Разработка, исследование и практическая реализация метода видеоизмерений в геодезической астрономии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.32, кандидат технических наук Брагин, Александр Александрович

• Брагин, Александр Александрович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Брагин, Александр Александрович

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 МАТРИЧНЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ТОЧЕЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ.

1.1 Основные технические характеристики и функциональные особенности матричных приемников излучения на основе ПЗС и КМОП.

1.2 Применение матричных приемников излучения в геодезии и навигации при решении задач определения координат изображений точечных источников излучения.

1.2.1 Задачи навигации и ориентации космических аппаратов.

1.2.2 Решение специальных задач и задач прикладной геодезии.

1.2.3 Задачи геодезической астрономии.

1.3 Выводы и постановка задач исследования.

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ МЕТОДА ВИДЕОИЗМЕРЕНИЙ.

2.1 Определение положения энергетического центра оптического изображения точечного источника излучения.

2.1.1 Общий порядок автоматизированного определения координат точечного источника излучения на цифровом снимке.

2.1.2 Восстановление аналогового сигнала распределения энергии изображения методом интерполяции.

2.1.3 Восстановление аналогового сигнала распределения энергии изображения методом аппроксимации.

2.1.4 Метод центра тяжести определения координат точечного источника излучения.

2.1.5 Медианный метод определения координат точечного источника излучения.

2.1.6 Уровенный метод определения координат точечного источника излучения.

2.2 Исследования погрешностей дискретизации при определении координат точечного источника излучения.

2.2.1 Влияние дискретизации на определение координат точечного источника излучения по данным аппроксимации.

2.2.2 Влияние дискретизации на определение координат точечного источника излучения методом центра тяжести.

2.2.3 Влияние дискретизации на определение координат точечного источника излучения медианным методом.

2.3 Влияние размера элемента матричного приемника излучения! на точность определения координат точечного источника излучения и выбор оптимального размера кружка рассеяния.

2.4 Оценка влияния шумов и помех на точность определения координат изображения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка, исследование и практическая реализация метода видеоизмерений в геодезической астрономии»

Актуальность темы диссертации

Во многих областях науки и техники в настоящее время происходит переход к оптико-электронным методам регистрации изображений. Для измерительных целей в большинстве случаев используются цифровые матричные приемники излучения (МПИ) на основе ПЗС (CCD) или КМОП (CMOS). По сравнению с другими видами преобразователей световой энергии (фотоэлектрических, телевизионных - видиконы, диссекторы, суперортиконы и т.п.) для МПИ характерна жёсткая геометрическая привязка фоточувствительных элементов к системе координат прибора1, что способствует созданию измерительной аппаратуры на их основе с высокостабильными метрологическими характеристиками.

В этой связи переход от визуальных к объективным оптикоэлектронным методам наблюдений является перспективным, неразрывно связанным с повышением уровня автоматизации и совершенствованием существующих и разработкой новых методов астрономо-геодезических наблюдений. Имеющийся опыт [23] показывает, что метод видеоизмерений, основанный на измерение координат и траекторий объектов исследования по их видеоизображению, отличаясь документальностью, позволяет повысить точность определения направления и регистрации времени наблюдений. При этом исключается ряд трудно учитываемых погрешностей и недостатков, присущих как визуальным методам, так и аналоговым фотоэлектрическим системам (субъективные ошибки, малое быстродействие, низкий уровень

1 Строго говоря, положение фоточувствительной площадки относительно базы самой матрицы и базы прибора не может быть абсолютно стабильным во всех условиях эксплуатации, что требует применения конструктивных или алгоритмических мер по ограничению этой нестабильности [68]. автоматизации и т.п.), однако применение цифровых МПИ требует решения новых, определенных задач.

Среди таких задач, возникающих при реализации метода видеоизмерений в геодезии и геодезической астрономии, можно выделить: исследование влияния погрешностей, вносимых дискретной структурой получаемого цифрового изображения; исследование влияния структуры исходного изображения (яркость, спектральный класс, размер) на точность определения его положения; исследование влияния шумов различного вида; исследование возможности и точности измерения углов в поле зрения.

На сегодняшний момент, несмотря на широкое внедрение в геодезическое производство современных технологий (глобальных навигационных спутниковых систем и др.), определение астрономического азимута, а в ряде случаев и астрономических координат, традиционными методами геодезической астрономии остается актуальной задачей. Применяемые в производстве способы и аппаратура определения астрономического азимута достаточно сложны и архаичны, ограничены в оперативности, что требует их автоматизации и перехода на качественно иные методы наблюдений с применением новейшей аппаратуры, отвечающей современному состоянию и уровню техники высокоточных измерений.

Знакомство с современными геодезическими приборами показывает, что в настоящее время имеется особый класс электронных тахеометров, снабженных МПИ, точностные характеристики которых позволяют использовать их при астрономических наблюдениях. Исследование возможности применения инструментов подобного типа для автоматизации астрономических наблюдений является актуальной задачей.

Работы по автоматизации наблюдений в геодезической астрономии велись и ранее. Следует отметить, что важнейшую роль в становлении и развитии исследований данного направления сыграли работы ведущих ученых: Павлова H.H., Беляева H.A., Брандта В.Э. и других. Разработанные инструменты, современные для тех лет, и достигнутые результаты отвечали поставленным задачам, однако современные достижения в науке и технике открывают перспективу повышения уровня автоматизации наблюдений и позволяют сделать предположение о возможности достижения качественно новых точностных характеристик.

Цели и задачи исследования

Целью работы является изучение вопросов, связанных с применением МПИ для наблюдения точечных источников излучения (ТИИ), а также теоретическая проработка и практическая реализация метода видеоизмерений в геодезической астрономии, в частности, при азимутальных определениях с использованием серийных электронных тахеометров.

Данная цель достигнута в ходе постановки и решения следующих задач:

1. Исследование энергетических и точностных возможностей применения МПИ в качестве устройств для регистрации ТИИ астрономическими теодолитами типа Вильдт Т-4, ДКМ-ЗА, АУ01 и т.п.

2. Исследование точности методов определения координат центра цифрового изображения ТИИ и их совершенствование.

3. Исследование влияния погрешностей, вносимых дискретной структурой МПИ, а также влияния параметров анализируемого изображения (яркость, спектральный класс, диаметр кружка рассеяния) и шумов на результаты астроопределений.

4. Исследование точности измерения углов в поле зрения астрономического теодолита.

5. Исследование точностных возможностей применения современных серийных электронных тахеометров для полевых астрономических определений.

6. Разработка (до уровня практического применения) метода определения азимута астрономическим теодолитом, снабженным МПИ.

7. Экспериментальные исследования метода видеоизмерений при астрономических определениях с применением современных серийных электронных тахеометров.

8. Разработка и практическое апробирование алгоритмов и пакета программ для автоматизированной обработки наблюдений для получения результатов в реальном масштабе времени.

Объект и предмет исследования

Объект исследований - теория метода видеоизмерений, основанная на применении МПИ, при выполнении автоматизации процесса полевых астрономических наблюдений.

Предметом исследований являются способы определения координат ТИИ, а также геодезические инструменты, снабженные МПИ.

Методологическая и теоретическая основа исследования

Методологической и теоретической основой исследований являются научные труды отечественных и зарубежных ученых (Брандт В.Э., Буюкян С.П., Павлов H.H., Парвулюсов Ю.Б., Якушенков Ю.Г. и др.) в области ОЭС, цифровой обработки сигналов, цифровой обработки многомерных сигналов, геодезической астрономии (Баранов В.Н., Беляев H.A., Колупаев А.П., Кузнецов А.Н.,

Старостин A.M., Уралов С.С. и др.) и геодезического приборостроения.

При написании диссертации использовались методы исследования:

- методы математической обработки геодезических измерений;

- методы цифровой обработки изображений;

- практическая проверка полученных теоретических результатов при выполнении полевых наблюдениях.

Исследования базируются как на использовании теоретических расчетов и математического моделирования, так и на проведении экспериментальных наблюдений в лабораторных и полевых условиях. Все методы и алгоритмы, разработанные в ходе написания диссертационного исследования, реализованы программно и испытаны на экспериментальных данных автором лично.

В качестве информационных источников диссертации были использованы научные источники в виде данных и сведений из иностранных и отечественных книг, журнальных статей, научных докладов на конференциях; результаты расчетов, экспериментов и наблюдений, выполненные автором. Научная новизна исследования

Предлагаемая диссертация является одной из первых работ, в которой рассматриваются вопросы по исследованию и внедрению метода видеоизмерений, с применением современных портативных геодезических инструментов в практику астрономических наблюдений с целью определения точного астрономического азимута.

Новыми и выносимыми на защиту являются следующие результаты: 1. Теоретическое обоснование и практическое подтверждение возможности применения современных геодезических приборов, оснащенных матричным приемником излучения, для целей геодезической астрономии.

2. Способ определения точного астрономического азимута на пункте с неизвестными координатами, разработанный до возможности практического применения с использованием переносных астрономических теодолитов, оснащенных матричным приемником излучения.

3. Разработанная методика лабораторных и полевых экспериментальных исследований точности микрометрических методов видеоизмерений.

4. Созданный программный продукт, позволяющий реализовать предложенные в диссертации методы и алгоритмы.

Направление диссертационной работы актуально и в более широком плане определения перспектив развития методов геодезической астрономии.

Практическая значимость результатов, выносимых на защиту, заключается в следующих теоретических и практических достижениях:

1. Полученные результаты исследования позволяют повысить точность и степень автоматизации определений точного астрономического азимута при проведении геодезических работ специального назначения, а также при создании систем калибровки автономных средств определения азимутов.

2. Все проведенные исследования матричного приемника излучения электронного тахеометра доведены до рабочих методик наблюдений, которыми можно пользоваться при эксплуатации аппаратуры.

3. Разработанный программный продукт позволяет реализовать на практике предложенные методы и алгоритмы определения координат изображения ТИИ, а также определение астрономического азимута в реальном масштабе времени.

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах.

61-я (2006 г.), 62-я (2007 г.), 65-я (2010 г.) научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных МИИГАиК; ежегодные научные конференции студентов, аспирантов и молодых учёных ГУЗ (2008 г., 2009 г., 2010 г.); юбилейная конференция, посвященная 230-летию МИИГАиК (2009 г.); юбилейная конференция, посвященная 230-летию ГУЗ (2009 г.); юбилейная конференция, посвященная 175-летию введения в России высшего землеустроительного образования, ГУЗ (2010 г.); VI Международная конференция молодых ученых и специалистов «Землеустройство, кадастр и геопространственные технологии», ГУЗ (2010 г.).

Публикации

По результатам диссертационного исследования опубликовано 7 научно-технических статей [14 - 19], из них 4 [16 - 19] в журнале «Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка», включенном в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы (всего 109 наименований, в том числе 39 на иностранных языках). Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунка, 27 таблиц, 9 приложений на 34 страницах.

Заключение диссертации по теме «Геодезия», Брагин, Александр Александрович

4.7 Выводы

В ходе проведенных исследований выяснено, что способ Ф.Н. Красовского позволяет определять астрономический азимут с погрешностью до 1". Модифицированный способ Красовского позволяет определять астрономический азимут на пунктах с неизвестными координатами без привязки к Всемирному времени с той же точностью, что и по часовому углу Полярной. Модифицированный способ определения точного астрономического азимута удобен для реализации в современных электронных тахеометрах, имеющих встроенные кварцевые часы и средства для подготовки пользовательских программ, как, например, среда GeoBASIC в некоторых моделях тахеометров фирмы Leica или аналогичные программные средства в инструментах других производителей. Модифицированный способ Красовского удобен также для определения точных астрономических азимутов при проведении геодезических работ специального назначения.

Результаты экспериментальных наблюдений способом Красовского с помощью электронных тахеометров Topcon GTS-802A и GPT-7003i, проведённые в 2007-2010 гг., свидетельствуют о возможности использования современных тахеометров для получения точного астрономического азимута на пунктах с неизвестными координатами без привязки к Всемирному времени. Значения азимутов земных предметов, полученные по часовому углу Полярной, а также в результате совместного определения азимутов и широт пунктов наблюдений модифицированным способом Красовского, в приёмах различаются между собой не более чем на 0,6", средние значения азимутов - на 0,1-0,2", а результаты оценки точности по внутренней сходимости практически совпадают. Оценки СКП определения азимута одним приёмом: ±1,5-2,0" для GTS-802A и ±2,5-3,0" для GPT-7003i, соответствуют заявленной точности инструментов.

Реализация модифицированного способа Красовского в роботизированных электронных тахеометрах с возможностями регистрации изображений в поле зрения грубы (например, Topcon Imaging Station или аналогичных инструментов других фирм) открывает возможности практически полной автоматизации определений точных астрономических азимутов в геодезических сетях специального назначения, при создании систем направлений для калибровки автономных средств определения азимутов. Данный вывод подтверждают результаты эксперимента, проведённого в 2008 г., по определению \ астрономического азимута модифицированным способом Красовского тахеометром Topcon GPT-7003Ï с применением метода видеоизмерений.

Эксперимент показал, что для наблюдений с цифровой камерой необходим специально подготовленный земной предмет, т.е. такой точечный источник света, изображение которого было бы сопоставимо по параметрам с изображениями звёзд. В целях ослабления влияния микротурбулентности, целесообразно делать несколько снимков земного предмета при каждом наведении. Кроме того,

138 необходимы дальнейшие исследования возможностей увеличения точности определения направления по цифровому снимку за счет использования специальных алгоритмов цифровой фильтрации, позволяющих учитывать различие между яркостями наблюдаемых объектов и обеспечивающих ослабление влияния размытия изображений земного предмета.

Наличие в инструменте цифровой камеры позволяет освободить наблюдателя от выполнения точного визирования. Уже одного приёма наблюдений при помощи такого инструмента будет достаточно для определения ориентации лимба и поправки кварцевых часов электронного тахеометра относительно местного времени с точностью, достаточной для организации наблюдений. Тогда, при ясном небе, наблюдателю потребуется лишь установить инструмент на пункте наблюдений, выполнить один приём и задать необходимое количество приёмов. После этого программа управления тахеометром самостоятельно определит порядок наблюдений с учётом оптимального выбора вспомогательных звёзд, сформирует полную программу наблюдений, обеспечит выполнение заданного числа приёмов, затем обработает полученные данные и выдаст конечный результат - астрономический азимут земного предмета.