2020-04-07
1416
Рассмотрим более подробно особенности конструкции конкретных цифровых съемочных систем, применяемых в российских компаниях, занимающихся топографическими работами. Нас будут интересовать наиболее производительные и комплексные решения, включающие помимо самого аэрофотоаппарата комплекс оборудования для съемки в автоматизированном режиме.
Цифровая аэрофотосъемочная камера Ultra Cam компании Microsoft/Vexel
Аэрофотографическая система Ultra CAM Eagle [5] компании Micro-soft/Vexel Imaging, являющейся на сегодняшний день одной из самых производительных крупноформатных камер в своем классе. На рисунке 9 показан внешний вид сенсорного 
блока системы, а в таблице – его основные технические характеристики.
Рис.9 Цифровая аэрофототопографическая камера Ultra CAM
Таблица 5.
Основные технические характеристики цифровой
топографической аэрофотокамеры UltraCAM Eagle
| Описание выходных изображений | |
| Формат изображения | Аналог пленочного формата 23 x 15 см |
| Выходные форматы изображений | JPEG; TIFF 8, 12 или 16 bit |
| Форматы изображений после уровня 2 | Панхроматические снимки полного разрешения, раздельные снимки по цветовым каналам |
| Форматы изображений после уровня 3 | Спектрозональные, цветные и/или панхроматические снимки полного разрешения |
| Технические характеристики сенсорного блока камеры | |
| Размер панхроматического изображения | 20,010 x 13,080 пикселей 260 мегапикселей |
| Размер элемента изображения | 5.2 мкм |
| Физический размер матрицы | 104 x 68 мм |
| Фокусное расстояние | Оптическая система 1: 80 мм PAN и 27 мм RGBNIR Оптическая система 2: 210 мм PAN и 70 мм RGBNIR |
| Максимальная диафрагма | f = 1/5.6 |
| Количество цветовых каналов (спектрозональная съемка) | 4 канала – RGB&NIR |
| Диапазон выдержек | от 1/500 до 1/32 |
| Копменсация продольного смаза изображения (FMC) | есть |
| Маскимальная величина компенсации смаза | 50 пикселей |
| Минимальный интервал съемки | 1.8 секунд |
| Динамический диапазон изображения: | 14 бит |
| Габаритный размер сенсорного блока камеры, см | 43 x 43 x 76 |
| Вес | < 75 кг |
| Установка камеры на борту | С помощью переходных колец на многие известные установки |
Крупноформатные цифровые аэрофотоаппараты серии Ultra Cam предназначены для проведения аэрофотосъемки при решения топографо-геодезических задач. При этом выполняется мультисенсорная съемка (панхроматическая, цветная и инфракрасная – одновременно). Возможна передача заказчику отдельно цветных, инфракрасных и панхроматических изображений.
Как отмечалось выше, эта камера формирует кадр большого формата синтезированием из 10 составляющих субкадров, получаемых по законам центральной проекции. В камере UltraCamD впервые был применен принцип получения изображения, называемый syntopic exposure — формирование итогового кадра из нескольких фрагментов, получаемых последовательно системой из нескольких объективов и нескольких панхроматических ССD-сенсоров, по мере их прохождения над одной и той же точкой пространства. Этот подход применяется и в настоящее время уже в третьем поколении камер UltraCam. Таким образом, центр проекции у всех 9 фрагментов общий.
Рис.10 Схема работы камеры Ultra Cam
Перекрытия снимков обеспечиваются вплоть до 80-90% (важно для точности и полноты цифровых моделей рельефа и объектов, построенных по результатам аэрофотосъемки). При этом имеется свобода выбора продольного перекрытия снимков, а не только заданное при проектировании и изготовлении камеры перекрытие.
Главное преимущество UltraCam по сравнению с линейными фотосканерами - съемка целыми кадрами, а не взаимная фотограмметрическая увязка отдельных «линеек» между собой. Это позволяет применять стандартные математические процедуры преобразования и лучше подходит для инженерных и фотограмметрических задач, требующих высокой фотограмметрической точности. Важно, что для обработки используются стандартные фотограмметрические пакеты, а не специальное ПО. Как и у всех широкоформатных топографических систем имеется наличие режима временной задержки и накопления сигнала (TDI — time-delay integration) для компенсации сдвига изображения. Наличие TDI-режима дает возможность летать на больших скоростях при худших условиях освещения. Аэрофотоаппарат Ultra Cam более прост в техническом обслуживании, обучении и обработке данных
Цифровая аэрофотосъемочная система DMC II компании Hexagon AB (Швеция)
Корпорации Intergraph Z/I Imaging, объединяющая сотрудников двух авторитетных фирм Zeiss (ФРГ) и Intergraph (США), одной из первых выпустило крупноформатную цифровую съемочную систему с композитной матрицей в панхроматическом канале размером более 100 Мп. Благодаря исключительным на момент выхода характеристикам, аэрофотокамера использовалась рядом российских компаний, занимающихся аэрофотосъемочнми работами.
Рис.11 Цифровая аэрофототопографическая камера DMC II
В 2010 г. подразделение корпорации Intergraph Z/I Imaging международного концернаHexagon AB (Швеция) анонсировало выход нового ряда цифровых аэросъемочных камер семейства DMC II (рис.11), включающего три модели. Принципиальная особенность всех моделей — это применение впервые в мире в полноформатных цифровых аэросъемочных камерах монолитной ПЗС_матрицы для получения единого, несоставного кадра центральной проекции.
Рис.12
|
В основе камер этого семейства лежит общий конструктивный принцип. В состав каждой камеры входят пять камер-модулей, оптические оси которых направлены в надир. Причем, четыре из них — спектральные камеры, работающие в красном, зеленом, синем и ИК диапазонах спектра, а одна — панхроматическая с высоким пространственным разрешением. Все спектральные камеры имеют ПЗС_матрицу размером 42 МП (с результирующим кадром после обработки 6846x6096 пикселей) с размером пикселя 7,2 мкм и специальным цветным светофильтром. Фокусное расстояние (f) этих камер равно 45 мм. Фокусное расстояние и размер матрицы панхроматической камеры зависят от модели и составляют:
| DMC II 140 | f = 92 мм | 144 Мп (12 096x11 200) | 7,2 мкм |
| DMC II 230 | f = 92 мм | 230 Мп (15 104x14 400) | 5,6 мкм |
| DMC II 250 | f =112 мм | 250 Мп (17 216x14 656) | 5,6 мкм |
Таким образом, размер кадра камеры DMC II230 практически соответствует растровому изображению, полученному путем сканирования кадра пленочной камеры размером 230х230 мм с разрешением 15 мкм, а размер кадра камеры DMC II250 даже превосходит его.
Каждая камера-модуль оснащена уникальным затвором, специально разработанным для аэросъемки, имеющим пьезоэлектрический привод и обладающим возможностью выполнения автоматической самокалибровки. Это позволяет добиться максимальной синхронности при срабатывании затворов всех камер-модулей.
Камеры-модули имеют специально сконструированные объективы, контрастно-частотная характеристика которых оптимизирована и стабильна по всему полю зрения и для всего рабочего диапазона температур. Максимальное значение относительного отверстия объектива панхроматических камер-модулей составляет 2,8 и в совокупности с большим динамическим диапазоном ПЗС_матрицы позволяет выполнять съемку в условиях слабой освещенности. Для хранения изображения используются твердотельные SSD_накопители.
Z/I Imaging предлагает не просто камеры, а аэросъемочные комплексы (рис.12, 13), в состав которых входят: система управления камерой Z/I InFlight, картриджи твердотельных SSD_накопителей, станция копирования, гироплатформа T_AS или Z/I Mount, новая переходная пластина, позволяющая использовать различные инерциальные измерительные устройства (IMU), программное обеспечение для планирования полета (Z/I Mission) и постобработки (PPS).
Рис.13
Аэросъёмочный фотограмметрический комплекс VisionMapA3
VisionMap A3 (рис.14) — это полностью автоматизированный аэросъемочный фотограмметрический комплекс, предназначенный для проведения основных видов фотограмметрических работ — от видовой аэросъемки до аэрофототопографической съемки для создания ортофотопланов. АФК VisionMap А3 состоит из бортового и наземного сегментов обработки информации.
Рис.14 Аэрофотографический комплекс VisionMapA3 VisionMap Ltd
Цифровая аэрокамера [6] имеет малый вес, небольшой размер, благодаря чему просто устанавливается в самолёте. Изображение строится двумя спаренными вращающимися зеркально-линзовыми объективами с ПЗС матрицами каждый (рис.15). Объективы вращаются перпендикулярно линии полёта. Объективы синхронно поворачиваются на оси поперек линии полета. Система поворота включает мотор, механизм трансмиссии, счетчик импульсов, переключатели и электронную систему управления. Рис.15 VisionMapA3
Основные технические характеристики камеры приведены в таблице 6.
Бортовая часть АФК VisionMap А3 состоит из следующих элементов: аэрокамеры (15 кг), бортового переносного компьютера (10 кг) со съемным модулем памяти (1 кг) и навигационного компьютера для пилота или штурмана (2 кг). Наличие небольшого количества оборудования в бортовой части АФК обеспечивает простоту монтажа и проведения пред_ и послеполетных работ. Дополнительно упрощается работа по обслуживанию и тестированию аэрокамеры.
Рис.16 Схема построения изображенияаэрофотосистемойVisionMapA3
Сегмент состоит из группы серверов ПК и программного обеспечения. Стандартная конфигурация включает четыре сервера с 8 процессорами в каждом. Основное программное обеспечение содержит следующие модули: планирования полетов и аэросъемки, переноса информации из бортового блока памяти в наземную систему, предварительной обработки данных, WEB_модуль управления подготовкой и выполнением задач, корреляции изображений и поиска связующих точек, блочной аэротриангуляции по методу связок с самокалибровкой, вычисления ЦММ и ЦМР, построения ортофотопланов и конечных ортофотомозаик. Для каждого этапа вычислений автоматически выполняется оценка точности, и создаются отчеты.
Таблица 6
Технические характеристики аэрофотосъёмочного
фотограмметрического комплекса VisionMAPA3
| Фокусное расстояние объективов | 300 мм |
| Макс. угол поворота | 104 градуса |
| Сдвиг изображения (FMC&SMC) и общая вибрация | Учитываются специальным зеркально-оптическим стабилизатором, встроенным в объективы |
| Перекрытие между снимками вдоль линии полёта | 2% |
| Перекрытие между снимками поперек линии полёта | 15% |
| Перекрытие между двумя последовательными КСС | Задаётся в зависимости от типа решаемой задачи |
| Размер одиночного снимка | 4006*2666 пиксель |
| Размер двойного снимка | 7812*2666 пиксель |
| Количество двойных снимков за один поворот объектива | 27 |
| Размер квази-снимка | 480 Mpix |
| Поле зрения одного объектива | 6,9*4,6 (градус) |
| Макс. поле зрения камеры | 13*104 (градус) |
| Апертура | f/4,5 |
| Цвет | RGB |
| Глубина цвета (бит) | 12 |
| Размер пикселя (мкм) | 9 |
| Вес | 15 кг. |
| Размеры | 50*50*40 см. |
Необходимо отметить, что вычисления ведутся с использованием одиночных базисных снимков. Вследствие их значительного количества и, соответственно, большого числа геометрических связей, достигаются высокая стабильность и точность вычислений.
Рис.17 КСС-Квази-снимок для стереоработ
Кроме вышеперечисленных технических характеристик и особенностей АФК VisionMap A3, следует отметить ее следующие принципиальные возможности:
— полная автоматизация процессов подготовки фотограмметрической продукции;
— аэросъемка включает горизонтальные и перспективные снимки с углами наклона до 520;
— каждая точка местности изображается на большом количестве снимков и просматривается со всех сторон;
— проведение съемки с больших высот фотографирования, что особенно важно при съемке городов, где существуют ограничения полета по высоте;
— аэротриангуляция в общем случае не требует наличия опорных точек;
— ЦМР для подготовки ортофотопланов вычисляется автоматически;
—снимки (горизонтальные и перспективные) хранятся в базе данных вместе с вычисленными элементами внешнего ориентирования и дополнительной информацией, что значительно повышает доступность к ним и повторное использование.
Компания VisionMap является одной из ведущих мировых компаний на рынке аэросъѐмочного оборудования и программного обеспечения в области фотограмметрии. Компания разработала, выпускает и успешно внедрила в аэрофотограмметрическое производство аэросъѐмочную картографическую систему А3. Система аэросъѐмки А3 вместе с системой наземной обработки LightSpeed нашли широкое применение по всему миру. За последние четыре года в фотограмметрические компании и картографические организации по всему миру было поставлено более 30 систем А3.
Начиная с середины 2013 года, начался выпуск новой модели камеры – A3 EDGE. Новая модель отличается существенным повышением качества изображения, дальнейшим увеличением производительности аэросъѐмки и возможности выполнения одной оптической головкой цветной и инфракрасной съѐмки.
Дополнительно к новой модели камеры, в содружестве с немецкой фирмой SOMAG, была разработана и выпущена гиростабилизирующая установка SOMAG VSM 500, обеспечивающая дополнительное повышение качества изображения и производительности аэросъѐмки.
| Модель | ||
| 42 | 38 | Вес (кг) |
| 50*60*60 | 50*60*60 | Размеры (см) |
| 300 | 300 | Фокусное расстояние (мм) |
| RGB или RGB+NIR | RGB | Цвет * |
| 12 | 12 | Глубина цвета (бит) |
| Да | Да | Компенсация сдвига изображения |
| 111 | 106 | Макс. угол поля зрения (°) |
| Да | Да | Плановая съѐмка |
| Да | Да | Перспективная съѐмка |
| 7.4 | 9.0 | Размер пикселя (мкм) |
| 4 864 x 3 232 | 4 006 х 2 666 | Размер матрицы ПЗС (пикс.) |
| 78 000 х 9 600 | 62 000 x 7 900 | Макс. размер снимка (пикс.) |
| 718 | 480 | Макс. объѐм снимка (Mпикс.) |
| 6 – 7 | 7 – 8 | Время работы бортовой памяти при постоянном фотографировании |
Цифровой аэрофотоаппарат TWIN MAPPER
Рис. 18 Цифровой аэрофотоаппарат TWIN MAPPER
Главная идея цифрового компоновки аэрофотоаппарата TWIN MAPPER [7] заключается в двукратном увеличении формата кадра и, соответственно, производительности, что достигается за счет использования двух среднеформатных камер Rollei AIC с размером кадра 39 Мп, работающих синхронно, как показано на рис.19.
Рис. 19. Общий вид цифрового аэрофотоаппарата TWIN MAPPER
Жесткая взаимная фиксация камер S1 и S2 и знание точных значений параметров их взаимного ориентирования позволяют во всех случаях осуществить аналитический переход к «виртуальному» снимку, представляющему собой «суммарный» аэрофотоснимок в единой системе координат. Конечно, такое синтезированное изображение будет иметь принципиальную методическую погрешность, связанную с невозможностью совмещения главных точек фотографирования обеих составляющих камер. В результате этого на границах исходных снимков могут появиться небольшие несоответствия, известные в «простонародье» как «скачок ракурса». Однако это негативное проявление заметно только в некоторых случаях, например, при съемке городских районов с высокоэтажной застройкой.
В цифровом аэрофотоаппарате TWIN MAPPER обеспечена синхронность срабатывания затворов обоих фотоаппаратов с ошибкой не более 0,15 мс, что с фотограмметрической точки зрения позволяет рассматривать составляющие снимки как полученные одновременно. Жесткая фиксация сменных объективов камер S1 и S2 обеспечивает постоянство значений параметров внутреннего ориентирования.
Данная конструкция может быть использована практически с любым типом платформ, в том числе с GSM 3000, PAV 30, ГУТ8 и др. TwinMapper является цифровым аэрофотоаппаратом общего назначения, используемым в качестве средства топографического картографирования местности, выполнения инженерных изысканий, а также для решения специальных задач, предполагающих сбор геопространственных данных аэрофотосъемочными методами.
TwinMapper является полнофункциональным метрическим аэрофотоаппаратом кадрового типа, допускающим использование GPS/IMU средств для автоматического определения элементов внешнего ориентирования, гироплатформы и системы управления аэросъемочным процессом.
В комплект штатного программного обеспечения наряду со средствами навигационной поддержки, планирования аэросъемочного проекта и обработки GPS/IMU данных входят специализированные программы, обеспечивающие формирование стандартного цифрового аэрофотоснимка прямоугольной формы с вполне определенными метрологическими свойствами.
Таблица 7.
Конфигурации TwinMapper для синтезирования кадра
| 1-ая конфигурация - «синхронное срабатывание». Обеспечивает одновременное срабатывание затворов обеих составляющих камер с ошибкой не более 0,15 мс. Основная конфигурация использования Twin Mapper. Обеспечивает получение синтезированного аэрофотоснимка размерностью более 70 Мпикселей. | |
| 2-ая конфигурация – «плановая». Обе составляющие камеры устанавливаются в плановое положение и производят фотографирование попеременно, тем самым обеспечивается двукратное увеличение производительности при выполнении маршрутной съемки за счет сокращения интервала фотографирования. | |
| 3-я конфигурация – «единый центр». Составляющие камеры устанавливаются в положение, при котором их центры проекций располагаются на одной оси вдоль вектора продольного перемещения. Камеры срабатывают с задержкой, зависящей от скорости движения, так чтобы положение центров проекций обоих снимков в моменты фотографирования совпадало. Обеспечивает получение синтезированного аэрофотоснимка с единым центром проекции, т.е. с максимально высоким фотограмметрическим качеством. |
При выполнении интеграции двух камер Rollei AIC в единый комплекс TwinMapper® выполнены следующие опытно-конструкторские работы:
· разработаны внешние электронные схемы управления затворами, обеспечивающие синхронность срабатывания или последовательное срабатывание с требуемой задержкой с временной ошибкой не более 0.15 мс;
· дополнительные устройства жесткой фиксации объективов, гарантирующее стабильность значений элементов внутреннего ориентирования;
· разработан конструктив сенсорного блока, обеспечивающий возможность использования TwinMapper® практически с любым типом гиростабилизирующих платформ GSM 3000, PAV 30, ГУТ-3 и др;
· разработано программное и методическое обеспечение для совместного накопления и обработки аэрофотосъемочных данных TwinMapper® и лазерно-локационных данных, получаемых с помощью аэросъемочных лидаров для целей создания цифровых ортофотопланов, текстурированных моделей рельефа и местности и т.п.;
· разработан пакет прикладного программного обеспечения для метрологической поддержки: определение элементов взаимного ориентирования составляющих камер, взаимная калибровка, фотометрическая коррекция и др.
Обработка снимков производится с помощью программного обеспечения, разработанного компанией Геолидар. Программное обеспечение позволяет выполнять фотограмметрически верное приведение синхронных кадров к единому снимку, корректировать яркостные и цветовые различия снимков. В результате получается синтезированный кадр в единой системе координат, который можно использовать в дальнейшей фотограмметрической обработке, либо выполнять прямое геопозиционирование. Также остается возможность независимой обработки каждого кадра.
Таблица 8.
