Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

Wydział Inżynierii Środowiska i

Geodezji

Katedra Fotogrametrii i Teledetekcji

Ortofotomapa cyfrowa

i Numeryczny Model

Terenu

Ortofotomapa cyfrowa

i Numeryczny Model

Terenu

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Generowanie ortofotomapy

 

Ortofotomapa jest mapą fotograficzną powstałą w

wyniku przetwarzania różniczkowego zdjęcia lotniczego.
Proces przetwarzania zdjęcia określony jest tu
mianem ortorektyfikacji, a jego efektem są ortofotografie
(ortoobrazy), zestawiane następnie w sekcje map
fotograficznych, odpowiadające sekcjom map kreskowych.
Stają się dzięki temu ortofotomapami.

Ortofotografia w ujęciu teoretycznym, jest zdjęciem,

którego płaszczyzna projekcji jest równoległa do
płaszczyzny odniesienia, a wszystkie promienie są
prostopadłe do tych dwóch płaszczyzn (rys. 1 b). Na
obrazie nie ma więc żadnych przesunięć spowodowanych
pochyleniem zdjęcia, czy różnicą wysokości terenu.
Odległości poziome mierzone na takim zdjęciu są
poprawne, niezależnie od różnic wysokości terenu.

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Rys.1 Zdjęcia a/ w rzucie środkowym b/
ortofotograficznym

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Ortofotomapa cyfrowa

Ortofotomapa jest produktem różniczkowej rektyfikacji,
podczas której zostają usunięte zniekształcenia wynikające
z nachylenia zdjęcia i deniwelacji terenu.

 

Ortofotomapa cyfrowa jest obrazem cyfrowym terenu,
który stanowi uporządkowany, zestawiony w postaci
macierzy zapis wartości gęstości (0-255) przypisanych
pikselom – przechowywanych na komputerowym nośniku
danych. Generowana jest w żądanej skali.

 
Zależność pomiędzy zdjęciem, modelem terenu a

ortofotografią przedstawia Rys. 2

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Zasada ortoprojekcji

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Technologia wytwarzania ortofotomapy cyfrowej obejmuje kilka
zasadniczych etapów:

 

- skanowanie zdjęć,
- odtworzenie orientacji zewnętrznej zdjęć

(aerotriangulacja),

- utworzenie Numerycznego Modelu Terenu,
- przetwarzanie cyfrowe zdjęć – generowanie ortofotografii,
- mozaikowanie ortofotografii,

- redakcja ortofotomapy i uzupełniających informacji

wektorowo-

opisowych,

- dystrybucja produktu finalnego (tworzenie wydruków lub

zapis na

nośnikach informacji)

 

Powiązania pomiędzy wspomnianymi etapami przedstawia
schemat technologiczny tworzenia cyfrowej ortofotomapy
(Rys.3).

 

Etapy tworzenia ortofotomapy

cyfrowej

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Schemat technologiczny tworzenia cyfrowej
ortofotomapy

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Zdjęcia w postaci cyfrowej

Zdjęcie cyfrowe możemy otrzymać na dwa sposoby:

● skanowanie zdjęć analogowych (dla wykonywania opracowań

cyfrowych stosuje się głównie aperturę skanowania w przedziale
15 do 30 m, wykorzystując do tego celu specjalistyczne skanery

fotogrametryczne, których dokładność geometryczna jest rzędu
1 – 2 m

● wykorzystanie specjalnych skanerów i kamer cyfrowych, w

których obraz obiektu rejestrowany jest nie na materiale
fotograficznym, a za pomocą specjalnego sensora w postaci
cyfrowej (takim sensorem może być układ liniowy lub
powierzchniowy (macierzowy) elementów CCD (ang. Charge-
Coupled Device).

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Aerotriangulacja cyfrowa

Elementy orientacji zewnętrznej zdjęć zostają wyznaczone podczas
kameralnego zagęszczenia osnowy polowej (aerotriangulacja).
Aerotriangulacja cyfrowa wykorzystuje korelację obrazów
(automatyczne odnajdywanie na zdjęciu fragmentów, które mają
największy stopień podobieństwa do przyjętego wzorca).
Obecnie stosowane są dwie metody aerotriangulacji cyfrowej:

1. Metoda półautomatyczna, gdzie operator interaktywnie wybiera
jeden punkt wiążący w pobliżu nominalnego położenia w pasie
pokrycia podłużnego lub poprzecznego zdjęć lotniczych. Punkt ten
transferowany jest metodą korelacji obrazów (image matching) na
wszystkie zdjęcia,
na których występuje. W przypadku nie osiągnięcia założonych
dokładności operator wybiera inny punkt. Półautomatycznym
oprogramowaniem jest np. ISAT stosowany na ImageStation firmy
Intergraph oraz Triada na stacji cyfrowej Delta.
2. Metoda automatyczna, gdzie punkty wiążące są automatycznie
wybierane, transferowane i mierzone (na wszystkich zdjęciach, na
których występują) w dziewięciu nominalnie rozmieszczonych
rejonach (oknach). Pomiar odbywa się nie w jednym punkcie, ale w
grupie punktów znajdujących się w tych rejonach. Jako punkty
wybierane są szczegóły terenowe przy pomocy operatora Förstnera.

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Numeryczny Model Terenu

Numeryczny Model Terenu (ang. Digital Terrain Model – DTM) jest
numeryczną dyskretną (punktową) reprezentacją wysokości
topograficznej powierzchni terenu, wraz z algorytmem
interpolacyjnym umożliwiającym odtworzenie jej kształtu w
określonym obszarze.

NMT (DTM) reprezentowany jest przez punkty rozłożone regularnie,
bądź nieregularnie na powierzchni terenu i uzupełnione dodatkowo
punktami opisującymi morfologiczne formy terenu .

Nieregularnie rozmieszczone punkty stanowią sieć trójkątów wraz
z topologią (model TIN – Triangular Irregular Network). Wierzchołki
trójkątów opierają się na punktach pomiarowych.

Natomiast regularna sieć punktów opisująca powierzchnię terenu
opiera się zwykle o siatkę kwadratów, prostokątów bądź trójkątów
uzupełnioną o punkty reprezentujące formy terenowe jak linie
szkieletowe (grzbiety, cieki), linie nieciągłości (skarpy, urwiska),
powierzchnie wyłączeń (wody, budynki) oraz ekstremalne pikiety
(wierzchołki, dna).

Sieć ta powstaje zwykle nie poprzez pomiar, lecz poprzez interpolację
między rozproszonymi punktami pomiarowymi.

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Metody pozyskania NMT (DTM)

DTM niezbędny w procesie generowania ortofotografii można uzyskać
na różne sposoby, tj. poprzez:
1. digitalizację linii warstwicowych na istniejących mapach.
Obecnie jest to częściej digitalizacja ekranowa wcześniej
zeskanowanych map lub pozytywów wydawniczych rzeźby. Dokładność
DTM generowanego tą metodą zależy od dokładności digitalizowanych
map, a stosowana jest dla budowy DTM w skalach małych i średnich. 
2. ręczny pomiar fotogrametryczny na autografie (np. analitycznym).
Dokładność DTM wyznaczonego na podstawie zdjęć lotniczych metodą
pomiaru współrzędnych na autografie zależy od skali zdjęcia, stosunku
bazowego (B/H), metody pomiaru i klasy autografu. Dokładność
wynikowego DTM dla powierzchni odkrytej można określić na około

m

zDTM

 0,2

o

/

oo

– 0,4

o

/

oo

 H

gdzie: H – wysokość lotu,

m

zDTM

– błąd średni wyinterpolowanej wysokości.

Dla terenu górzystego m

zDTM

 1,0

o

/

oo

– 2,0

o

/

oo

 H,

natomiast błąd maksymalny
m

zmax

= 4  8 m

zDTM

[

Dla zdjęć lotniczych w skali 1:26000 można uzyskać maksymalną
dokładność rzędu m

zDTM

 0,8 m,

a dla zdjęć w skali 1:5000 m

zDTM

 0,25 m.

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Metody pozyskania NMT (DTM) cd

3. automatyczny pomiar wysokości punktu (autokorelacja).
Ten proces jest możliwy dzięki rozwojowi oprogramowania
pracującego
na stacjach fotogrametrycznych. Jednym z przykładów jest program
ISAE (Image Station Automatic Elevation) stosowany na Image
Station.

Automatyczny pomiar wysokości jest interesującym i
perspektywicznym trybem pomiaru ze względu na swoją szybkość, a
także dokładność pomiaru. System automatycznie wybiera miejsca
próbkowania (pomiaru)
i realizuje ten pomiar z wykorzystaniem jednej z kilku strategii
korelacji obrazu lewego i prawego zdjęcia. Zaletą tego postępowania
jest duże tempo pozyskiwania punktów (nawet kilkadziesiąt
pomierzonych punktów na sekundę) rzędu nawet 100 razy więcej niż
przy pomiarze manualnym. Stosując automatyczny pomiar wysokości
istnieje jednak konieczność weryfikacji obserwacji odstających (np.
punktów mierzonych na drzewach czy budynkach).

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Dokładność NMT pozyskanego

automatycznie

Dokładność DTM uzyskanego tą metodą jest porównywalna lub

wyższa niż na autografie analitycznym i określa się ją dla zdjęć
zeskanowanych
z pikselem 15 m:
- dla terenu płaskiego i pofałdowanego jako błąd średni
m

zDTM

 0,10

o

/

oo

 H

- dla terenu górzystego

m

zDTM

 0,25

o

/

oo

 H

Natomiast dla zdjęć zeskanowanych z pikselem 30 m:
- dla terenu płaskiego i pofałdowanego jako błąd średni
m

zDTM

 0,10

o

/

oo

 H

- dla terenu górzystego

m

zDTM

 0,20 – 0,35

o

/

oo

 H

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Metody pozyskania NMT cd

4. kombinowany pomiar: ręczny i automatyczny.
Dokładny pomiar form terenu w charakterze linii nieciągłości, linii
szkieletowych, powierzchni wyłączeń oraz pikiety ekstremalne
pozyskiwane są poprzez ręczną digitalizację tych obiektów na
modelu stereoskopowym, a następnie uwzględniane w procesie
automatycznego pomiaru wysokości punktów.
Przytoczony powyżej błąd średni wysokości wyinterpolowanej z
wynikowego DTM pozwala na określenie dokładności
wysokościowej DTM.
Na błąd ten składają się błędy danych pomiarowych, wielkość
oczka siatki oraz czynnik opisujący charakter terenu. Parametry te
ujmuje często używany w praktyce wzór empiryczny
zaproponowany przez Ackermann’a:

gdzie :

m

z DTM

- błąd średni wyinterpolowanej wysokości,

m

zpow

– błąd średni danych pomiarowych,

- współczynnik opisujący charakter terenu,
d – średnie odległości punktów pomiarowych.

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Numeryczny Model Terenu

Należy zauważyć, że bardzo ważnym technologicznie

elementem przy tworzeniu DTM jest ustalenie wzajemnych relacji
między gęstością i dokładnością pomiaru powierzchni,
złożonością form terenowych a gęstością generowanej siatki
wtórnej DTM.

Jako bardzo ogólną wytyczną można przyjąć, że wielkość

oczka siatki DTM (tzw. „siatka wtórna”) w przypadku
pozyskiwania DTM metodą fotogrametryczną kształtuje się
następująco:

oczko siatki wtórnej DTM  20  m

zDTM

dla terenu płaskiego,

oczko siatki wtórnej DTM  10  m

zDTM

dla terenu

pofałdowanego.

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Wizualizacja NMT

Metody wizualizacji
NMT

Wygenerowany Numeryczny
Model Terenu można
wizualizować na wiele
sposobów w zależności od
jego przeznaczenia.
• Rzut izometryczny (z
różnych punktów widzenia
oraz przy zmiennych skalach
wysokości )

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Wizualizacja NMT

● Wizualizacja NMT przy pomocy regularnej siatki

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Wizualizacja NMT

• Wizualizacja NMT w czasie rzeczywistym w grafice
trójwymiarowej
W celu takiej wizualizacji cyfrowych modeli terenu i ortoobrazów
w różnej skali
i z różnej pozycji używana jest biblioteka OpenGL w językach
programowania C/C++, wspierana sprzętowo przez karty
graficzne.
Dla obiektu jakim były Szczyglice w woj. małopolskim opracowany
został program do wizualizacji NMT z nałożoną teksturą w postaci
ortofotomapy.

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Ortorektyfikacja

Ortorektyfikacja polega na cyfrowym przetworzeniu każdego
piksela zeskanowanego zdjęcia z wykorzystaniem NMT do nowego
położenia na ortoobrazie w przyjętym odwzorowaniu
kartometrycznym.

 

Podczas generowania ortofotoobrazu następuje proces
- korekcji radiometrycznej (resampling)
- korekcji geometrycznej

 

Następuje wówczas powtórne przepróbkowanie (resampling), w
wyniku którego generowany jest nowy obraz o nowej geometrii,
który wpasowany jest w układ współrzędnych odniesienia (nadanie
mu georeferencji) oraz wyinterpolowane są nowe tony szarości
pikseli.
Ortorektyfikacja polega zatem na cyfrowej korekcji geometrycznej,
czyli zmianie położenia piksela oraz jego wielkości jak również
nadaniu mu nowej wartości gęstości optycznej.

 

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Ortorektyfikacja cd

Każdy piksel podlega indywidualnej korekcji.
W celu określenia położenia piksela na ortoobrazie wykorzystuje
się:

- elementy orientacji wewnętrznej

- elementy orientacji zewnętrznej zdjęcia,
- generuje NMT

i wykorzystując współczynniki transformacji ze współrzędnych
obrazowych oblicza się współrzędne terenowe każdego piksela.

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Mozaikowanie ortofotografii

Ortofotografie powstałe w wyniku przetwarzania, generowane są z
pewnym zapasem powodującym nakładanie się sąsiednich
ortofotografii. Jest to szczególnie istotne w przypadku, gdy na
docelową ortofotomapę składa się kilka ortofotografii w całości lub też
części. Obszar pokrycia sąsiednich ortofotografii wykorzystywany jest
do łączenia geometrycznego i uzgodnienia radiometrycznego styków.
Proces ten jest nazywany popularnie mozaikowaniem i ma on istotny
wpływ na jakość końcowego produktu, jakim jest ortofotomapa.
Obraz tego samego konturu terenowego na łączonych ortofotografiach
może się różnić, nawet gdy jest otrzymywany z sąsiednich zdjęć w
szeregu. Może to być spowodowane zniekształceniami
perspektywicznymi czy też różnicami w obróbce fotochemicznej.
Wymaga to wówczas wprowadzenia zmian jasności do łączonych
obrazów, w celu zmniejszenia występujących tam różnic.
Istotne jest również, by linie wzdłuż których następuje łączenie
sąsiednich ortofotografii nie przecinały konturów terenowych, a biegły
ich granicami. Uniknie się wówczas ewentualnych niezgodności
występujących na stykach obrazów, a spowodowanych np. błędami
numerycznego modelu terenu.

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Dokładność ortofotomapy

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Dokładność ortofotomapy cd

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Dokładność ortofotomapy cd

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Kontrola dokładności ortofotomapy

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Kontrola dokładności ortofotomapy cd

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Zastosowanie NMT

Na podstawie NMT można:

- wygenerować warstwice,

- określić wysokości punktu o znanych współrzędnych płaskich
X,Y,
- obliczyć objętości,
- wygenerować widoki perspektywiczne,
- przeprowadzić w dowolnym miejscu profile,
- określić kąty nachylenia i spadki terenu,
- wygenerować cieniowaną rzeźbę terenu i jego szorstkość,
- projektować korzystając z danych NMT i oprogramowania
CAD.

W dzisiejszych czasach NMT wykorzystywany jest zarówno do
badania zjawisk zachodzących na powierzchni terenu (w
szczególności kataklizmów, np. zagrożenia falą powodziową,
rozkład przestrzennych zagrożeń ekologicznych itp.) jak i do
planowania przestrzennego i projektowania inżynierskiego.

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Zastosowanie NMT

Przykłady zastosowania Numerycznego Modelu Terenu w
pracach projektowych:
• NMT znalazł zastosowanie przy opracowaniu projektu
rekultywacji terenów zdewastowanych, który dotyczył
składowiska odpadów poprodukcyjnych w Wiślince koło Gdańska.
W tym przypadku NMT był pomocny przy określeniu wolnej
docelowej pojemności składowiska, jego pola powierzchni oraz
dokonaniu analizy spadków skarp.
• NMT stanowił źródło danych do określenia cech hydraulicznych
doliny rzeki Odry poniżej Wrocławia w projekcie, w którym to
wykorzystano go do bezpośredniego opisu geometrii obszaru
przepływu wody w dwuwymiarowym modelu hydrodynamicznym.
• Numeryczny Model Terenu znalazł swoje zastosowanie również
w pracach przy projektowaniu autostrady A4 na odcinku Kraków –
Tarnów. Pozyskany został przy pomocy metod fotogrametrycznych
na podstawie zdjęć lotniczych w skali 1:20000. Nie było to jednak
jedyne źródło danych, bowiem uzupełniono je uproszczonymi
metodami pomiaru terenowego (przekroje poprzeczne)

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Zastosowanie NMT

Zastosowanie NMT w opracowaniach nie kartometrycznych

NMT wykorzystuje się m.in. do:

● budowy przestrzennych modeli aglomeracji miejskich

wykonywanych dla potrzeb telekomunikacji,
● planowej gospodarki zasobami wodnymi w zakresie obejmującym

budowę systemów przeciwpowodziowych i inwentaryzację wałów

przeciwpowodziowych, określenie obszarów zalewowych itp.,
● określenia dynamiki zmian morskiej strefy brzegowej (procesu

abrazji),
● inwentaryzacji rurociągów i linii energetycznych
● tworzenia obrazów wirtualnych, pozwalających na symulowaną

obserwację terenu w ruchu z dowolnej wysokości i pod dowolnym

kątem
● określenia biomasy kompleksów leśnych

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Zastosowanie ortofotomapy

Zastosowanie ortofotomap dla potrzeb LPIS

• kontrola istniejących map ewidencyjnych,
• wydzielenie tzw. powierzchni funkcjonalnych,
• pomoc przy składaniu indywidualnych wniosków o dopłaty,
• kontrola wniosków o dopłaty na różnych etapach i szczeblach
organizacyjnych LPIS oraz wprowadzanie korekt do
stwierdzonych nieprawidłowości.
Wykorzystanie walorów informacyjnych zdjęć lotniczych z
zastosowaniem technik komputerowych i metod cyfrowych ma
istotne znaczenie przy pozyskiwaniu danych. Mogą one być
pomocne nie tylko dla tworzenia Systemu Informacji
Przestrzennej, ale również prac planistyczno-projektowych i
modernizacji ewidencji gruntów i budynków.

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Zastosowanie ortofotomapy

W ramach modernizacji ewidencji gruntów i założenia
ewidencji budynków z wykorzystaniem technologii
fotogrametrii cyfrowej wykonywane są prace:

• konwersja danych opisowych ewidencji gruntów i map
katastralnych do postaci numerycznej,
• usunięcie błędów grubych przebiegu granic działek,
• aktualizacja przebiegu granic użytków i w wyjątkowych
wypadkach także konturów klasyfikacyjnych,
• obliczenie powierzchni użytków i konturów klasyfikacyjnych w
ramach działek,
• założenie katastru budynków powiązanego z ewidencją gruntów.

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Zastosowanie ortofotomapy

Zastosowanie ortofotomapy dla potrzeb planowania
przestrzennego

Ortofotomapa, posiadając właściwości zarówno mapy, jak i zdjęcia
lotniczego, może równocześnie spełniać rolę obydwu dokumentów
w pracach nad planami zagospodarowania przestrzennego i służyć
jako:
• bezpośrednie źródło informacji o terenie, jego ukształtowaniu i
rozmieszczeniu na nim różnych elementów. Podobnie jak zdjęcie
lotnicze, z którego została sporządzona, jest dostępnym źródłem
aktualnych danych, a one mogą być uzupełnione wykazami
administracyjnymi (zaludnienie, szkolnictwo itp.), pomiarami
geodezyjnymi, danymi ekonomicznymi, spisami powszechnymi czy
danymi o sposobie zagospodarowania terenu;
• kontrola zgodności i kompletności innych źródeł informacji i
kontrola zachodzących zmian czy zgodności realizacji założeń
obowiązujących planów zagospodarowania przestrzennego;

• podkład do kartograficznego przedstawiania wyników prac

badawczych i projektów planów zagospodarowania przestrzennego;