Топографическая съёмка местности Понятие о картографировании и топографической съёмке. Виды топографических съёмок. Наземная топографическая съёмка. Аэрофотосъёмка

Бывает трудно при топосъёмке,

Но всё, что видим, нанесли Для вас, грядущие потомки,

На карту матушки Земли.

Из окон нашего поезда, дорогие коллеги, уже хорошо просматривается фронтон вокзала, к которому мы подъезжаем. На нём крупным курсивом выведено слово "съёмка", выхваченное из заголовка этой главы, в которой оно доминирует как ключевое. Больше того, в геодезии это слово является узловым и, следуя нашей железнодорожной аллегории, даже магистральным. Само слово съёмка означает процесс создания какого-либо изображения. Киносъёмка, например, предусматривает создание изображения на экране кинотеатра, а видеосъёмка - на мониторе компьютера и телесъёмка - на экране телевизора. Мы же с вами, дамы и господа, незамедлительно начнём обсуждать вопросы, связанные с производством топографической съёмки. Здесь в роли субъекта (изображение) выступает местность, а роль объекта (экран) выполняет топографическая карта. Поэтому и съёмка называется топографической, но в качестве синонима вышесказанного можно подобрать слово картографирование. Хотя, если уж быть строгим до конца, то картографирование есть совокупность процессов, методов и технологий создания карт. А топографическая съёмка - это комплекс геодезических работ, выполняемых с целью получения карты. В чём здесь, собственно говоря, соответствие, а в чём несоответствие? Следуя чеховскому принципу "мыслям широко, а словам тесно", буду предельно краток и позволю себе сформулировать резюме всего двумя предложениями. Соответствие, т.е. общее в том, что как картографирование, так и топографическая съёмка решают одну и ту же задачу: создать карту. А несоответствие (различие) в том, если съёмка есть не что иное, как процесс измерений для создания карты, то картографирование является понятием более обобщающим, включающим в себя и технологические процессы по производству карты на основе результатов измерений.

В конечном итоге, коллеги, думаю, что настало время завершать моё то ли лингвистическое, то ли филологическое исследование слов картографирование и топографическая съёмка и экстренно перейти к их технологическому осмысливанию. Итак, начинаем. Различают три вида топографической съёмки: космическая съёмка, аэрофотосъёмка и наземная съёмка. Наше знакомство с методами съёмки будем производить от далёкого к близкому: от заоблачных небес, где, говорят, прячется Всевышний, до нашей голубой планеты, родимой кормилицы Земли. Таким образом, вникаем в понятие космическая съёмка.

Космическая съёмка - это съёмка земной поверхности, производимая с космических летательных аппаратов, оборудованных специальной фотографической, радиолокационной, сканерной и другой аппаратурой, посредством которой получают космические снимки. Получение обширной информации о земной поверхности обеспечивают как беспилотные космические аппараты, устанавливаемые на искусственных спутниках Земли, так и с пилотируемых космических кораблей или с пилотируемых орбитальных станций. Так, например, в России съёмка Земли производилась с орбитальной станции "Мир", а в США - с пилотируемых космических кораблей серии "Шаттл". Высота орбит, откуда производится космическая съёмка, в зависимости от масштаба и других различных факторов составляет от 150 до 1000 км. И ещё необходимо отметить, что космическая съёмка выполняется, как правило, для создания карт, покрывающих огромные территории земной поверхности.

А теперь спустимся чуть пониже и определимся с понятием аэрофотосъёмка. Аэрофотосъёмкой называется фотографирование земной поверхности при помощи аэрофотоаппарата, установленного на борту летательного аппарата (самолёт, вертолёт или дирижабль). Фотографирование при аэрофотосъёмке производится с высоты от нескольких сотен метров до десятков километров. Аэросъёмка производится, как правило, когда площадь снимаемого участка превышает 500 гектаров ( = 2,2 кмх2,2 км), а масштаб изготовляемой карты мельче 1-=-5000. Как правило, аэрофотосъёмка охватывает территории крупных населённых пунктов или их частей. Поскольку аэрофотосъёмка составляет весомую часть в составлении топографических карт, чуть ниже обязательно более подробно познакомимся с технологическими особенностями её производства.

Несмотря на то, что космос космосом, спутники спутниками и самолёты самолётами, вынужден акцентировать, друзья, что и на сегодняшний день всё-таки самым востребованным остаётся наземный метод топографической съёмки. Итак, спускаемся с небес на нашу грешную, но такую родную Землю и начинаем вникать в наземный метод создания карт. Прежде всего запомним, что этот метод предусматривает крупномасштабное картографирование территории. А какие масштабы принято называть крупными? По сложившейся градации - это следующие масштабы топографических карт: 1:5000, 1:2000, 1:1000, 1:500, а иногда 1:200 и 1:100. Напомним, что это масштабы соответственно в 1 см - 50 м, 1 см - 20 м, 1 см - 10 м, 1 см - 5 м, 1 см - 2 м и 1 см - 1 м. Чтобы вы ориентировались в назначении перечисленных масштабов, отметим, что карты в масштабе 1:5000, например, служат для составления инженерных проектов строительства крупных городов и промышленных зон. А карты в масштабе 1:500 - для составления генерального плана участков строительства и рабочих чертежей многоэтажной капитальной застройки с густой сетью подземных коммуникаций. В исключительных случаях, когда на небольших участках выполняется сложное инженерное и ландшафтное проектирование шахт, реакторов, электростанций и т.д., связанное с детализацией расположения сложного переплетения надземных и подземных сооружений, топографическую съёмку производят в масштабе 1:100. Представьте себе, что в этом масштабе практически каждый метр местности подлежит измерению.

Как же выполняются эти измерения применительно к наземному методу топографической съёмки? Поехали. В качестве присказки - краткое определение. Под наземной топографической съёмкой понимается комплекс измерительных работ, выполняемых на земной поверхности, по определению взаимного положения точек местности, как в плане, так и по высоте. Слово в плане, как вы догадались, означает определение координат точек, а по высоте - высотных отметок точек над уровнем моря в принятой системе высот. Таким образом, всё сложное, завёрнутое мною выше в хитросплетения заумных слов, сводится к простой фабуле, которую вы немедленно постигнете: субстанцией или объектом измерений являются не сами дома и сооружения, не транспортные коммуникации, не контуры сельскохозяйственных и лесных угодий, а точки, составляющие и характеризующие всё вышеперечисленное. Итак, друзья, вы осознали, что в принципе топографическая съёмка являет собой процесс, связанный, скорее даже, привязанный к измерению координатных и высотных параметров совокупности характерных точек местности.

Суть метода состоит в определении пространственного положения точки местности, т.е. получения, в конечном итоге, координат X, Y и высоты Н каждой требуемой точки. Для этого

Тахеометрическая съёмка

Рис. 36. Тахеометрическая съёмка

измеряем расстояния d от известной точки А до определяемых точек К и N, горизонтальные углы Р от исходного направления АВ до направлений на заданные точки К и N и вертикальный угол v между этим направлениями и горизонтальной плоскостью. Для того, чтобы внести безоговорочную ясность в ваше, друзья, пока ещё не совсем геодезическое подсознание, попрошу вас взглянуть на рис. 36.

На этом рисунке мы видим точки К и N местности, координаты и высоты которых, в конечном итоге, хотим получить. А теперь прошу обратить особое внимание на точки А и В, которые также находятся на местности на некотором отдалении от определяемых точек К и N. Предлагаю сразу договориться, что положение точек А и В на местности известно. Это, действительно, архиважно, как любил писать в своё время вождь мирового пролетариата В. И. Ленин. И это, выражаясь божьим языком, воистину необходимо, поскольку невозможно определить позицию и высоту определяемых (новых) точек без точек старых, которые мы назовём исходными. Эти, так называемые, исходные или стартовые точки характеризуются двумя важнейшими параметрами. Во-первых, их местонахождение известно на местности (они заранее закреплены, скажем, железобетонными столбиками). Во-вторых, их положение определено на карте, так как координаты и высоты этих точек априори, т.е. заранее, известны. Таким образом, направление АВ на местности определено двумя закреплёнными на ней точками А и В. Если, уважаемые коллеги, это понятно, то, как говорят, дальнейшее - дело техники, в нашем случае, дело измерительной техники. Да и в самом деле, нет ничего проще, чем установить на местности, на известной точке А электронный тахеометр и навести его зрительную трубу на отражатель, помещённый над точкой В. А теперь, дамы и господа, вкрапляем в наше мышление немного фантазии, инженерной фантазии, тем самым представляя себе чистый лист бумаги (прообраз будущей карты), на котором нанесена координатная сетка с осями абсцисс х и ординат у. Если координаты точек А и В известны (а чуть выше мы с вами договаривались об этом), то не представляет большого труда нанести эти точки по известным координатам на лист будущей карты. Тем самым, друзья, если не верите себе, то уж, пожалуйста, поверьте мне, что, предварительно соединив эти точки, вы получите на карте (в заданном масштабе) уменьшенное изображение линии АВ местности. Это понятно? Очень надеюсь на ваш виртуальный, но утвердительный кивок. В таком случае продолжаем фантазировать. Предположим, что точки К и N -это не просто точки местности, а точки, обозначающие углы здания, т.е. линия KN физически представляет собой фасад дома. Если говорить о позиционировании или, выражаясь более просто, о размещении, то положение точек А, В, К, N на местности известно, я подчёркиваю - известно, мы можем даже пощупать их руками (я имею в виду железобетонные столбики и углы домов, которые олицетворяют эти точки). Продвигаясь дальше, напоминаю вам и, тем самым, снова подчёркиваю, что точки А и В заданы своими известными координатами, и поэтому их положение, заостряю ваше внимание, известно не только на местности, а и на карте. И нет у нас другого выхода, друзья, как немедленно заняться определением положения точек (углов здания) К и N на той же самой карте. Это, собственно говоря, и является нашим намерением в частности и целью рассматриваемой тахеометрической съёмки вообще. А цель эта, коллеги, если мы говорим об измеряемой точке, достигается одним наведением зрительной трубы на эту самую точку. И если мы направляем трубу тахеометра на отражатель, помещённый в точке К (рис. 36), то при этом непременно измеряем горизонтальный угол вертикальный угол v, и расстояние d,.

А как вычислить по этим измерениям координаты и высоту точки К, уважаемые дамы и господа, вы уже должны знать не хуже меня. И, если кто-то, коллеги, случайно запамятовал это, то не сочтите за труд подсмотреть, с моего позволения, формулы (8), (9) из главы 2 и формулы (34), (45) из главы 5. Затем зрительная труба электронного тахеометра наводится на следующую точку N и при необходимости (а такая необходимость в реальной практике имеет место быть практически всегда) ещё на десятки и сотни точек, которые просматриваются с точки А, где установлен тахеометр. Для каждой из этих точек также измеряются горизонтальные и вертикальные углы и расстояния. Только необходимо помнить, что все эти точки не виртуальные и не произвольные, а венчают и характеризуют собой многообразие ситуации и рельефа местности (дороги и мосты, столбы электропередач и колодцы подземных прокладок, ограждения и деревья, вершины холмов и русла рек и т.д. и т.п.). И ещё я хочу акцентировать (акцент, разумеется, геодезический), что каждый горизонтальный угол состоит из двух направлений: первое - это один из множества различных лучей при поочерёдном наведении на измеряемые точки i (например, на уже рассматриваемые точки К и N) и второе -это общее постоянное или базисное направление АВ. Теперь, друзья, становится понятным, почему такой способ съёмки ситуации называется полярным. Да потому, что все наши измерения незримой нитью связаны с полюсом А, от которого фиксируются измеренные расстояния di и полярной осью АВ, которую я только что назвал базисным направлением и от которой отсчитываются все измеряемые углы Впрочем, для полной ясности рекомендую вспомнить полярную систему координат (рис. 9), упомянутую в главе 2 данной книги, которую, надеюсь, вы ещё читаете.

Всё вышесказанное приурочено к полевым геодезическим работам (вы, конечно, ещё помните, что в геодезии любую местность называют обобщающим словом поле). Сама карта по данным измерений составляется в кабинетных условиях (в науках о Земле работы, выполняемые за столом в офисе, называются камеральными). Вот и настало время, коллеги, поговорить о процессе, который топографы умилительно величают «камералкой». Итак, тахеометр аккуратно уложен в ящик, как правило, жёлтого или красного цвета, а штатив и отражатель упакованы в специальные чехлы. Теперь рабочее место инженера-геодезиста являет письменный стол, за которым он выполняет математическую обработку произведенных измерений, по окончанию которой он приступает к составлению топографической карты. Полагаю, друзья, вы ещё не успели позабыть, что мы уже нанесли на лист будущей карты исходные точки А и В по координатам, значения которых нам были заблаговременно известны. И думаю, что вы помните, что мы соединили эти точки, получив на бумаге линию АВ. Приложим к этой линии геодезический транспортир. Это специальный, выполненный из органического стекла, круглый транспортир, который составляет одно целое с линейкой, являющейся продолжением линии, соединяющей центр его окружности с нулевым делением. Это позволяет одновременно отмерять от линии АВ измеренные горизонтальные углы и Р2, а от полюса А - в заданном масштабе измеренные расстояния d, и d2. По завершению этих несложных манипуляций получаем на бумаге положение точек К и N, что в принципе и являлось целью работы.

В реальной практике, участок местности, покрываемый наземной топографической съёмкой, может быть достаточно протяжённым. Если, например, такая съёмка предназначена для проектирования нового квартала жилищного строительства, то её площадь может составлять, к примеру, 12 гектаров (300*400) метров. В этом случае число известных точек (подобных точкам А и В) может достигать нескольких десятков, а число измеряемых точек - нескольких сотен. Таким образом, в процессе составления карты на листе бумаги будет целый ряд полярных осей и полюсов, от которых с помощью геодезического транспортира наносятся на будущую карту положения точек, на которые была наведена зрительная труба электронного тахеометра. Вышеописанный технологический процесс приведен исключительно для понимания самой сущности картографирования. Сегодня, в эпоху мобильных телефонов, всемирной паутины интернета и спутниковой навигации, мало кто пользуется при составлении топографической карты транспортиром, линейкой и бумагой как таковой. Сегодня, как вы понимаете, компьютеризировано, если не абсолютно всё, то большинство инженерных (и не только) компонентов нашего бытия. Не составляет исключения и процесс создания карты. Да и в самом деле, работая сегодня в поле таким современным многофункциональным прибором, каким является электронный тахеометр, и при этом в офисе пользоваться устаревшими чертёжными принадлежностями, является, если не нонсенсом, то действием, близким к абсурду. А рассказывал я вам о транспортире и линейке только, так сказать, из гуманитарных или даже методических соображений с тем, чтобы вы уяснили принцип и сущность объясняемого. И вы, коллеги, не только уяснили, а ещё и прониклись уважением к непростой работе предыдущих поколений геодезистов, которые, применительно к нашей тематике, при измерениях, допустим, 1000 точек обыкновенным теодолитом должны были 1000 раз записать их в полевой журнал. Затем произвести математическую обработку этого журнала, при этом по 1000 измеренным расстояниям и по 1000 измеренным вертикальным углам следовало вычислить 1000 горизонтальных проложений, 1000 превышений и 1000 высот точек. И далее, как вы уже знаете, необходимо было 1000 раз с помощью транспортира и линейки отложить на карте 1000 измеренных горизонтальных углов и 1000 горизонтальных проложений измеренных рас стояний. Сегодня мало кто из выпускников геодезических факультетов университетов видел этот самый полевой журнал. Необходимость записей в нём просто канула в Лету, ведь электронный тахеометр является как накопителем измеренной информации, так и её надёжным хранителем. Кроме того, на дисплее тахеометра имеется возможность видеть все измеренные величины: горизонтальные углы, вертикальные углы и наклонные расстояния. Вместе с тем на том же дисплее высвечиваются вычисленные встроенным в тахеометр компьютером горизонтальные проложения измеренных линий и превышения между точками. Наконец, самое главное: с помощью специального интерфейсного кабеля производится передача всей измерительной информации из электронного тахеометра в персональный офисный компьютер. Посредством специальных программ вся полученная информация сосредотачивается в файле, в котором представлен реестр измеренных точек с их координатами X, Y и высотами Н. После нескольких простых операций, практически одним кликом клавиатурной клавиши, уже не на листе бумаги, а на мониторе компьютера появятся точки К, N и ещё тысячи измеренных точек с их номерами и подписанными высотами.

Возникает вопрос, что же делать со всем этим многообразием светящихся точек, подмигивающих нам с компьютерного экрана? Как превратить их в топографическую карту, строительный план или трассу дороги? Для этого, Вы уж простите меня великодушно, я должен переместить Вас из хорошо про-кондиционированного или наоборот протопленного офиса в поле, где ярко светит жаркое солнце или где пронизывающий ветер швыряет ледяные снежинки в зрительную трубу тахеометра. Да и не столь важно, друзья, холодно Вам или жарко, сколько существенно не забыть перед началом топографической съёмки сделать схематический чертёж картографируемой местности. Этот чертёж в геодезическом обиходе называют абрисом (рис. 37). Вообще говоря, абрис, если верить энциклопедиям, это не что иное, как контур или очертание предмета. В топографии под словом абрис понимается глазомерно составленный чертёж местности, отображающий объёк-ты топографической съёмки (элементы ситуации и рельефа), необходимые для составления карты и ориентирования на местности. В принципе абрис представляет собой сделанный от руки внемасштабный, но с примерным соблюдением пропорций чертёж, с обозначением на нём данных, требуемых для составления карты (рис. 37).

Необходимо чётко уяснить, что съёмка, которую мы назвали тахеометрической, выполняется на местности, в поле, а карта по результатам этой съёмки составляется в офисе, в "камералке". Понятно, что геодезист, выполняющий эти измерения, даже будучи наделённым феноменальной памятью, не может запомнить все необходимые многообразные детали, которыми изобилует местность. Именно для этой цели составляется абрис, сущность которого - не забыть при составлении карты нанести на неё важную характеристику ситуации или рельефа местности. И ещё один существенный, я бы сказал, ключевой момент. На абрисе каждой измеряемой точке присваивается порядковый номер, который совпадает с номером точки, который мы вводим в память электронного тахеометра, когда наводим на неё зрительную трубу, т.е. в момент его измерения. И только теперь, друзья, после долгого и, надеюсь, не нудного объяснения сущности абриса, я позволю себе вернуться к тому, с чего мы, собственно, начали. А начали мы разговор об абрисе, напоминаю, с того, что увидели на компьютерном мониторе светящиеся пронумерованные точки, которые были измерены в поле и после вычислений каждая из них получила координаты X, Y и высоту Н. И не надо забывать, что каждая из этих точек характери-

зует определённый элемент ситуации или деталь рельефа.

На абрисе (рис. 37) видно, что точка 2 является правым углом Н (нежилого дома), точка 10 - левым углом 2Ж (двухэтажного жилого дома), точки 6 и 8 - это точки, принадлежащие ограде (на абрисе ограда показана своим условным знаком) между этими домами. Следующее действие - это отыскать эти точки на компьютерном мониторе и посредством мыши того же компьютера соединить эти точки прямой линией. И тогда вам уже нет необходимости сегодня применять архаичную линейку или патриархальный транспортир, или какие-то особые усилия, чтобы получить с помощью нескольких компьютерных кликов и линию забора, и углы двух домов на экране вашего персонального компьютера. Или точно также, соединяя поочерёдно точки 67, 58 и точки 69, 57, 49, мы полу-

Абрис топографической съёмки

Рис. 38. Абрис топографической съёмки

чим противоположные края проезжей части дороги по ул. Тимирязева. На абрисе (рис. 38) отмечен, например, Н - нежилой дом (точки 1 и 2) и КЖ - каменный жилой дом (точки 10 и 12). Отыскав, по подобию предыдущего примера, эти точки на мониторе и проводя между ними отрезки линий, получаем в заданном масштабе линии фасадов этих домов. Внимательно вглядываясь в пронумерованные точки абриса и находя под теми же номерами точки на компьютерном дисплее, остаётся в соответствии с абрисом соединить точки, принадлежащие искомому контуру или линии местности. В результате получаем то, что одним словом называется ситуацией, т.е. очертания лесов или парков, сельскохозяйственных угодий и ограждений, тропинок, дорог и магистралей, контуры существующей застройки, благоустройства и трасс подземных и надземных коммуникаций. Казалось бы, конец - делу венец. Но не тут-то было. Чего-то всё-таки не хватает. Для полноты картины, которую мы через несколько мгновений назовём полноценной картой, необходимо отобразить на ней рельеф. В противном случае, зачем же мы тогда измеряли вертикальные углы, вычисляли превышения и высоты каждой из измеряемых точек. Числовые значения этих высот, подписанные возле каждой точки, допризывно подмигивают нам с экрана персонального компьютера. Допризывно потому, что как бы ненавязчиво приглашают нас совершить с их помощью какое-то действие. А действие это называется рисовкой рельефа. Производится такая рисовка посредством горизонталей (см. главу 3). После этого, коллеги, нам остаётся только завершить компьютерное вычерчивание, заняться оформительской и редакционной косметикой и, наконец, навести компьютерную мышь на заставку "print" с тем, чтобы напечатать первый экземпляр карты участка местности, с которого, выражаясь высоким слогом, мы смыли ещё одно "белое пятно". Небольшой фрагмент такой карты приведен на рис. 39.

Ну, вот и всё, уважаемые мадам и месье, кажется, приехали. Приехали с тем, чтобы двигаться дальше, предвкушая по пути, как напевал замечательный бард Юрий Визбор, "то взлёт, то посадку". Посадку, коллеги, мы уже совершили в том смысле, что более чем детально разобрались в принципах наземной топографической съёмки, осуществляемой на поверхности земли. А теперь нам предстоит взлететь на высоту, по крайней мере, птичьего полёта, чтобы вникнуть в сущность аэрофотосъёмки, которая изучается студентами геодезических специальностей в курсе, называемом аэрофотогеодезия. Итак, запоминаем, что аэрофотогеодезия является наукой, которая изучает методы создания топографических карт по материалам аэрофотосъёмки.

Следует отметить, что насколько схема производства наземной съёмки проста: измерения - вычисления - вычерчивание, настолько технология аэрофотосъёмки многофункциональна как по совокупности выполняемых операций, так и по сложности их выполнения. Действительно, аэрофотосъёмка -это комплекс работ, включающий в себя различные процессы от создания фотоизображений поверхности земли с летательного аппарата до получения аэрофотоснимка в частности и искомой карты местности в целом. Технология производства аэрофотосъёмки включает в себя:

  • 1) изучение местности, которая подлежит фотографированию;
  • 2) проектирование маршрутов полёта самолёта;
  • 3) расчёт элементов и параметров аэрофотосъёмки;
  • 4) собственно фотографирование земной поверхности с борта самолётов при помощи аэрофотоаппарата;
  • 5) фотолабораторные работы по изготовлению негативов и позитивов;
  • 6) привязка материалов фотосъёмки к фиксированным точкам (точки опорной геодезической сети);
  • 7) камеральные работы по обработке аэрофотоснимка для изготовления карты.

Как видите, процесс, в самом деле, не простой, и чтобы этот, как говорил первый и последний президент незабвенного СССР М.С. Горбачёв, "процесс пошёл", мне понадобится как минимум семестр университетского времени. Этого времени нет как у меня, так, разумеется, и у вас. Да и цель этой книги, коллеги, ввести вас в специальность, а не превратить ваш мыслительный аппарат в мусорный ящик, где собирается избыточная и никому не нужная информация. Так что, друзья, постараюсь быть предельно и в то же время последовательно кратким, конечно же, не в ущерб вашему пониманию сущности аэрофотосъёмки.

Итак, дамы и господа, прошу застегнуть привязные ремни, мы взлетаем. Упаси вас бог подумать, что вы находитесь в каком-нибудь бизнес классе сверхскоростного пассажирского лайнера. Вы летите на небольшом, вовсе не комфортабельном самолёте, на высоте, предположим, 2-5 км со средней скоростью 300 км/ч. В процессе полёта фотографирование местности производится с помощью специальных аналоговых или цифровых фотокамер, установленных на борту самолёта. При выполнении аэрофотосъёмки для картографических целей стремятся придать снимкам горизонтальное положение, т.е. придать оптической оси фотоаппарата отвесное положение. Аэрофотосъёмка называется маршрутной, когда полоса местности фотографируется с одного захода самолёта. При аэрофотосъёмке обширных участков земной поверхности прокладываются несколько прямолинейных и взаимно параллельных маршрутов, в этом случае аэрофотосъёмку называют площадной. Фотографирование местности осуществляется через определённые интервалы времени с таким расчётом, чтобы аэрофотоснимки перекрывали друг друга. Это значит, что на каждом следующем аэрофотоснимке частично изображается площадь, полученная на предыдущем (рис. 40).

Перекрытие двух смежных снимков в одном маршруте называют продольным перекрытием аэрофотоснимков, оно составляет не менее 60% от размера снимка. Расстояние между маршрутами устанавливают таким образом, чтобы между снимками соседних маршрутов тоже получилось перекрытие, только уже перекрытие поперечное, которое должно быть не менее 30%. Продольные и поперечные перекрытия необходимы для связи аэрофотоснимков в общую систему при их фотограмметрической обработке для составления карты. А ещё перекрытие снимков непременно используется для создания стереомодели местности при рисовке рельефа на аэрофотоснимке, что будет рассмотрено ниже.

По завершению полёта мы снова опускаемся на землю. Но наша работа на этом не заканчивается. Начинается знакомый нам с детства (тем, чья юность захватила 60-70 годы прошлого столетия) процесс проявления и закрепления полученных негативов и контактной печати с последующим изготовлением позитивов, т.е. искомого аэрофотоснимка. Фотолаборатор-ный процесс завершается производством накидного монтажа, который представляет собой соединение аэрофотоснимков по одноименным контурам в одну сплошную картину заснятой местности.

Для более полного понимания дальнейшего преобразования аэрофотоснимка в карту, должен сделать одно небольшое, и далеко не лирическое, отступление. Прежде всего, необходимо, пользуясь ненормативной лексикой, «зарубить» себе на носу, что аэрофотоснимок и карта одного и того же участка местности отнюдь не тождественные понятия, несмотря на то, что изображают одну и ту же территорию. Любой школьник,

Продольное и поперечное перекрытие аэрофотоснимков

Рис. 40. Продольное и поперечное перекрытие аэрофотоснимков

рассматривая аэрофотоснимок и карту, скажет, что последняя более удобочитаемая и более информативная. На карте, например, можно увидеть названия деревень, рек и городских улиц, породу и высоту деревьев в лесу, этажность строений, материал покрытий дорог и т.д. и т.п. Всем понятно, что аэрофотоснимок отличается от карты и по внешнему виду: если карта является достаточно точным чертежом местности, то аэрофотоснимок представляет её фотоизображение. Однако принципиальное отличие карты от аэрофотоснимка состоит в математике, а точнее, в геометрии их получения (рис. 41).

Карта есть не что иное, как ортогональная проекция местности. Переводя вышесказанное на обиходный язык, надо понимать, что карта (плоскость) параллельна местности, которая ортогонально проектируется посредством перпендикуляров на эту плоскость. В основании этих перпендикуляров и размещается то, что мы называем картой (рис. 41, а). Другая картина (возможно, поэтому плоскость снимка называют картинной) получается на аэрофотоснимках, на которых изображение объектов местности строится проектирующими лучами, пересекающимися в точке S объектива аэрофотоаппарата. Именно такими лучами на снимке и получено изображение ab линии АВ местности в центральной проекции (рис. 41, б). Плоскость снимка принято называть картинной (собственно здесь мы и получаем фотоизображение), а оригинал или поверхность

картинная плоскость

Рис. 41. Проекции:

а) ортогональная; б) центральная

земли, которая подвергается фотографированию, именуется предметной плоскостью.

А сейчас поговорим о параметрах аэрофотоснимка, к кото

рым относятся масштаб ( —), высота полёта (Н) и фокусное М

расстояние (fk) аэрофокамеры.

Из несложной геометрии (подобие треугольников) оптики прохождения лучей (рис. 42, а) следует, что

(46)

Понятно, что, с одной стороны, — представляет собой отношение некоего расстояния ab на аэрофотоснимке к тому же расстоянию АВ на местности, а, с другой стороны, по опре

делению это отношение есть не что иное, как масштаб — . В М этом случае формула (46) примет вид

(47)

По формуле (47) не представляет затруднения рассчитать, например, высоту полёта самолёта Н, если при фокусном рас-

стоянии объектива фотокамеры fk=100 мм, необходимо полу-

1 _ 1 нить масштаб аэрофотоснимка ’ Подставляя исход

ные данные в формулу (47), получим

H = M fk =30000-0,1 м = 3000 м (48)

Все вышеприведенные формулы и расчёты правильны только в том случае, когда оптическая ось фотокамеры вертикальна, т.е. занимает отвесное положение. На практике допускаются небольшие отклонения оси камеры от вертикального положения (до 3°). Только в этом случае центральная проекция аэрофотоснимка будет фактически тождественна ортогональной проекции карты. Если при производстве аэрофотосъёмки ось фотокамеры наклонена к вертикали под некоторым углом а>3°, то, так называемая, плановая аэрофотосъёмка превращается в аэрофотосъёмку перспективную. Для полной ясности несколько слов о плане и о перспективе. При плановой аэрофотосъёмке, ещё раз повторяю, камера направлена вертикально вниз под прямым углом к поверхности земли. При этом на аэрофотоснимке мы наблюдаем плоскостное изображение (по сути, упомянутую ранее ортогональную проекцию), практически не отличающееся от карты. Так, при производстве плановой аэрофотосъёмки на снимке видны только крыши фотографируемых домов. При перспективной (обзорной) аэрофотосъёмке, когда камера направлена под углом к горизонту, мы видим объёмное изображение, т.е. не только крыши сооружений, но и их боковые поверхности. Когда местность изображается в перспективе, то масштаб этого изображения из постоянной величины превращается в величину переменную, т.е. полученный снимок будет иметь в каждой своей точке разный масштаб, что и показано на рис. 42, б. Итак, дамы и господа, надеюсь, вы поняли, что у нас есть проблема с масштабом перспективной аэрофотосъёмки, даже не столько с самим масштабом, сколько с разномасштабностью одного и того же аэрофотоснимка.

Но этим наша проблематика не исчерпывается. К сожалению, при переходе от снимка к карте есть ещё одно затруднение, которое необходимо преодолеть: это смещение в положении точек на снимке, вызываемое рельефом местности.

Давайте, друзья, взглянем вместе на рис. 43. На нём точка А представляет собой вершину горы, а точка Ао находится с точкой А на одной отвесной линии, т.е. является проекцией этой вершины на горизонтальную плоскость. А если вы, коллеги, позволите себе прервать чтение этого предложения и вернуться в начало этой книги (глава II, рис. 15), то, несомненно, вспомните, что именно горизонтальная проекция является элементом карты, а в нашем случае - аэрофотоснимка. В таком случае совсем нетрудно догадаться, что на нашем аэрофотоснимке (рис. 43) мы вместо изображения а0 точки Ао получим изображение а точки А.

Отрезок аа0 и является линейным смещением (искажением) точки а0, обусловленным влиянием рельефа местности.

Попробуем, леди и джентльмены, ещё раз обнажить проблемы, которые мы с вами обсудили. В конечном итоге, мы пришли к выводу, что угол наклона камеры при аэрофотосъёмке и рельеф местности ощутимо влияют на изображение на аэрофотоснимке, внося в него соответствующие искажения. Свести эти искажения к минимуму позволяет процесс, который называется трансформированием аэрофотоснимка. В классической фотограмметрии под трансформированием понимается преобразование центральной проекции, которую представляет собой аэрофотоснимок, полученный при наклонной проекции главного луча в другую центральную проекцию, соответствующую отвесному его положению, с одновременным приведением изображения к заданному масштабу. А те-

Смещение изображения точки на аэрофотоснимке из-за рельефа местности

Рис. 43. Смещение изображения точки на аэрофотоснимке из-за рельефа местности

перь, коллеги, возлагаю на себя миссию прокомментировать эту, возможно, не всем понятную формулировку. По сути дела, трансформирование представляет собой, с одной стороны, целенаправленное изменение геометрических свойств аэрофотоснимка с благородной целью преобразования его в заданную проекцию, в которой масштаб снимка будет постоянным. С другой стороны, трансформирование - это процесс преобразования снимков из наклонных в горизонтальные. Прибор, с помощью которого производится трансформирование, называется фототрансформатором (рис. 44).

Фототрансформатор состоит из проекционного фонаря с источником света, объектива, кассеты и экрана, на который проектируется трансформируемый снимок.

Для понимания принципа работы фототрансформатора необходимо вернуться на несколько страниц назад, где говорилось о технологии производства аэрофотосъёмки и упоминалось о привязке материалов аэрофотосъёмки к фиксированным точкам местности. Эти фиксированные точки в фотограмметрии называют опознаками. В сущности опознак - это точка на аэрофотоснимке, опознанная с идентичной точкой местности, координаты и высота которой заведомо известны (технология измерения и получение координат и высот таких точек будет рассмотрена в следующей главе).

Возвращаемся снова к фототрансформатору, чтобы понять, как производится процесс трансформирования на этом приборе. Думаю, что не очень сложно. В кассету фототрансфор-

Фототрансформатор

Рис. 44. Фототрансформатор

матора закладывается аэронегатив, а на экране размещается планшет (чертёжная бумага). На этой бумаге по известным координатам в выбранном масштабе наносятся четыре опоз-нака, о сущности и назначении которых мы только что говорили. Эти же точки проколоты на аэрофотонегативе в виде кружков диаметром 0,2 мм. При включённом осветителе указанные точки на негативе проектируются кружками на планшет экрана. Затем поворотом рукояток и ножных штурвалов фототрансформатора и негатив, и объектив, и экран перемещаются так, чтобы изображение было чётким, а световые пятна намеченных на негативе точек совместились с их положением на планшете. Вот и вся музыка, друзья. Единственное, что осталось сделать, так это выполнить фотографирование на фотоплёнку или фотобумагу при совмещённом положении заданных точек. После этой процедуры мы облегчённо вздыхаем и получаем трансформированный негатив или фотоснимок, во всех частях которого будет один и тот же масштаб, что, собственно, и требовалось доказать.

И ещё один небольшой, но весьма существенный комментарий. Для трансформирования снимка на нём следует иметь четыре трансформационные точки с известными координатами. В реальной работе как с технологической, так и с экономической точки зрения нецелесообразно, да и, откровенно говоря, нерентабельно обеспечивать каждый снимок такими точками. Ведь при аэрофотосъёмке значительной площади можно получить десятки аэрофотоснимков и, таким образом, потребуется большой объём полевых работ для определения координат точек, которые после измерительных и вычислительных работ получат статус известных точек (см. следующую главу). Это увеличивает как объём работы, так и её стоимость. На практике, на местности измеряются только 4-6 точек на весь маршрут полёта. А положение остальных десятков или даже сотен точек (ведь никто не отменял наличия на каждом снимке заданного маршрута 4 трансформационных точек) определяется в камеральных (офисных) условиях. Необходимо ещё раз подчеркнуть, что если полётный маршрут охватывает, к примеру, 15 аэрофотоснимков, то на местности полевыми измерениями определяются координаты 4 точек, а положение остальных 28 точек выполняется камеральными методами (в офисе). Один из самых распространённых методов создания таких 28 точек получил название фототриангуля ция. Вообще-то, углубление в тонкости производства фототриангуляции выходит за рамки вводного курса. Тем не менее, желательно знать, что фототриангуляция представляет собой метод определения положения трансформационных точек путём измерений аэрофотоснимков на специальных фотограмметрических приборах. Ещё раз отметим, что измерения для определения координат этих точек осуществляются не "в поле" (не на местности), а "в камералке" (в офисе).

После трансформирования составляют план местности, который называют фотопланом, который являет собой фотографически уменьшенное изображение предметов и контуров местности. Однако по разным причинам далеко не все ситуационные элементы местности могут быть легко опознаны на аэрофотоснимке. Действительно, на местности существуют объекты, которые трудно различить на снимке, например, подземные коммуникации, небольшие мосты, дорожные трубы, колодцы и т.д. Кроме того ряд элементов будущей карты вообще не может быть получен на аэрофотоснимке. К таким элементам, прежде всего, относятся географические названия, числовые характеристики, административные границы. Процесс распознавания на фотоизображении объектов местности, которые в последующем подлежат нанесению на карту, выявления их границ, качественных и количественных характеристик, а также вычерчивания полученных результатов условными знаками называется дешифрированием. Сводя приведенное определение в короткую фразу, можно сказать, что дешифрирование есть не что иное, как опознание объекта местности на аэрофотоснимке. Дешифрирование бывает полевым, когда ситуация распознаётся с выходом на местность при полевом обследовании, т.е. сличением аэрофотоснимка с натурой. Оно может быть и камеральным, когда по характерным признакам фотоизображения, объекты местности опознаются без обследования в натуре. При камеральном дешифрировании пользуются альбомами эталонов. Сравнивая изображение на дешифрируемом снимке и эталоне, по аналогии опознают тот или иной объект. Основными дешифровочными признаками являются: формы и размеры объекта, тон и структура изображения, тень, отбрасываемая объектом, взаимная связь в расположении отдельных элементов ситуации. Вот, пожалуй, и всё, не углубляясь в теорию и практику самого процесса, что я хотел сказать вам, коллеги, о дешифрировании. Главное, что вы поняли, по какой причине возникает задача дешифрирования аэрофотоснимков и общие принципы реализации этой задачи. Важно только помнить, что дешифрирование - это важная и ответственная часть аэрофотогеодезических работ. Ведь от точности определения положения на фотоизображении дешифрируемых элементов зависит достоверность и качество информации, получаемой по фотоснимкам.

Если вы, уважаемые леди и джентльмены, устали от напряжённого изложения этой аэрофотосъёмочной главы и, грешным делом, подумали, что я приближаюсь к её завершению, то спешу вас обрадовать в правильном направлении ваших утомлённых умозаключений. Мы, может быть, медленно, но, тем не менее, достаточно уверенно приближаемся к завершению аэрофотогеодезического способа создания карты. Итак, друзья, отвечая на вопрос классика, "что я могу ещё сказать?", хочу чуть ли не торжественно заявить, что в результате перечисленных мною выше различных фотограмметрических манипуляций контурную или ситуационную часть карты мы уже практически получили. И ещё, пусть менее торжественно, хочу заявить, что осталась нам самая малость: каким-то образом преобразовать эту ситуационную карту в карту топографическую. И что для этого необходимо предпринять? Вы, уважаемые коллеги, уже располагаете достаточными базисными знаниями, чтобы ответить, что для достижения обозначенного следует каким-то образом на аэрофотоснимке отобразить рельеф местности. Но каким образом?

Начинаем разбираться. Не секрет, что на топографической карте рельеф изображается с помощью горизонталей. Но для рисовки горизонталей необходимо знать высоты точек окружающей местности. Понятно, что внутри самолётного аэрофотоаппарата не сидит дядя, который смог бы записывать высоты фотографируемой местности. Однако вычертить горизонтали без знания высот соответствующих точек невозможно. И снова классика: "что делать?" На этот излюбленный вопрос русской интеллигенции ответ даёт метод стереотопографи-ческой съёмки, с которым я вас немедленно познакомлю. Вообще говоря, это основной метод создания топографических карт, складывающийся из аэрофотосъёмки, полевых и камеральных топографических работ. Полевые работы, как указывалось, заключаются в определении планового и высотного положения зафиксированных при аэрофотосъёмке избранных точек местности путём наземных измерений и полевом маршрутном дешифрировании аэрофотоснимков. Камеральные работы включают трансформирование аэрофотоснимка, фототриангуляцию (сгущение упомянутых избранных точек местности), камеральное дешифрирование и (это мы ещё не проходили) стереоскопическую рисовку рельефа, которая основана на принципе стереоскопического эффекта. Эффект заключается в восприятии окружающих предметов не в плоскостном, а в объёмном изображении. Он возникает вследствие наблюдения объекта под разными ракурсами правым и левым глазом. Это свойство наших глаз и используется в сте-реотопографической съёмке. Нам уже известно из предыдущего изложения, что два соседних снимка, сделанные из летящего самолёта, перекрываются один другим, и тогда на каждом из них частично изображается один и тот же участок местности. Эти снимки закладываются в специальные фотограмметрические приборы (рис. 45), стереометр или стереограф, и рассматриваются совместно (один снимок - левым глазом, а другой - правым). При этом оба снимка сливаются в одно чёткое изображение, а местность, сфотографированная на них, предстаёт перед нами в объёмной картине. Такое рельефное изображение снятой местности мы называем стереоскопической моделью. Эта модель посредством стереометра позволяет определить высоты точек местности.

Происходит это по следующей технологической схеме (для простоты и доступности изложения я позволю себе опустить

Топографический стереометр

Рис. 45. Топографический стереометр

технические детали). В поле зрения стереометра вместе с объёмным изображением местности видна, так называемая, пространственная марка, представляющая собой небольшую чёрную точку. Вращая регулирующие винты прибора, можно менять положение этой марки относительно рассматриваемой стереомодели. А теперь представьте себя, уважаемые коллеги, в роли оператора-топографа. Напряжённо вглядываясь в окуляры прибора, вы видите трёхмерное изображение реальной местности, над которой, предположим, несколько часов назад пролетал самолёт с аэрофотоаппаратом на борту. Вы видите практически подлинную местность с контурами лесов и полей, с прожилками рек и изрезанной линией оврагов, с горными вершинами, с волнистыми очертаниями хребтов и седловин. Перемещая марку стереометра по этой прекрасной панораме, легко убедиться, что она то будет находиться над поверхностью рассматриваемой стереомодели, то как бы пронизывать иллюзорную земную поверхность. Задача оператора, удерживая марку на поверхности стереомодели, передвигать её таким образом, чтобы она касалась мест, находящихся на одной и той же высоте. И тогда карандаш прибора, связанный с механизмом перемещения марки, вычертит горизонталь, которая, если вы помните, является линией равных высот. Затем на специальной шкале стереометра выставляется отсчёт, соответствующий следующей горизонтали. Вследствие этого действия марка поднимется или опустится на высоту сечения рельефа (разность высот между горизонталями), и карандаш вычертит следующую горизонталь. Продолжая работать по приведенной схеме, в конечном итоге, получаем на фотоизображении рельеф местности, что, собственно говоря, и являлось нашей целью на пути создания топографической карты.

Прежде чем завершить этот непростой трудоёмкий и, можно сказать, тернистый путь, давайте, уважаемые дамы и господа, перечислим составляющие нашей нелёгкой дороги к получению её величества карты (рис. 46).

Стало быть, наш специально оборудованный самолёт набрал высоту с тем, чтобы, пролетая над заданным участком местности, по определённой технологии через равные промежутки сфотографировать его. А технология эта в основном заключается в обеспечении перекрытия следующих друг за другом снимков с целью в последующем создать стереоизображение фотографируемой местности. Полученные снимки не могут ассоциироваться с картой из-за возникающих в них по разным причинам геометрических несоответствий (искажений). Устраняются эти искажения методами фотограмметрии. Первым шагом приближения аэрофотоснимка к карте является преобразование центральной проекции аэрофотоснимка в орто-

Аэрофотоснимок и карта

Рис. 46. Аэрофотоснимок и карта

тональную проекцию, т.е. в проекцию, в которой, собственно, и составлена карта. Это достигается процессом трансформирования, которому подвергаются аэрофотоснимки. В сущности, трансформирование аэрофотоснимка заключается в совмещении на специальном приборе точек местности с известными координатами, которые сфотографированы на снимке с этими же точками, заранее помещёнными в заданную координатную систему. Положение части этих точек определяется непосредственными измерениями на местности, но в основном координаты этих точек получают на специальных фотограмметрических приборах методом фототриангуляции. Поскольку не все элементы ситуации могут быть опознаны на аэрофотоснимке, последний подвергается процессу дешифрирования, процессу распознавания объектов местности, которые в последующем подлежат нанесению на карту. По завершению всех этих действий становится ясным, что на аэрофотоснимке отсутствует третье измерение, измерение высот, которые являются основой для вычерчивания рельефа на картах. Используя методы стереофотограмметрии, посредством специальных стереоприборов выполняют проведение горизонталей, которые, собственно говоря, и являются носителями рельефа на аэрофотоснимке. В заключение необходимо отметить, что сугубо в методических целях, для логического и полного понимания фотограмметрических процедур, объяснение технологии их производства приводилось на примерах механических стереофотограмметрических приборов устаревшего образца 70-80-х годов минувшего столетия. Нет никаких сомнений, что сегодня все фотограмметрические процессы обработки аэрофотоснимков производятся на модернизированных электронных приборах с применением самой современной компьютерной техники.

Пожалуй, коллеги, я закончил своё короткое резюме, которое, если хотите, можете назвать визитной карточкой процесса аэрофотосъёмки. Вы, конечно, вправе спросить, а что же дальше и где же в конце-концов вожделённая карта, процессу создания которой фактически посвящена эта книга. В принципе, такая карта уже создана, осталось лишь произведенную нами продукцию отутюжить и отшлифовать или, как говорят в народе, довести до ума. Вот этим "доведением до ума" и занимается картография. На самом деле эта утюжка и шлифовка не такое простое дело, как кажется непосвящённым. Перед тем, как запустить карту в массовый тираж и напечатать её, картографы запускают в действие технологическую цепочку, которую называют картосоставительским процессом. Он включает в себя: редакционно-подготовительные, составительские и оформительские работы. Предлагаю вам, уважаемые коллеги, для полноты восприятия картосоставления, вместе со мной проследить за ходом выполнения этого процесса.

Начнём с редакционно-подготовительных работ: они включают в себя сбор, обобщение и систематизацию картографических источников, изготовление макета карты, выбор масштаба, картографической проекции, способа изображения и условных обозначений. Это довольно сложный комплекс многофакторных работ, которые предстоит произвести картографу на пути преобразования уже прошедших камеральную обработку аэрофотоснимков в карту. И это далеко не всё, ещё ведь предстоит рассчитать параметры картографической проекции, построить сетки географических и прямоугольных координат, нанести опорные геодезические пункты и выполнить монтаж собранного картографического материала.

Затем выполняются составительские работы, основным процессом которых является генерализация картографического изображения. Под термином генерализация понимается процесс отбора и обобщения элементов упомянутого картографического изображения. По окончанию этих работ выпускается оригинал карты, который по аналогии с одноименными работами тоже называется составительским. Законченный составительский оригинал тщательно редактируется и корректируется. Этот оригинал карты по своей сути является авторским, и поэтому по своему графическому качеству не отвечает требованиям издания карт.

Оформительские работы производят уже на издательском оригинале карты, который ещё вчера производился вычерчиванием на бумажной или пластмассовой основе, а сегодня исполняется с привлечением современных компьютерных технологий.

Всё, дорогие читатели, я ставлю маленькую точку, почему маленькую, а не большую и жирную, вы узнаете в следующей главе. Эта маленькая точка символизирует благополучное завершение нашего геодезического паломничества от взлёта аэрофотосъёмочного самолёта до изготовления издательского оригинала карты. Это, так называемое, паломничество в общем виде показано на рис. 47, который я позаимствовал из замечательной книги А. М. Куприна "Слово о карте".

Через некоторое время издательский оригинал попадёт в типографию, и по окончанию полиграфических работ у нас в руках окажется выпущенный на качественной мелованной бумаге, ещё пахнущий типографской краской, колоритный экземпляр карты местности, над которой совсем недавно пролетал самолёт. Сегодня запах типографской краски уже канул в Лету, карты уже не пахнут полиграфией, техническая революция и современные технологии трансформировали бумажные карты в электронные. Сегодня можно видеть эти карты на экранах спутниковых навигаторов GPS и мобильных телефонов. Сегодня, никого не спрашивая, можно зайти в интернетовский сайт Google Maps, найти интересующую вас карту и передвижением компьютерной мышки проложить, например, маршрут запроектированного путешествия, а если понадобится, одним кликом всё той же мышки вывести карту или её фрагменты на печать. Как бы там ни было, картография, представленная в

Этапы создания карты

Рис. 47. Этапы создания карты

ГЛАВА 6. Топографическая съёмка местности электронном виде во всех этих навигаторах, мобильниках и ноутбуках, родилась в геодезической среде и производилась методами наземной топографической съёмки или методами аэрофотосъёмки, которые изучены в этой главе.

ГЛАВА 7

ФУНДАМЕНТ КАРТЫ, ИЛИ ОПОРНЫЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ СЕТИ

Что такое опорная геодезическая сеть. Методы создания плановой геодезической опоры.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >