Геометрические основы фотограмметрии. Основные основы о проекциях.

Для решения многих задач, особенно в инженерном деле, широко ис­пользуют изо­бра­жения объектов, построенные тем или иным мето­дом на плоскости или на поверхности.

Построение изображения какого-либо предмета (объекта) на из­бран­ной поверхности по определенному закону называется проекти­рова­нием, а его результат –проекцией.

Естественными примерами проекции являются: картина, созданная по законам зри­тель­ного восприятия; фотографическое изображение, по­лу­ченное в плоскости прикладной рамки съемочной камеры лучами, проходя­щими че­рез объектив; изображение объекта на сетчатке глаза; топо­графическая карта и т. п.

При центральном проектировании проекция точки пространства на­ходится как след сече­ния прямой, проходящей от нее через центр проек­ции, с поверхностью, на которую вы­пол­няется проектирование. Цен­тром проекцииназывается точка, через которую прохо­дят все про­екти­рующие лучи. Плоскость, на которой строится изображение объек­тов, назы­ва­етсякартинной. Совокупность лучей, с помощью которых по­лучено изображение в фо­кальной плоскости, называетсясвязкойилипучком.

На рис. 2.1 изображены точки мест­но­сти A, B, C, O, центр проек­ции S и две плоскости: P_нег и P_поз.

П лоскость P_нег, расположен­ная по одну сторону от цен­тра проек­ции и мест­ности, называется негативной, а плос­кость P_поз, рас­поло­женная между цен­тром про­екции и мест­ностью – по­зитив­ной.

Изображения точек местности на плос­костях P_нег и P_поз полу­чены путем цен­трального проек­тирования из центра про­екцииS, прямолиней­ными проекти­рующими лучами AS, BS, CS и OS. Точки a, b, c, o и соот­ветствующие им точки a¢, b¢, c¢, o¢ получены как следы пересече­ния проектирую­щих лучей с плоскостями P_поз и P_нег и яв­ляются цен­траль­ными проекциями соот­ветствую­щих точек местности. Результа­том цен­трального проекти­рования ме­стности является изо­бра­жение, по­стро­ен­ное фотообъекти­вом: прямо­линейные проектирующие лу­чи, исходя­щие от точек мест­ности, про­ходят через центр проекции и строят изо­браже­ние в фо­кальной плос­кости.

Если удаления So¢ и So плоскостей P_нег и P_поз от центра проекции одина­ковы и равны фокусному расстоянию съемочной камеры f, то построен­ные на них изображения различаются только порядком раз­меще­ния точек,взаим­ное расположение которых на плоскостях за­висит от их рас­стояния до местности, т. е. от высоты фотографирования.

В последующем будем использовать преимущественно позитив­ные изображения, соот­ветствующие контактным отпечаткам с аэроне­гати­вов. Такие изображения более четко от­ражают взаимное располо­жение объек­тов, их частей и полностью соответствуют местности.

Спроектируем на плоскость P точки A, B, O, C отвесными проек­ти­рующими лучами (рис. 2.2) и по­лу­чим их ортогональ­ные проекции a₀, b₀, o и c₀. Заметим, что мас­штаб изо­браже­ния 1:1, и переме­щение плос­ко­сти P вположение P¢ не изменит ни масштаба, ни подо­бия объ­ектов мест­но­сти, т. е. изо­бражения, представ­ленные точками a₀, b₀, o, c₀ и a¢₀, b₀¢, o¢, c¢₀ тожде­ст­венны.

Выберем центр проекции S и спроектируем те же точки на плос­ко­сти P и P¢ (рис. 2.2). Как легко видеть, полученные изо­бражения, пред­став­ленные точками a, b, c и a¢, b¢, c¢ соответственно, не явля­ются тожде­ственными, а их масштаб зависит от положения плоскости, на ко­торую выполнено проекти­рование. Такие изображения не явля­ются пла­ном ме­стности, и несут некоторые искажения геометриче­ского харак­тера, осо­бенно если плоскости не горизон­тальны.

Сопоставляя изображения, пред­ставленные точками на плоскостях P и P¢, можно сделать вывод о том, что ортогональное проектирова­ние есть частный случай центрального проекти­рования, когда центр проек­ции на­ходится в бесконечности.

Построенные по законам цен­трального проектирования перспек­тив­ные изображения об­ладают сле­дующими очевидными свойствами:

1. Всякая точка, расположенная в пространстве объектов, изобра­жается в картинной плоско­сти также точкой.

2. Всякая прямая, если она не проходит через центр проекции, изо­бра­жается в картин­ной плоскости также прямой.

3. Точки пространства, расположенные в одной проектирующей плос­кости и не лежащие на одной прямой, изображаются в кар­тинной плоскости расположенными на одной прямой.

Проекционные преобразования требуют рассмотрения различных классов проекций, применяемых для создания карт[2]. Картографичес­кие проекции классифицируют по различным признакам, например в зависимости от характера и размера искажений.

Равноугольные проекции (conformaiprojection) сохраняют без иска­жений углы и формы малых объектов, но в них резко деформируются длины и площади объектов. В математике такие преобразования назы­вают конформными.

Равновеликие проекции (equivalenteprojection) не искажают пло­щадей, но в них искажены углы и формы объектов. Первый вид проек­ций приемлем для прокладки маршрутов транспортных средств, второй - для определения площадей и землепользования.

Произвольные проекции (arbitraryprojection) имеют искажения углов, площадей и длин, но эти искажения распределены по карте, например, так, что минимальные искажения имеются в центральной части и возрастают к краям. Среди произвольных проекций выделяют равнопромежуточные (equidistantprojection), в которых искажения длин отсутствуют по одному из направлений: вдоль меридиана или вдоль параллели.

Конические проекции (konical projection). По характеру искажений конические проекции могут быть различными. Наибольшее распростране­ние получили равноугольные и равнопромежуточные проекции.