Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
9
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.
. Теоретично обгрунтовано та експериментально перевірено технологію фотограмметричного калібрування цифрових зображень при наземному зніманні з малих відстаней.
. Створено загальну фотограмметричну модель вирівнювання даних фототріангуляції з врахуванням параметрів калібрування.
. Виконано експериментальні дослідження методики вирівнювання блочної фототріангуляції з самокалібруванням знімків при відомих лінійних елементах зовнішнього орієнтування.
. 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 –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:
.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.
(1)
Якщо загальну похибку знімка представити з поділом на систематичну і випадкову складові: = + ,
(2)
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 :
(3)
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 :
(4)
, ,
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:
(5)
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:
(6)