Физические источники ошибок снимка

При выводе уравнений одиночного снимка и снимков пары в качестве исходного положения было принято, что изображение на них построено в центральной проекции. Однако в действительности это только гипотеза, хотя и достаточно близкая к реальности.

Погрешности снимка условно можно разделить на две группы: первая вызывает смещение изображений точек от центральной проекции, вторая - приводит к снижению качества снимков, и, следовательно, к ухудшению их измерительных свойств.

К группе источников ошибок, вызывающих искажение центральной проекции, относятся атмосферная рефракция, механические и оптические недостатки камеры аэрофотоаппарата, деформация фотоплёнки, клинообразность светофильтра и др. Рассмотрим перечисленные источники ошибок более подробно.

Атмосферная рефракция. Искривление хода световых лучей в пространстве вследствие влияния среды переменной плотности приводит к радиальному смещению изображений точек в направлении от точки надира. В специальной литературе даны формулы для учёта этих смещений, основанные на принятии определённой стандартной атмосферы. Смещения δr увеличиваются пропорционально третьей степени от r, т.е. по такому же закону, как из-за кривизны Земли, но знаки у них противоположные. Следовательно, рефракция частично компенсирует смещение, вызванное кривизной Земли. Отклонение фактической атмосферы на момент фотографирования от стандартной, а также пренебрежение в формулах для расчета поправок за наклон снимков, рельефом местности и кривизной Земли приводят к остаточной ошибке измеренных координат точек примерно ± 2мкм.

Турбулентность воздушных слоёв вблизи съёмочного объектива вызывает дополнительное искажение координат точек снимка. Радиальное смещение точек на краю снимка по этой причине может достигать ± 5мкм. При наземной стереофототопографической съемке поправки за кривизну Земли и вертикальную рефракцию вводятся непосредственно в высоты точек, определенные по снимкам.

Условия центрального проектирования не выполняются также из-за механических и оптических недостатков аэрокамеры.

Для каждого снимка существуют погрешности внутреннего ориентирования: смещения снимка по координатным осям относительно центра проекции S; ошибки фокусного расстояния f; ошибки перпендикулярности плоскости изображения Р к главному лучу камеры; ошибка вращения снимка вокруг оси камеры. В случае плановой съёмки сравнительно равнинной местности аэрокамерой, калиброванной по стандартной методике, перечисленные ошибки в основном компенсируются в процессе обработки модели. В случае перспективной аэросъёмки или плановой аэросъёмки горной местности эта компенсация возможна лишь частично.

Дисторсия объектива аэрофотоаппарата это один из основных источников погрешностей, приводящих к искажению снимка (к отклонению от центральной проекции). Обычно ее подразделяют на радиальную и тангенциальную. Они в свою очередь бывают систематическими и случайными. Систематическая дисторсия объектива вызывает смещение Δ r точек относительно идеального положения по радиальным направлениям, проходящим через главную точку снимка. Величина Δ r постоянна для точек, расположенных на окружности радиуса r. Случайная радиальная дисторсия может быть определена как дифференциальное смещение точки изображения, которое остаётся после устранения систематической радиальной дисторсии.

Дисторсия объектива аэрофотоаппарата устанавливается, как правило, в процессе определения элементов внутреннего ориентирования (калибровки камеры). В паспорте аэрофотоаппарата ее обычно приводят в виде табличных данных по полю снимка. Современные объективы камер аэрофотоаппаратов имеют дисторсию от 5 до 60 мкм. Однако, отличие температурных и атмосферных условий в момент фотографирования от лабораторных приводит к тому, что фактическая дисторсия не соответствует той, что получена в процессе калибровки. Разработанные методы позволяют учесть влияние радиальной дисторсии с погрешностью ± 2 мкм, а тангенциальной ± 5 мкм.

Деформация фотоплёнки. Современные аэрофотоаппараты позволяют получать фотографическое изображение местности либо на фотоплёнке (что гораздо чаще), либо на стеклянных пластинках. Фотоплёнка, как носитель эмульсии, деформируется от времени, изменения температуры, влажности и условий фотообработки.

Деформацию фотоплёнки подразделяют: на равномерную, неравномерную и случайную. Равномерная деформация характеризуется смещением точек изображения, которое уменьшается или увеличивается пропорционально радиальному расстоянию r от центра снимка, т. е. приводит к изменению масштаба снимка. Этот вид деформации легко учитывается при обработке снимков. Неравномерная деформация приводит к тому, что размеры снимка вдоль фильма и в поперечном направлении изменяются на разные величины. Однако это различие, как правило, не превышает 0.3 %. Влияние неравномерной деформации на смещение точек может быть учтено только при аналитических способах обработки снимков.

Существенное значение имеют случайная деформация плёнки и погрешности её выравнивания в плоскость. Случайные деформации фотоплёнки вызывают смещение точек изображения практически в произвольном направлении. Они обусловлены эластичными свойствами фотоплёнки и могут достигать величин порядка 10-20 мкм. Эти деформации подчиняются определённым законам эластичности, которые не соответствуют закону нормального распределения.

Среди большого числа источников ошибок, которые влияют на точность фотограмметрических построений, деформация фотоплёнки является весьма значительной.

Случайные ошибки выравнивания фотоплёнки в плоскость во время экспозиции также приводят к искажениям изображения. Сравнить это можно с изменением фокусного расстояния в точке, где произошло отклонение d от плоскости прикладной рамки. Поэтому величину смещения можно оценить по формуле:

,

где r - расстояние от центра прикладной рамки.

Из формулы видно, что ошибка δ особенно сказывается при аэрофотосъёмке короткофокусными аэрофотоаппаратами, значит при фотографировании необходимо, чтобы фотоплёнка была абсолютно плоской в момент экспозиции. Поэтому при конструировании топографических аэрофотоаппаратов большое внимание уделяется разработке механизмов выравнивания плёнки в плоскость. В современных аэрофотоаппаратах надёжное выравнивание осуществляется с помощью плоскопараллельной стеклянной пластины, которая устанавливается в плоскости прикладной рамки камеры, Отклонение от плоскости не должно превышать 10-20 мкм.

Фотограмметрические измерения обычно производятся по диапозитивным пластинкам. Процесс их изготовления приводит к дополнительным смещениям точек порядка ± 2 мкм.

Клинообразность светофильтра. При изготовлении светофильтра непараллельность его плоскостей (клинообразность) допускается не более 10 сек. Если этот допуск выдержан, то клинообразность светофильтра практически не приводит к искажению положения точек снимка.

Погрешности второй группы оказывают влияние на точность измерения координат точек аэроснимка через снижение качества его изображения. Влияют на это разрешающая способности объектива и фотоплёнки, а также смаз изображения, вследствии фотографирования с подвижного основания и вибрации аэрофотоаппарата. К этой группе следует отнести также погрешности, вносимые прибором и наблюдателем.

Общая средняя квадратическая погрешность измерений на прецизионном приборе координат точек снимка, полученного широкоугольным аэрофотоаппаратом, с учётом всех её составляющих равна ± 6 мкм в середине и ± 9 мкм – на его краях.