8. Georeferencja obrazów w trakcie lotu i jej znaczenie dla opracowań fotogrametrycznych.

Georeferencja bezpośrednia - metoda bezpośredniego geokodowania to określenie orientacji zewnętrznej w czasie lotu. W celu określenia orientacji zewnętrznej (liniowych i kątowych) zdjęć w szeregu i w bloku w czasie lotu, stosowane są obecnie zintegrowane systemy GPS/INS. Dla określenie w czasie lotu elementów liniowych (współrzędnych środków rzutów) stosowane są niezależne systemy GPS, natomiast system INS pozwala na dokładniejsze wyznaczenie środków rzutów oraz określenie kątowych elementów orientacji zewnętrznej zdjęć.

Wykorzystanie do wyrównania bloku zdjęć tych danych pozwala na usztywnienie bloku oraz zmniejszenie liczby niezbędnych fotopunktów. A co za tym idzie wpływa na zwiększenie dokładności wyrównania aerotriangulacji.

11. Autograf cyfrowy (fotogrametryczna stacja cyfrowa) i jego zalety w porównaniu do wcześniejszej stosowanych autografów.

Fotogrametryczne stacje cyfrowe mają możliwość wykorzystania obrazowych danych cyfrowych z różnych źródeł o różnych właściwościach geometrycznych i radiometrycznych. Mogą realizować wiele zadań fotogrametrycznych zarówno satelitarnej i lotniczej jak i naziemnej. Są to między innymi aerotriangulacja, sterodigitalizacja, DTM, ortofotografia, monoploting. W stacjach cyfrowych procedury mogą być wykonywane:

• W pełni automatycznie,

• Półautomatycznie przy współpracy z obserwatorem.

Bez względu na sposób opracowania systemy cyfrowe zawsze wspomagają prace człowieka i podnoszą szybkość, wydajność i doskonałość.

Stacja cyfrowa zawiera :

• Hardware - komputer z jednym bądź dwoma monitorami umożliwiającymi widzenie stereoskopowe

• Software - oprogramowanie jest sercem każdej stacji cyfrowej, który pozwala rozwiązać szeroki wachlarz zadań fotogrametrycznych. Tradycyjny pomiar współrzędnych obrazów punktów jest zastąpiony identyfikacją pikseli i ta jest zwykle automatyczna.

12. Piramida obrazów (obrazy piramidalne) i jej zastosowanie.

Piramidę można interpretować jako wielopoziomowy filtr wygładzający, gdzie eliminowane są stopniowo informację zawartą na zdjęciu, pozostawiając najbardziej znaczące obiekty i struktury na najwyższym poziomie piramidy. Obrazy piramidalne są zredukowanymi wersjami obrazu poprzedniego i generowane są sukcesywnie z obrazu orginallnego (najniższy poziom piramidy). Tworzą one hierarchiczną strukturę obrazów o zmniejszającej się wielkości i rozdzielczości geometrycznej. Na kolejnych poziomach, rozdzielczość jest dwukrotnie redukowana, poprzez eliminowanie co drugiego wiersza i kolumny pikseli. Korelację rozpoczyna się na najwyższym poziomie piramidy (obraz najbardziej zgeneralizowany), a następnie przechodzi się kolejno do niższych poziomów piramidy, kończąc na poziomie najniższym, tj. obrazach oryginalnych.

Istnieje kilka metod generowania obrazów piramidalnych:

• próbkowanie co n- ty piksel (subsampling) bez zmiany wartości gęstości optycznej,

• próbkowanie z uśrednieniem wartości gęstości optycznej (averaging),

• próbkowanie z uśrednieniem oraz wygładzeniem obrazu metodą Gaussa (Gaussian sampling).

Wszystkie metody rozpoczynają tworzenie pomniejszonego obrazu od obrazu oryginalnego o rozdzielczości równej pikselowi skanowania.

Wszystkie automatyczne moduły stacji fotogrametrycznych, dla wykonanie automatycznej aerotriangulacji lub generowania NMT bazują na obrazach piramidalnych.

13. Dopasowanie obrazów (matching) i jego metody.

Jednym z ważnych zagadnień w fotogrametrii cyfrowej jest automatyczne wyszukiwanie i pomiar punktów homologicznych (odpowiadających sobie) na dwóch lub więcej obrazach. Do tego celu stosowane są różne metody korelacji obrazów cyfrowych. Nazwa „cyfrowa korelacja obrazów” pochodzi od nazwy jednej z najstarszych technik korelacyjnych Cross Correlation i jest synonimem metody „digital image matching” (znajdowanie odpowiednika, rozpoznanie podobnej cechy czyli tzw. primitives), którą może być np. gęstość optyczna czy te same szczegóły. Oznacza to, że „Digital image matching” automatycznie znajduje odpowiedniki na pokrywających się obrazach tego samego obszaru. Korelacja obrazów polega na automatycznym odnajdowaniu na zdjęciu fragmentów, które mają największy stopień podobieństwa do przyjętego wzorca. Nad oknem pierwotnym, wzorcowym (np. lewe zdjęcie) przesuwa się skokowo mniejsze okno poszukiwawcze (cześć prawego zdjęcia). Przy każdej zmianie położenia okna poszukiwawczego następuje obliczenie wartości korelacji ρ dla wszystkich pikseli leżących w obrębie obu okien. Współczynnik korelacji obliczany jest na podstawie znajomości wartości odchyleń standardowych oraz kowariancji. Mieści się w zakresie -1 ≤ ρ ≤ 1. Maksymalna wartość ρ odpowiada najlepszej korelacji położenia okna poszukiwawczego nad oryginalnym obrazem.

W fotogrametrii metody te używane są m. in. Do przeprowadzania automatycznej orientacji wewnętrznej na znaczkach tłowych zeskanowanego zdjęcia, wyszukiwania i pomiaru punktów wiążących w aerotriangulacji cyfrowej, generowania NMT.

Metody korelacji obrazów (matchingu) można podzielić następująco:

• Area Based Matching (ABM) - korelacja obrazów bazująca na algorytmach analizy sygnału, poszukująca charakterystycznych wartości lub różnic sygnałów, którymi są np. gęstość optyczna pikseli. Korelację bada się w dwóch oknach pierwotnym
  i poszukiwawczym, składających się z M x N pikseli. Metody Cross Corelation (CC)
  i Least Squares Matching (LSM) zaliczają się do tej grupy. Miarą podobieństwa pomiędzy obrazami w oknach dla metody CC jest obliczony maksymalny współczynnik korelacji. Natomiast w metodzie LSM iteracyjnie znajdowane jest takie położenie okna i jego wielkości, aby spełniony był warunek ∑VV = min., czyli aby suma kwadratów różnic gęstości pikseli w oknie na obrazie pierwotnym
  i poszukiwawczym była minimum. Metoda ABM nadaje się dla obrazów cyfrowych
  o dobrej teksturze.

• Feature-Based Matching - polega na niezależnym wydzieleniu na każdym obrazie grup pikseli składających się z punktów lub linii (czyli cech zwanych primitives),
  a następnie na skorelowaniu odpowiadających sobie tych primitives na pokrywających się obrazach cyfrowych. Korelacji podlegają punkty, krawędzie, odcinki, poligony, jak również złożone struktury. Każdy element (feature) charakteryzowany jest przez atrybuty takie jak: współrzędne w układzie obrazowym, jego średnia gęstość optyczna, orientację i gradient, długość i krzywiznę linii, wielkość poligonu. Z tych cech tworzona jest lista i opis sporządzany niezależnie dla każdego obrazu. Listy te są następnie poddane korelacji. Podobieństwo liczone jest najczęściej jako funkcja kosztów

• Symbolic Matching - korelacja obrazów odbywa się na podstawie ich wzajemnej relacji, czyli porównania własności topologicznych, a nie geometrycznych. Metoda ta porównuje opisy symboliczne używając również funkcji kosztów.

14. Aerotriangulacja przestrzenna zdjęć i jej zastosowanie.

Głównym celem aerotriangulacji jest określenie elementów orientacji zewnętrznej zdjęć. Parametry te są obecnie najczęściej wykorzystywane bezpośrednio dla rekonstrukcji orientacji zdjęć w różnych zadaniach fotogrametrycznych, realizowanych na stacjach cyfrowych. W procesie aerotriangulacji, zdjęcia w szeregu i bloku są powiązane (łączone pomiędzy sobą w szeregu i pomiędzy szeregami) na podstawie punktów wiążących, dla których ostatecznie zostają wyznaczone współrzędne w układzie terenowym. Metody aerotriangulacji jako najbardziej dokładne z fotogrametrycznych rozwiązań są również używane:

• W zastosowaniach katastralnych dla wyznaczenia współrzędnych punktów granicznych lub

• W zastosowaniach inżynierskich dla wyznaczania kontrolnych lub innych charakterystycznych punktów

W trakcie aerotriangulacji następuje rekonstrukcja położenia przestrzennego zdjęć, jakie one miły w czasie fotografowania, czyli zostają wyznaczone elementy orientacji zewnętrznej zdjęć.

Punkty terenowej osnowy fotogrametrycznej stanowią podstawę dla transformacji wszystkich triangulowanych fotogrametrycznie punktów do układu terenowego. Punkty te są albo przestrzenne XYZ, albo wysokościowe Z lub horyzontalne XY. Osnowa terenowa zostaje zagęszczona poprzez aerotriangulację punktami wiążącymi, leżącymi w okolicy punktu głównego oraz w skrajnych partiach zdjęć wewnątrz bloku. Wyróżniamy metodą półautomatyczną oraz automatyczną pomiaru punktów wiążących. Metoda automatyczna pozwala na pomiar znacznie większej liczby punktów przy mniejszym nakładzie czasu i pracy. Duża liczba punktów wiążących wzmacnia konstrukcję sieci aerotriangulacji, przez co parametry orientacji zewnętrznej zdjęć są dokładniej wyznaczane. Wszystkie punkty wiążące uzyskują w efekcie współrzędne XYZ w układzie terenowym.

Metody wyrównania aerotriangulacji (dwie pierwsze nie są już stosowane):

• Instrumentalne, przy użyciu autografów analogowych

• Półanalityczne, w której niezależne modele fotogrametryczne są budowane w układach lokalnych na autografie analogowym, a następnie jednoczesne łącznie wszystkich modeli i ich jednoczesna transformacja do układu terenowego jest wykonana analitycznie

• Analityczne metody, w których dokonuje się matematycznej rekonstrukcji wiązek promieni tworzących zdjęcia, a następnie wykorzystuje się je do analitycznej budowy większych formacji, takich jak, szeregi lub bloki z jednoczesną transformacją do układu terenowego, poprzez zastosowanie metod wyrównawczych opartych na metodzie najmniejszych kwadratów.

• Automatyczna jest wykonywana na stacjach cyfrowych, gdzie pomiar punktów wykonuje się w trybie półautomatycznym i automatycznym. Programy bazują na takich samych podstawach jakie są w klasycznych metodach aerotriangulacji analitycznej.

Metody wyrównania:

• Niezależne szeregi zdjęć we wcześniejszym etapie

• Niezależne modele, zbudowane z dwóch pokrywających się zdjęć

• Pojedyncze zdjęcia (wiązki)

Metoda wyrównania niezależnych zdjęć jest najdokładniejszym i najbardziej uniwersalnym rozwiązaniem aerotriangulacji. Metoda ta opiera się na modelu kolinearności. W stosunku do wyrównania metodą niezależnych modeli można zauważyć:

• większa liczba obserwacji nadliczbowych,

• wyrównaniu podlegają wielkości bezpośredni mierzone na zdjęciach, a nie ich funkcje jak w met. niezal. modeli,

• w me. nie. zdj. Można założyć, że pomierzone wsp. Zdjęć są obarczone pewnymi błędami systematycznymi, których wpływ można opisać modelem matematycznym, które można włączyć do modelu matematycznego kolinearności (samo kalibracja)

15. Ortofotografia i ortomozaika cyfrowa: dane początkowe i etapy tworzenia ortomozaiki / ortomapy.

Ortofotomapa cyfrowa jest rastrowym, ortogonalnym i kartometrycznym obrazem terenu, który powstał w wyniku cyfrowego przetworzenia skanowanych zdjęć lotniczych i satelitarnych lub obrazów cyfrowych. W trakcie przetworzenia usunięte zostają zniekształcenia występujące na zdjęciach, obrazach lotniczych i satelitarnych, które spowodowane zostały geometrią zdjęć i deniwelacją terenu. Ortofotomapa posiada więc takie same informacje, jakie zawarte są na zdjęciu (obrazie cyfrowym) z możliwością kartometrycznego pomiaru współrzędnych płaskich odfotografowanych szczegółów. Ortofotomapa może posiadać siatkę kilometrową i informacje pozaramkowe.

Ortorektyfikacja polega na cyfrowym przetworzeniu każdego piksela zeskanowanego zdjęcia z wykorzystaniem NMT do nowego położenia na ortofotoobrazie w przyjętym odwzorowaniu kartometrycznym. Podczas generowania ortofotoobrazu następuje powtórne przepróbowanie (resampling), w wyniku którego generowany jest nowy obraz o nowej geometrii, który wpasowywany jest w układ współrzędnych odniesienia (nadanie mu georeferencji) oraz wyinterpolowane są nowe tony szarości pikseli. Ortorektyfikacja polega więc na cyfrowej korelacji geometrycznej, czyli zmianie położenia piksela oraz jego wielkości, jak również nadanie mu nowej wartości gęstości optycznej. Każdy piksel podlega indywidualnej korelacji. W celu określenia położenia na piksela na orotobrazie wykorzystuje się elementy orientacji wewnętrznej i zewnętrznej zdjęcia, generuje NMT i wykorzystując współczynnik transformacji ze współrzędnych obrazowych oblicza się wsp. Terenowe każdego piksela. Z NMT interpoluje się współrzędne Z każdego piksela i jego wartość przesunięcia spowodowanego deniwelacją terenu. Następnie interpolowana jest gęstość optyczna piksela w skali 8-bitowej dla obrazu tonalnego lub trzy wartości RGB dla obrazu barwnego (24 bity). Skala ortoobrazu jest constans, a obraz charakteryzuje się usuniętymi zniekształceniami, spowodowanymi geometrią zdjęć lotniczych i deniwelacją terenu.

W wyniku generowania ortofotograficznego pozyskuje się pojedyncze cyfrowe ortofotoobrazy w zdefiniowanym układzie współrzędnych, które stanowią punkt pośredni przy tworzeniu ortofotomapy. Proces łączenia za sobą pojedynczych cyfrowych ortoobrazów nazywa się procesem mozaikowania. Dla mozaikowania każdych dwóch sąsiednich ortoobrazów muszą one mieć wspólny obszar pokrycia, potrzebny do ustalania linii łączenia oraz do wyrównania radiometrycznego w tym wspólnym pasie. Zwykle łączy się wszystkie ortofotoobrazy wygenerowane dla wybranego obszaru w jeden plik, zwany mozaiką, a następnie wycina się z tej mozaiki poszczególne arkuszy mapy.

Ortofotoobraz jest zatem rzutem ortogonalnym terenu na płaszczyznę odniesienia, na którym nie ma przesunięć obrazów spowodowanych nachyleniem zdjęć oraz różnicą wysokości terenu i taki rastrowy produkt będzie kartometryczny o jednorodnej skali (w jednostkach terenowych). Mierzone na nim odległości są poprawne, niezależnie od istniejących różnic wysokości terenu.

Należy zwrócić uwagę na fakt, że w procesie ortorektyfikacji eliminowane są jedynie przesunięcia spowodowane deniwelacją terenu. W konsekwencji tego wszystkie wystające ponad teren obiekty będą przesunięte na ortoobrazie. W celu eliminacji przesunięć radialnych została opracowana metoda „true ortho”, w której obiekty wystające są rzutowane ortogonalnie na wspólną płaszczyznę odniesienia. W przypadku generowania true ortho, należy pozyskać NMPT na podstawie chmury punktów pozyskanej z automatycznego matchingu zdjęć lub z systemu skaningu laserowego - LIDAR.

Technologia ortofotografii zawiera cztery główne etapy,(dodatkowo kontrola jakości pozyskanych produktów):

1. prace przygotowawcze - analiza i wybór materiału fotogrametrycznego (zdjęć) i kartograficznego (osnowa terenowa dla orientacji bloku zdjęc, oraz dla kontroli dokładności) pod względem zapewnienia dokładności oraz kompletności. (pozyskanie zdjęć, elementów orientacji zewnętrznej zdjęć oraz informacji wysokościowej o terenie)

2. przygotowanie danych inicjalnych pod kątem stosowanego oprogramowania - dostosowanie do formatów stosowanych przez używane w projekcie oprogramowanie (obrazy rastrowe wraz z orientacją wewnętrzną, parametry orientacji zewnętrznej zdjęć, NMT w formie GRID)

3. generowanie ortoobrazow (ortofotografii) - korekcja geometryczna i radiometryczna (w zależności od oprogramowania z rozdzielnym lub łącznym etapem mozaikowania)

4. etap mozaikowania i wycinania arkuszów mapy - mozaikowanie pół - automatyczne lub automatyczne z możliwością wyboru funkcji dla wyrównania geometrii i radiometrii pomiędzy sąsiednimi ortoobrazami; tworzenie arkuszy ortofotomap, poprzez ich wycinanie z mozaiki i dodanie informacji opisowej.

---