1. Cyfrowe stacje fotogrametryczne i ich możliwości.
CSF - przyrząd fototogrametryczny rozszerzający funkcje autografu poprzez zastosowanie
odpowiedniego oprogramowania i komputera dużej mocy. Oprogramowanie, oprócz samego
kreślenia sytuacji i warstwic, pozwala na wykonywanie na zdjęciach różnorakich czynności,
pozwala na swobodne operowanie skalą, obserwowaniem wybranych fragmentów obrazów, pomiar
punktów na zdjęciach pojedynczych jak i stereogramu, automatyczną lub półautomatyczną
aerotriangulację, wytwarzanie ortofotografii cyfrowych, zautomatyzowany pomiar danych dla NMT
oraz pozyskiwanie różnych danych dla SIT.
Najpopularniejszymi w Polsce CSF są VSD (AGH), DEPHOS (KPG) oraz inne, droższe i
wyokoprofesjonalne INTERGRAPH czy LEICA.
2. Metody korelacji obrazów (matchingu) i ich przewodnie rozwiązanie - ograniczania obszaru poszukiwań.
Korelacja obrazów to jedna z podstawowych funkcji CSF - automatyczne wyszukiwanie i pomiar
punktów sobie odpowiadających na dwóch obrazach. Metoda ograniczania obszaru poszukiwań
pozwala na ograniczenie przeszukiwania całego obrazu i skrócenie czasu tego przeszukiwania.
Istnieją trzy główne metody ograniczania obszary poszukiwań:
a) wykorzystanie promieni rdzennych
szukając odpowiednika, prowadzi się poszukiwanie wzdłuż promieni rdzennych, na modelu
stereoskopowym zbudowanym ze zdjęć znormalizowanych.
b) wykorzystanie położenia linii pionowych (poziomych dla zdjęć naziemnych)
metoda podobna do powyższej. Punkt posiada pewną wysokość w terenie, w zakresie tej
wysokości prowadzimy proste do punktów C' i C” proste do góry i dołu zakresu. Wzdłuż
przecięć ze zdjęciami prowadzimy poszukiwania
c) podejście hierarchiczne - stosowane też jako element dwóch powyższych metod
związane z piramidą obrazów - bardziej strategia matchingu niż metoda. Przestrzeń
przeszukiwań redukuje się od ogółu do szczegółu. Proces matchingu powtarzany jest na
każdym poziomie aż do znalezienia dokładnej pozycji.
3. Ortofotografia cyfrowa, problemy, które musi rozwiązać i resampling
Ortofotomapa cyfrowa jest rastrowym, kartometrycznym obrazem terenu powstałym w wyniku
przetworzenia cyfrowego obrazu terenu (np. zeskanowanego zdjęcia lotniczego). Ortofotografia
cyfrowa pozwala przetworzyć obraz utworzony w dowolnej projekcji na obraz wynikowy wraz z
wprowadzeniem odpowiednich redukcji i poprawek uwzględniających błędy odwzorowania (m.in.
ortorektyfikacja - cyfrowe przesunięcie każdego piksela do nowego, poprawnego położenia na
obrazie cyfrowym, w oparciu o NMT). Problem przesunięcia piksela rozwiązuje resampling.
Resampling - przepróbkowanie obrazu, wyświetlenie go po ortorektyfikacji w nowej geometrii.
Interpolowane są też wtedy nowe wartości szarości pikseli - nadanie nowej gęstości optycznej.
Drugim problemem jest nadanie właściwej wartości pikselom po resamplingu. Rozwiązuje się go
uśredniając i wygładzając nowe wartości pikseli.
Na końcu, koryguje się błędy tonalne Ortofotomapa, wynikające m.in. z niskiej jakości zdjęć
lotniczych, błędów skanowania lub nierównomiernym naświetleniem różnych partii zdjęć.
4. Automatyzacja pomiaru NMT i aerotriangulacji przestrzennej
Automatyzacja pomiaru NMT odbywa się głównie przez matching, czyli szukanie
odpowiadających sobie punktów na różnych obrazach, może to być wykonane poprzez metodę
korelacji krzyżowej, gdzie mierzy się bardzo dużą ilość punktów na modelu stereoskopowym.
5. Analiza a priori dokładności fotogrametrii naziemnej i lotniczej
Zdjęcia naziemne: mY<25 cm, mX<2,5 cm, mZ<2,5 cm
Zdjęcia lotnicze: mX=mY: 2-4 cm, mZ: 2-5 cm
7. Zastosowania fotogrametrii naziemnej
- do opracowywania map masywów górskich
- do dokumentowania zabytków (architektoniczna)
- do pomiaru budowli inżynieryjnych, maszyn i urządzeń przemysłowych (inż.-przemysłowa)
8. Fotogrametria inżynieryjna - zalety i dokładności, zastosowania
Zalety:
a) jednoczesna rejestracja wszystkich szczegółów - ważne dla szybkich przemieszczeń
b) krótkie prace polowe, większość to prace kameralne
c) dokumentalna wartość fotogramu (nie można go sfałszować)
d) nie trzeba zakładać punktów kontrolowanych
e) można łatwo mierzyć elementy niedostępne
Wady:
a) opłacalność zależy od rozmieszczenia punktów do pomiaru
b) wysoką dokładność pomiaru lepiej zapewniają instrumenty geodezyjne
c) opracowania fotogrametryczne są bardziej złożone niż geodezyjne
Zastosowania:
a) pomiary ugięć elementów nośnych hal, mostów, wiaduktów
b) pomiary odkształceń wysokich budowli: kominów, masztów, wież
c) wysokodokładne pomiary kształtów obiektów wielkokubaturowych: zbiorników, chłodni
kominowych, a także radioteleskopów, statków i różnych urządzeń przemysłowych.
Dokładność fotogrametrii inżynieryjnej określa wzór: mX,Y,Z=M*q*mx,z
Gdzie M - skala obrazu, mx,z - błąd określenia współrzędnej tłowej, q - współczynnik z
przedziału 0,4-2,5. Dla stereofotogrametrycznego wcięcia w przód - 2,5; dla
wielostanowiskowej samokalibracji - 0,4.
9. Metoda jednoobrazowa wyznaczania odchyleń i odkształceń, metoda par czasowych i
jej zalety, pomiary wychyleń od pionu, pomiary odkształceń wież wiertniczych
Metoda jednoobrazowa wyznaczania odchyleń i odkształceń - stosuje się ją do badania deformacji
płaskich, orientując oś kamery prostopadle do płaszczyzny deformacji. Faktycznie metodę można
stosować, gdy wiemy, że składowa przemieszczeń zgodna z kierunkiem osi kamery jest
zaniedbywanie mała. Mierzy się tak m.in. galerie nawęglania w elektrowniach, dźwigary mostów,
wiązary dachowe w halach przemysłowych
Metoda par czasowych - w tym samym miejscu mierzymy ten sam szczegół dwukrotnie w pewnym
odstępie czasu. Przemieszczenie lub zniekształcenie uwidoczni się po pomiarze współrzędnych
tłowych obydwu zdjęć - po lewej zdjęcie aktualne, po prawej - wcześniejsze. Na
stereokomparatorze mierzymy różnicę współrzędnych tłowych - paralaksę czasową. Zalety metody
par czasowych:
Metoda umożliwia dość dokładne określenie przemieszczeń punktów niesygnalizowanych. W
przypadku zdjęć zbieżnych, nie ogranicza nas warunek stereoskopii, można stosować optymalnie
rozwiązane wcięcia w przód.
10.Fotogrametria architektoniczna
Służy do udokumentowania stanu obiektu architektonicznego. Zdjęcia pomiarowe wykonuje się tak,
aby ułatwić opracowanie planów jako rzutów na określoną płaszczyznę. Zdjęcia orientujemy tak, by
osie kamer (wyznaczają kierunek Y), były prostopadłe do umownej pionowej płaszczyzny
rzutowania. Dokładny pomiar osnowy głównej da możliwość dodatkowego pomiaru
uzupełniającego metodami geodezyjnymi. Na obiekcie umieszcza się punkty kontrolne. Kameralne
opracowanie zwykle odbywa się autogrametrycznie. Dokumentację stanowią: rzut poziomy,
przekroje pionowe, elewacje, dok. więźby dachowej.
Fotogrametria cyfrowa pozwala na opracowanie dokumentacji obiektu zabytkowego na podstawie
archiwalnych zdjęć niemetrycznych.
Fotogrametria bywa też stosowana do dokumentowania znalezisk archeologicznych i eksponatów
muzealnych.
11.Nowoczesna, cyfrowa fotogrametria przemysłowa
Może być wykorzystywana do wielu zagadnień, m.in. do pomiaru pionowych przekrojów
podziemnych korytarzy (kopalnie), przy pomocy statywu z ramką i żarówką rzucającą na ocios
„płaszczyznę światła”. Zdjęcia wykonane zwykłą kamerą cyfrową można potem przetworzyć w
MicroStation i VSD.
Przy zastosowaniu kamery cyfrowej o wysokiej rozdzielczości oraz komputera przenośnego można
pomierzyć naprężenia lin (np. naciągowych przy kominach). System odbiera wykonane obrazy online
i od razu przystępuje do opracowania wyników. Dzięki takiemu pomiarowi można wyznaczyć,
jakie naprężenia powstają w linach, które można skrócić a które wydłużyć, żeby je zrównoważyć.
Pomiar budowli powłokowych - na górze budynku rozmieszcza się 6-7 punktów, wokół budynku 9-
10 sygnałów. Po odfotografowaniu się na zdjęciach minimum 6 punktów na każdym, można
dokonać transformacji DLT.
Na świecie cyfrowe pomiary fotogrametryczne mają zastosowanie w przemyśle nuklearnym,
okrętowym, lotniczym, samochodowym. Używa się ich do wymiarowania niewielkich elementów,
ale i gotowych maszyn. Stosuje się nie tylko pomiary obiektów statycznych, ale i dynamicznych -
wirujące koła samochodów, lądujące i startujące samoloty, zgniatane karoserie. Wykorzystywane są
wszelkie sposoby podnoszenia dokładności: automatyczny zwielokrotniony pomiar punktów,
nadliczbowe stanowiska, metody samokalibracyjne.
TELEDETEKCJA
1. Pozyskiwanie danych i pozyskiwanie informacji teledetekcyjnych
Polega ono na pomiarze natężenia odbitego promieniowania elektromagnetycznego i
promieniowania emitowanego. Ze względu na nie przepuszczanie przez atmosferę ziemską
niektórych rodzajów promieniowania jest to utrudnione. Energia promieniowania jest odwrotnie
proporcjonalna do długości fali nośnej. Te czynniki wpływają na dobór sensorów do wykorzystania.
2. Sensory
Są to pokładowe systemy rejestrujące różnego typu:
a) kamery fotograficzne
b) kamery wielospektralne
c) kamery telewizyjne
d) skanery
e) systemy radarowe
f) radiometry podczerwieni
g) radiometry mikrofalowe
3. Skanery teledetekcyjne- Jest to radiometr rejestrujący w sposób ciągły promieniowanie elektromagnetyczne odbite od ziemi
lub wysłane przez obiekty z ziemi w czasie przelotu satelity nad nią, rejestrujący obrazy w postaci
cyfrowej.
4. Skaner wielospektralny- Jest to skaner teledetekcyjny rejestrujący obrazy w wielu kanałach spektralnych.
5. Kanał spektralny- Jest to zakres promieniowania, w którym rejestrowany jest obraz składowy (najczęściej R, G, B,
IR).
6. Teledetekcyjne systemy radarowe (SLAR i SAR), funkcjonowanie, zalety, wykorzystanie
Radar jest urządzeniem, które wysyła fale radiowe i odbiera fale odbite, przez co można określić
odległość od danego obiektu. Moc fali powrotnej zależy od właściwości ośrodka odbijającego.
Radar łatwo przenika przez chmury i zanieczyszczenia atmosferyczne, nie jest zależny od
oświetlenia.
W teledetekcji pierwotnie stosowano SLAR - radar bocznego wybierania. Odbite promieniowanie
jest rejestrowane cyfrowo albo analogowo na ruchomym filmie. Wraz z przemieszczaniem się
statku powietrznego i przesuwem filmu, rejestrowane są wąskie linie o modulowanej jasności,
tworzące obraz terenu. Skale są niewielkie: 1:100 000, 1:250 000.
W 1991 zastosowano SAR (udoskonalony SLAR). Dostarczał on obrazu w pasie o długości 300 km
po prawej stronie od lecącego satelity, na szerokości 100 km. Istotą SAR jest zasada działania:
a) interferometria z sąsiednich orbit - wykorzystująca rejestracje nierównoczesne,
b) interferometria z jednej orbity - rejestracja przy użyciu dwóch anten odbiorczych, rozsuniętych
na stałą, możliwie szeroką odległość.
Drugie rozwiązanie jest trudniejsze w realizacji, jednak ma zaletę: pozyskanie obu rejestracji
jednocześnie ogranicza wpływ czynników zakłócających interferencję.
7. Zalety i wady różnych rodzajów rejestracji stereoskopowych
Stereoskopia w oparciu o interferometrię SAR
Stereoskopia z jednej orbity jest szybsza i mniej kłopotliwa, możliwa dzięki wychylanemu
układowi optycznemu w przód i wstecz.
Stereoskopia przy wychylaniu na boki może nie być dokładna.
8. Zasady wystrzeliwania i lotów sztucznych satelitów oraz statków kosmicznych
Prędkość lotu satelity i wysokość orbity są współzależne. Orbity takich satelitów mogą być
zsynchronizowane z ruchem ziemi, a mogą pozornie wisieć nad jednym punktem (satelity
geostacjonarne). Satelity teledetekcyjne umieszcza się zwykle na orbitach okołobiegunowych, co
ma tą zaletę, że za każdym okrążeniem ziemi, eksponowana jest inna jej część. Orbita jest zawsze
jednakowo zorientowana w stosunku do słońca. Np. Landsat 1 na wysokości ok. 918 km z
prędkością 7 km/s okrąża ziemię 14 razy na dobę. Przesunięcie tras na równiku wynosi 159 km. Po
18 dniach lotów cała powierzchnia ziemi jest zarejestrowana.
9. Landsaty i ich skanery wielospektralne (MSS i TM)
Parametry wszystkich Landsatów są do siebie zbliżone. 14 razy okrążają ziemię na dobę. Latają na
wysokości ok. 700 km. Parametry ich orbit są tak dobrane, że sąsiednie rejestracje orbitalne
następują w kolejnych dniach cyklu. Skaner MSS jest skanerem optyczno-mechanicznym.
Rejestruje natężenie promieniowania wzdłuż linii prawie prostopadłej do kierunku lotu. Pierwszy
taki skaner mógł oceniać jasność piksela o rozmiarach 79x79m, ale dzięki oscylującemu
zwierciadłu mógł sprawdzać pas ziemi o szerokości 185 km. W systemie pracowało 6 detektorów w
4 różnych kanałach. Efektem skanowania był sygnał analogowy. Początkowo używano 64 odcieni,
później (od Landsata 4) 256.
Dalszy rozwój to wprowadzenie skanera TM (thematic mapper), gdzie do skanowania użyto 16
detektorów pracujących w 7 kanałach. Piksel miał wymiar 30 m. Kanały były używane do:
1 kanał (niebieski): wody
2 kanał (zielony): żywotność roślin
3 kanał (czerwony): analiza roślinności
4, 5, 6 kanał (zakresy podczerwieni): wilgotność gleby
7 kanał (o pikselach 120 m): promieniowanie cieplne dla celów geologicznych
10. Porównanie skanerów I generacji z (najpopularniejszym obecnie) szeregową matrycą
detektorów
Skanery HRV (SPOT) - skanery drugiej generacji, liniowe, optyczno-elektryczne, gdzie nie
potrzebne jest zwierciadło oscylujące. Stosowanie szeregowej matrycy CCD w nich użytych w
kosmosie (lot jest stabilny) nie nastręcza problemów. W skanerach tych rozdzielczość dochodzi do
10m (panchromat) i 20m (wielospektralny). Szeregowa matryca 6000 detektorów rejestruje pas
ziemi satelitów szerokości 60 km. Rejestracja odbywa się równocześnie przez dwa identyczne
skanery HRV zainstalowane na pokładzie SPOTa. Obrazy z obydwu zachodzą na siebie 3 km.
Można także, dzięki uchylnemu zwierciadłu, rejestrować je ukośnie. Dzięki temu, można z par
zobrazowań tworzyć stereogramy, który to system jest obecnie bardzo popularny.
11.Misje satelitów i kosmicznych promów: SPOT, IKONOS, ENDEAVOUR
SPOT:
Wysokorozdzielcze zdjęcia satelitów SPOT są używane do mapowania Ziemi, kontroli i
rozpoznawania klęsk żywiołowych, obserwacji środowiska i czasu wegetacji flory. Satelita
dokonuje obserwacji całej powierzchni Ziemi w ciągu 26 dni. Najnowszy (SPOT 5) posiada
rozdzielczość 5m (panchromat) i 10m (wielospektralny).
IKONOS:
Rozpoczął misję w 2000 roku. Dokładność to 4m (wielospektralny), 1m (panchromat).
Zastosowanie obrazów: od problemów dotyczących bezpieczeństwa narodowego i zarządzania
kryzysowego, po planowanie przestrzenne, czy monitoring upraw.
ENDEAVOUR:
W lutym 2000 rozpoczęła się radarowa misja topograficzna promu. Na pokładzie zainstalowano
nowy rodzaj interferometru - SRTM (Shuttle Radar Topography Mission). Prom rejestrował obrazy
radarowe z wysokości 233 km. Uzyskał wysokościowe dane topograficzne dla ponad 80% lądów.
Pracując ponad 100 godzin, dostarczył danych, których opracowanie zajmie długie lata.
12.Wysokorozdzielcze systemy satelitarne i ich charakterystyki oraz najważniejsze cechy
Obecnie dostępność do wysokorozdzielczych obrazów satelitarnych gwarantuje kilka satelitów,
takich jak: IKONOS 2, QUICK-BIRD-2, EROS-B, OrbView. Wszystkie działają w oparciu o linijkę
CCD, posiadają porównywalne rozdzielczości, pracują niemal w tych samych zakresach
spektralnych, posiadają możliwość wychylenia układu optycznego o 45˚(Qick-Bird - 30˚).
Posiadają układy optyczne o ogniskowych rzędu 10 m. Różnią się wysokością lotu, szerokością
mierzonego pasa, rozdzielczością radiometryczną.
13.Oferta dystrybutorów - produkty wysokorozdzielczych rejestracji satelitarnych
- surowe obrazy, zwykle po wstępnej korekcji geometrycznej i radiometrycznej. Nadają się do
wytwarzania ortofotomap. W przypadku obrazów stereoskopowych nadają się do NMT i
stereodigitalizacji.
- obrazy przetworzone ortofotoskopowo (ortofotomapy) - czarno-białe - efekt pracy systemu w
trybie panchromatycznym, lub barwne - w trybie wielospektralnym. Jeżeli rejestrowano też w
podczerwieni - będą to barwy sztuczne.
- NMT.
14.Fotointerpretacja - definicja, cechy rozpoznawcze, klucze interpretacyjne, poletka
treningowe, porównanie fotointerpretacji z jej cyfrowym - zautomatyzowanym
wariantem - klasyfikacją treści teledetekcyjnych obrazów cyfrowych ziemi
Fotointerpretacja - metoda analizy obrazów fotograficznych w celu identyfikacji obiektów
terenowych, wnioskowania o ich znaczeniu, rozpoznawania procesów i zjawisk
Cechy rozpoznawcze:
a) kształt - rodzaj konturu (regularny - stworzony przez człowieka itd.)
b) rozmiar - uwzględnianie skali - rozróżnienie np. ścieżki od drogi
c) ton (lub barwa) - podstawowa cecha - zróżnicowanie nasycenia
d) struktura i tekstura - sposób uporządkowania drobnych punktów i plamek (regularna
struktura sadu pozwala odróżnić go od nieregularnego lasu)
e) cień - cień drzewa pozwala określić gatunek drzewa, konfiguracja terenu
f) rozmieszczenie - wzajemna lokalizacja obiektów
g) wzorzec (klucz) - typowy fragment w terenie
Kluczami interpretacyjnymi nazywamy wzorcowe fragmenty obrazu - poletka treningowe.
Klasyfikacja treści cyfrowych obrazów polega na wspomaganej przez komputer fotointerpretacji.
Można ją stosować do różnych celów, najlepsze wyniki daje jednak przy wyodrębnieniu klas
użytkowania terenu. Opiera się na analizie podobieństwa odbicia spektralnego dla poszczególnych
kategorii użytkowania terenu w różnych zakresach spektralnych. Stosuje się klasyfikację
nadzorowaną i nienadzorowaną.
W klasyfikacji nadzorowanej wybieramy kilka obszarów, które uznajemy za wzorcowe dla danej
klasy i wektoryzujemy je. Dla poszczególnych pól i zakresów określane są wartości średnie,
minimalne, maksymalne, odchylenie standardowe, wariancja i kowariancja. Trzeci etap to
klasyfikacja właściwa - piksel po pikselu wg jednej z trzech metod.
Klasyfikacja nienadzorowana nie wykorzystuje ze wstępnych informacji o klasach, ale grupujemy
do jednej klasy te piksele, które charakteryzują się podobnymi wzorcami odbicia spektralnego. W
ten sposób tworzymy klasy spektralne. Aby wyróżnione obszary zaliczyć do danej klasy, musimy
mieć informacje z innych źródeł.
15.Krzywe spektralne i ich znaczenie dla rozpoznawania obiektów
Krzywe spektralne to wykresy różnych rodzajów form pokrycia terenu, przy czym odnoszą się do
procentowej czułości na typowe promieniowanie oraz długości fali (w mikrometrach). Do
najlepszego pozyskania informacji o terenie posługujemy się wykresem roślinności, która pozwala
wyciągnąć wnioski o podłożu, jego rodzaju, nawodnieniu, składzie, spękaniu itd.
16.Przetwarzanie teledetekcyjnych obrazów cyfrowych (histogram i poprawianie jakości,
rekonstrukcja radiometryczna i geometryczna, rodzaje klasyfikacji treści satelitarnych
obrazów cyfrowych)
Przetwarzanie obrazów obejmuje kilka działań:
- rekonstrukcja obrazu
- poprawa jakości
- klasyfikacja
- transformacja
Rekonstrukcja obrazu sprowadza się do rekonstrukcji radiometrycznej i geometrycznej. Podczas
radiometrycznej wprowadza się korekcje ze względu na zakłócenia atmosferyczne, rozkalibrowanie
sensorów, oraz inne. Na błędy geometrii wpływa m.in. ruch Ziemi i satelity.
Poprawa jakości obrazu ma na celu doprowadzenie obrazu do takiego, który będzie lepszy dla
wizualnej oceny. Często obrazy ze skanerów zarejestrowane są w bardzo wąskim zakresie, przez co
trudno cokolwiek dostrzec. Poprawa jakości to rozciągnięcie wartości pikseli, generowanie
kompozycji barwnych oraz cyfrowe filtrowanie.
Przy ocenie jakości przydaje się histogram - wykres przedstawiający rozkład częstotliwości
występowania pikseli. Można przyciąć zakresy, w których piksele nie występują.
Transformacja obrazów to matematyczne przekształcanie obrazów oryginalnych, polega na zmianie
ich rozdzielczości, korekcji błędów geometrycznych i transformacji do innego układu
współrzędnych. Wszystko to daje zamyka się w procesie kalibracji obrazu.
17.Klasyfikacje nadzorowane: przedziałami, minimalnej odległości, największego
prawdopodobieństwa
1. Klasyfikacja przedziałami: definiujemy dla każdej wyrównanej kategorii i zakresu spektralnego
granic przedziału wartości piksela. Dla analizowanych dwóch kanałów spektralnych piksele
zakwalifikowane do danej grupy muszą znaleźć się wewnątrz prostokąta. Dla trzech kanałów byłby
to graniastosłup.
2. Klasyfikacja minimalnej odległości: obliczamy wartości średnie dla każdej klasy, a następnie dla
każdego piksela odległości od piksela średniego. Piksel klasyfikowany jest do klasy, do której
odległość jest mniejsza.
3. Klasyfikacja największego prawdopodobieństwa: oparta jest na teorii prawdopodobieństwa. Dla
każdej klasy obliczana jest średnia oraz macierz wariancyjno-kowariancyjna, która pozwala na
zakwalifikowanie do danego obszaru (elipsy).