Education website
Одразу ж після успішних дослідів складання креслень споруд із застосуванням фотографії французьким інженером Е. Лосседа, архітектори багатьох країн почали застосовувати та вдосконалювати фотограмметричний метод обмірювання архітектурних споруд. А з ініціативи німецького архітектора А.Мейденбауера у 1885 році було створено перший інститут фотограмметрії з основним завданням – зйомкою архітектурних споруд та створення їхнього архіву. Методами фотограмметрії виконуються: 1. Архітектурно-будівельні обміри існуючих споруд; 2.Архітектурні обміри історичних споруд за архівними знімками; 3.Зйомки інтер'єру, скульптур, інвентаризаційна зйомка; 4. Дослідження деформацій споруд. Основна мета всіх цих робіт - складання проекту (в даний момент або в майбутньому) реконструкції споруди, а також науково-дослідні роботи. Продукцією є графічні плани та цифрові моделі споруди, за якими можна визначити аналітичним методом її розміри – довжину всієї споруди та довжини її деталей, архітектурні виступи та поглиблення, колір та структуру поверхні. Окремим видом можна вважати побудову моделей з архівних знімків з невідомими елементами орієнтування знімка під час зйомки.Рекогносцування та складання проекту польових та камеральних робіт. Перша польова робота – рекогносцування місцевості та об'єкта зйомки – складається з вибору розташування базису фотографування, його довжини та орієнтації, а також кількості та розташування контрольних точок або ліній. При виконанні цих робіт, вже необхідно знати яким фотоапаратом буде проводитися зйомка, його фокусна відстань fк, кут зйомки по горизонталі та вертикалі, розмір знімка (матриці) та йогороздільна здатність (кількість та розмір пікселів). За цими даними необхідно визначити, з урахуванням довжини базису фотографування, відстань від базису переднього плану зйомки та гранично допустиме видалення заднього плану зйомки. Мінімальне відстань базису від переднього плану об'єкта зйомки обчислюється за формулою: Умін = fkZmax/zmax, де Zmax - висота споруди, а zmax - максимальна апліката на знімку. Розмір базису залежить від величини До, що називається коефіцієнтом зйомки чи базисним ставленням: В=У/К=fk/хmax=fk/0.5l, де l – корисний розмір кадру по осі ХХ. Тоді максимально допустиме відстань об'єкта зйомки від базису залежатиме від mp – помилки вимірювання поздовжнього паралаксу. У max = fk / mpK. Чим більша довжина базису, тим більший кут фотограмметричної засічки і точніше результати фотограмметричних вимірювань. Але величина базису обмежена можливістю отримання стереоефекту. Вmax = 0.25 Уmin або Уmin = 4Вmax. У той же час, якщо збільшувати базис, то зменшуватиметься зона перекриття знімків на ближньому плані та погіршуватиметься стереозір. Стійкий стереоефект починається з відстані рівного чотирьох базисів тому, що базис фотографування в масштабі зображення на знімку є поздовжнім паралаксом і, якщо він перевищуватиме наш очний базис, стереоефект зруйнується. Відсутність стереоефекту не позбавляє можливості визначати координати точок у ближній зоні зображення аналітично. Необхідно лише, щоб точки, що координуються, зобразилися на обох знімках. Однією з можливостей підвищення точності вимірювань є найбільш повний облік поправок за величини елементів внутрішнього та зовнішнього орієнтування. Вони можуть бути отримані з порівняння геодезичних та фотограмметричних координат опорних точок, кожна з яких дозволяєскласти два рівняння зв'язку. Повна кількість невідомих досягає 15-ти: шість поправок до кутових елементів для лівого та правого знімків (δαл, δωл, δκл, δαп, δωп, δκп), шість поправок до елементів внутрішнього орієнтування для лівого та правого знімків (δхл, δ δfп, δхп, δуп) і три поправки в положення другого кінця базису (δвх, δву, δвz). Усього 15 елементів. Якщо в зоні перекриття знімків визначити геодезичним методом координати 5 опорних точок, то можна скласти 10 рівнянь для лівого знімка і 10 – для правого. З усіх 20 рівнянь п'ять надлишкових, що дозволить зробити оцінку точності отримання поправок. Наближені значення 12-ти необхідних невідомих, за їх дрібницею, прирівнюються до нуля. Координати кінця базису вимірюються. Закінчується проектування за рахунок точності визначення просторових координат споруди, який виконується за формулами для нормального випадку зйомки: my=MУmp/B; mz=M(У2z2m2p/B2f2+m2z)1/2; mx=M(У2х2m2p/B2f2+mx2)1/2. Для випадку з рівномірно відхиленими головними променями застосовуються самі формули, але значення базису множиться на косинус кута отклонения. По=ВПольові геодезичні роботи. Після рекогносцирования і складання проекту приступають до польових робіт, частина з яких вже була виконана при рекогносцировании - вибір базису і контрольних (опорних) точок. Тепер контрольні точки необхідно замаркувати, щоби добре зобразилися на знімках. Розмір маркувальних знаків розраховується залежно від масштабу кожного знака mi=fk/Уi. Визначаються їх координати в системі з початком, поєднаним з центром проекції лівого знімка. Напрямок на правий центр проекції береться за вісь Х, прямовисна лінія – вісь Z. Замість визначення координат або на додаток до них вимірюються вертикальні тагоризонтальні кути із лівого центру на контрольні точки. Вимірюється довжина, нахил та орієнтування базису. Під час зйомки архітектурної пам'ятки базис повинен вибиратися паралельно довгій стороні споруди, а лівий центр проектування повинен знаходитися в створі з короткою стороною. Якщо дозволяє довжина базису, то і правий центр вибирається в створі з іншого боку будівлі. Допустимий кут непаралельності розраховується за формулою α=доп=, де k –коефіцієнт збільшення знімка, x, z – максимальні абсциси та аплікату на знімку, δ – допустимі спотворення на знімку. Якщо довга сторона будівлі вибирається за вісь Х споруди, то між координатами, виміряними на лівому знімку хл, zл, і відповідними просторовими координатами на споруді Х і У, існує теоретична залежність. хл=f(X zл=fZ(X p=fB(X, а також зворотні залежності Х=(fл; У=л; Z=л; хп-хл=р; zп=) zл-q Точність вимірювання базису визначається формулою: ΔХS=Уо2δх/ΔУf, де δх – припустима помилка у вимірах Х;Уо – відстань до основної площини споруди;ΔУ – глибина споруди.
Польові фотознімальні роботи. Фотограмметрична модель будується з урахуванням умов колінеарності (опорні напрямки та точки) та компланарності (поперечні паралакси та рівняння взаємного орієнтування в системі горизонтальної площини). Колінеарні вектори лежать на одній прямій або паралельних прямих. Їхні координати пропорційні. Компланарні вектори паралельні до однієї площини. При такій побудові моделі, в якій проектують промені з двох точок базису на однойменні точки колінеарні, а вектори на знімках компланарні, з'являється можливість створення моделі незалежно від заповнення зображенням. Ці умови дотримуються, якщо знайдені елементи внутрішнього та зовнішньогоорієнтування знімків. Вони можуть бути обчислені, як вище вже було сказано, за певними геодезичними методами контрольним (опорним) точкам, що зобразилися на обох знімках та внутрішнім фотограмметричним зв'язкам. Їх можна обчислити і за опорними (виміряними) напрямками. Для зменшення кутових елементів зовнішнього орієнтування фотозйомка ведеться спеціальним приладом – фототеодолітом, в якому фотокамера скріплена з кутомірним інструментом, та з рівнями, за якими прикладна рамка фотоапарата встановлюється у горизонтальне положення. Такі прилади існують у промисловому (заводському) виконанні, але можна і неспеціальну цифрову камеру прикріпити до труби теодоліту 30-секундної точності (Т-30), так як роздільна здатність таких камер в кутовій мірі становить одну - дві хвилини. Центр проекції знімка повинен знаходитись на вертикальній осі обертання теодоліту. При кріпленні камери виникає паралельність головної осі камери і візирної осі теодоліту, і навіть розворот знімка по κ (каппа). Для врахування їх впливу вибирають три точки, що зображаються на знімках – одну в центрі знімка і дві по краях на рівні точки стояння або головного променя. Теодолітом, до або після зйомки вимірюють на них горизонтальні та вертикальні кути. Нехай т.1 знаходиться у центрі, т.2 у лівому краю знімка і т.3 – у правому. Нехай кут ? Тоді поправки до кутових елементів зовнішнього орієнтування за неточне кріплення фотокамери δα, δω, δκ обчислюються за формулами 3-у2-у3о+у2о)/(х3-х2), де уiо
fi/i; 1/f; 1/f. При зйомці камерою, прикріпленою до труби теодоліту, в момент зйомки беруться відліки по колах теодоліту,горизонтальне коло якого орієнтовано другий кінець базису. Відхилення відліків по горизонтальному колу від 90˚ є поздовжніми кутами нахилів знімків αл і αп, а їхнє спільне паралельне відхилення вліво або вправо – кутом φ. Опорні горизонтальні напрямки щодо базису можна обчислити за збільшеннями координат між точками базису (1-ліва точка і 2-права) і опорними точками i. i=(ΔxiΔx2+ΔyiΔy2)/(ΔxiΔy2-ΔyiΔ2), i=Δzi/(Δxi2+Δyi2)1/2 Δxi=xi-x1, Δyi=yi-y1, Δzi=zi-z1, Δx2=x2-x1, Δy2=y2-y1 β-горизонтальний напрямок відносно нормалі до базису, ν- вертикальний напрямок.
Камеральні фотограмметричні та обчислювальні роботи. Для побудови та вирівнювання цифрових стерео моделей можна використовувати систему ФОТОМОД з додатковою програмою FSM. Розрахунок очікуваної точності здійснюється за відомими формулами наземної фототеодолітної зйомки: mx=Y/f[(Y/B)2(x/f)2(mp/t)2+m2x]1/2, mz=Y/f [(Y/B)2(y/f)2(mp/t)2+mz2]1/2, mY=Y2mp/Bft де t= - коефіцієнт, що відображає вплив відхилень знімків при паралельній зйомці від перпендикуляра до базису на кут φ. Знак + ставиться за відхилення вліво, знак – при відхиленні вправо. Виміряти плоскі фотограмметричні координати, поперечні та поздовжні паралакси можна на українському комп'ютерному стереокомпараторі ІБІК або на комп'ютерному стереокомпараторі KSK-4. При необхідності можна виготовити фотоплан фасаду будівлі шляхом фототрансформування наземного знімка на фронтальну площину по опорних точках. Якщо опорна точка відступає від площини трансформування, то її положення на основі (у її координати) слід вводити поправку, що розраховується за формулою Δrh=-rΔy/(y+Δy), де r – відстань від точки надиру до опорної точки на основі; Δу – відстань опорної точки поглибині від площини трансформування; у - відстань площини трансформування від базової площини. Точка надиру – це точка перетину перпендикуляра до базисної вертикальної площини з площиною знімка. При відхиленні головного променя від перпендикуляра до базисної площини по горизонталі менше 1˚ замість точки надиру можна брати головну точку. Якщо дотримується необхідна умова – базова площина паралельна фасадній (трансформаційній) площині, замість трансформування збільшують знімок до потрібного розміру. Коли зйомка виконується похилим променем, положення точки надиру визначають інструментально на будівлі, знаходячи на ньому спочатку головну точку знімка і опускаючи перпендикуляр з неї до рівня центру проекції знімка. Площина трансформування вибирають так, щоб вона проходила посередині глибини архітектурних виступів. Велика глибина виступів вимагає трансформування по зонах, що полегшується аналітичним трансформуванням цифрових знімків та автоматизованим виготовленням ортофотознімків одночасно з вимірюванням координат на комп'ютерному стереокомпараторі.
Знімки скульптур використовують для їх загального вивчення та отримання метричних документів, що дозволяють згодом виконати роботи з їхньої реставрації та відновлення. Для цього використовується стереозйомка, виконана зі спеціальних здвоєних фотокамер, у яких об'єктиви (камери) рознесені на відстані від 0.25 м. до 1.5 м. в залежності від розміру скульптури. Їх використовують також для зйомки інтер'єру. При цьому і на скульптурах і в інтер'єрі повинні знаходитися якісь об'єкти, що масштабують, мають певну довжини або проведені вимірювання окремих частин скульптури або інтер'єру на різному віддаленні від камер. В результаті одержують зображення скульптури з різних сторінв ізолініях рівної віддаленості від знімального базису.
Складання фронтальних планів з архівних знімків: - підготовчі роботи полягають у підборі архівних знімків, скануванні їх та їх аналізі. Бажано мати не менше двох знімків, отриманих із різних точок простору; - виконання сучасної фототеодолітної зйомки пам'ятника з метою отримання координат опорних точок, необхідних для обчислення елементів внутрішнього та зовнішнього орієнтування старих аматорських знімків; - визначення координат опорних та контрольних точок за новими знімками; - вимір координат необхідних точок на старих знімках та перетворення їх у систему координат нового знімка; - обчислення просторових координат точок споруди, форма якого скоригована за старими знімками. При вимірюванні знімків загального випадку зйомки (конвергентного), коли головні проектуючі промені не паралельні і не лежать в одній площині, стереоефект настає не завжди, тому за основу прийнято монокулярне вимірювання знімків.Література. 1.Застосування принципу фототеодоліту при наземній цифровій зйомці. Р.Н.Гельман, М.Ю.Нікітін. Геодезія та картографія. №7. 2004 2.Фотограмметричні технології моніторингу гірських льодовиків. Ю.Ф.Книжників, Е.А.Балдіна, Р.Н.Гельман. Геодезія та картографія. №7. 2008 3.Розрізні стереоскопічні моделі місцевості. Перспективи, засади, проблеми. Ю.Ф.Книжников. Геодезія та картографія. №10. 2009 4.Картографування льодовикових озер способом панорамної цифрової стереозйомки. Р.Н.Гельман, М.С.Шахміна. Геодезія та картографія. №10. 2009 р.