Способ определения координат объекта по стереопаре его снимков и по снимку летательных аппаратов Российский патент 2025 года по МПК G01C11/06 B64C39/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Заявленное изобретение относится к геодезии, фототопографии и фотограмметрии, может быть использовано при дистанционном зондировании Земли для определения координат объектов местности и ее картографирования, а также для создания фотограмметрических моделей объектов.

Уровень техники

Известен способ RU 2152625 С2 (Научно-производственное объединение прикладной механики), 10.07.2000. Способ позволяет определять ориентацию объектов по навигационным радиосигналам космических аппаратов спутниковых радионавигационных систем, при котором каждые из четырех (пяти) антенно-приемных устройств двухбазового интерферометра со взаимно ортогональными базами, установленные на объектах, принимают навигационные радиосигналы.

Указанный способ включает сложную математическую обработку данных от космических аппаратов спутниковых радионавигационных систем (СРНС), принятых четырьмя (пятью) антенно-приемными устройствами, что усложняет реализацию способа и одновременно снижает оперативность определения элементов внешнего ориентирования.

Также известен способ RU 2597024 С1 (Андронов В.Г., Емельянов С.Г.), 10.09.2016, состоящий в измерении на интервале съемки значений углов тангажа, крена и рыскания и составляющих угловой скорости космического аппарата гироинерциальными датчиками и получения значений координат и составляющих скорости движения космического аппарата в моменты бортовых измерений.

Наличие сложного математического аппарата и необходимости получения совместных гироскопических и координатных определений снижает оперативность определения элементов внешнего ориентирования, одновременно усложняет реализацию способа.

Наиболее близким по существу заявляемого изобретения является способ определения угловых элементов внешнего ориентирования снимка [Способ определения элементов внешнего ориентирования снимка по изображениям летательных аппаратов: пат. 2789986 Рос. Федерация: МПК G01C 21/00 (2006.01); G01C 11/06 (2006.01) / Чернов И.В.; заявитель и патентообладатель Чернов И.В. - №2022106972; заявл. 16.03.2022; опубл. 14.02.2023, Бюл. №5] (далее - способ-прототип), включающий: размещение летательных аппаратов-марок (ЛАМ), между фотографируемой местностью и летательным аппаратом дистанционного зондирования Земли (ЛАДЗЗ); фотографирование местности и ЛАМ на фоне этой местности с одновременной фиксацией момента времени фотографирования, приемом и записью данных от радионавигационных систем (РНС) на ЛАДЗЗ и каждом ЛАМ; передача на устройство обработки изображения местности, данных о моменте фотографирования, данных от РНС; преобразование данных от РНС в данные местоположения (координаты) ЛАДЗЗ в момент фотографирования и в данные местоположения (координаты) не менее трех ЛАМ в момент фотографирования; вычисление элементов внешнего ориентирования снимка (целесообразно пользоваться терминами - элементы внешнего ориентирования съемочной камеры [Чибуничев А.Г. Фотограмметрия: учебник для вузов. М.: Изд-во МИИГАиК. - 2022. - 328 с.; с. 11]).

Раскрытие сущности изобретения

Элементы внешнего ориентирования (ЭВО) одной камеры (одного снимка) позволяют выполнить определения части координат (абсциссу и ординату) объектов местности для ее картографирования. Аппликату необходимо дополучать дополнительными определениями, например, по карте. Кроме того, для повышения точности реализации способа-прототипа необходимо увеличивать расстояние межу ЛАДЗЗ и ЛАМ. Чем больше будет расстояние между ЛАДЗЗ и ЛАМ; тем точнее будут определены элементы внешнего ориентирования камеры и как следствие точнее будет выполнено определение координат объектов местности.

Способ-прототип имеет существенные недостатки, состоящие в том, что:

диапазон размещения ЛАМ ограничивается пространством между фотографируемой местностью (объектом съемки) и ЛАДЗЗ;

проекции ЛАМ на снимке закрывают часть фотографируемой местности;

затруднена (ограничена) одновременная фокусировка съемочного оборудования ЛАДЗЗ на фотографируемой местности и ЛАМ;

затруднено обеспечение нахождения ЛАМ в кадре;

аппликату необходимо дополучать дополнительными определениями, например, по карте;

точность определения аппликаты оказывает влияние на точность вычисления абсциссы и ординаты, что в общем снижает точность определения координат объектов местности.

Заявленное изобретение предназначено для определения координат объектов местности, в отличие от способа-прототипа, по изображениям ЛАМ, полученным вспомогательной камерой. Заявленный способ не накладывает требований на положение ЛАМ в зоне фотографирования объектов местности, и включает использования двух снимков объекта местности - стерео пары снимков, что позволяет получить технический результат, состоящий в повышении точности определения координат объектов местности. Получение стереопары снимков объекта местности обеспечивает определение полного набора координат объектов местности.

Осуществление изобретения

Технический результат достигается тем что:

Съемочное оборудование включает две камеры, одна из них выполняет фотографирование местности (объекта) - топографическая камера, другая камера выполняет фотографирование группы ЛАМ -вспомогательная камера; фотографирование ЛАМ и местности (объекта) выполняется одновременно (ЛАМ не находятся между ЛАДЗЗ и фотографируемой местностью (объектом)); используя сигналы РНС, определяют моменты времени фотографирования, координаты местоположения ЛАМ и ЛАДЗЗ в момент фотографирования.

Фотографирование объекта местности выполняется дважды для получения стереопары снимков.

Данные о положениях ЛАМ в момент фотографирования и их изображения на снимке, полученном вспомогательной камерой, ЛАМ используются как опорные точки, по которым определяются ЭВО вспомогательной камеры (для последующего перехода к системе координат (СК) объекта местности; для картографирования обычно в качестве СК объекта используется референцная СК [Чибуничев А.Г. Фотограмметрия: учебник для вузов. М.: Изд-во МИИГАиК, 2022. 328 с.; стр. 11]).

Используя параметры перехода от СК топографической камеры к СК вспомогательной камеры и координаты положения объекта местности в СК топографической камеры, вычисляются координаты положения объекта местности в СК вспомогательной камеры.

Далее используя ЭВО вспомогательной камеры, определяются координаты объекта местности в СК объекта.

В итоге способ позволяет повысить точность определения координат точек местности, создавать планы и карты без использования полевой планово-высотной основы (ПВП) (определение ЭВО по опорным точкам полевой ПВП включает определение путем инструментальных измерений на местности координат этих точек (путем проведения полевых работ на местности, это трудоемкие и не всегда реализуемые работы)).

Реализация способа.

ЛАДЗЗ и ЛАМ оборудуются приемниками сигналов РНС; хронографами (часами) с возможностью коррекции по сигналам РНС; устройствами обработки, хранения и передачи: данных сигналов РНС, моментов фотографирования и изображений местности. Кроме того, ЛАДЗЗ оборудуется камерами: одной топографической и одной вспомогательной.

Когда топографические и вспомогательные камеры взаимно неподвижны, предварительно определяются параметры перехода между СК топографической и вспомогательной камер; когда топографические и вспомогательные камеры взаимно подвижны ЛАДЗЗ оборудуется устройством определения параметров перехода между СК топографической камеры и вспомогательной камеры.

Для реализации способа предлагается следующая последовательность действий.

Размещение ЛАДЗЗ так, чтобы объект местности находился в поле видимости топографической камеры и размещение ЛАМ в поле видимости вспомогательной камеры.

Первое одновременное фотографирование местности и ЛАМ с регистрацией момента времени фотографирования, приемом и записью данных от РНС на ЛАДЗЗ и каждом ЛАМ, а также регистрацией параметров перехода между СК топографической камеры и СК вспомогательной камеры.

Второе одновременное фотографирование местности и ЛАМ с регистрацией момента времени фотографирования, приемом и записью данных от РНС на ЛАДЗЗ и каждом ЛАМ, а также регистрацией параметров перехода между СК топографической камеры и СК вспомогательной камеры, для создания стереопары с первым снимком.

Передача на устройство обработки изображений местности и ЛАМ, данных о моментах фотографирования, данных от РНС, параметров перехода между СК топографической камеры и СК вспомогательной камеры;

Преобразование данных от РНС в данные местоположения ЛАМ и ЛАДЗЗ в момент фотографирования.

Вычисление элементов внешнего ориентирования вспомогательной камеры в моменты первого и второго фотографирования:

Вычисление элементов внешнего ориентирования камеры выполняются по формулам обратной фотограмметрической засечки (ОФЗ):

Где х и у - измеренные координаты изображения ЛАМ на снимке (плоские координаты);

ƒ - фокусное расстояние снимка;

X, Y, Z - координаты ЛАМ в момент фотографирования в геодезической системе координат;

X_s, Y_s, Z_s - координаты точки фотографирования в геодезической системе координат;

a_i, b_i, c_i - элементы матрицы направляющих косинусов, зависящие от угловых элементов внешнего ориентирования снимка: ω - поперечный угол наклона снимка, α - продольный угол наклона снимка, κ - угол поворота снимка [А.Н. Лобанов, Фототопография. Аэрофототопографическая съемка. М: изд. ВИА. - 1971. - 535 с.].

Для приведения уравнений вида (1) к линейному виду пользуются известным приемом разложения их в ряд Тейлора с сохранением только членов первого порядка малости. Для разложения зависимостей (1) в ряд Тейлора необходимы приближенные значения ЭВО фотоснимка. Обозначим их через (X_S)₀, (Y_S)₀, (Z_S)₀, (α)₀, (ω)₀, (κ)₀. В процессе решения ОФЗ ищут поправки к приближенным значениям ЭВО фотоснимка, которые обозначают как δX_S, δY_S, δZ_S, δα, δω, δκ.

В результате разложения зависимостей (1) в ряд Тейлора, получают линейные уравнения:

,

где (х) и (у) - вычисленные координаты изображения ЛАМ на снимке с использованием приближенных значений ЭВО. Вычисленные координаты (х) и (у) будут отличаться от измеренных х и у.

Обозначают:

С учетом принятых обозначений, составляют уравнения поправок:

,

где значения коэффициентов уравнений поправок, являются частными производными зависимостей (1) по соответствующим аргументам (ЭВО фотоснимка):

Одна опорная точка позволяет составить два уравнения с весами р_х и р_у и шестью неизвестными. Для решения задачи необходимо 3 опорные точки (если необходимо обеспечить избыточность измерений, то необходимо использовать не мене 4-х опорных точек (ЛАМ)).

Систему уравнений (3) решают под основным условием метода наименьших квадратов:

Вычисление матриц направляющих косинусов углов между СК топографической камеры и СК объекта в моменты фотографирований по формулам

где OXYZ - СК объекта;

oxyz - СК топографической камеры;

оχγζ - СК вспомогательной камеры;

оχ, ох, …, оζ, oz - соответствующие положительные полуоси СК вспомогательной и топографической камер;

Ak - ортогональная матрица направляющих косинусов углов между СК топографической камеры и СК объекта;

a_ij - направляющие косинусы пространственных углов в момент фотографирования между осями СК OXYZ и СК вспомогательной камеры (определены процессе решения ОФЗ);

B_ATk - ортогональная матрица направляющих косинусов углов между СК топографической камеры и СК вспомогательной камеры;

b_ij - направляющие косинусы пространственных углов поворота осей СК топографической камеры к осям СК вспомогательной камеры или соответствующие параметры на основе кватернионов.

Перевычисление координат изображения объекта местности из СК топографических камер в СК объекта [Чибуничев А.Г. Фотограмметрия: учебник для вузов. М.: Изд-во МИИГАиК. - 2022. - 328 с.; сс. 50, 51]:

где k и k+1 - стереопара снимков местности (объекта М); S центр проекции (точка фотографирования); x_0k, y_0k - координаты главной точки снимка k; x_k, y_k - координаты точки m изображения на снимке k объекта М местности; ƒ - фокусное расстояние съемочной камеры; N - скаляр; Х'_k, Y'_k, X'_k - координаты вектора, соединяющего центр S проекции (точка фотографирования) с точкой т изображения на снимке объекта М местности, в СК OXYZ объекта М, B_X, B_Y, B_Z - координаты вектора, соединяющего точку фотографирования S_k с точкой фотографирования S_k+1.

Таким образом, будут получены уточненные координаты точек недоступной местности (объекта) отображенных на топографическом снимке и будут устранены несовершенства способа прототипа.

Изобретение относится к способам определения координат объекта по стереопаре изображений. Заявленный способ включает: размещение летательного аппарата дистанционного зондирования Земли (ЛАДЗЗ) так, чтобы объект местности находился в поле видимости топографической камеры, и размещение летательных аппаратов-марок (ЛАМ) в поле видимости вспомогательной камеры; первое и второе фотографирование местности и ЛАМ с регистрацией момента времени фотографирования, приемом и записью данных от радионавигационных систем (РНС) на ЛАДЗЗ и каждом ЛАМ, а также регистрацией параметров перехода между системой координат (СК) топографической камеры и СК вспомогательной камеры; передачу на устройство обработки изображений местности и ЛАМ данных о первом и втором моменте фотографирования, данных от РНС, параметров перехода между СК топографической и вспомогательной камер; преобразование данных от РНС в данные местоположения ЛАМ и ЛАДЗЗ в момент фотографирования; преобразование координат изображения объекта местности из СК топографической камеры в СК вспомогательной камеры; преобразование координат объекта местности из СК вспомогательной камеры в координаты объекта в СК объекта; определение аппликаты по полученной стереопаре снимков. Технический результат заключается в повышении точности определения координат объекта.

Способ определения координат объекта по стереопаре его снимков и по снимку летательных аппаратов, включающий в себя размещение летательного аппарата дистанционного зондирования Земли (ЛАДЗЗ) так, чтобы объект местности находился в поле видимости топографической камеры, и размещение летательных аппаратов-марок (ЛАМ) в поле видимости вспомогательной камеры, первое одновременное фотографирование местности и ЛАМ с регистрацией момента времени фотографирования, приемом и записью данных от радионавигационных систем (РНС) на ЛАДЗЗ и каждом ЛАМ, а также регистрацией параметров перехода между системой координат (СК) топографической камеры и СК вспомогательной камеры, второе одновременное фотографирование местности и ЛАМ с регистрацией момента времени фотографирования, приемом и записью данных от РНС на ЛАДЗЗ и каждом ЛАМ, а также регистрацией параметров перехода между СК топографической камеры и СК вспомогательной камеры для создания стереопары с первым снимком, передачу на устройство обработки изображений местности и ЛАМ, данных о моментах фотографирования, данных от РНС, параметров перехода между СК топографической камеры и СК вспомогательной камеры, преобразование данных от РНС в данные местоположения ЛАМ и ЛАДЗЗ в момент фотографирования, вычисление элементов внешнего ориентирования вспомогательной камеры в моменты первого и второго фотографирования, вычисление матриц направляющих косинусов углов между СК топографической камеры и СК объекта в моменты фотографирований, перевычисление координат изображения объекта местности из СК топографических камер в СК объекта, отличающийся тем, что на ЛАДЗЗ размещаются две камеры, топографическая и вспомогательная, производится расчет параметров перехода между СК топографической камеры и СК вспомогательной камеры, получение стереопары снимков позволяет определять аппликату.