« »

Тема 22. ДИСТАНЦИОННЫЕ СЪЕМКИ

ВВЕДЕНИЕ

С 30-х годов XX столетия аэрофотосъемка все шире применяется в лесном хозяйстве лесоустройстве В настоящее время лесоустроительные работы без фотоаэроснимков практически не проводятся. На базе аэро- и космических снимков разработаны новые методы лесоинвентаризации, в том числе метод, рационально сочетающий наземную таксацию с камеральным дешифрированием аэрофотоснимков, а также выборочно-статистический метод лесоинвентаризации на базе космических снимков. Применение аэро- и космических снимков особенно перспективно и необходимо при инвентаризации лесов в отдаленных и трудно доступных районах. Однако и в освоенных районах использование аэроснимков крупных и средних масштабов повышает точность установления границ лесных выделов, а, следовательно, и точность таксации древесных запасов.
Чтобы эффективность использования аэро- и космических снимков была высокой, специалисты лесного хозяйства должны иметь навыки опознавания по снимкам различных наземных образований, а также определять таксационные характеристики лесопокрытых площадей.

22.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О АЭРОФОТОТОПОГРАФИЧЕСКОЙ СЪЕМКЕ И СНИМКАХ

Фототопографиядисциплина, изучающая способы создания топографических карт и планов с использованием материалов фотосъемки. Фотографирование местности может быть выполнено или с самолета, или с точек земной поверхности. В связи с этим различают два вида фототопографических съемок – аэрофототопографическую и наземную фототопографическую(или фототеодолитную).
Аэрофототопографическая съемка – основной способ создания или обновления топографических карт на основе использования аэрофотоснимков. Приемы и методы такой съемки используют также при составлении лесных планов и карт. В настоящее время лесоустройство и лесную таксацию осуществляют в основном с использованием аэрофотоснимков. Различают контурную, комбинированную и стереофотограмметрическую аэрофототопографическую съемку.
При контурной аэрофототопографической съемке аэрофотоснимки используются только для построения контурной части карты, рельеф на ней не отображается. Служит для съёмки отдельных участков местности.
При комбинированной аэрофототопографической съемке контурная часть карты создаётся по аэрофотоснимкам, а рельеф наносится в результате наземной топографической съёмки. Применяется при составлении карт крупного масштаба (1:2000 — 1:10000).
Комбинированная съемка имеет значительное преимущество перед топографической съемкой, так как большой объем работ выполняется в камеральных условиях, а остальная часть, приходящаяся на долю полевых работ, облегчается благодаря наличию фотоплана. Комбинированный метод применяется для съемки равнинных районов со слабо выраженным рельефом местности.
При стереофотограмметрической аэрофототопографической съемке контуры и рельеф карты создаются по аэрофотоснимкам. Этот вид аэрофототопографической съемки является основным при создании топографических карт всех масштабов.
Для получения объемной модели местности по аэроснимкам используют стереопару аэроснимков, т. е. два смежных перекрывающихся аэроснимка, и специальные приборы, позволяющие выполнить разделение зрения. При рассматривании двух изображений одного и того же объекта в стереоскопических приборах левым глазом наблюдается левое изображение, правым – правое. Такое рассматривание двух перекрывающихся снимков позволяет получать пространственную (стереоскопическую) модель местности, а также измерять эту модель с высокой точностью.
Простейшими приборами для стереоскопических наблюдений являются стереоскопы.

Разработкой теории аэрофототопографической съемки и способов её практического применения занимается научная дисциплина – аэрофототопография.
Область знаний, изучающая способы определения размеров, формы и пространственное положение предмета по фотоснимкам, называется фотограмметрией. Фотограмметрические методы измерения фотоснимков являются теоретической основой фототопографии.
Вся процедура создания карты включает в себя собственно съемку – фотографирование с летательных аппаратов (самолетов, вертолетов), плановую и высотную подготовку снимков, дешифрирование снимков и работы по обработке снимков – фотограмметрические работы.

Фотографическую съемку производят с самолетов. Существуют специально сконструированные или приспособленные для этой цели аэропланы.
Фотографирование производится специальными аэрофотоаппаратами (АФА), снабженными объективами с различными фокусными расстояниями. Процесс фотографирования максимально автоматизирован. Фотоаппарат соединен с гироустановкой, с помощью которой оптической оси придается устойчивое положение. По ходу съемки радиовысотомером определяется высота фотографирования каждого снимка. На лесной съемке используют аэрофотоснимки в основном для создания контурных планов.
Чаще всего снимаемый участок не может быть размещен на одном снимке, поэтому возникает задача покрытия снимками всей территории картографирования, например трапеции или группы трапеций будущей карты. Тогда участок фотографируется последовательно маршрут за маршрутом. При этом соблюдается перекрытие вдоль маршрута (продольное) между снимками  р = 60 % от рамки кадра и поперечное перекрытие между маршрутами q = 30 – 40 % от рамки кадра (рис. 22.1).



Рис. 22.1. Продольное (а) и поперечное (б) перекрытия аэрофотоснимков

Время съемки выбирается таким, чтобы солнце не было скрыто облаками и стояло над горизонтом не слишком низко и не в зените. Самый удобный сезон для дешифрирования снимков – лето, если, конечно, не имеется в виду специальный вид съемки, например состояние снежного покрова или ледостава и ледохода.

Геометрические свойства снимков

В отличие от картографических изображений, которые получаются ортогональным проектированием ситуации на плоскость относимости с последующим развертыванием «картинки» в плоскость в любой картографической проекции, снимки являются центральным проектированием местности на плоскость. Таким образом снимки получаются во внешней перспективной проекции, в связи с чем на реальных снимках возникают такие искажения, которые не свойственны карте. Поэтому преобразование снимков в карты составляет достаточно сложную задачу.

Масштаб горизонтального аэрофотоснимка

Используя рис. 22.2, запишем формулу, связывающую масштаб фотоизображения с фокусным расстоянием f объектива АФА и высотой фотографирования Н:
Sо/SО= ab/AB = 1/M,
откуда 1/M = f/H, где — отрезок на местности (М), ab — отрезок на снимке (Сн).



Рис. 22.2. Масштаб аэрофотоснимка

Однако на наклонном снимке масштаб изображения не будет постоянным. На снимке будут искажаться размеры и, что особенно важно, фигуры, конфигурации объектов, как это показано на рис. 22.3.


Рис. 22.3. Изображение окружности:
а – неискаженное на горизонтальном снимке; б – искаженное на наклонном снимке

Исправление снимков от искажений из-за наклона и приведение их к заданному масштабу называют трансформированием. Трансформирование осуществляется либо фотомеханическим способом, либо графическим путем с помощью проективных сеток, которые строятся на четырех общих точках, найденных на снимках и картографической основе. Между ними строят на снимках и основе два четырехугольника (трапеции), которые разбиваются на равное число более мелких трапеций. С их помощью содержание дешифрированных снимков переносится на картографическую основу. Из-за влияния рельефа происходит сдвиг изображения, как это показано на рис. 22.4.


Рис. 22.4. Влияние рельефа на аэрофотоизображение

Величина сдвига δh зависит от фокусного расстояния f объектива АФА, высоты фотографирования Н и высоты самого объекта h. По этой причине также невозможно прямое совмещение фотоснимка с картой.
Исправление искажения из-за рельефа – более сложная проблема, чем исправление из-за влияния наклона снимка. Но и она решена в виде так называемого ортотрансформирования на специальных ортофото- и электронных трансформаторах. Однако само по себе наличие сдвига из-за рельефа, так называемый параллакс, дает возможность рассматривать снимки стереоскопически.

Измерение высот по разности параллаксов

Рассмотрим рис. 22.5. Здесь S1 и S2  – центры проекции (объективы АФА в два момента съемки); В – базис съемки; b – базис съемки в масштабе снимка; Н – высота фотографирования; f – фокусное расстояние объектива АФА; o1, и о2  – центры левого и правого снимков; h – высота рельефа.

 


Рис. 22.5. Измерение высот по разностям параллаксов

Параллаксом называют разность координат (абсцисс) одной и той же точки на разных снимках. На рис. 22.5. параллакс точки а равен
рa = о1а1 – о2а2;
рc = о1с1 –  о2с2;

разность параллаксов
Δp = рa – рc.
Разность параллаксов равна нулю, если точки лежат на одной горизонтальной плоскости. Если же точки расположены с разностью высот h, то она может быть вычислена по формуле
h = Н×Δp/(b + Δp)
или приближенно
h = Н×Δp/b.
Высота фотографирования Н измеряется в полете радиовысотомером для каждого снимка, b — на каждой паре снимков, Δр — для каждой определяемой высоты с помощью специальных стереофотограмметрических приборов.

22.2. ФОТОПЛАН И ФОТОСХЕМА

Основой лесоустроительных планшетов чаще всего бывают фотопланы и уточненные фотосхемы. Фотоплан – это фотографическое изображение местности, которое по точности соответствует топографическому плану (карте). Его создают соединением трансформированных снимков или ортофотоснимков. Фотоплан монтируют по опорным, центральным и ориентирующим точкам, нанесенным на планшет-основу. На снимках в этих точках предварительно пробивают пуансоном отверстия диаметром не более 1 мм, а с планшета изготовляют копию в виде контрольной восковки, на которую наносят рамку плана, сетку прямоугольных координат и точки полевой подготовки снимков.
Снимки начинают укладывать на основу с северозападного угла планшета. Пробитые в снимке отверстия должны точно совпадать с соответствующими точками планшета. Первый снимок прижимают грузиками и таким же способом накладывают второй, перекрывающийся с первым. Тонкой иглой накалывают ярко выраженные контурные точки, находящиеся примерно на середине перекрытий. Накол на нижнем (соседнем) снимке может отклоняться от контура не более чем на 0,5 мм. Увязанные между собой снимки подклеивают центральными частями к основе, а затем разрезают посередине перекрытий и подклеивают оставшиеся края. Фотоизображение местности, смонтированное из нетрансформированных одномасштабных плановых снимках, называют фотосхемой. Ее точность ниже точности плана и зависит от величины углов наклона снимков. Фотосхему монтируют по начальным направлениям и идентичным контурам. Начинают монтаж с центра планшета. При лесоустройстве используют уточненные фотосхемы, занимающие по точности среднее положение между фотопланами и фотосхемами. Их монтируют из снимков, трансформированных по контурным точкам карты.

22.3. ФОТОТОПОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД ЛЕСНОЙ СЪЕМКИ. ДЕШИФРИРОВАНИЕ АЭРОФОТОСНИМКОВ

Технология изготовления планово-картографических материалов лесоустройства по аэроснимкам включает: создание основы планшетов, полевое и камеральное дешифрирование снимков, составление, вычерчивание и оформление оригинала лесоустроительного планшета.

Основу лесоустроительного планшета создают в виде фотоплана (уточненной фотосхемы) или графического плана. В связи с этим разными способами переносят ситуацию на планшеты. Фотопланы (фотосхемы) изготовляют обычно на равнинные и всхолмленные районы, а при наличии ортофотоснимков – и на горные. Если же таких снимков нет, на горные районы составляют графические планы с сетью опорных точек, полученных в результате полевой подготовки аэроснимков и развития фототриангуляции. Как фотопланы (фотосхемы), так и графические планы обычно изготовляют лесоустроительные предприятия централизованно способами, рассмотренными выше.
Дешифрирование аэрофотоснимков, т. е. выявление, распознавание и определение количественных и качественных характеристик изображенных объектов выполняют в камеральных и полевых условиях. Различают контурное, таксационное и специальное дешифрирование. При контурном дешифрировании лесную и непокрытую лесом территорию разделяют на однородные участки.
При лесотаксационном определяют в границах однородных участков таксационные показатели насаждений и характеристики не покрытых лесом земель. Специальное дешифрирование ведут с целью определения лесопатологического состояния насаждений, проверки соблюдения правил рубок ухода, выявления лесомелиоративного фонда и т. п.
Все виды дешифрирования начинают с подготовки аэрофотоснимков к работе на местности. На них проводят границы рабочей площади и внутри ее опознают и вычерчивают квартально визирную сеть, дороги, реки, различные трассы. Рассматривая снимки под стереоскопом, на них опознают и отмечают границы интересующих дешифровщика участков. Подготовленный таким образом фотоснимок становится фотоабрисом. В лесу по нему уточняют выявленные камерально характеристики и отмечают положение и состояние объектов, не изображенных на снимке.
Основным способом дешифрирования в настоящее время является визуальный, при котором дешифровщик с помощью простейших оптических и измерительных приборов получает информацию со снимка. Этот трудоемкий способ начинает заменяться машинным. Для лесохозяйственного дешифрирования применяют комплекс автоматических устройств (оптических, электронных и др.), позволяющих определять и документировать категории лесных площадей (леса, вырубки, гари, болота и пр.), границы выделов, состав насаждений и некоторые другие показатели. Комбинируя машинный способ с визуальным, удается повысить производительность и точность дешифрирования. (Подробно методика и техника лесного дешифрирования рассматриваются в специальных руководствах.)
Составление лесоустроительного планшета заключается в переносе на его основу материалов, полученных в процессе таксации насаждений. На фотоплан (фотосхему) визуально переносят внутреннюю ситуацию с фотоабрисов, глазомерно сличая контуры и отдельные объекты на абрисе с идентичными контурами и объектами на плане. Контуры вычерчивают на фотоплане карандашом, а затем всю ситуацию – тушью принятыми в лесоустройстве знаками. Фотоплан (уточненная фотосхема) становится чертежным планом после снятия с него копии или отбеливания фотографического изображения.
Ситуацию переносят с фотоснимков (фотоабрисов) на графический план при помощи разных оптико-механических приборов. Предварительно на абрисах вычерчивают тушью лесную и топографическую ситуацию и при необходимости перекопируют на восковку. Для составления планов горных районов в кассету фототрансформатора закладывают диапозитив аэроснимка, а на экран помещают основу планшета. Переносят ситуацию на планшет не всю сразу, а по отдельным высотным зонам. Для этих же целей используют универсальные приборы (стереопроекторы); ими переносят ситуацию после построения стереомодели в масштабе планшета по стереопаре рабочих снимков. При составлении планов равнинных и всхолмленных районов пользуются более простым оптико-механическим прибором, – универсальным топографическим проектором, работающим по принципу фототрансформатора.

22.4. НАЗЕМНАЯ ФОТОТОПОГРАФИЧЕСКАЯ СЪЕМКА

Создание топографических карт, а также определение пространственных координат точек местности по фотографическим ее изображениям, полученным при фотографировании с земной поверхности, называется наземной фототопографической съемкой.
Наземная фототопографическая съемка применяется для создания топографических и специальных карт, для изучения динамических природных явлений и процессов, а также для решения ряда научных и инженерно-технических задач. Наибольшее применение наземная съемка получила при создании крупномасштабных планов горных районов. Наземную фототопографическую съемку применяют тогда, когда аэрофотосъемку проводить нецелесообразно или технически невозможно. При картографировании труднодоступных горных районов, картографировании в средних и мелких масштабах для сокращения объема полевых работ комбинируют наземную съемку с воздушной.
Наземная фототопографическая съемка выполняется специальным прибором – (рис. 22.6),представляющим собой сочетание теодолита с фотокамерой в совместном или раздельном исполнении.


Рис. 22.6. Фототеодолит: 1 – теодолит; 2 – фотокамера.

Фототеодолит служит для фотографирования местности, а также для измерения горизонтальных и вертикальных углов с целью определения геодезических координат станций установки фототеодолита.
Для получения пространственного положения снимаемого объекта наземную съемку выполняют фототеодолитом с двух концов базиса и получают стереоскопические пары фотоснимков, которые измеряются на стереокомпараторах, если нужно определить координаты отдельных точек местности, или на специальных приборах – стереоавтографах, если создастся графический план местности.
Для фотографирования выбирают станции с хорошим обзором местности, чтобы при съемке было как можно меньше «мертвых» зон (объекты ближнего плана закрывают дальний план).
Кроме фотографирования местности в поле выполняют также геодезические работы. Привязку станции к пунктам геодезической основы производят обратными или прямыми засечками. Контрольные точки, необходимые для ориентирования снимков на приборах, засекаются с базисов или пунктов опорной геодезической сети. Определяют также дирекционный угол базиса фотографирования, координаты левой точки базиса и превышение правой точки над левой.

22.5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ЛЕСНОМ ХОЗЯЙСТВЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ

Съемка земной поверхности с искусственных спутников Земли (ИСЗ) и других космических летательных аппаратов (КЛА) ведется с высот 100 – 1 000 км. Основные способы съемки – фотографический и телевизионный. Последний дает изображение более низкого качества, но отличается высокой оперативностью. В зависимости от вида и качества съемочной аппаратуры разрешение, т. е. размер минимального, еще раздельно изображающегося на снимке объекта, с высот 100–200 км составляет от 0,6–3,0 м до 100 м, а с высот 500–1 000 км – 250–2 500 м.
Площадь видимой на одном снимке территории равна десяткам и даже сотням тысяч квадратных километров. Изображение на космических снимках имеет масштабы 1 : 1 000 000 – 1 : 10 000 000 и мельче. Оно считается автоматически (без участия человека) генерализованным (обобщенным). На снимках хорошо читаются только крупные объекты (реки, дороги, города, лесные массивы и т.п.), но во взаимосвязи друг с другом, что важно при изучении характера ландшафта в целом. Наряду с такими снимками из космоса выборочно получают детальные снимки в масштабах 1 : 1 000 000 – 1 : 100 000. Для этого фотографирование ведут длиннофокусными аппаратами с орбит высотой около 200 км.
 Космические фотоснимки используют для составления географических карт, в том числе карт лесов на обширные территории в масштабах от 1:200 000 до 1:2 500 000. Решение этой задачи основано на том, что на фотоснимках с разрешением 20–50 м уверенно опознаются границы ландшафтов и их структурные элементы различаются площади, занятые древесной растительностью, не покрытые лесом и нелесные. По увеличенным в 5–20 раз многозональным снимкам определяют границы лесов, болот, гарей, вырубок и т. п. При дешифрировании древесных насаждений уверенно подразделяют их по породам, укрупненным группам условий местопроизрастания и полноты, что дает возможность определить запас лесонасаждений.
Для более детального изучения лесного фонда разработан так называемый фотостатистический метод инвентаризации, который успешно применяется в труднодоступных районах. При этом используются спектрозональные снимки, получаемые с ИСЗ, и аэрофотоснимки крупного масштаба 1 : 7 000 – 1 : 10 000, получаемые выборочно на отдельные характерные («ключевые») участки леса. Дешифрирование ведут комбинированным способом (человек-машина). Дешифровщик выполняет предварительное контурное и последующее таксационное дешифрирование. Определение таксационных показателей возможно с помощью компьютерных программ, которые производят сплошную построчную обработку всех выделов на снимках. Получаемые данные по специальной программе преобразуются и регистрируются в виде статистических показателей лесного фонда. На основе такой инвентаризации создаются планово-картографические материалы (планы лесонасаждений в масштабе 1:100000, карты лесов в масштабе 1:500 000, схемы пожарной безопасности и др.), таксационные описания, поквартальные ведомости площадей и запасов насаждений и другие материалы учета лесного фонда.
Материалы космической и аэрофотосъемки стали применять для инвентаризации насаждений при повторном лесоустройстве, что обеспечивает сокращение затрат труда и средств на полевые работы до 2 раз без снижения их точности.
Для организации мероприятий по защите леса от пожаров органы государственной лесной охраны используют телевизионную информацию, поступающую с ИСЗ на территорию всей страны. Пожары и их динамика на площади более 100 га обнаруживаются по ТВ-снимкам малого разрешения, меньше 100 га – по снимкам среднего разрешения. Эти же снимки используют для прогнозирования пожарной обстановки. По ним дешифрируют и отображают на картах облачность (грозовую – опасную в пожарном отношении, ресурсную – перспективную для тушения пожаров), снежный покров, метеорологические условия и состояние лесов.

 

Вопросы и задания для самоконтроля

  1. Дайте определения «фототопография», «фотограмметрия».
  2. Для каких целей применяется продольное и поперечное перекрытие между снимками?
  3. Как рассчитать масштаб горизонтального аэрофотоснимка?
  4. В чем отличие масштабов горизонтального и наклонного аэрофотоснимка?
  5. Для каких целей применяют трансформирование снимков?
  6. Выполните схему, которая объясняет принцип измерения высот по разностям параллаксов.
  7. В чем сущность комбинированной аэрофототопографической съемки?
  8. Дайте краткую характеристику технологическим процессам, входящих в комбинированную аэрофототопографическую съемку.
  9. В чем сущность стереотопографической съемки? В чем ее достоинства перед другими видами топографической съемки?
  10. В чем сущность наземной фототопографической съемки? Для каких целей она применяется?
  11. Какими геометрическими свойствами обладают аэрофотоснимки?
  12. В какой последовательности изготовляют лесоустроительные планшеты по аэрофотоснимкам?
  13. Какое применение нашли в лесном хозяйстве материалы космической съемки?

 

 

Яндекс.Метрика