Zagadnienia z fotogrametrii

Układy współrzędnych stosowane w fotogrametrii.

UKŁADY WSPÓŁRZĘDNYCH

Układ wsp. Terenowych

Definiuje się w przestrzeni przedmiotowej jako prawoskrętny układ ortogonalny. Zazwyczaj oś X terenowego układu terenowego jest zgodna z kierunkiem osi szeregu zdjęć lotniczych. Początek układu może być dowolny, jednak dla większego zespołu zdjęć jest on najczęściej przyjmowany pośrodku opracowywanego terenu. Dla tego układu przyjęto, że osią pierwszą jest oś X, drugą Y, dla Z przyjęto dodatni kierunek zwrotu do góry. W ukł. Terenowym przedstawiane są ostateczne rezultaty opracowania fotogrametrycznego. Jest to możliwe przy znajomości X, Y, Z, punktów osnowy odwzorowanych na zdjęciach wykorzystywanych w opracowaniu. W układzie tym definiuje się położenie wiązki promieni homologicznych za pomocą sześciu elementów zwanych elementami orientacji zewnętrznej, są to trzy wielkości liniowe określające położenie środka rzutów, oraz trzy kąty wyrażające nachylenia osi ukł. przestrzennego zdjęcia względem osi ukł. terenowego.

Układ wsp. Fotogrametrycznych

Wyznaczanie wsp. Punktów w układzie terenowym wykonuje się dwuetapowo.

1. określenie wsp. Punktów w układzie lokalnym dla stereogramu

2. transformacja przestrzenna wsp. Punktów z układu fotogrametrycznego do terenowego.

W pierwszym przypadku X przechodzi przez środki rzutów zdjęć tworzących stereogram, a oś kamery lewego zdjęcia leży w płaszczyźnie XOZ tego układu.

W drugim przypadku osie układu fotogrametrycznego pokrywają się z osiami układu przestrzennego zdjęcia lewego. Taka parametryzacja orientacji wzajemnej prowadzi do ustalenia jako zerowych elementów orientacji zewnętrznej zdjęcia oraz dowolnej wartości Xs” prawego zdjęcia równej bx.

Przestrzenny układ współrzędnych zdjęcia

Za początek układu tłowego przyjmuje się punkt główny zdjęcia (tj. rzut ortogonalny środka rzutów na płaszczyznę tłową zdjęcia). Dla zdjęć lotniczych x układu tłowego ma kierunek równoległy do osi szeregu zdjęć. Rekonstrukcja wiązki, która jest pierwszym etapem opracowań analitycznych wymaga przyjęcia układu przestrzennego.

Ukł. przestrzenny:

- początek układu stanowi środek rzutów zdjęcia

- osie x i y są równoległe do osi x' y' układu tłowego zdjęcia

- kierunek zwrotu osi przyjmuje się w ten sposób, aby wcześniej zdefiniowanymi osiami x, y został utworzony ortogonalny układ prawoskrętny

Elementy orientacji wewnętrznej zdjęcia.

Elementy orientacji wewnętrznej zdjęcia są to współrzędne tłowe x₀, y₀ oraz odległość obrazowa c_k, które określają położenie punktu głównego. Dzięki tym elementom można odtworzyć położenie środka rzutów względem zdjęcia. W kamerach lotniczych poprzez odpowiedni montaż obiektywu i położenie znaczków tłowych, położenie punktu głównego zdjęcia pokrywa się z początkiem układu współrzędnych tłowych. Odległość obrazowa kamery podana jest przez producenta. Elementy orientacji wewnętrznej pozwalają na odtworzenie wiązki promieni jaka była w momencie fotografowania.

Metryka kalibracji kamery.

Kalibracja ma na celu dostarczenie charakterystyki metrycznej kamer fotogrametrycznych. Ta charakterystyka jest niezbędna do przeprowadzenia prac fotogrametrycznych i obejmuje następujące parametry:

1.odległośc obrazowa kamery (stała kamery ck)

2.położenie punktu głównego kamery w stosunku do znaczków tłowych

3.radialna i tangencjalna dystorsja obiektywu

4.zdolność rozdzielcza obiektywu

5.odległość między znaczkami tłowymi

6.odchylenie ramki tłowej od płaszczyzny

Ponadto jeśli kamera zawiera siatkę Reseau - muszą być określone położenie znaczków reuseau w stosunku do znaczków tłowych.

Metody kalibracji kamery

-polowe

-laboratoryjne

Elementy orientacji zewnętrznej zdjęcia.

Elementami tymi są:

a) trzy elementy liniowe określające położenie środka rzutów w układzie współrzędnych prostokątnych X, Y, Z

b) trzy elementy kątowe określające położenie osi kamery pomiarowej względem osi układu odniesienia:

-χ - kąt skręcenia zdjęcia w płaszczyźnie własnej

-ϕ - kąt zwrotu, zawarty pomiędzy rzutem poziomym osi kamery, a kierunkiem do znanego punktu (nachylenie podłużne)

-ω - kąt zawarty między osią kamer, a jej rzutem na płaszczyznę poziomą (nachylenie poprzeczne osi kamery)

Mając te elementy można zrekonstruować wiązkę promieni jaka w momencie naświetlenia utworzyła obraz w kamerze, natomiast położenie tej wiązki w trójwymiarowej przestrzeni wyznacza się za pomocą sześciu elementów orientacji zewnętrznej.

Wpływ czynników optycznych (dystorsja, błędy szczątkowe obiektywu) i deformacja podłoża na zniekształcenie obrazu.

Obrót zdjęcia w płaszczyźnie i przestrzeni.

Rodzaje zdjęć naziemnych

-normalne - o osiach kamer równoległych, poziomych i prostopadłych do bazy fotografowania. ϕ' = ϕ” = 90⁰. Może też wystąpić nachylenie osi o kąt ω i prostopadłych do baz i równoległych do siebie;

-zwrócone - o osiach równoległych, poziomych tworzących jednakowe kąty z kierunkiem bazy (zwrot w prawo lub w lewo). ϕ' = ϕ” ≠ 90⁰. Należy zwrócić uwagę na kąt zwrotu ϕ i kąt obrotu ω, w konsekwencji występująca składowa bazy b_y jest prostopadła do bazy;

-zbieżne - o różnych kątach z kierunkiem bazy, osie są zwrócone do siebie i przecinają się pod kątem γ w płaszczyźnie przedmiotowej, są one stosowane w fotogrametrii analitycznej. Gdy γ > 15^o to nie można zdjęć obserwować stereoskopowo;

-rozbieżne - osie kamer są zwrócone w kierunku do siebie i tworzą one także różne kąty z kierunkim bazy. Nie maja one zastosowania w fotogrametrii;

-nachylone, zenitalne (UMK) - oś celowa nie jest pozioma

Metody transformacji układów współrzędnych płaskich.

Promienie, linie, i płaszczyzny rdzenne.

Punkty i linie szczególne zdjęcia

hh - prosta pozioma (główna)

VV - prosta największego spadku - przecięcie płaszczyzny zdjęcia z płaszczyzną pionową przechodząca przez środek rzutów i oś zdjęcia

Płaszczyzna tłowa zdjęcia

Płaszczyzna przedmiotowa

O - punkt główny - stanowi rzut ortogonalny środka rzutów na płaszczyznę zdjęcia

S - środek rzutu

z - główny punkt zbiegu - punkt przecięcia prostej największego spadku z linią horyzontu

n - punkt nadirowy - punkt przebicia płaszczyzny zdjęcia przez linie pionu przechodzącą przez środek rzutów

i - punkt izocentryczny

ν - kąt nachylenia

f - odległość obrazowa

w - płaszczyzna główna pionowa

1. Płaszczyzna horyzontu - płaszczyzna pozioma przechodząca przez środek rzutów; jej przecięcie z płaszczyzną zdjęcia - linia horyzontu;

3.Linie poziome zdjęcia - proste prostopadłe do prostej największego spadku;

Stereokomparatory - budowa, zasada działania, warunki geometryczne.

STEREOKOMPARATOR

Budowa:

- wózki

- sztywne obudowy

- płaszcz fotogramów

- obiektywy nieruchomej części układu optycznego

- obiektywy ruchomej części układu optycznego

Zasada pomiaru współrzędnych tłowych:

Przed pomiarami należy sprawdzić prawidłowość działania i ustalić miejsca zerowe stereokomparatora:

1. ustawienie znaczka pomiarowego na krzyżyku środka obrotu lewej tarczy ruchami x i y

2. ruchem paralaksy podłużnej p. i poprzecznej q nastawić znaczek pomiarowy na krzyżyk znajdujący się w środku obrotu prawej tarczy

3. sprawdzenie stereoskopowe ustawienia znaczka w płaszczyźnie krzyżyka

4. ustawienie skrętu tarcz zgodnie z osiami wsp. X i Y.

W wyniku tych czynności otrzymujemy miejsca zerowe liczników poszczególnych ruchów.

Metodę punktowego opracowania zdjęć stosuje się do zagęszczenia punktów kontrolnych. Znając wartość x i y punktu p' na lewym zdjęciu można na podstawie paralaksy podłużnej i poprzecznej wyznaczyć współrzędne tłowe punktu p. na zdjęciu prawym - to jest metoda punktowego opracowania zdjęć. Wykorzystuje się ją, gdy podstawą dalszych opracowań są same współrzędne punktów charakterystycznych.

STEKOMETR

Budowa:

- korpus, na którym znajdują się prowadnice

- wózek

- układ optyczny

- prowadnice walcowe

- wózki paralaktyczne

- nośniki zdjęć

Na stekometrze można mierzyć zdjęcia formatu 23x23 lub mniejsze

Zasięg ruchów wynosi:

dla x i y = 0-280mm

dla paralaks podłużnych = -10 do + 130mm

dla paralaks poprzecznych = +- 40mm

Odczytanie pomierzonych wielkości dokonuje się za pośrednictwem koordimetru, czyli urządzenia rejestrującego. Wyprowadzenie obrotów śrub pomiarowych koordimetru możliwe jest dzięki selsynom nadawczym. Zdjęcia oświetlane są od góry przez kondensatory optyczne i lustra, a obserwowane są od dołu w polu widzenia.

Definicja obrazu cyfrowego.

OBRAZ CYFROWY - jest to uporządkowany zbiór pikseli w postaci macierzy. Cechą pikseli jest poziom szarości w przedziale 0 - 255 dla obrazu biało - czarnego (0 - czarny, 255 - biały). Człowiek rozróżnia 32 - 40 poziomów szarości. Podstawowym modelem kolorowego obrazu jest model RGB (red, green, blue). Każdy piksel obrazu modelu RGB jest wypadkową zniesienia tych trzech barw. Natężenie tych barw mierzy się podobnie jak w przypadku obrazu czarno - białego - poziomami czerwoności, zieloności, niebieskości. Jakość obrazu cyfrowego zależy od ilości pikseli tworzących ten obraz.

Wielkość piksela wiąże się z rozdzielczością skanowania

-zdolność rozdzielcza obiektywu - jest to cecha obiektywu związana z możliwością rozróżnienia bardzo małych obiektów na zdjęciu. Im mniejsze obiekty widzimy, tym większa rozdzielczość. Najłatwiej określić przez obserwacje linii biało - czarnej. Zdolność różni się na krawędziach i w centrum.

-rozdzielczość emulsji fotograficznej - zależy od jej jakości i wynosi kilkadziesiąt linii podwójnych na milimetr.

-zdolność rozdzielcza zdjęcia

-rozdzielczość skanowania - dla takiego zdjęcia nie warto skanować z mniejszą rozdzielczością niż 20 μm.

R = XxY

R - rozdzielczość

X - ilość pikseli na osi poziomej

Y - ilość pikseli na osi pionowej

Geometryczna rozdzielczość układu negatyw+obiektyw = 3880 dpi, przy czym piksel ma wielkość 7 μm.

Rozdzielczość podajemy w dpi - liczba punktów na cal.

Piksel mierzymy z dokładnością do 2 μm.

Proces powstawania obrazu cyfrowego - dwie metody

I

- badany teren jest fotografowany tradycyjna kamerą lotniczą (rozdzielczość zdjęcia analogowego 3880dpi)

- zdjęcie analogowe jest skanowane skanerem o rozdzielczości 1800 dpi (automatyczna utrata 2080 dpi informacji)

- obraz cyfrowy dla opracowań fotogrametrycznych posiada rozdzielczość 1300 dpi i zapisywany jest w postaci pliku z rozszerzeniem .bmp, .tif, .gif

II

-Zdjęcia terenu wykonywane są kamerą cyfrową o rozdzielczości 3880 dpi. Powstaje obraz cyfrowy o takiej samej rozdzielczości.

Metoda II jest szybsza i tańsza, obraz ma dużo większą rozdzielczość, nie ma potrzeby skanowania

Tworzenie obrazu cyfrowego - etap dyskretyzacji i kwantyzacji.

Dyskretyzacja - przedstawienie obrazu w określonej liczbie pikseli. Mówi o tym w ilu pikselach został zapisany dany obraz

Kwantyzacja - przypisanie odpowiednim pikselom, których położenie jest już zidentyfikowane w matrycy odpowiednich poziomów szarości. Obraz powinien być kwantyzowany przy jak największej liczbie k

Podstawowe modele barw.

CMYK - Cyjan, Magenta, Yellow, Karmin

RGB - Red, Green, Blue

Skanery fotogrametryczne i skanowanie zdjęć.

Podział skanerów

• ze względu na zakres rejestrowanego promieniowania

- termalne (lub działające w podczerwieni) skanery liniowe - rejon długiej podczerwieni

- wielospektralne (MSS - Multispectral Scanner)

• ze względu na sposoby działania

- optyczno-mechaniczne

- elektrooptyczny

Skanery

• optyczno - mechaniczne - dokonują rejestracji terenu linią po linii- każdy piksel jest kolejno rejestrowany

• jednokanałowe - posiada jeden detektor

• wielokanałowe - posiada 2 lub więcej detektorów, rejestruje odbite promieniowanie od elementarnych powierzchni dla różnych zakresów, zależnych od czułości spektralnej użytych detektorów

• elektrooptyczne - równoczesna rejestracja wszystkich pikseli należących do jednej linii; w płaszczyźnie obrazowej obiektywu, zamiast materiału światłoczułego w kamerze zainstalowane są wysokorozdzielcze detektory półprzewodnikowe.

• elektrooptyczne powierzchniowe CCD - zamiast linijki detektorów jest dwuwymiarowa matryca obrazu CCD zawierająca N linijek czyli N*N detektorów

W wyniku skanowania otrzymuje się obraz składający się z wierszy i kolumn w 1 kanale i w 3 kanałach dla zdjęć barwnych.

Układ współrzędnych pikselowych.

-standardowo może być zdefiniowany tak, że początek układu współrzędnych jest w lewym górnym rogu matrycy

-jest prostokątny to trzeba uwzględnić jego wymiar przy przejściu od układu współrzędnych pikselowych na układ tłowy

Przejście z jednego układu do drugiego

X' = (x'-x'_p )*psx

Z układu pikselowego do tłowego

Y' = (y'_p - y')*psy

Psx - wymiar piksela wzdłuż osi odciętych

Cechy geometryczne, radiometryczne i spektralne obrazów cyfrowych.

Cechy obrazu cyfrowego

Geometryczne - rozdzielczośc powierzchniowa - wymiar piksela w terenie

• określają geometrię obrazu

• wymiar obrazu

• liczba pikseli na cal

• wymiar piksela

• układ współrzędnych piksela w lewym górnym rogu

Radiometryczne - rozdzielczość radiometryczna - opisuje zasięg oraz dająca się wyróżnić liczbę określającą dyskretne wartości jasności

• 6 bit, 8 bitowy, 24 bit, 32 bit - czyli ilość bitów potrzebnych do zapisania obrazu cyfrowego

• jasność obrazu cyfrowego

• kontrastowość obrazu cyfrowego

Spektralne - rejestracja może dotyczyć określanego wspólnego zakresu fal elektromagnetycznych

Analiza obrazu cyfrowego - histogram obrazu.

Histogram - rozkład poziomów szarości, wykres ilustrujący występujące w obrazie zakresy tonalne. Każdemu pikselowi obrazu cyfrowego przyporządkowany jest określony poziom szarości lub wartość jasności wyrażony liczbami całkowitymi z przedziału 0 - 255. Na podstawie tycj liczb odpowiadających zbiorowi pikseli całego obrazu można sporządzić histogram tego obrazu prezentujący liczebność pikseli o określonej jasności (lub szarości) w postaci wykresu. Rozkład szarości wyznacza się za pomocą wzoru n_i / n, gdzie n_i - liczba pikseli w i-tym przedziale szarości; n - liczba wszystkich pikseli.

-obraz mało kontrastowy

-obraz kontrastowy

-obraz mało jasny

-obraz bardzo jasny

Histogram można zmienić:

-przez zastosowanie procesu wyrównania - histogram sprawdzamy przy wyrównaniu do stanu gdy częstotliwość występowania pikseli o podobnym poziomie szarości jest jednakowa. Zmienne są wartości poziomu szarości przypisane każdemu pikselowi

-normalizacja histogramu - histogram jest sprawdzany do krzywej Gaussa - rozkład częstotliwości odpowiada krzywej Gaussa.

Metody poprawienia jakości obrazu cyfrowego.

Wstępna obróbka obrazu cyfrowego

1.Odszumianie - w wyniku działania skanera jasność pikseli może być inna od faktycznej. Zjawisko to nazywamy szumem. Szum możemy wyeliminować przez:

-wielokrotne skanowanie obrazu i wyliczenie średniej arytmetycznej jasności piksela

-filtrację obrazu lub zastąpienie jasności piksela jasnością wyliczoną metodami matematycznymi na podstawie pikseli z jego otoczenia. Metodę tą wykorzystuje się gdy nie ma możliwości wielokrotnego skanowania lub przy skanowaniu obrazów zmiennych w czasie.

2.Korekcja zniekształceń radiometrycznych - zniekształcenie radiometryczne obrazu jest nieprawidłowym odwzorowaniem piksela od faktycznej wartości jasności. Przyczynami tego są:

-niejednakowa czułość skanera dla całego pola widzenia

-błędy eksportu obrazu na ekran, papier fotograficzny lub na papier

Rodzaje korekcji zniekształceń: sumacyjne i iloczynowe. Celem przeprowadzenia korekcji zniekształceń radiometrycznych jest zapewnienie jednakowego odwzorowania jasności pikseli bez względu na to, w jakiej części obrazu się one znajdują. W korekcji sumacyjnej współczynniki korekcyjne odejmuje się od jasności pikseli, a przy korekcji iloczynowej obraz jasności mnoży się przez macierz współczynników korekcyjnych. Do wyznaczenia tej macierzy wykonuje się skanowanie standardowych obrazów: białego i czarnego. Przy analizie obrazów barwnych dla trzech składowych widmowych R, G, B wykorzystuje się standardowe obrazy. Najpierw robi się korekcję sumacyjną a potem iloczynową.

3.Zwiększenie kontrastu - w obrazach, w których zakres jasności nie zajmuje całej skali, można przez odpowiednią transformację zakresu określonego na podstawie uzyskanego histogramu zwiększyc kontrast. Liczba pikseli przed transformacją musi się równać liczbie po.

4.Wprowadzenie „sztucznych barw” - wzrok człowieka lepiej rozpoznaje barwę niż poziomy szarości, dlatego zastąpienie poziomu szarości różnymi barwami może ułatwić dostrzeganie oraz rozróżnianie szczegółów w obrazie. Barwy te nie są odpowiednie barwom w naturze i dlatego nazywa się je barwami sztucznymi. Metodę tę stosuje się przy wizualizacji obrazów wykonanych w niewidzialnych zakresach widmowych.

5.Filtrowanie

Podstawowe typy filtrów cyfrowych i ich zastosowanie.

Filtrem - nazywa się algorytm do wzmacniania obrazu pochodzącego z rejestracji w danym kanale spektralnym. Jest to przekształcenie obrazu piksel po pikselu zależnie od jasności przekształcanego piksela, jak również od jasności pikseli otaczających. Filtrowanie obrazów stosowane jest dla geometrycznego uwydatnienia wybranych elementów tego obrazu takich jak: brzegi, krawędzie, linie, granice, a także eliminację szumów. Filtracja - wykorzystuje technikę tzw. ”ruchomego oka” lub maskę. Jest to obszar obejmujący kilka do kilkudziesięciu pikseli w zależności od rodzaju filtru. Schemat obliczeń: obliczamy jasność środkowego piksela na podstawie algorytmu wybranego filtra i wartości jasności pikseli sąsiednich, nową wartość wprowadzamy na miejsce pierwotnej wartości jasności środkowego piksela, następnie przesuwamy oko na jeden piksel wzdłuż wiersza i powtarzamy obliczenia do końca danego wiersza, dalej przesuwa się maskę o jeden wiersz niżej i powtarzamy operację.

Przyczyny pogorszenia jakości obrazu:

-zakłócenia w transmisji danych cyfrowych pracy sensora

-zła ostrość

-dodatkowe szumy

-błąd sensora

Metody filtracji:

-przestrzenne i częstotliwościowe

-liniowe i nieliniowe

W zależności od wybranego algorytmu filtracji, filtry dzielimy na:

-filtry dolnoprzepustowe (lub filtry wysokich częstotliwości przestrzennych) - do eliminacji szumu na skutek digitalizacji, defektu poziomu szarości na skutek błędu szarości kamery - wygładzenie szczegółów obrazu, zmniejsza kontrast (zmiana histogramu obrazu), wygaszanie wysokich częstotliwości

-filtr środkowo przepustowy - stosowany do wyodrębniania określonych szczegółów (najrzadziej stosowany)

-filtr górnoprzepustowy - uwydatnia on szczegóły, wzmacnia krawędzie i wyodrębnia ostre zmiany intensywności w obrazie, tłumi niskie częstotliwości

Przykłady filtrów: wygładzający, gradientowy, Laplace'a (pozwala na wydzielenie krawędzi)

Metody interpolacji stosowane w procesie resampling'u obrazu cyfrowego.

-algorytmy zmieniające poziom szarości danego piksela w odpowiedni dla jego otoczenia ( interpolacja powoduje wygładzenie obrazu - przechodzimy ze strony pikselowej do półtonowej)

-metoda najbliższego sąsiada - zaokrąglana jest współrzędna danego piksela do najbliższego pełnego piksela (piksel przyjmuje jasność od najbliższego sąsiada)

-bilinearna - realizowane jest sąsiedztwo 4 najbliższych pikseli. Nowy piksel ma nowy poziom szarości wynikający z 4 sąsiadujących pikseli (nie jest to średnia arytmetyczna)

-bikubiczna - piksel otrzymuje nowy poziom szarości wynikający z sąsiednich 16 pikseli (4x4)

Piramidy obrazów cyfrowych - definicja, zastosowanie, metody tworzenia.

Piramida jednokrotna - obraz pierwotny zdegradowany (została zmniejszona dla jego rozdzielczości)

Piramida obrazów - stopniowo zmniejsza się rozdzielczość obrazu pierwotnego, by uzyskać szybkość wyświetlania i pozycjonowania obrazów. Schemat

32

64

128

256

-proces tworzenia piramidy obrazu - hierarchiczna wielopoziomowa korelacja

-matching - dopasowanie obrazów

Metody tworzenia obrazów piramidalnych - służą do przyspieszania procesu pomiarowego i szybszego wyznaczania położenia obiektów:

-wysuwamy z obrazu pierwotnego co drugi wiersz i co druga kolumnę obrazu cyfrowego

-uśredniamy wartości sąsiednich wierszy i kolumn obrazu cyfrowego

-zastosowanie jednej z czterech interpolacji

-metody związane z wygładzaniem

Podstawy matching'a.

Formatu zapisu danych rastrowych.

Zasada działania cyfrowych ekranowych mono- i stereokomparatorów.

VSD - (videostereodigitizer) - cyfrowy autograf analityczny może pracować jako monokomparator i jako stereokomparator. Pomiar odbywa się na ekranie monitora za pomoca znaczka pomiarowego (sterowanego myszą)

POPOS - dokładność porównywalna z dokładnością stereokomparatorów precyzyjnych rzędu ok. 0,1-0,3 piksela, monitor+odpowiednie oprogramowanie

Pomiar współrzędnych pikselowych - manualny, semiautomatyczny i automatyczny.

Transformacja współrzędnych pikselowych do układu tłowego zdjęcia.

Warunek kolinearności.

Przekształcenie rzutowe płaszczyzny zdjęcia na płaszczyznę terenu.

Warunek komplanarności.

Orientacja wzajemna - układy współrzędnych dla pary zdjęć.

ORIENTACJA WZAJEMNA

Polega na takim umieszczeniu dwu zdjęć stereogramu, jakie miały one względem siebie w momencie ekspozycji. Odległość między środkami rzutów przy projekcji zostaje zmniejszona co wpływa na skalę. Na autografie tak manipulujemy ruchami kątowymi i liniowymi kamer, aby odtworzyć wzajemne położenie zdjęć w przestrzeni.

Przeprowadzenie orientacji wzajemnej wymagane jest w tym przypadku w procesie opracowywania zdjęć, kiedy nieznane są elementy orientacji zewnętrznej. Do wykonania orientacji wzajemnej niepotrzebna jest znajomość żadnych punktów, których wsp. Zostały wyznaczone w terenie

Dokładność orientacji - wartość szczątkowa paralaksy poprzecznej, która nie powinna być większa od połowy średnicy znaczka pomiarowego.

Analityczne ścisłe wyznaczenie elementów orientacji wzajemnej - met Schut'a.

Metodę tę realizuje się gdy układ jest zdefiniowny tu umownie B x r'*r” = 0 pozornym lewym zdjęciem. Początkowo punkty przestrzeni przedmiotowej powinny znajdować się w płaszczyznach rdzennych (komplanarność). Na początku zakładamy tu dla lewego zdjęcia, że ϕ, ω, χ = 0, poprawki dla współrzędnych tłowych x', x” = 0, natomiast poprawki y', y” różnią się znakami, a więc redukują się. Niewiadomymi w równaniu są: b_x, b_z i współrzędne x”, y”, z” będące współrzędnymi promienia rzucającego r”, określonymi pomierzonymi na zdjęciu wsp. x”, y” oraz c_k, ω”, ϕ”, χ”. Dlatego poszukiwanymi niewiadomymi są: b_x, b_z, ω”, ϕ”, χ”.

Kolejność obliczeń (musimy mieć min.5 punktów)

1.Ze znanych lub przyjętych dla pierszego zdjęcia obrotów tworzymy macierz obrotów A i określamy następnie wielkości x_i', y_i', z_i' wsp. wektora r'

2.Wybieramy wartości przyblizone dla drugiego zdjęcia b_y, b_z , ω”, ϕ”, χ”

3.Obliczamy wartości x”, y”, z” za pomocą wartości przybliżonych (w punkcie 2)

4.Obliczamy niewiadome d_χ, d_ϕ, d_ω, d_bx, d_by przez rozwiązanie min 5 równań

5.Obliczenie pierwszej poprawionej macierzy A posługując się elementami obliczonymi w punkcie 4

6.Obliczenie macierzy A = ²A * ¹A. Elementy tej macierzy posłużą do nowych obliczeń jak w punkcie 3

7.Powtarzamy obliczenia od punktu 3 do 6 dopóki d_χ, d_ϕ, d_ω, d_bx, d_by nie staną się dostatecznie małe aby je pominąć

Pięć punktów musi być rozmieszczone jak przy punktach standardowych, ze względu na powierzchnie krytyczne. Gdy mamy więcej niż 5 punktów niewiadome (punkt 4) obliczamy z wyrównaniem. Równania błędów rozwiązujemy metodą najmniejszych kwadratów.

Numeryczna orientacja bezwzględna modelu - metoda przestrzennej transformacji (konforemna, afiniczna) przez podobieństwo.

ORIENTACJA BEZWZGLĘDNA

Elementy orientacji bezwzględnej: przesunięcia  x,  y,  z, kąt obrotu względem układu geodezyjnego, oraz współczynnik zmiany skali m_x, m_y, m_z

Orientacja bezwzględna polega na doprowadzeniu modelu do założonej skali i poziomu, gdyż model uzyskany w wyniku orientacji wzajemnej nie ma skali i ma przypadkową orientację w przestrzeni. Poziomowanie modelu polega na doprowadzeniu do równoległości płaszczyznę XOY autografu do pł. X^GOY^G układu odniesienia. Do skalowania modelu potrzebne są dwa punkty o znanych współrzędnych geodezyjnych. Małe nachylenie pozwala na porównanie rzutów poziomych odcinka. Po zmierzeniu współrzędnych fotogrametrycznych obu końców odcinka, oblicza się współczynnik skali:

gdzie:

l - długość odcinka terenowego wyrażona w odpowiedniej skali

l' = długość odcinka w autografie

m_mod - mianownik skali budowanego modelu

X^G, Y^G - przyrosty współrzędnych w układzie geodezyjnym

X, Y - przyrosty współrzędnych w autografie

Współczynnik skali będzie bliski 1, gdy baza na etapie czynności wstępnych została prawidłowo określona.

Po skalowaniu należy model spoziomować. Nachylenie modelu rozkłada się na dwie składowe: nachylenie podłużne , i poprzeczne . Do wyznaczenie tych kątów, potrzebna jest znajomość minimum trzech punktów o znanych wysokościach geodezyjnych, które powinny tworzyć trójkąt, obejmujący jak największą powierzchnię strereogramu.

Teoretyczne podstawy metod wiązek - model funkcjonalny, właściwości metody.

Budowa modelu metodą wiązek

X' = F₁ (X₀, Y₀, Z₀, X, Y, Z, ω, ϕ, χ, c_k, X'₀)

Y' = F₂ (X₀, Y₀, Z₀, X, Y, Z, ω, ϕ, χ, c_k, Y'₀)

Pomiar wykonuje się w układzie poziomej bazy. Jest to metoda jednoczesnego wyznaczenia wszystkich niewiadomych. Muszą być znane współrzędne punktów. Im dokładniej są wyznaczone, tym maleje liczba iteracji. Wyznaczamy elementy orientacji zewnętrznej X₀, Y₀, Z₀, X, Y, Z, ω, ϕ, χ, bazując na warunku kolinearności. Sieć aerotriangulacyjną budujemy jednocześnie ze wszystkich zdjęć szeregu lub bloku. Dla każdego punktu o pomierzonych współrzędnych tłowych układa się po 2 równania wiążące te wsp. ze wsp. terenowymi danego punktu, który jest odfotografowany na min 2 kolejnych zdjęciach, np. jeśli 1 punkt wiążący odfotografowuje się na 3 kolejnych zdjęciach szeregu to mamy 2*3=6 równań kolinearności i więcej jeśli ten punkt odfotografuje się na zdjęciach z sąsiedniego szeregu.

Analityczne wyznaczenie współrzędnych punktów (elementy orientacji wewnętrznej kamery są traktowane jako bezbłędne)

Trzy rodzaje równań poprawek:

1. Fotopunkty bezbłędne:

Vx' = a₁₁ΔX₀ + a₁₂ΔY₀ + a₁₃ΔZ₀ +a₁₄Δω + a₁₅Δϕ +a₁₆Δχ - Lx'

Vy' = a₂₁ΔX₀ + a₂₂ΔY₀ + a₂₃ΔZ₀ +a₂₄Δω + a₂₅Δϕ +a₂₆Δχ - Ly'

2. Fotopunkty obarczone błędami:

Vx' + a₁₁V_X + a₁₂V_Y + a₁₃V_Z= a₁₁ΔX₀ + a₁₂ΔY₀ + a₁₃ΔZ₀ +a₁₄Δω + a₁₅Δϕ +a₁₆Δχ - Lx'

Vy' + a₂₁V_X + a₂₂V_Y + a₂₃V_Z= a₂₁ΔX₀ + a₂₂ΔY₀ + a₂₃ΔZ₀ +a₂₄Δω + a₂₅Δϕ +a₂₆Δχ - Lx'

3. Punkty wyznaczane:

Vx' = a₁₁ΔX₀ + a₁₂ΔY₀ + a₁₃ΔZ₀ - a₁₁ΔX - a₁₂ΔY - a₁₃ΔZ a₁₄Δω + a₁₅Δϕ +a₁₆Δχ - Lx'

Vy' = a₂₁ΔX₀ + a₂₂ΔY₀ + a₂₃ΔZ₀ - a₂₁ΔX - a₂₂ΔY - a₂₃ΔZ + a₂₄Δω + a₂₅Δϕ +a₂₆Δχ - Ly'

Budowa pojedynczego modelu metodą wiązek - metoda Schmid'a.

Technologiczne aspekty wyrównania aerotriangulacji bloku zdjęć - wielkość i kształt bloku, rozmieszczenie fotopunktów, punktów wiążących, punktów kontrolnych, i punktów wyznaczanych, warunki wyrównania.

Stereogram - para zdjęć umożliwia obserwacje stereoskopowe. Gdy zdjęcia sa silnie zbieżne to nie można wykonywać obserwacji (kąt zbieżności > 15^o)

Aerotriangulacja przestrzenna metodą wiązek.

AEROTRIANGULACJA

Aerotriangulacja - technologia kameralnego zagęszczenia osnowy. Na poziom aerotriangulacji wpływają:

-rodzaj stosowanego sprzętu pomiarowego

-metoda zasadniczego wyrównania

-stosowane metody wyznaczania punktów osnowy polowej

-uwzględnianie dodatkowych obserwacji geodezyjnych.

Właściwe wykonanie aerotriangulacji powinny poprzedzić prace przygotowawcze, definiujące na zdjęciach punkty wiążące i przejściowe, których położenie w zewnętrznym układzie odniesienia zostanie określone w tym zadaniu.

W efekcie finalnym definiuje na każdym stereogramie grupę nowo wyznaczonych punktów, dla których są określone współrzędne terenowe w układzie zdefiniowanym przez grupę punktów osnowy polowej. Jednocześnie wyznaczane są elementy orientacji zewnętrznej zdjęć lub elementy orientacji bezwzględnej modeli w bloku, które mogą być wykorzystywane na etapie rekonstrukcji modeli fotogrametrycznych przed procesem pomiaru NMT. Precyzja wyznaczenia punktów wiążących zależy od:

-konfiguracji i sposobu wykonania zdjęć,

-liczby i lokalizacji punktów osnowy polowej w bloku,

-sygnalizacji punktów osnowy i wyznaczanych,

-dokładności pomiaru terenowego punktów osnowy.

Aerotriangulacja powinna być kontrolowana w oparciu o punkty kontrolne pomierzone w bloku zdjęć w ilości równej 10 % stosowanej liczby punktów osnowy. Punkty te należy wybierać na obrzeżu wyrównanego bloku.

Aerotriangulacja - służy do wyznaczania współrzędnych przestrzennych punktów na drodze analitycznej lub analityczno - numerycznej na podstawie pomierzonych na zdjęciu współrzędnych tłowych. Punkty te będą punktami zagęszczenia osnowy III klasy lub osnowy pomiarowej. Jednocześnie służy do wyznaczenia punktów dowiązania w procesie orientacji bezwzględnej modelu. Punkty nowowyznaczane po rozwiązaniu aerotriangulacji staja się fotopunktami wykorzystywanymi w procesie opracowania zdjęć na autografach.

Na podstawie pojedynczego zdjęcia

a)2D opracowanie

-mierzymy współrzędne tłowe (x', y')

-na ich podstawie i fotopunktów (min.4) wyznaczamy współrzędne X, Y w terenie

b)3D opracowanie, np. aerotriangulacja

-co najmniej 2 zdjęcia

-mierzymy na nich x', y', x”, y”

-musimy tez mieć min. 3 fotopunkty, otrzymujemy X, Y terenowe (geodezyjne)

Cechy metody wiązek:

-istnieje możliwość dołączenia obserwacji geodezyjnych (np. pomierzonych długości między fotopunktami, obserwacji różnic wysokości, pomierzone azymuty, pomierzone kierunki) co czyni układ równań lepiej rozwiązywalnym,

-można przyjąć do wyrównania obserwacje fikcyjne, np. obserwacje zbiornika wodnego - przyjmujemy, że powierzchnia wody jest w każdym punkcie taka sama

-możemy tez wprowadzić dodatkowe parametry opisujące błędy systematyczne zdjęcia (dystorsja radialna, tangencjalna, deformacja negatywu).

Minusy:

-problem nieliniowości (trzeba linearyzować równania poprawek)

-wymaga pracochłonnych metod obliczeń wartości przyblizonych dla wszystkich niewiadomych

-stanowi rozwiązanie przestrzenne, a więc nie jest możliwe rozdzielenie wyrównania sytuacyjnego i wysokościowego

Plusy:

-najdokładniejsza metoda rozwiązania aerotriangulacji dzięki temu, że zachodzi bezposredni związek miedzy współrzędnymi zdjęcia a współrzędnymi geodezyjnymi, wyrównanie przez równanie kolinearności

-jestmożliwość wprowadzenia dodatkowych obserwacji geodezyjnych

-możliwość wprowadzenia obserwacji GPS dla EOZ

-wprowadzenie obserwacji fikcyjnych

-możemy tez wprowadzić dodatkowe parametry opisujące błędy systematyczne zdjęcia

-pozwala wyznaczyć obraz rastrowy dla autografów analitycznych i cyfrowych

-pozwala rozwiązać zdjęcia o niekonwekcjonalnych orientacjach

Autografy analityczne - budowa i zasada działania.

Autografy cyfrowe - konfiguracja i zasada działania.

Oprogramowanie narzędziowe i aplikacyjne w autografach analitycznych i cyfrowych.

Analityczna etapowa orientacja pary zdjęć (budowa pojedynczego modelu) w autografie VSD.

Numeryczny Model Terenu (DTM) - definicja, rodzaje, struktura.

NUMERYCZNY MODEL TERENU - jest numeryczną, punktową reprezentacją wysokości topograficznej powierzchni terenu, wraz z algorytmem interpolacyjnym umożliwiającym odtworzenie jej kształtu w określonym obszarze. Zwykle NMT jest reprezentowany przez punkty, rozłożone regularnie lub nieregularnie na powierzchni terenu i uzupełnione dodatkowo punktami opisującymi morfologiczne formy terenu.

Punkty mogą być uporządkowane w jednej z dwóch struktur:

-TIN - nieregularna sieć trójkątów wraz z topologią. Wierzchołki trójkątów opierają się na punktach pomiarowych

-Regularna sieć uzupełniona o punkty reprezentujące formy terenowe, takie jak:

a)linie szkieletowe - grzbiety, cieki

b)linie nieciągłości - skarpy, urwiska

c)powierzchnie wyłączeń - wody, budynki

d)ekstremalne pikiety - wierzchołki, dna

Dane źródłowe do generowania NMT można uzyskać wykorzystując:

-bezpośredni pomiar terenowy

-technologia kartograficzna

-technologia fotogrametryczna, a w tym:

a)opracowanie autogrametryczne

b)opracowanie cyfrowe

c)lotniczy skaner laserowy

d)opracowanie zdjęć i obrazów satelitarnych.

Dokładność

błąd średni wysokości wyinterpolowanej z wynikowego NMT, który składa się z :

-błędów danych pomiarowych

-wielkość oczka siatki determinująca reprezentatywność powierzchni terenu przez węzły siatki NMT

-czynnik opisujący charakter terenu

Przyjmuje się:

a = 0,004 - 0,007 dla terenów łatwych

a = 0,010 - 0,020 dla terenów średnich

a = 0,022 - 0,044 dla terenów trudnych

Teoretyczne podstawy ortofotografii.

Ortofotomapa cyfrowa - definicja.

ORTOFOTOMAPA

Ortofotografia - zdjęcie, którego płaszczyzna projekcji jest równoległa do płaszczyzny odniesienia, a wszystkie promienie są prostopadłe do tych dwóch płaszczyzn. Odległości mierzone na takim zdjęciu są poprawne, niezależnie od różnic wysokości.

Wykonanie ortofotomapy polega na:

-skanowaniu zdjęcie

-odtworzeniu orientacji zewnętrznej zdjęć

-pomierzeniu NMT

-przetworzeniu cyfrowym zdjęć - generowanie ortofotografii

-mozaikowaniu ortofotografii

-redakcji ortofotomapy

-dystrybucji produktu finalnego

Ortorektyfikacja obrazów cyfrowych - podstawy teoretyczne, wymagane dane, przebieg.

Do opracowania stereoskopowego zdjęć, elementami kątowymi są:

• kąt nachylenia ν (kąt między osią zdjęcia, a linią pionu) przedstawiony jest w postaci dwóch kątów składowych:

- kąt nachylenia podłużnego ϕ wokół osi Y

- kąt nachylenia poprzecznego ω wokół osi X.

• kąt skręcenia zdjęcia (kąt zawarty między główną pionową zdjęcia a jedną z osi tłowych

• kąt kierunkowy α głównej płaszczyzny pionowej zdjęcia (kąt zawarty między osią X a krawędzią przecięcia głównej płaszczyzny pionowej z płaszczyzną xy.

Taki układ definiowany jest przez środek rzutów lewego zdjęcia i kierunek łączący środki rzutów dwóch sąsiednich zdjęć.

Związki między elementami:

tg ϕ = sinα tgν

tg ω = cosα tgν

---