время и дата производства аэрофотосъемки. Аэрофотоснимки изготавливают контактным способом.

С отпечатанных фотоснимков изготавливается накидной монтаж, т. е. производится последовательная накладка смежных снимков путем совмещения одинаковых контуров ситуации.

По накидному монтажу из аэроснимков производят оценку качества выполненных летно-съемочных работ: масштаб и процент продольного и поперечного перекрытий аэроснимков; прямолинейность и взаимную параллельность маршрутов; величину углов наклона оптической оси аэрофотоаппарата; правильность ориентирования аэроснимков по направлению аэрофотосъемочных маршрутов.

10.2. Комбинированная съемка

Комбинированная съемка – это съемка местности на фотоплане, составленном из аэрофотоснимков методами фотограмметрии. Контурную часть карты или плана получают путем дешифрирования фотоизображения. Рельеф наносится на фотоплан непосредственно на местности методом мензульной съемки.

Общая технологическая схема съемки следующая: аэрофотосъемка; планово-высотная привязка снимков; фотограмметрическое сгущение опорной сети; трансформирование аэрофотоснимков и изготовление фотоплана; создание высотного обоснования; съемка рельефа; дешифрирование фотопланов.

Плановая и высотная привязка аэрофотоснимковзаключается в определении плановых координат и высот опознавательных знаков (опознаков), необходимых для создания топографической карты. Опознаки могут быть плановыми, высотными и планово-высотными.

Плановые и высотные опознаки – это контурные, хорошо опозноваемые на снимках и местности точки, которые закреплены соответствующим образом.

Процесс определения плановых координат Х и У называется плановой привязкой аэрофотоснимков, а определение высот опознаков – высотной привязкой аэрофотоснимков.

Основные методы плановой привязки – теодолитные ходы, прямые и обратные засечки и метод триангуляции.

Высотную привязку аэрофотоснимков выполняют геометрическим нивелированием при съемке с высотой сечения 0,5 и 1,0 м, а при сечении рельефа 2 м и более допускается применение тригонометрического нивелирования. При выполнении высотной привязки опознаков определяют отметки урезов воды в реках и водоемах.

В целях экономии средств и времени выполняют не сплошную плановую привязку, а разреженную привязку, т. е. плановые опознаки определяют не на каждом, а через несколько снимков на маршруте. Остальные опознаки для каждого аэрофотоснимка получают камеральными методами фотограмметрического сгущения, одним из которых является фототриангуляция. Различают пространственную и плановую фототриангуляцию.

Пространственная фототриангуляция выполняется на стереопарах аэроснимков аналитическим способом на высокоточных стереофотограмметрических приборах с использованием ЭВМ, в результате чего получают три координаты (Х,У,Н) сети сгущения.

В основе плановой фототриангуляции лежит свойство аэроснимка, как центральной проекции, где направления, проведенные из главных точек (точек пересечения координатных осей) плановых аэроснимков, практически свободны от искажений за рельеф и наклон снимка. При аналитическом способе на стереокомпараторах измеряют направления на главные, связующие, трансформационные точки и опознаки. Полученную сеть уравнивают и вычисляют плановые координаты всех пунктов.

При графическом способе направления на главные, связующие, трансформационные и опорные точки переносят с аэрофотоснимков на прозрачную основу. По опознакам, нанесенным на планшет (минимум двум) полученную сеть сгущения редуцируют, т. е. приводят к заданному масштабу на оптико-механических приборах – фоторедукторах. После этого на планшет переносят изображения всех центральных и трансформационных точек.

Трансформирование аэроснимков осуществляется с целью привязки их к масштабу составляемого плана и устранения искажений, вызванных наклоном снимков, разной высотой фотографирования и влиянием рельефа. Трансформирование выполняется на фототрансформаторах. Для этого на аэронегативе накалывают главную и все опорные точки (минимум четыре), имеющиеся на планшете. Движением кассеты фототрансформатора с негативом и экрана с планшетом добиваются совмещения проектируемых с аэронегатива точек с соответствующими точками планшета. Затем на планшет кладут фотобумагу и экспонируют негатив, получая трансформированное позитивное изображение. Рабочие части трансформированных снимков монтируют по трансформационным пунктам на твердую основу с нанесенными опорными точками, с которой затем получают копии – фотопланы.

Производстно комбинированной съемки Высотное съемочное обоснование необходимо для определения высот точек установки мензулы. Съемочное обоснование создают проложением между опознаками основных и съемочных высотных ходов. Основные высотные ходы прокладывают между пунктами нивелирования IV или более высокого класса точности, а съемочные – между точками основных высотных ходов.

В зависимости от высоты сечения рельефа, как и при высотной привязке, применяют геометрическое или тригонометрическое нивелирование. Горизонтальное проложение при обработке высотного хода определяют по фотоплану графически. Все точки высотных ходов должны быть опознаны на фотоплане и местности. С каждой станции должна быть видимость на смежные точки; их выбирают на открытых участках с таким расчетом, чтобы было удобно вести съемку рельефа.

Съемку рельефа выполняют непосредственно на фотоплане с помощью мензулы и кипрегеля (КН, КА-2). Одновременно ведется его рисовка и дешифрирование ситуации. Мензулу устанавливают в съемочной точке и приводят в рабочее положение. Ориентируют планшет и измеряют высоту инструмента i . Ориентирование выполняют по четким надежно опознанным на фотоплане и местности объектам и контурам.

К выбранным высотным пикетам предъявляют те же требования, что и при мензульной съемке: они должны находится на характерных линиях и точках рельефа (водоразделы, тальвеги, бровки, вершины и т. д.). Отметки пикетов будут определяться по формуле

υ.

Если высотный пункт находится на четко опознанном контуре, то нет необходимости определять расстояние; его можно определить на фотоплане. Рельеф местности зарисовывают в поле на фотоплане горизонталями и условными знаками (овраги, промоины и др.).

10.3. Дешифрирование фотопланов и аэрофотоснимков

Дешифрированием называется процесс опознавания по фотографическому изображению на снимке отдельных предметов и объектов местности, границ контуров, а также определение их количественных и качественных характеристик с обозначением их соответствующими условными знаками.

В зависимости от назначения выделяют топографическое дешифрирование и тематическое (почвенное, геоботаническое, геологическое и др.)

Топографическое дешифрирование наиболее универсальное, т. к. охватывает все видимые компоненты ландшафта: гидрографию, растительность, населенные пункты, дороги и др.

В зависимости от принятой технологии изготовления топографических карт и планов дешифрирование выполняют на фотопланах и на аэроснимках. При этом дешифрирование в зависимости от особенностей местности подразделяют на полевое, камеральное и комбинированное.

Полевое дешифрирование проводится путем визуального сличения фотоизображения всех контуров и объектов с местностью. Имеет высокую точность и современность, однако не является экономически выгодным.

Одновременно с полевым дешифрированием аэроснимков устанавливают названия населенных пунктов, урочищ и природных объектов, определяют скорость течения рек, глубину бродов, собирают данные о проходимости болот, характере растительного покрова и другие сведения.

Камеральное дешифрирование основано на применении дешифровочных признаков фотоизображения контуров местности характерных для тех или иных ландшафтных условий, при этом могут быть использованы фотограмметрические приборы, эталоны дешифрирования, разнообразные географические и другие материалы. Однако не все объекты могут быть отдешифрированы, т. к. не изобразились из-за своих малых размеров (колодцы, километровые столбы и т. п.). Кроме того, нельзя установить названия географических объектов.

Комбинированное дешифрирование состоит в том, что бесспорно опознаваемые элементы местности определяют камерально, а остальные дешифрируют непосредственно в полевых условиях.

Дешифрирование основано на анализе дешифровочных признаков, которые дают представление о содержании и характере объектов и контуров местности. Различают прямые и косвенные признаки дешифрирования.

К прямым признакам относятся – форма и размер объекта, тон и структура изображения, тень, отбрасываемая объектом. Форма контуров и объектов – это один из самых надежных признаков дешифрирования. Размеры дешифрируемых объектов часто уточняют представления об изображениях на аэроснимках. По форме и размерам легко отличить природные объекты от антропогенных.

Интенсивность тона зависит от условий освещенности, структуры объекта, его отражательной способности, типа фотографического материала. На цветных фотоснимках роль фототона или оптической плотности играет цвет. При спектрозональной съемке часто получают ложные цвета, что увеличивает возможность дешифрирования.

Структура изображения – это набор форм, размеров, тонов или цветов различных оттенков, которые формируют рисунок изображения.

По форме и размерам падающей тени можно установить вид объекта и его размеры.

Косвенные признаки дешифрирования основаны на многообразных взаимосвязях объектов, на использовании географических закономерностей между различными компонентами ландшафта, приуроченности объектов к определенному месту. Например, пересечение дороги с рекой часто указывает на наличие моста или брода.

Косвенные признаки имеют большое значение при тематическом дешифрировании.

Отдешифрированные в поле аэроснимки используют в качестве эталонов, сравнение с которыми позволяет проводить камеральное дешифрирование всех отдельных аэроснимков. При таком способе выполнения работ проводят полевое дешифрирование только населенных пунктов и объектов, не отобразившихся на аэроснимках (мостов, колодцев, линий электропередач и др.).

10.4. Понятие о стереотопографической съемке

Стереотопографическая съемка является одним из основных современных методов создания топографических карт для больших территорий.

В основе стереотопографической съемки лежит стереоскопическое зрение, т. е. способность человеческого глаза ощущать объемность пространства. Под объемной моделью понимается уменьшенная пространственная оптическая модель местности, которая возникает при рассмотрении двух перекрывающихся аэроснимков, образующих стереоскопическую пару (стереопару). Простейший стереоскоп – зеркально-линзовый, имеющий два внешних и два внутренних зеркала, наклоненных к плоскости горизонта под углом 45˚. Между зеркалами расположены две сменные линзы для увеличения изображения на рассматриваемых снимках.

Для получения стереоскопической модели необходимо разместить снимки так, чтобы одноименные точки на снимках находились на линиях параллельных зрительному базису (линии соединяющей центры глаз) и передвигают их вдоль этого направления до получения объемной стереоскопической модели. При этом левый глаз должен находиться над левым снимком, а правый – над правым.

Обработка аэроснимков (съемка рельефа и проведение горизонталей) выполняется на стереофотограмметрических приборах, в основе которых лежит измерение продольных параллаксов. Продольный параллакс р – разность абсцисс одной и той же точки на левом х_л и правом х_п снимках стереопары, т. е. р= х_л–х_п.

При определении превышения h между двумя точками используется зависимость между разностью параллаксов Δр этих точек, высотой съемки Н и базисом b между снимками, т. е. .

Стереофотограмметрическую обработку снимков можно выполнять двумя методами – дифференцированным и универсальным.

При дифференцированном методе отдельные этапы создания топокарт – сгущение опорной сети, фототрансформирование, изготовление фотопланов и рисовка горизонталей – выполняются на разных приборах разными исполнителями. Дешифрирование аэрофотоснимков производится комбинированным способом специалистами – дешифровщиками. Нарисованные на аэроснимках горизонтали и результаты дешифрирования переносятся на фотоплан, который затем оформляется соответствующим.

При универсальном методе все процессы по созданию топографической карты выполняются на одном высокоточном оптико-механическом приборе. На универсальных приборах сгущается опорная сеть, трансформируется аэрофотоизображение. Результатом обработки является графический план, который автоматически строится на графопостроителе. Дешифрирование ситуации производится комбинированным методом.

10.5. Наземная фототопографическая
(фототеодолитная) съемка

Наземной фототопографической (фототеодолитной) съемкой называется создание топокарт с определением пространственных координат точек местности по фотоизображениям, полученным при фотографировании с земной поверхности.

Фототеодолитная съемка применяется при картографировании небольших участков земной поверхности, главным образом горных районов, при изучении движения ледников, оползней, при съемке карьеров, при наблюдении за деформациями сооружений, т. е. для изучения динамических явлений и процессов.

Для съемки местности используют фототеодолит, представляющий собой сочетание теодолита с фотокамерой в совместном или раздельном исполнении. Если теодолит и фотокамера разделены, то фотокамера имеет ориентирующее устройство для придания оптической оси определенного положения по отношению к базису. Фототеодолитная съемка включает геодезические работы, фотографирование местности с точек базиса и составление плана.

Суть геодезических работ состоит в построении и измерении базиса и его геодезической привязке. Привязка осуществляется прокладкой теодолитных, нивелирных ходов и геодезическими засечками, в результате которых вычисляется дирекционный угол базиса, координаты левой точки и превышение правой точки над левой.

При фотографировании местности оптическую ось фотокамеры устанавливают перпендикулярной или равномерно отклоненной (со скосом) к базису. Дальность фотографирования (глубина съемки) должна быть больше в 4–20 раз длины базиса. Фотографирование производится на стеклянные пластинки с мелкозернистой эмульсией.

В результате фотографирования и последующей фотообработки материалов получают два снимка с перекрытием, называемых стереопарой. Для определения координат отдельных точек местности при составлении топографического плана по стереопаре производят измерения на стереокомпораторах.