1. Co to jest metryka kamery i co zawiera?

• Podstawowe parametry geometryczne kamery określa się w procesie kalibracji kamery, a jej wyniki są zawarte w metryce kalibracji. Aktualna metryka jest warunkiem dopuszczenia kamery do wykonywania pomiarowych zdjęć lotniczych.

• Metryka kalibracji kamery powinna zawierać następujące informacje:

1. nazwa i adres instytucji wykonującej kalibrację,

2. data kalibracji,

3. nazwa i numer fabryczny kamery,

4. numer fabryczny obiektywu,

5. kalibrowana odległość obrazowa stożka obiektywowego,

6. dystorsja radialna w mikrometrach wyrażona w funkcji promienia radialnego o początku w punkcie najlepszej symetrii (PPS) w interwale co 10 mm, wzdłuż każdej z czterech półprzekątnych zdjęcia,

7. odległość między znaczkami tłowymi wzdłuż boków i przekątnych, lub ich współrzędne w prostokątnym układzie współrzędnych,

8. położenie punktu głównego autokolimacji (PPA) i punktu głównego najlepszej symetrii (PPS) w układzie współrzędnych związanym ze znaczkami tłowymi,

9. zdolność rozdzielczą obiektywu radialną i tangencjalną, określoną przez producenta kamery, lub po ostatniej justacji optycznej obiektywu,

10. współrzędne węzłów siatki płyty “reseau” o ile kamera posiada taką płytę.

2. Orientacja wewnętrzna fotogrametrycznego zdjęcia cyfrowego:, na czym polega, rodzaje transformacji, co jest wyznaczane a co dane, ile mamy niewiadomych.

•Orientacja wewnętrzna polega na transformacji współrzędnych obrazu z układu pikselowego do układu tłowego. Najczęściej stosowaną metodą jest transformacja afiniczna. Podczas orientacji pomiarowi podlegają znaczki tłowe (zwykle 4 lub 8). Po wykonaniu orientacji wewnętrznej możemy poruszać się już w układzie tłowym zarówno lewego jak i prawego zdjęcia. Jednostką układu tłowego jest mm lub piksel. Dane do transformacji (współrzędne znaczków tłowych) pobieramy najczęściej z metryki kamery.

• Rodzaje transformacji: transformacja afiniczna, ???

• Danymi są x, y współrzędne tłowe (wsp. pikselowe znaczka tłowego – układ pierwotny), a wyznacza się x’ i y’ wsp. tłowe (układ wtórny).

• (min 3 pkt pomierzone to będzie 6 równań i 6 niewiadomych)

3. Orientacja wzajemna pary zdjęć: na czym polega, co jest wynikiem opracowania, co jest wyznaczane a co dane, elementy orientacji dla pary zdjęć zależnych (ile, nazwać je, przedstawić na rysunku).

• Orientacja wzajemna w programie DDPS jest oparta na manualnym pomiarze punktów wiążących. Orientacja wzajemna pozwala określić wzajemne położenie dwóch wiązek poprzez stworzenie stereomodelu w lokalnym układzie. Aby wykonać tę orientację konieczny jest pomiar homologicznych punktów na lewym i na prawym obrazie. W celu wykonania orientacji wzajemnej wczytano pliki z parametrami z orientacji wewnętrznej dla obu zdjęć w module Relative Orientation. Pomierzono punkty homologiczne na obu zdjęciach w rejonach Grubera i wykonano proces iteracyjny. Uzyskano paralaksy dla każdego punktu. Po wykonaniu pomiarów zapisano parametry orientacji wzajemnej w pliku o rozszerzeniu Orparam oraz zapisano punkty homologiczne w pliku hlmg.

• Orientacja wzajemna polega na odtworzeniu wzajemnego położenia zdjć z momentu ich wykonywania bez zwracania uwagi na prawidłowość ich bezwzględnej orientacji. Orientację wzajemną zdjć określamy za pomoc elementów orientacji wzajemnej. Stosuje się dwa systemy tych elementów:

a. Elementy kątowe obu kamer. Przyjmuje się układ współrzędnych następujący: początek - lewy środek rzutów, oś X pokrywa się z bazą zdj, oś Y jest prostopadła do bazy i do osi lewej kamery, oś Z jest prostopadła do X i Y. Elementy orientacji: kąty ϕL, κL, ϕP, ωP, κP (L - lewe zdjęcie, P - prawe, definicja ϕ,ω,κ - rozdz. 3.2)

b. Elementy kątowo liniowe prawej kamery Przyjmuje si układ współrzędnych: początek - lewy środek rzutów, oś X pokrywa się z osi x układu tłowego lewego zdjęcia, oś Y z osi y, a os Z z osi lewej kamery. Elementy orientacji: ϕP, ωP, κP, oraz składowe bazy BY, i BZ przy ustalonym (dowolnie) BX.

Szkic rozmieszczenia punktów (6 punktów w strefach Gruber’a (czerwone) i 9 punktów homologicznych (niebieskie)):

• Wynikiem pomiaru są współrzędne punktów homologicznych

• Dane są parametry orientacji wewnętrznej

• Wyznaczane są κL, κP, ρl, ρP, ωP

4. Orientacja bezwzględna modelu przestrzennego: na czym polega, rodzaje transformacji, co jest wyznaczane a co dane, ile jest elementów orientacji.

• Wynik pomiaru to współrzędne pikselowe fotopunktów.

• Dane to współrzędne terenowe fotopunktów.

• 7 elementów orientacji (κ, ρ, ω, X0, Y0, Z0 – wsp. środka rzutu oraz współczynnik skali k)

Orientacja bezwzględna polega na wykonaniu transformacji z układu modelu do układu terenowego. Opisać ją można wzorem:

RT = RS + km ∗ Am∗ Rm

gdzie: RT - wektor współrzędnych w układzie terenowym

Rm - wektor współrzędnych w układzie modelu

RS - wektor przesunięcia między układami

Am - macierz obrotów układu modelu do układu terenowego

km - współczynnik skali: układ modelu / układ terenowy

Do wykonania orientacji bezwzględnej potrzebne są tzw. fotopunkty, czyli odfotografowane na zdjęciach punkty o znanych współrzędnych w układzie terenowym. Do jednoznacznego rozwiązania wystarcz trzy, ale byłoby to rozwiązanie bez możliwości kontroli, stosuje się, zatem więcej - cztery lub najczęściej sześć fotopunktów rozmieszczonych jak punkty do orientacji wzajemnej.

5. Warunek komplanarnosci wektorów - na czym polega i gdzie jest stosowany w fotogrametrii.

6. Warunek kolinearności wektorów - na czym polega i gdzie jest stosowany w fotogrametrii.

7. Elementy orientacji zewnętrznej zdjęć - sposób wyznaczenia.

• X₀,  Y₀,  Z₀ – współrzędne terenowe środka rzutów oraz kąty  ,  ,  κ.

Dla zdjęcia naziemnego: ω - kąt nachylenia osi kamery (pionowy), ϕ - kąt zwrotu - kąt poziomy określający kierunek osi kamery (względem bazy lub innego znanego kierunku), κ - kąt skręcenia (ramki tłowej) - niepoziomość linii łączącej boczne znaczki tłowe. Dla zdjęć lotniczych: ω - kąt nachylenia poprzecznego, ϕ - kąt nachylenia podłużnego, κ - kąt skręcenia.

Wzór na karteczce macierz A _{,  ,  κ} – sposób wyznaczania.

• Wyznacza się dla: jednego zdjęcia, bloku zdjęć Areotriangulacja

8. Aerotriangulacja - cel, metody obliczeń, co jest końcowym wynikiem obliczeń.

• Aerotriangulacja to kameralne zagęszczenie osnowy fotogrametrycznej połączone z
wyznaczeniem orientacji zewnętrznej każdego zdjęcia. Celem jest dostarczenie
współrzędnych fotopunktów potrzebnych do orientacji bezwzględnej każdego modelu lub
orientacji zewnętrznej zdjęć dla potrzeb tworzenia ortofotomapy.
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.

• Końcowy wynik to ortofotomapa.

9. Opis teoretycznych podstaw metody wiązek

Podstawą metody wiązek jest warunek kolinearności. W metodzie tej wszystkie równania kolinearności możliwe do ułożenia dla całego bloku zdjąć układane są i rozwiązywane równocześnie. W metodzie tej elementy orientacji wszystkich zdjęć bloku oraz nieznane współrzędne wyznaczonych punktów terenowych oblicza się równocześnie ze wszystkich dających się wykorzystać danych i nie dzieli się procesu aerotriangulacji na etapy. Warunkiem przecięć promieni homologicznych jest uzupełniony warunkiem przejścia promieni przez punkt o danych współrzędnych terenowych.

Wyrównanie metodą wiązek:

Standardowe wyrównanie metodą wiązek sieci zdjęć cyfrowych stanowi kombinowane wyrównanie obserwacji fotogrametrycznych i geodezyjnych. Wyznacza elementy orientacji przestrzennej zdjęć i współrzędne X,Y,Z punktów obiektu. W przypadku niedostatecznej dokładności wyznaczenia fotopunktów i innych obserwacji geodezyjnych lub ich braku stosuje się technikę swobodnego wyrównania sieci. Przy korzystnej konfiguracji zdjęć i dobrym uwarunkowaniu układu równań możliwe jest również jednoczesne określenie parametrów kalibracji kamery. Opcjonalna kalibracja zawiera wyznaczenie podstawowych elementów orientacji wewnętrznej c_K, x¢₀, y¢₀ kamery oraz dodatkowe parametry, które opisują błędy systematyczne obrazu. Ocenę wyników wyrównania przeprowadza się na podstawie analizy błędów i kryteriów dokładności. Typowa analiza obejmuje odchylenie standardowe Sigma 0, parametry wewnętrznej i zewnętrznej dokładności, parametry wewnętrznej i zewnętrznej wiarygodności. Szczególnie ważny jest test wykrywania i eliminacji błędów grubych obserwacji fotogrametrycznych, które spowodowane są najczęściej błędną identyfikacją punktów lub niedokładnością wyznaczenia punktów homologicznych na obrazach.

• metoda wiązek bazuje na równaniu kolinearności które przedstawia zależności między współrzędnymi na zdjęciu a współrzędnymi terenowymi w postaci równania nieliniowego

• równanie kolinearności są linearyzowane poprzez rozwinięcie w szereg Taylora

• warunek k. stanowi matematyczny zapis współliniowościwektorów wodzących tego samego punktu na zdjęciu i w terenie

• metoda wiązek umożliwia wyznaczenie poprawek do wielkości bezpośrednio obserwowanych

• umożliwia dołączenie wyrównania obserwacji geodezyjnych i fikcyjnych

• obserwacje geodezyjne i fikcyjne dołączone są w postaci pseudoobserwacji

• model możemy poszerzyć o dodatkowe parametry modelujące błędy systematyczne

• umożliwia swobodne tworzenie modelu sochastycznego

• układ równań rozwiązywany jest uogólnioną metodą najmniejszych kwadratów

• metoda wiązek jest najdokładniejszą metodą wyznaczania współrzędnych X, Y, Z

• umożliwia jednoczesne wyznaczenie elementów orientacji zewnętrznej i opcjonalnie elementów orientacji wewnętrznej techniką samokalibracji

• umożliwia opracowanie skomplikowanych zdjęć

• dostarcza nastawów do autografów analogowych i cyfrowych

• metoda wiązek wymaga wyznaczenia przybliżonych wartości wszystkich niewiadomych

• jest obarczona stosunkowo dużym nakładem obliczeń

• nie umożliwia rozdzielenia opracowania sytuacyjnego od wysokościowego

10. Metody automatycznego pomiaru punktów homologicznych – opis

•Automatyczne wyszukiwanie i pomiar odpowiadających sobie (homologicznych) punktów na różnych obrazach dokonywane jest za pomocą metod korelacji krzyżowej (Cross Correlation), zwanych też digital image matching. Termin ten oznacza wyszukanie i dopasowanie dwóch lub więcej obrazów, kierując się podobieństwem ich cech, takich jak: odpowiedź spektralna (rys. 6), kształt, barwa szczegółów. Metoda ta jest wykorzystywana w automatycznym pomiarze znaczków tłowych kamery i automatycznym dopasowaniu punktów homologicznych na zdjęciach.

http://www.potop.bydgoszcz.pl/dyplom.pdf str. 26

Metody automatycznej korelacji obrazów cyfrowych to:

1. Area based matching (ABM) – dopasowanie powierzchniowe.

- Cross Correlation (CC) – korelacja krzyżowa.

• W metodzie korelacji krzyżowej stopień podobieństwa obrazów ocenia się na podstawie współczynnika korelacji. Obszar, któremu przypisany jest współczynnik o największej wartości zostaje uznany za odpowiednik wzorca. Metoda ta ma dwie zasadnicze zalety: jest szybka i niezależna od różnic jasności między zdjęciami. Jednak nie nadaje się ona do korelacji obrazów, które mają różne skale lub deformacje spowodowane różnicami wysokości, z jakich wykonywane były zdjęcia.

- Least Squares Matching (LSM) – korelacja metodą najmniejszych kwadratów.

• Matching oparty o metodę najmniejszych kwadratów wyszukuje obszary najmniej różniące się jasnością. Wymaga wyraźnych wzorów jasności i jest podatny na szumy występujące na obrazach, tak, więc nie należy stosować go przy zdjęciach wykonanych przy różnym oświetleniu. Natomiast można używać tej metody 27 w przypadku różnic skali, obrotów i drobnych deformacji zdjęci, ponieważ podczas wyszukiwania odpowiednika zmienia się kształt porównywanych obszarów.

2. Feature based matching (FBM) – korelacja oparta na cechach.

3. Relational (Symbolic) Matching) – korelacja oparta na relacjach.

11. Fotogrametryczne metody budowy NMT.

Metoda fotogrametryczna. Polega na fotogrametrycznym opracowaniu zdjęć lotniczych. Sam pomiar ma miejsce na cyfrowych fotogrametrycznych stacjach roboczych lub autografach analitycznych i może odbywać się ręcznie lub automatycznie. Pomiar ręczny (manualny) sprowadza się do pomiaru na modelu stereoskopowym dużej liczby punktów. Pomiarowi podlegają zwykle różne punkty i linie strukturalne charakteryzujące rzeźbę terenu:

-punkty rozproszone w regularnej lub nieregularnej siatce,

-linie szkieletowe (grzbiety, cieki),

-linie nieciągłości (skarpy, urwiska),

-ekstremalne pikiety (wierzchołki, dna).

W przypadku pomiaru automatycznego funkcję pomiaru stereoskopowego przejmuje automat, tzw. korelator obrazu, który mierzy wysokości w regularnej siatce o zadanym "oczku". Pomiar taki jest bardzo szybki, korelator wyznacza dziesiątki tysięcy punktów na zdjęciu. Wadą tego pomiaru jest to, że część z mierzonych punktów może nie należeć do powierzchni terenu, niektóre z nich wypadną na drzewach czy budynkach. Otrzymane dane muszą więc być poddane edycji polegającej na usunięciu (odfiltrowaniu) punktów nienależących do terenu ("wystających" ponad powierzchnię terenu). Ma to szczególnie miejsce w terenie zabudowanym i zadrzewionym (zalesionym). Ta edycja może być do pewnego stopnia zautomatyzowana. Ostateczne dane pomiarowe są przetwarzane do docelowej postaci i struktury NMT.
Metoda fotogrametryczna jest najpowszechniejszą metodą budowy NMT. W zależności od wymaganej dokładności dobiera się parametry zdjęć lotniczych, z których można wygenerować produkt. W uproszczeniu można przyjąć, że dokładność docelowego NMT zależy od wysokości, z której wykonano zdjęcia. Błąd wysokości NMT można wyrazić: m_NMT = (0,2-0,3)‰ W_fot

gdzie: m_NMT - błąd średni wysokości NMT, W_fot- wysokość fotografowania

Przykład: Ze zdjęć wykonanych z wysokości 4000 m można wygenerować NMT o dokładności wysokościowej (błąd średni) około 0,8-1,2 m.
Źródłem danych dla opracowania NMT mogą być również obrazy satelitarne. Ideowo, opracowanie obrazów satelitarnych jest zbliżone do opracowania zdjęć lotniczych. Ze względu na większy zasięg obrazów satelitarnych, oparte na nich opracowanie jest szybsze i tańsze, ale mniej dokładne.

12. Algorytm generowania ortofotomapy.

-Określamy X,Y w układzie terenowym dla danego piksela. X=Xmin+1/2GSD Y=Ymin+1/2GSD

-Z NMT wyznaczamy Z(wysokość) dla danego położenia X,Y

-Z warunku kolinearności, znając elementy orientacji zewnętrznej zdjęcia odnajdujemy wartości współrzędnych tłowych na zdjęciu

-Na podst elementów orientacji wewnętrznej obliczamy dla danych wsp x',y' wsp pikselowe x,y

-określamy wartości piksela na zdjęciu dla x,y c(x,y)=c

-przypisujemy tę wartość pikselową ortofotomapy C(X,Y)=c

13. Dane niezbędne do budowy ortofotomapy.

• Danymi niezbędnymi do generowania ortofotomapy są: zdjęcia lotnicze, ich elementy orientacji wewnętrznej i zewnętrznej oraz Numeryczny Model Terenu.