2.2 Opracowanie stereogramu lotniczego:
2.2.1 Orientacja wewnętrzna
Ogólnie orientacją wewnętrzną nazywamy transformację płaską z układu
przyrządu do pomiaru na zdjęciach do układu definiującego układ tłowy. Dla obrazów
cyfrowych jest to transformacja z układu obrazu (pikselowego) do układu definiowanego przez współrzędne znaczków tłowych. Jest wykonywana w dwóch etapach: najpierw przechodzi się do układu znaczków tłowych, a potem wprowadza się współrzędne punktu głównego (w VSD przy orientacji wzajemnej). Umożliwia wykonywanie na zdjęciach pomiarów, które służą do określenia rzeczywistej wielkości i kształtu odfotografowanych obiektów terenowych. Jest jednym z podstawowych i najważniejszych etapów wielu procesów fotogrametrycznych. Elementy orientacji wewnętrznej wyznaczane są w procesie kalibracji kamery i są to współrzędne punktu głównego w układzie znaczków tłowych oraz ogniskowa kamery f (stała kamery), czyli odległość między środkiem rzutu, a płaszczyzną obrazu. Metodami stosowanymi w orientacji wewnętrznej są transformacja afiniczna, transformacja Helmerta, biliniową i rzutowa. Podczas orientacji mierzy się znaczki tłowe (zwykle cztery lub osiem). Po wykonaniu orientacji wewnętrznej poruszamy 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, która powinna być dostarczona razem ze zdjęciami [9],[2]. Podczas orientacji wewnętrznej możliwa jest także korekcja dystorsji obiektywu. Wartość dystorsji wyznaczana jest podczas kalibracji kamery i znajduje się w metryce kamery. Zdjęcia z kamer lotniczych i z aparatów cyfrowych nie mają znaczków tłowych, dlatego ich role przejmują narożniki skrajnych pikseli.
2.2.2 Orientacja wzajemna
Polega na wyznaczeniu parametrów opisujących położenie zdjęć w przyjętym układzie dostosowania, zwanym układem modelu. Celem orientacji wzajemnej jest doprowadzenie do przecięcia się promieni homologicznych, które tworzą przestrzenny model. Wprowadzeniu układu modelu polega na powiązaniu dwóch zdjęć i analitycznym „odtworzeniu wiązek”. Pomiarowi podlegają punkty jednoznacznie identyfikowalne na lewym i prawym zdjęciu w tzw. rejonach Grubera (Rys.1). Wykonuje się pomiar 6 lub więcej punktów homologicznych
(min. 5 punktów).[3]
Miernikiem poprawności przeprowadzenie orientacji wzajemnej jest wartość paralaksy
poprzecznej na modelu(Y'm-Y''m=0) lub szczątkowa paralaksa poprzeczna na zdjęciach. Przyjmuje się, że orientacja jest prawidłowa, jeśli wielkość średniej szczątkowej paralaksy na zdjęciach nie przekracza 0,5 piksela. Układ modelu jest związany zwykle z lewym zdjęciem lub z bazą [15].
2.2.3 Orientacja bezwzględna
jest to transformacja przestrzenna z układu modelu do układu terenowego. Podczas orientacji pomiarowi podlegają fotopunkty, czyli punkty o znanych współrzędnych terenowych (ang. GCP - Ground Control Points), widoczne i pomierzone na zdjęciu. Minimalna liczba punktów potrzebna do transformacji wynosi trzy. Dokładność orientacji bezwzględnej jest określana na podstawie błędu średniokwadratowego współrzędnych na fotopunktach. W orientacji bezwzględnej korzysta się najczęściej z transformacji konforemnej lub afinicznej .
2.2.4 Wcięcie wstecz
służy do określenia elementów orientacji zewnętrznej zdjęcia X0,Y0,Z0,ω,ϕ,κ z równania kolinearności na podstawie znanych współrzędnych terenowych co najmniej trzech fotopunktów oraz pomierzonych współrzędnych tłowych tych punktów na zdjęciu, dla którego określa się elementy orientacji [24].
2.2.5 Wcięcie w przód
Jest stosowane do określenia przestrzennego położenia punktu terenowego na podstawie elementów orientacji zewnętrznej zdjęć. Elementy orientacji zewnętrznej mogą być wynikiem wcięcia wstecz, czy aerotriangulacji.
4.1 Didactic and digital photogrammetric software (DDPS)
Program jest rezultatem współpracy naukowej Surfaces Laboratory na Wydziale Geomatyki na Uniwersytecie w Liege w Belgii oraz Instytutu Geodezji i Kartografii (IGiK) w Warszawie. Program jest przeznaczony do celów dydaktycznych, jest zintegrowany, oraz napisany w języku C++. Posiada czytelny interfejs i jest łatwy w obsłudze oraz nie wymaga szerszej wiedzy informatycznej. Obsługuje rozszerzenia takie jak: ∗.bmp, ∗.bmp.txt, ∗.wrl, ∗.wrlm, ∗.cc, ∗.cl, ∗.dem, ∗.hmlg, ∗.OAApply, ∗.OActrl, ∗.OAHMLG, ∗.OAparam, ∗.OIparam, ∗.ORparam. Opracowywane mogą w nim być obrazy monochromatyczne 8 bitowe zapisane w formacie BMP. Obrazy te muszą być wykonane kamerą metryczną o znanych parametrach zapisanych w metryce kamery. Program pozwala na wykonanie kompletnego procesu fotogrametrycznego przedstawionego na rys. 3 Program umożliwia wykonanie niezależnie orientacji wewnętrznej, wzajemnej oraz bezwzględnej, dla których obrazy wyświetlane są w trzech oknach. Pierwsze okno z obrazem pomniejszonym, drugie w skali 1:1, a trzecie z powiększeniem zaznaczonego wycinka obrazu. Orientacja wewnętrzna umożliwia transformację z układu pikselowego do układu obrazowego.
Elementami charakteryzującymi kamerę są:
- f odległość obrazowa stożka kamery ck
- PP położenie punktu głównego
- Współrzędne znaczków tłowych
- Dystorsja radialna obiektywu stożka kamery
W programie można również zdefiniować orientację osi x i y na obrazie w zależności od kierunku lotu. Orientację wewnętrzną wykonuje się niezależnie dla każdego zdjęcia. Do wyznaczenia parametrów orientacji wewnętrznej wykorzystywana jest transformacja afiniczna. Niewiadome wyznaczane są metodą najmniejszych kwadratów. Po wyznaczeniu sześciu nieznanych parametrów transformacji afinicznej możliwe jest przetransformowanie każdego punktu na obrazie do układu obrazu. Możliwa jest także korekcja dystorsji radialnej. Dystorsja radialna wyznaczana jest podczas kalibracji kamery i jej wartości znajdują się w certyfikacie kalibracji kamery. Parametry z metryki kamery, czyli współrzędne znaczków tłowych oraz dystorsja radialna mogą być wprowadzane ręcznie bądź przez plik.
Orientacja zewnętrzna polega na wyznaczeniu relacji między układem obrazowym
a układem terenowym. Wyznaczane jest siedem elementów orientacji zewnętrznej
zdjęcia:
ω, φ , κ- kąty skręcenia,
X0, Y0, Z0- współrzędne środka rzutów,
λ- współczynnik skali.
Do wyznaczenia powyższych parametrów potrzebne są współrzędne fotopunktów w terenowym układzie odniesienia. Teoretycznie wymagane są dwa fotopunkty o znanych współrzędnych X,Y,Z i jeden fotopunkt o znanej współrzędnej Z, jednak w praktyce by uzyskać lepszą dokładność stosuje się większą ilość fotopunktów. Orientacja zewnętrzna w programie wykonywana jest w dwóch etapach. Najpierw wykonuje się orientację wzajemną, a następnie orientację bezwzględną. Orientacja wzajemna polega na przejściu do układu modelu związanego z bazą, a bezwzględna do układu odniesienia. W orientacji wzajemnej doprowadza się do przecięcia wybranych promieni homologicznych wiązek obu zdjęć stereogramu. Kryterium orientacji wzajemnej jest paralaksa poprzeczna, która ma wynosić na
modelu py=0. Podczas orientacji wzajemnej w programie zmienia się pozycję zdjęć oraz wykonuje rotację dφ1, dκ dla zdjęcia lewego i dω2, dφ2, dκ dla zdjęcia prawego. Do wyznaczenia tych parametrów wykonuje się pomiar punktów w rejonach Grubera. Minimalna liczba punktów wynosi pięć, jednak w przypadku większej ilości punktów możemy wykorzystać do obliczeń metodę najmniejszych kwadratów. Gdy paralaksy są wystarczająco małe współrzędne obrazowe lewego zdjęcia i współrzędne obrazowe prawego zdjęcia są transformowane do układu modelu. Następnie na tej podstawie wylicza się przestrzenne współrzędne punktów w układzie modelu. Po wykonaniu orientacji wzajemnej uzyskujemy trójwymiarowy model, ale nie ma on skali i nie jest zorientowany względem geodezyjnego układu współrzędnych. W tym celu wykonuje się orientację bezwzględną. Głównym założeniem orientacji bezwzględnej jest wykonanie transformacji ze współrzędnych modelu do współrzędnych układu odniesienia.
Mając obliczone parametry orientacji bezwzględnej możemy skorzystać z opcji monoscopic restitution, która pozwala na wyznaczenie współrzędnych w układzie odniesienia punktów homologicznych wcześniej wskazanych na obu zdjęciach a także na pomiar w układzie geodezyjnym dowolnych punktów wskazanych na obu zdjęciach.
Geokodowanie polega na przypisaniu pomiarowi określonego kodu, który jest interpretowany przez oprogramowanie. Wykorzystuje się je dla dużej ilości danych, ponieważ redukuje czas pracy i pomaga podnieść produktywność. Image matching pozwala na automatyczne wyszukiwanie punktów homologicznych na stereogramie. Wykonywana jest automatyczna detekcja na prawym zdjęciu punktu homologicznego wskazanego na lewym zdjęciu. Program
wykorzystuje area based matching, oparty na obszarze wzorcowym i obszarze przeszukiwanym oraz obszarze docelowym. Punkty badane są pod względem wartości w skali szarości. Generowanie obrazów epipolarnych polega na stworzeniu obrazów pozbawionych paralaksy, które spełniają warunek py=0. Wykonanie obrazów epipolarnych możliwe jest po orientacji wzajemnej. Przecięcia płaszczyzny epipolarnej z płaszczyzną zdjęcia tworzą homologiczne linie epipolarne. Dla każdego punktu na lewym obrazie jego punkt homologiczny na prawym obrazie znajduje się wzdłuż homologicznej linii epipolarnej, na położenie ma jednak wpływ wysokość terenowa. W celu wygenerowania obrazów epipolarnych modelu potrzebne są: obrazy oryginalne, dane kalibracji kamery, elementy orientacji wewnętrznej, elementy orientacji wzajemnej. Obrazy epipolarne mają tylko paralaksę podłużna, a paralaksa poprzeczna jest zerowa i są istotnym uproszczeniem automatycznej korelacji, która będzie przebiegać wzdłuż jednego kierunku. Image matching jest ponownie wykorzystywany w programie do automatycznego wyszukania punktów
homologicznych w obszarach pokrycia obrazów. Generowanie NMT to tworzenie numerycznej reprezentacji określonej części powierzchni terenu umożliwiającej określenie wysokości h dowolnego punktu xy. NMT jest generowane w programie w postaci siatki GRID, dla której wysokości punktów zostały wyinterpolowane na podstawie punktów o znanych wysokościach. W programie do interpolacji wykorzystana jest metoda odwrotnej odległości. Ortorektyfikacja polega na usunięciu zniekształceń obrazu wywołanych różnicami wysokości terenu i nachyleniem zdjęcia.