Розділ 3. Розробка технологічної схеми виконання аерознімальних робіт

3.1. Попередня підготовка до аерознімального польоту.

З отриманням завдання на аерознімання, аерознімальник разом з командою екіпажу готуються до польотів у відповідності з діючими настановами. Крім того, проводиться спеціальна підготовка до аерознімального польоту, яка підрозділяється на попередню і передполітну. [19]

У попередню підготовку входить: вивчення завдання і виконання необхідних розрахунків; забезпечення польоту та робочих карт та інших матеріалів у відповідності з завданням та розрахунками; перевірка стану аерознімального обладнання та спеціальних приладів після перельоту до місця базування і підготовки їх до майбутньої роботи; пробно-тренувальних польотів, вивчення завдання і виконання необхідних аерознімальних розрахунків.

При вивченні завдання необхідно детально ознайомитися:

1) з географічними умовами району аерознімання, характером рельєфу, коливаннями його в межах об'єкту знімання і окремих ділянок аерознімання, з максимальними і мінімальними висотами;

2) з гідрографією району аерознімання, періодом розливу річок і спаду води, з наявністю штучних гідротехнічних споруд, із станом заболоченості;

3) з кліматичними і метеорологічними умовами району.

Після вивчення перерахованих умов района робіт необхідно ретельно ознайомитись з технічними умовами і особливими потребами до аерознімання по кожній ділянці аерознімання, вказаного у завданні, часом виконання і послідовність робіт. В технічних умовах необхідно виконати перерахунок головних аерознімальних елементів.

Крім того, на кожну декаду розраховується час початку і кінця аерознімання. В звичайних умовах повітряне знімання виконується при висоті Сонця над горизонтом не менше . Час початку і кінця повітряного знімання розраховується за емпіричною формулою [19]

(3.1)

де - час у хвилинах від сходу Сонця до висоти над горизонтом, рівне, -широта місцевості, - початок аерознімання; визначаеться як час сходу Сонця плюс інтервал часу .

(3.2)

Де: час злету визначаеться як час початку аерознімання різниці часу, витрачений на політ від аеродрома до ділянки аерознімка, і різниця часу , необхідно для вимірів.

(3.3)

При розрахунку часу необхідно мати на увазі, що в рівнинній місцевості, (тундри, степів, пустинь), відсутність падаючих тіней дозволяється починати повітряне знімання Сонця над горизонтом під кутом не менше . Особливо це важливо при аерознімання в північних районах, де кількість знімальних днів дуже мало.

Місцевий час сходу і заходу Сонця залежить від дати і широти місцевості.

3.2. Літальні і робочі карти та їх підготування

Для аерознімання аерознімальник повинен мати наступні топографічні карті:

1. 1.Політну карту масштабу 1: 10 000, яка використовується для загального орієнтування при долітанні до ділянок аерознімання.

2. Робочі карти, масштаб яких повинен бути в 5-7 разів дрібніший масштабу аерознімання, виконується під час роботи на ділянках аерознімання для визначення границь і прокладання аерознімальних маршрутів.

Найбільш зручніше для аерознімання використовувати карту такого масштабу, на яких відстань між аерознімальними маршрутами не менше 1 і не більше 2 см. Як показала практика, найбільш зручна, в залежності від масштабу повітряного знімання, карти, приведенні в таблиці № 3.1.

Відповідно з встановленими діючими нормами на загальній польотні карті наносять мінімум спеціальних умов позначень. Обов’язково повинні бути прокладені маршрути на ділянки аерознімань.

Таблиця № 3.1

Робоча карта використовується у процесі аерознімання для детального орієнтування, точного визначенні границь ділянки аерознімання, контроль за прокладаючими аерознімальними маршрутами і для створення самого прокладання [19].

Не дивлячись на умови завдання, на робочу карту у всіх випадках накладають різними кольорами: границі ділянок аерознімка, лінії вісі аерознімальних маршрутів на розраховану відстань між ними, лінії включення і виключення аерокамери з урахуванням позарамкового забезпечення двох базисів знімання .

Крім того, на робочу карту для кожної ділянки аерознімання необхідно записати головні розрахункові дані.

(3.4)

Ці розрахункові дані записуються на полях або у зручному місці карти, але краще на окремому аркуші паперу прикріпити до карти.

3.3. Аерознімальний розрахунок

В завданні на аерознімання вказують: тип АЗК і його також тип літака.

Знаючи ці дані, можна попередньо розрахувати всі основні елементи аерозімання, не залежними від атмосферних умов польоту, від швидкості і напряму вітру, температури і тиску на висоті (від s , ). Ці розрахунки зручно виконуються по окремих єлементах вказаній послідовності за відомими формулами.

Спочатку визначають висоту знімання відносно середньої горизонтальної площини участку аерознімання

(3.5)

після того визначають середню горизонтальну площину цього участка відносно рівня моря

(3.6)

Для гірської місцевості середню горизонтальну площину ділянки аерознімання розраховують по середнім висотам аерознімальних трапецій , вхідних у даній ділянці, , після цього розраховують висоту польоту відповідно аеродрому (поправка за рельєфом).

(3.7)

Де - висота ділянки щодо аеродрома (поправка за рельєф).

При аерозніманні у великих масштабах і на швидкісних літаках вираховують найменшу допустиму висоту повітряного знімання за формулами

(3.8)

де (3.9)

Крім відносної висоти польоту , визначають і абсолютну висоту повітряного знімання

Абсолютна висота повітряного знімання вказується у заявці на аєрознімальний політ.

Для забезпечення заданих перекрить аерознімок спочатку визначають розрахунок поздовжнього і поперечного перекриття по формулах у таблиці 3.2.

Таблиця 3.2

Масштаб аерознімання	розрахункове Мінімальна допустима Поздовжнє перекриття в %	розрахункове Мінімальна Поперечне перекриття в %
1:10 000-1:24 000	62+38 56	34+66 20
1:25 000-1:34 000	80+20 78	32+68 20
1:35 000 і менше	90+10 89	30+70 20

h - найбільше перевищення місцевості над середньою горизонтальною площиною знімальної ділянки;

- висота знімання над середньою площиною.

Розрахунок поздовжнього перекриття 80 і 90% може бути заданою при виконанні аерознімання у масштабі не більше 1:25 000.

Після визначення розрахункових і визначають базис аерознімків: поздовжній і поперечний за формулами

(3.10)

Базис повітряного знімання на місцевості визначають за формулою

(3.11)

Вертикальні кути візування для цих базисів визначаються за фомулами

(3.12)

Кількість аерознімків в одному аерознімальному маршруті визначаються за формулою

(3.13)

де – кількісь знімків, - довжина аерознімального маршрута (вимірюється масштаб лінійкою на робочій карті), 3 - позарамкове забезпечення півтори знімка на початку кожного маршруту і в кінці.

Кількість аерознімальних маршрутів в одній ділянці аерознімання визначаються за формулою

(3.14)

де – ширина ділянки аерознімку, 1- забезпечення північної і південної границі ділянки по 0,5 маршруту.

Кількість аерознімків у ділянці визначаються за формулою

(3.15)

де – коефіцієнт збільшення кількості аерознімків за рахунок різних похибок: неточне літакоуправління і управління аерообладнання;

приймається для рівнинної місцевості 1,1, а для гірських місцевостей 1,15. Загальна кількість аерознімків в заданій визначене сумування аерознімків всіх ділянок аерознімання.

(3.16)

3.4 Підготовка та преведення аерознімального польоту

Підготовка проводиться в день польоту і розподіляється на два види:

1) загальну передполітну підготовку для любого польоту у відповідному з потребою діючих наставань;

2) спеціальну підготовку до аерознімального польоту, яка зводиться до наступної роботи: на основі отриманих даних погоди на ділянках аерознімання і прогнозування погоди метеорологічних станцій приймається рішення на політ;. Штурман-аерознімальник відбирає робочі карти на вибрані ділянки аерознімка, провіряє необхідні попередні разрахунки і вивчає дану ділянку; відбирає поблизу початку першого аерознімального маршруту місця для аеронавігаційних вимірів. Докладне вивчення ділянки аерзнімання, безсумнівно, полегшує штурману-аерознімальнику ведення детального орієнтування при прокладанні аерознімальних маршрутів. Оскільки проміри аеронавігаційних елементів виробляються на двох протилежних коротких маршрутах, то ці маршрути по можливості потрібно вибирати на рівні, близьким до середньої горизонтальної площини ділянки аерознімання.

Далі потрібно виконати розрахунок визначення сходу Сонця, спочатку аерознімання і зльоту, після чого провіряють стан всього комплекту аерознімального обладнання і готують його до роботи.

При перевірці потрібно бути забезпеченим: чистотою об’єктива і аерокамери з зовнішньою і внутрішньою сторін камери, справність затвора; підключення живлення, вімкнення аерокамери, і вироблено 2-3 цикла спрацьовування, щоб впевнитись у правильності роботи цього обладнання. Тільки після ретельної передполітною підготовкою, переконавшись в наявності необхідних картографічних і розрахункових матеріалів, пов’язаних з виконанням майбутнього завдання, а також у справності всього комплекту аерознімального обладнання, можна вважати екіпаж готовий до експлуатації БПЛА.

3.5 Аналіз аерознімального польоту

Після закінчення польової фотограмметричної обробки матеріалів аерознімання керівник польотів проводять аналіз аерознімального польоту.

Мета аналізу - докладно виявити недоліки в організації та виконанні польоту, встановити дійсні причини, що викликали той або інший дефект в роботі, щоб попередити повторення завдання та якість роботи членів екіпажу. До проведення аналізупілот, штурман - аерознімальник повинні уважно вивчити зауваження знімання і виявити дійсні причини виявлених дефектів.

Якщо з якихось причин польова фотограмметрична обробка матеріалів аерознімання затримується і екіпаж БПЛА позбавлений можливості чергового виконання аерознімання, штурман - аерознімальник зобов'язаний до до початку польоту отримати висновок про якість аерознімання за всіма елементами, ознайомитися з якістю матеріалу, з тим щоб попередити політ на аерознімання з несправним обладнанням або недоброякісними матеріалами.

Не рекомендується також при перших польотах на аерознімання виробляти черговий політ, якщо невідомі результати повітряного знімання попереднього польоту. Всі виявлені дефекти аерознімання повинні, як правило, виправлятися в наступному черговому польоті.

3.6. Принципи обробки матеріалів аерознімання

Задачею обробки матеріалів аерознімання являється сучасного надання повної та достовірної інформації авторизованим споживачам [20]. Тракт проходження даних аерознімання включає збір, прийом або доставку, обробку, дешифрування, документування та розпреділення видової інформації. Сучасні системи обробки матеріалів аерознімання створюються виключно на основі цифрових технологій. Впровадження цифрових технологій в обробку матеріалів аерознімання забезпечує підвищення її ефективності, гнучкість і оперативність, істотне збільшення інформативності вихідних документів.

Процес обробки матеріалів аерознімання прийнято ділити на шість основних ступенів:

1)відновлення

2) попередня обробка

3)дешифрування

4)фотограмметрична обробка

5) аналіз та узагальнення

6)документування

Оскільки дані аерознімання надходять від БПЛА в цифровому вигляді, то для них обробки можна безпосередньо використовувати сучасні комп’ютерні технології. Обробка цифрових аерознімання базується на матричних діях з растровими масивами.

Сучасні системи цифрової обробки матеріалів аерознімання являють собою результат розвитку програмних засобів цифрової обробки зображень загального призначення (графічний редактор). Вони працюють з растровою моделлю даних, використовують схожі методи обробки зображень. Однак, слід відзначити і ряд суттєвих відмінностей, пов'язаних зі специфікою цифрових аерознімків:

- це файли дуже великого розміру, для ефективної роботи з якими необхідні спеціальні засоби управління пам'яті обчислювальної системи і особливі формати даних;

- це багатовимірні дані, число і параметри спектральних зон знімання яких не дозволяють трактувати їх як РГБ зображення; крім того, можуть використовуватися ще й інші додаткові виміри;

- цифрові аерознімки потребують попередньої радіометричної корекції, калібруванню й геометричної корекції;

- цифрові аерознімків припускають можливість швидкого переходу від попередньої обробки і тематичного дешифрування до виконання операцій моделювання та просторового аналізу засобами геоінформаційних систем (ГІС).

Основною задачею є відновлення цифрових аерозображень є виправлення одержуваних сирих даних для досягнення об'єктивно правильного зображення земної поверхні. Сирі дані цифрового аерознімання містять цілий ряд випадкових і систематичних спотворень, пов'язаних з фізичними характеристиками датчиків і каналів зв'язку, впливом атмосфери, рухом носія і т.д. Для усунення цих спотворень виконується радіометрична корекція, калібрування та геометрична корекція даних.

Радіометрична корекція усуває систематичні спотворення, внесені датчиками і пристроїв передачі і прийому даних. Крім того, коректується спектральне розподілення електромагнітних сигналів з ​​урахуванням спектрального пропускання атмосфери, оптичної системи і світлофільтрів.

Калібрування полягає в перетворенні реєстрованих безрозмірних цифрових даних в достовірні значення вимірюваної фізичної величини.

Геометрична корекція призначена для виправлення викривлень, спричинених еволюціями носія, рельєфом місцевості і т.д. Цей вид корекції краще інших піддається автоматизації завдяки використанню прецизійного навігаційної інформації. Більш точне трансформування та прив'язка цифрових аерознімків виконується на етапі фотограмметричної обробки по системі опорних точок місцевості.

3.6.1. Попередня обробка матеріалів аерознімання

Основне завдання попередньої обробки - модифікація цифрових аерознімання з метою поліпшення зорового сприйняття або перетворення його у форму, більш зручну для подальшого візуального або комп'ютерного дешифрування.

У відповідності з особливостями організації обробки даних операції цієї групи можна розбити на кілька типів. До першого типу відносяться модифікації значень кожного окремого піксела, що виконуються, як правило з використанням табличного способу представлення перетворюючої функції. Різні види лінійного і нелінійного контрастування, призначені для поліпшення візуального сприйняття зображень, являються характерними представниками даних перетворень. Наступний тип - це локальні операції, особливістю якого є модифікація значення кожного елемента зображення з використанням значень сусідніх пікселів в деякому обмеженому оточенні. Типовими перетвореннями цієї групи є операції фільтрації зображень. Згладжують або низькочастотні фільтри дозволяють усунути шум, отримати більш однорідні ділянки зображення, придатні для подальшої обробки з метою виявлення тих чи інших об'єктів. Високочастотні фільтри використовуються для виявлення або підкреслення перепадів на зображенні при пошуку меж об'єктів і виявленні різних структур, що характеризуються зрушеннями або стрибками яскравості. Часто використовуються у гістограмні операції, базуються на статистичних характеристиках всього зображення. Ще один тип операцій попередньої обробки призначений для створення колірних композицій цифрових зображень оптимальних для візуального сприйняття. Ця група перетворень дозволяє формувати кольорові зображення в натуральних і умовних кольорах, що є одним із способів обробки багатозональних цифрових аерознімків.

3.6.2. Фотограмметрична обробка матеріалів аерознімання.

Для матеріалів цифрової аерознімання використовуються цифрова фотограмметрична обробка при допомозі спеціальних фотограмметричних програм. Основними завданнями цифрової фотограмметричної обробки є перетворення геометричних характеристик знімків, побудова фото-тріангуляції, генерація цифрових моделей рельєфу місцевості, виробництво ротофото-планів, створення топографічної основи різних карт, проективне моделювання. Перетворення геометричних характеристик цифрових зображень включають монтаж зображень з окремих знімків або їх фрагментів, вирізування потрібних фрагментів, масштабування зображень, трансформування знімків до якої-небудь картографічної проекції. У процесі трансформування відбувається перерахунок значень пікселів на нову сітку растра, при цьому форми об'єктів на зображенні в більшій чи меншій мірі змінюються, а рамка знімка із зазвичай прямокутної перетворюється в паралелограмну, трапецієподібну або більш складної форми з криволінійними границями. Найчастіше для спільної обробки матеріалів різних видів аерознімання, а також різночасних знімків однієї і тієї ж території використовується спеціальна проекція, звана цифровим ортопланом і застосовувана у світовій практиці в якості обмінного стандарту.

Фотограмметрична обробка використовує наступні основні операції:

- топографічну прив'язку знімків по навігаційним даними з можливістю нанесення сітки;

- топографічну прив'язку знімків по опорним точкам місцевості з абсолютною точністю до 1-2 проекцій пікселя;

- трансформування цифрових аерознімків в одну з основних картографічних проекцій, таких як рівно-кутова проекція Гауса-Крюгера, пряма рівно-кутова циліндрична проекція Меркатора, рівно-кутова азимутальна проекція, рівно-кутова конічна проекція Ламберта, універсальна поперечна проекція Меркатора;

- широкоформатний друк трансформованих зображень на принтері в заданому масштабі;

- створення мозаїк знімків, що покривають задану територію, з перетворенням в задану картографічну проекцію.

Найбільш суворим підходом до фотограмметричної обробки цифрових аерознімків виступає моделювання знімання. в результаті якого відновлюється просторове положення сукупності променів, що сформували знімком. Цей метод передбачає визначення траєкторії носія, орієнтації камери, а також використання елементів внутрішнього орієнтування-геометричної моделі сенсора. Ця модель визначає для кожного детектора лінійки (матриці) ПЗС одиничний спрямовує вектор в деякій системі координат, пов'язаної з камерою, променя, реєстрованого даними детектором. Динамічний характер знімання істотно ускладнює уточнення параметрів цієї моделі по опорним точкам в процесі орієнтування знімка, особливо для знімків високо дозволу. В якості альтернативи суворому підходу до фотограмметричної обробки розглядається метод раціональних функцій, який має Апроксимаційні, а не моделюючий характер. У комплект постачання деяких типів цифрових аерознімальних систем входять попередньо розраховані значення апроксимаційних фотограмметричних коефіцієнтів. Ці значення визначаються за наявними у виробника суворим геометричним моделям сенсорів і результатами експериментальних траєкторних вимірювань. Можливе відновлення апроксимуючих коефіцієнтів по системі наземних опорних точок.

3.6.3. Дешифрування матеріалів аерознімання.

В залежності від застосовуваних засобів обробки та аналізу аерозображень виділяють наступному методи дешифрування:

- візуальний, в якому інформація, укладена в знімках, витягується і аналізується людиною;

- автоматизований, в якому аналіз цифрових аерозображень виконується спеціалізованими інтерактивними програмами за активної участі оператора;

- автоматичний, при якому дешифрування цілком виконується інтерпретаційними програмами.

В основу комп’ютерного візуального дешифрування покладено нагляд чотиривимірні (дві простягни просторових координати, тимчасова) або п'ятимірних (Додатково розподіл умовних кольорів зображення при багатозональної знімання) масивів даних, що описують потоки випромінювання, відбиті від елементів ландшафту і об'єктів місцевості. Тематична обробка зображення містить у собі логічні і арифметичні операції, сегментацію, класифікацію, лінеаментного аналізу та інші методичні прийоми. Сюди ж слід віднести візуальне дешифрування зображення на моніторі за допомогою стереоефекта. Широкі можливості відкриває автоматична класифікація багатозональних зображень. Класифікація грунтується на тому, що різні об'єкти знімання мають розрізняються спектральні сигнатури. Аналіз спектральних сигнатур об'єктів дозволяє структурно-матеріальні комплекси (соціальні, виробничі та військові) і конкретні природні та техногенні об'єкти.

При автоматизованому дешифруванні додатково можливо моделювання полів сигналів на вході приймальної апаратури аерознімальних систем і операції розпізнавання образів. Цей загальний набір прийомів в основному відтворює технологічні операції, сформовані при аналогової обробки матеріалів аерознімання.

Класифікація - це тематична обробка аерозображень, що дозволяє виконувати їх автоматизовану розбивку на однорідні по деякому критерію області (класи об'єктів, сегменти). Що виходить при цьому зображення називається растровим тематичної картою. Оскільки зазвичай виділяють змістовно інтерпретовані класи об'єктів, то класифікацію можна розглядати як процедуру автоматизованого дешифрування цифрових аерознімків. Що виходить при цьому зображення називається растровим тематичної картою. Оскільки зазвичай виділяють змістовно інтерпретовані класи об'єктів, то класифікацію можна розглядати як процедуру автоматизованого дешифрування цифрових аерознімків.

Класифікація найчастіше грунтується на статистичному аналізі різних д дешифровочних характеристик зображення: просторових, спектральних або тимчасових. До просторовим характеристикам относяться форма, тінь, текстура, структура та контекст. Під тимчасовими характеристиками розуміють сезонні і антропогенні зміни земних покривів (особливо рослинності), які, можуть служити індикаторами об'єктів спостереження. Однак припливу вважати, що основну інформацію про природу об'єктів земної поверхні містять їх спектральні сигнатури.

Розрізняють два основних методологічних підходи до проведення класифікації: класифікацію з навчанням і автоматичну класифікацію. У разі класифікації з навчанням завдання полягає у виявленні на зображенні об'єктів уже відомих типів, яке вимагає деяких попередніх знань про досліджуваному районі. Кластеризація - об'єднання елементів зображення в статистично однорідні групи - кластери, наприклад, по близькості їх спектральних сигнатур.

Кластеризація - об'єднання елементів зображення в статистично однорідні групи - кластери, наприклад, по близькості їх спектральних сигнатур.

У ході кластерного аналізу намагаються визначити всі типи зустрічаються об'єктів при деякому рівні узагальнення, а завдання їх смислової інтерпретації вирішується на наступному етапі.

Часто виникає необхідність тематичної корекції результатів класифікації, особливо автоматичної. Для цього виконується цілий набір процедур, званих операціями пост класифікації: злиття чи поділ деяких класів, верифікація та усунення помилкових об'єктів, уточнення кордонів складності об'єктів.

За наявності необхідних вихідних даних обов'язково проводиться аналіз змін об'єктів знімання по серії різночасних знімків. Важливим етапом у процесі класифікації є оцінка точності отриманих результатів, яка може виконуватися як за зовнішніми даними, так і шляхом аналізу і логічного висновку з наявних.

До спеціалізованого військовому дешифрування відносяться виявлення і розпізнавання специфічних штучних об'єктів військово-політичного, військового або військово-промислового призначення. Зазвичай такі виявляються по їх характерними особливостями - розпізнавальним ознаками.

3.6.4. Документування матеріалів аерознімання.

Проведення автоматизованого тематичного редагування і документування цифрових аерозображень полягає в нанесенні на них найменувань, облікових номерів, назв районів знімання, кодів, умовних позначень і назв об'єктів та їх елементів; заповнення звітних форм і полів легенд; маркування важливих і ландшафтно-утворюючих об'єктів природного та штучного походження (водойм, лісів, сільськогосподарських угідь, промислових зон, житлової забудови і т.д.); формування інформаційних зв'язків і необхідних проміжних масивів перерахування топографічних даних; анотування даних про умови ведення аерознімання: типу і кодового номера носія, дати і часу знімання, параметрів польоту, відомостей про роботи аерознімальних систем (тип, режим, спектральні зони і умови знімання), встановленні грифа, власниця і рівнів доступу до документації.

Оскільки сучасні ГІС мають набагато потужніші і гнучкі засоби редагування, ніж програмний пакет цифрової обробки і дешифрування растрових аерознімання, то тематичне документування доцільно виконувати вже після їх інтеграції в ГІС. Цифрові аерознімки можуть виступати фонової основою при витяганні з ГІС різноманітної просторової інформації - векторних тематичних карт, планів етапів операцій.