FOTOGRAMETRIA I JEJ KIERUNKI

Fotogrametria to nauka i technologia pozyskiwania wiarygodnych informacji o fizycznych obiektach i środowisku w wyniku rejestracji, pomiar interpretacji zdjęć fotograficznych, obrazów utrwalonych dzięki emisji energii elekromagnetycznej oraz w inny sposób. Jest to określanie położenia, wymiarów i kształtu obiektów przestrzennych na podstawie ich obrazów fotograficznych i cyfrowych. Photos-światło, gramma-zapis, metro-pomiar

Dzieli się na:

naziemną (terrofotogrametria): jednoobrazową i dwuobrazową

lotniczą (aerofotogrametria): jednoobrazową (płaską) i dwuobrazową (przestrzenną)

satelitarną

Metody opracowań: analogowe, analityczne, cyfrowe.

Fotogrametria wynaleziona w 1859 roku przez A.Laussedeta rozwijała się przez ostatnie 140 lat. W tym czasie przeszła ona przez fazę fotogrametrii stolikowej, analogowej, analitycznej wkraczając ostatnio w fazę fotogrametrii cyfrowej.

Tradycyjnym i największym obszarem zastosowania fotogrametrii jest pozyskiwanie informacji topograficznych (np. map topograficznych) ze zdjęć lotniczych. Techniki fotogrametryczne stosuje się również do przetwarzania obrazów satelitarnych, a także pozyskania topograficznej lub metrycznej informacji o obiektach fotografowanych z bliskiej odległości.

Przed wynalezieniem samolotu do odtworzenia zależności między obiekta­mi wykorzystywano pomiary geometryczne wykonywane na fotografiach nazie­mnych. Był to okres tzw. fotogrametrii stolikowej.

W okresie fotogrametrii analogowej, rozpoczętej w roku 1901 wprowadze­niem pomiarów stereoskopowych, stosowano instrumenty optyczne i mechani­czne do rekonstrukcji trójwymiarowej geometrii z dwóch nakładających się fotografii. Mapy topograficzne były głównym produktem tego okresu.

W okresie fotogrametrii analitycznej komputer wypiera niektóre z drogich optycznych i mechanicznych komponentów zastępując pomiary analogowe i obliczenia operacjami matematycznymi. Powstające urządzenia to hybrydy analogowo-cyfrowe. Głównymi osiągnięciami tego etapu rozwoju fotogrametrii są aerotriangulacja analityczna, autografy analityczne i projektory ortofotograficzne. Wynikiem fotogrametrii analitycznej są nie tylko mapy topograficzne lecz również produkty cyfrowe takie jak mapy numeryczne i numeryczne modele te renu (NMT).

Fotogrametria cyfrowa to fotogrametria stosowana do analizy obrazów cyfrowych gromadzonych i przetwarzanych na komputerze. Obrazy cyfrowe mogą powstać w wyniku skanowania fotografii lub mogą być pozyskiwane przez kamery cyfrowe. Wiele zadań fotogrametrycznych może być wysoce zautomatyzowana (np. automatyczne generowanie NMT i tworzenie ortofotomap). Fotogrametria cyfrowa bywa czasami określana angielskim terminem softcopy photogrammetry. Jej produktami są mapy numeryczne, NMT i cyfrowe ortofotomapy przechowywane na komputerowych nośnikach informacji. Użytkownik może w łatwy sposób gromadzić te dane, zarządzać nimi i wykorzystywać do różnych celów. Rozwój fotogrametrii cyfrowej sprawił, że techniki fotogrametryczne są ściślej zintegrowane z teledetekcją i GIS.

Schemat procesu fotogrametrycznego obejmuje trzy główne etapy: pozyski­wanie obrazu, przetworzenie fotogrametryczne i opracowanie produktu.

Pozyskiwanie obrazu:

1. film z kamery lotniczej, obrazy cyfrowe z satelitów

2. wstępne przetwarzanie obrazów, skanowanie filmu lotniczego, impart obrazów cyfrowych

Przetwarzanie fotogrametryczne:

1. triangulacja

2. tworzenie stereopar

3. generowanie modeli wysokości

4. 1.ortorektyfikacja

5. 2.wydzielanie obiektów kartograficznych

Produkt końcowy:

1. 1.ortobazy

2. 1.ortofotomapy

1. 2.baza danych topograficznych

2. 2.mapy topograficzne

PODSTAWY TEORII ŚWIATŁA

Fizyczna natura światła

Światło składa się z pojedynczych cząsteczek wysyłanych przez źródło światła i rozchodzi się w przestrzeni po liniach prostych. Newton.

Światło ma naturę falową.

Widmo fal elektromagnetycznych

Rodzaj promieniowania zakres długości fali

Promieniowanie gamma poniżej 10^-11

Promieniowanie x 10^-11-10^-8

Promieniowanie ultrafioletowe 10^-8 - 4*10^-7

Promieniowanie widzialne 4*10(-7)-7*10(-7)

Niebieski 4*10(-7)-5*10(-7)

Zielony 5*10(-7)-6*10(-7)

Czerwony 6*10(-7)-7*10(-7)

Bliska podczerwień 7*10(-7)-1,5*10(-6)

Środkowa i daleka podczerwień 1,5*10(-6)-10(2)

Kąt bryłowy to stosunek elementu powierzchni kuli do kwadratu promienia kuli.

Ω=σ/r²

Moc widzianej części promieniowania emitowana do pewnego kąta bryłowego nazywamy strumieniem świetlnym Φ. Jeżeli źródło wysyła światło o długości fali 555nm i mocy 1W to strumień wynosi 683 lumeny.

Oświetlenie

E_s=ΔΦΔ/ΔS lx(luks)=1lm/1m2

Światłość to stosunek strumienia świetlnego do kąta bryłowego

I=ΔΦ/ΔΩ kandela 1cd=1lm/1sr

PRZEKSZTAŁCENIA AFINICZNE NA PŁASZCYŻNIE

Transformację afiniczna. Jest to nieco zmodyfikowana dwuwymiarowa transformacja konforemna, włączająca dla kierunków x i y różne współczynniki skalowe. Mimo że nie zachowuje ona kształtu, linie równoległe po tej transformacji pozostają równoległe. Oprócz poprawienia skurczu za pomocą współczynników skalowych, transformacja afiniczną wprowadza również przesunięcie początku układu współrzędnych z układu współrzędnych komparatora x,, y, do układu współrzędnych zdjęcia x, y oraz stosuje obrót o kąt skręcenia obydwu układów:

x=a₁+a₂x_s+a₃y_s

y=b₁+b₂x_s+b₃y_s

Podobnie jak w dwuwymiarowej transformacji wiernokątnej, obliczenia w trans­formacji afinicznej wykonuje się dwuetapowo:

1) określa się współczynniki a i b wykorzystując punkty, które znane są w oby­dwu układach;

2) przelicza się wszystkie punkty z układu x_s, y_s, na układ x y, wykorzystując obliczone współczynniki. W celu wprowadzenia poprawek można napisać dwa równania dla każdego znaczka tłowego, czyli dla czterech znaczków tłowych cztery równania dla współrzędnej x i cztery dla współrzędnej y. Do określe­nia współczynników a potrzeba tylko trzech równań dla współrzędnej x, podobnie jak do wyznaczenia współczynników b wystarczą trzy równania dla współrzędnej y. Dlatego równoczesne rozwiązanie tych równań metodą najmniejszych kwadratów zwiększa dokładność wyznaczonych niewiadomych.

Godnym polecenia sposobem eliminacji wpływu deformacji filmu jest sposób oparty na wykorzystaniu wielomianów. Wymaga on jednak określenia odpowiedniej funkcji wielomianowej, której postać odpowiada charakterowi zniekształceń filmu. Ustalenie tego charakteru jest kłopotliwe, gdyż w kamerach nie posiadających płyty „reseau" przed i po każdym nalocie niezbędne jest wykonanie kilku zdjęć nad polem testowym, które pozwolą w danych warunkach na ustalenie wartości średniej deformacji filmu fotograficznego.

Określona w procesie kalibracji kamery dystorsja radialna obiektywu przed­stawiona na wykiesie może być również uwzględniona w czasie przy­gotowania danych do rozwiązania zadania. Istnieją różne sposoby wprowadzenia poprawek z tego tytułu do współrzędnych tłowych. Można np. w postaci tabela­rycznej przedstawić poprawki do współrzędnych tłowych dla całej powierzchni zdjęcia w przyjętym interwale co l mm. Jest to konieczne wtedy, gdy trzeba uwzględ­nić dystorsję asymetryczną. Wymaga to jednak zablokowania dość znacznej po­jemności pamięci maszyny. Dlatego, jeśli mamy do czynienia z dystorsją symetryczną, słuszniejsze wydaje się obliczenie dla każdego punktu poprawek do współrzędnych na podstawie znanych wartości dystorsji radialnej Δr oraz promieni radialnych r.

Promienie radialne można obliczać dla każdego punktu ze współrzędnych tłowych każdego zdjęcia, np. zdjęcia lewego i dla zdjęcia prawego

r'=pierw(x'²+y'²) i r''=

Wartość dystorsji Δr ujęta w tabeli lub też dana w postaci matematycznej posłuży do obliczenia wartości poprawek Δr' dla lewego zdjęcia oraz Δr" dla prawego zdjęcia, a następnie do obliczenia poprawionych współrzędnych tłowych. Zależności po­między dystorsją a poprawkami do współrzędnych są następujące:

Δr/r=Δx/x=Δy/y

Przedstawione współrzędne tłowe x, y można obliczyć z wzorów:

x- = x' - Δx' = x' - Δr'x'/r' = x' (l - Δr'/r')

y- = y' - Δy' = y' - Δr'y'/r' = y' (l - Δr'/r')

i podobnie dla zdjęcia prawego, korzystając z Δr" oraz r".

Przekształcenie afiniczne

Najobszerniejszą podgrupą przekształceń rzutowych są przekształcenia afinicz­ne. Przekształcają one proste i płaszczyzny właściwe na proste i płaszczyzny właściwe, a proste i płaszczyzny niewłaściwe na siebie. Niemniej kąty mogą ulegać zmianom i mogą być wprowadzane zmiany skali. Wzór ogólny na przekształcenie rzutowe będzie można wykorzystać do przekształcenia afinicznego, jeśli zostaną nałożone następujące warunki:

— dla punktów niewłaściwych ρy₄ = a₄₁x₁+ a₄₂x₂+ a₄₃x₃+ a₄₄x₄ (jest speł­niony wtedy gdy a₄₁ = a₄₂ = a₄₃ = a₄₄ = 0),

— dla punktów właściwych ρy₄ = a₄₄x₄

Nakładając ten ostatni warunek na równania i postępując z nimi podobnie jak przy wyprowadzaniu wzorów na przekształcenie przestrzeni punktów właściwych, a ponadto uwzględniając wektor przesunięcia układów Ao, otrzymuje się wzory, które w ogólnym zapisie mają postać

x' = A_ijx + A_o

przy czym det A_ij ≠ O

Transformacja afiniczna w przestrzeni trójwymiarowej zawiera dwanaście stopni swobody : dziesięć elementów macierzy A_ij (nazywane przekształceniem liniowym) i trzy elementy macierzy Ao (tzw. wektor przesunięcia równoległego, czyli inaczej translacji).

Elementy macierzy A_ij zawierają w sobie obrót swobodny dwóch ukośnokątnych układów rozmiary skali w dowolnych kierunkach. Interpretacja elementów macierzy A_ij jest zależna od przyjmowanych założeń wyj­ściowych. Na przykład kiedy współrzędne par punktów homologicznych podane są w układach kartezjańskich prostokątnych (Oxyz i O'x'y'z' — założenie ortogonalności układów) i zmiana skali dopuszczona jest tylko w kierunku osi jednego z tych układów, to przekształcenie afiniczne można zapisać:

x' =_(a₁₁ x+a₁₂ y+a₁₃ z)+a₁₄

y'=_(a₂₁x+a₂₂ y+a₂₃ z) +a₂₄

z'=₃(a₃₁x+a₃₂ y+a₃₃ z)+a₃₄

gdzie _, _, _,- współczynniki zmiany skali pomiędzy układami w kierunku osi układu O' x' y' z'

a_ij — elementy macierzy ortogonalnej A_ij czyli Ia_ijI = 1, nazywanej macierzą obrotu sztywnego.

Geometryczną interpretacją przekształcenia afinicznego jest rzut równoległy, który jest tym przypadkiem rzutu środkowego, w którym środek rzutu jest punktem niewłaściwym.

UKŁADY WSÓŁRZEDNYCH W FOTOGRAMETRII

Międzynar. Tow. Fotogr. zaleciło stosowanie jednolitego systemu współrzędnych w opracowa­niach fotogrametrycznych. W systemie tym wyróżniono następujące układy współrzędnych przestrzen­nych: układ współrzędnych terenowych, lokalny układ współrzędnych fotogrametrycznych, przestrzenny układ współrzędnych zdjęcia.

Układ współrzędnych terenowych (X, Y, Z) definiuje się w przestrzeni przedmiotowej jako prawoskrętny układ ortogonalny. Definicji tej nie spełniają najczęściej układy współrzędnych geodezyjnych, dlatego też istnieją trudności z bezpośrednim ich wykorzystaniem w opracowaniach fotogrametrycznych. Zazwyczaj oś X 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. Dlatego układu współrzędnych ustalono, że osią pierwszą jest oś X, drugą oś Y, natomiast dla osi Z przyjęto dodatni kierunek zwrotu do góry. W układzie terenowym przedstawiane są ostateczne rezultaty opracowa­nia fotogrametrycznego. Jest to możliwe przy znajomości współrzędnych 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 zdjęcia (Xs, Ys, Zs) oraz trzy kąty wyrażające nachylenia osi układu przestrzennego zdjęcia względem osi układu terenowego (ϕ, φ, χ).

Układ współrzędnych fotogrametrycznych. W wielu opracowaniach wyznaczanie współrzędnych punktów w układzie terenowym realizuje się dwuetapowo. W pierwszym etapie określa się współ­rzędne punktów w układzie lokalnym dla pojedynczego stereogramu lub sze­regu zdjęć. Takie postępowanie umożliwia rekonstrukcję geometryczną opra­cowywanego terenu lub obiektu na drodze spełnienia tylko wzajemnych relacji między zdjęciami. W rezultacie powstaje model podobny do obiektu (w posta­ci dyskretnej) bez dokładnej znajomości jego skali oraz orientacji przestrzen­nej. Drugi etap tego typu opracowania to transformacja przestrzenna współrzędnych punktów z układu fotogrametrycznego do układu terenowego. Ze względu na sposób budowy modelu obiektu na pierwszym etapie transforma­cja przestrzenna ma charakter transformacji przez podobieństwo. Wewnętrzne zależności pomiędzy wiązkami służącymi do rekonstrukcji modelu określa pięć niezależnych elementów orientacji zewnętrznej zdjęć spośród dwunastu (trzy współrzędne środka rzutów i trzy kąty obrotu dla każdego zdjęcia). Praktycznie wyróżnia się dwa zespoły parametrów definiujących orientację wzajemną zdjęć: 1) kąty obrotu wiązek z przyjęciem nachylenia poprzecznego zdjęcia lewe­go za zerowe, 2) orientację zewnętrzną drugiego zdjęcia wyrażoną w układzie przestrzennym zdjęcia pierwszego z pominięciem współrzędnej X środka rzutów drugie­go zdjęcia; wartość tej współrzędnej wpływa jedynie na skalę odtwarzanego modelu.

Przestrzenny układ współrzędnych zdjęcia. Podstawowymi danymi pełniącymi rolę obserwacji w rozwiązaniu anality­cznym są współrzędne tłowe. Wielkości te są określane w wyniku pomiaru na zdjęciach przy użyciu specjalnych instrumentów fotogrametrycznych zwanych monokomparatorami lub stereokomparatorami. Celem takiego pomiaru jest rekonstrukcja wiązki promieni rzutujących danego zobrazowania. Określenie współrzędnych punktów jest realizowane w płaskim ortogonalnym układzie na zdjęciu, zwanym układem tłowym. Za początek układu tłowego przyjmuje się punkt główny zdjęcia (tj. rzut ortogonalny środka rzutów na płaszczyznę tłową zdjęcia). Dla zdjęć lotniczych oś x układu tłowego ma kierunek równoległy do osi szeregu zdjęć. W przypadku obserwacji stereoskopowych oś ta jest zdefinio­wana przez środki rzutów zdjęć tworzących stereogram. Dla zdjęć naziemnych oś x układu tłowego przechodzi przez znaczki tłowe fotogramu. Rekonstrukcja wiązki, która jest pierw­szym etapem opracowań analitycznych wymaga przyjęcia układu przestrzennego pozwalającego na matematyczny zapis zaobserwowanych promieni. Warunek ten jest spełniony przez przestrzenny układ współrzędnych zdjęcia zdefiniowany w spo­sób następujący:

- początek układu stanowi środek rzutów zdjęcia,

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

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

KAMERY LOTNICZE

Współczesna lotnicza kamera pomiarowa jest złożonym aparatem fotograficznym o znacznym stopniu zautomatyzowania i przystosowania do pracy w różnych warunkach. Kamera taka składa się z następujących podstawowych zespołów: korpusu, kasety, stożka obiektywowego, podwieszenia, urządzenia sterującego pracą kamery.

Korpus kamery stanowi podstawę dla kasety i umożliwia umieszczenie kamery na podwieszeniu łączącym ją z podłogą samolotu. Stanowi on me­chaniczną i termiczną osłonę dla stożka obiektywowego umieszczonego we­wnątrz. W korpusie znajduje się silnik elektryczny napędzający mechanizmy kamery, tu również jest umieszczony mechanizm migawki oraz blok wskaźni­ków rejestrujących dane dotyczące wykonywanego zdjęcia. W dolnej części korpusu jest otwór obiektywowy, który może być przesłonięty filtrami.

Wewnątrz korpusu znajduje się najważniejszy zespół kamery, jakim jest stożek obiektywowy. Zwykle stożek stanowi całość z korpusem, może być jednak wymienialny. W dolnej części stożka znajduje się obiektyw z wbudowaną między soczewkami migawką centralną i przysłoną, górną część stanowi ramka tłowa tworząca z obiekty­wem sztywną całość. Ramka tłowa określa format zdjęcia, na jej brzegu znaj­dują się znaczki tłowe, materializujące układ współrzędnych tłowych zdjęcia, a także wskaźniki, takie jak: numer kamery, numer kolejny zdjęcia, odległość obrazu, wysokościomierz, zegar, libella pudełkowa, ewentualnie szary klin i inne. Znaczki tłowe i wskaźniki w momen­cie ekspozycji są sztucznie podświetlane i przez układy optyczne rzutowane na przylegający do ramki materiał światłoczuły.

Materiał światłoczuły we współczesnych kamerach lotniczych stanowi film zwojowy (dawniej również płyty szklane). Film ten znajduje się w kase­cie kamery. Układ rolek podających, odmierzających i odbierających, napędzanych silnikiem z korpusu kamery, automatycznie przewija pożądany odcinek filmu między kolejnymi ekspozycjami. Ze względu na jakość geome­tryczną uzyskiwanych zdjęć ważne jest, aby w momencie ekspozycji film stanowił płaszczyznę przylegającą do ramki tłowej. Zapewnia to system wy­równywania filmu znajdujący się w kasecie. Istnieją różne sposoby wypłaszczania filmu. Przeważa sposób pneumatyczny, polegający na przyssaniu filmu do płyty, a następnie mechanicznym przyciśnięciu jej do ramki tłowej. Film jest przysysany przez małe otworki w płycie połączone z pompą próżniową lub specjalnie ukształtowaną dyszą umieszczoną na zewnątrz kabiny samolotu (tzw. dysza Yenturiego). Inny sposób wyrównywania filmu to przyciśnięcie go do płyty szklanej umieszczonej w płaszczyźnie ramki tłowej. Płyta taka optycznie stanowi skła­dową część obiektywu. Zwykle jest na niej wytrawiona bardzo precyzyjna siatka kwadratów zwana siatką reseau. Siatka ta odfotografuje się na zdjęciu i może służyć do określenia lokalnych deformacji materiału świat­łoczułego uwzględnianych przy precyzyjnych opracowaniach. Kasetę charakte­ryzuje ważny parametr, jakim jest jej cykl pracy. Na cykl ten składają się takie operacje, jak: odciągnięcie płyty dociskającej film od ramki tłowej, wyrównanie ciśnień, przewinięcie filmu, przyssanie filmu do płyty, dociśnięcie filmu do ramki tłowej, naciągnięcie i wyzwolenie migawki. Kamera wykonuje zdjęcia przez otwór w podłodze samolotu. Z podłogą połączona jest przez podwieszenie. Podwieszenie kamery przez układ amortyzatorów gumowo-sprężynowych łagodzi wibracje samolotu przenoszone na korpus. Ponadto konstrukcja podwieszenia pozwala nachylać kamerę wokół dwóch wzajemnie prostopadłych osi i obracać ją w płaszczyźnie poziomej. Umożliwia to przybliżone spoziomowanie kamery oraz nadanie jej pożądanej orientacji względem kierunku lotu.

Urządzenie sterujące pracą kamery reguluje współdziałanie poszczegól­nych jej mechanizmów. Pozwala m.in. na nastawienie czasu ekspozycji, przy­słony i pokrycia podłużnego zdjęć. W zestaw tego urządzenia wchodzi zwykle luneta sprzężona z korpusem kamery, przez którą operator kamery może ob­serwować powierzchnię fotografowanego terenu. Kamera lotnicza wykonuje zdjęcia w ruchu, stąd, aby uniknąć poruszenia zdjęcia, czas naświetlania musi być względnie krótki. W kamerach pomiarowych stosuje się wyłącznie migawki centralne nie powodujące zniekształceń geo­metrycznych obrazu (w przeciwieństwie do migawek szczelinowych, które nie naświetlając całego obrazu równocześnie, powodują zdeformowanie porusza­jącego się w czasie ekspozycji obrazu powierzchni ziemi). Migawka jest zwy­kle wbudowana w obiektyw, w miejscu największego zwężenia wiązki pro­mieni świetlnych. Składa się z kilku cienkich blaszek odchylanych mechaniz­mem sprężynowym na czas ekspozycji. Takie migawki pozwalają uzyskać najkrótszy czas naświetlania rzędu 1/250 s. Obecnie przy wykonywaniu zdjęć lotniczych w dużych skalach konieczne są czasy krótsze. W tym celu skon­struowano specjalne migawki centralne typu rotacyjnego. Migawka taka składa się z kilku współosiowo wirujących tarcz z wycięciami. Prędkości obrotowe tarcz są różne. Naświetlenie następuje tylko wtedy, gdy wszystkie wycięcia znajdują się na osi obiektywu i jest odsłonięta dodatkowa blaszka uruchamia­na mechanizmem sprężynowym. Migawki rotacyjne mają dużą sprawność świetlną i pozwalają uzyskiwać czasy naświetlania do 1/1000 s.

Istnieje znaczna różnorodność współcześnie produkowanych lotniczych kamer pomiarowych. Ze względu na walory użytkowe, najważniejszymi para­metrami kamery są - jej format negatywu i odległość obrazowa - określające kąt rozwarcia obiektywu. Dominują­cy jest obecnie format 23x23 cm, rzadziej, wychodzący z użycia format 18x18 cm. Ze względu na kąt rozwarcia obiektywu wyróżnia się kamery normalnokątne o kącie rozwarcia około 60°, szerokokątne o rozwarciu 90° i nadszerokokątne o rozwarciu 120°.

Typowe odległości obrazu dla obu podstawowych formatów są następujące:

Ck (23x23 cm) (18x18 cm)

Kamery normalnokątne 300 mm 210 mm

Kamery szerokokątne 152 mm 115 mm

Kamery nadszerokokątne 88 mm 70 mm

Z rozwarciem obiektywu wiąże się fotografowana powierzchnia. Z tej samej wysokości kamera szerokokątna obejmuje powierzchnię około 4 razy większą, a nadszerokokątna aż 12 razy większą niż kamera normalnokątna.

Zależność zasięgu zdjęcia od odległości obrazowej kamery

Z wyboru kąta rozwarcia obiektywu wiąże się problem tzw. martwych pól i stosunku bazowego. Martwe pola są fragmentami terenu zasłoniętymi przez przeszkody. Wielkości tych pól - niemożliwych do opracowa­nia metodami fotogrametrycznymi - zależą od wysokości przeszkody i kąta rozwarcia obiektywu.

Tworzenie się „martwych pól" na zdjęciu

Stosunek bazowy to stosunek długości bazy (tj. odległości sąsied­nich miejsc fotografowania) do wysokości lotu. Sąsiednie dwa zdjęcia (często mówimy „fotogramy") tworzą stereogram pozwalający przestrzennie ujrzeć i opracować teren odfotografowany zarówno na jednym, jak i na drugim zdjęciu. Dokładność określenia wysokości punktów terenowych jest wprost pro­porcjonalna do tego stosunku. Oznacza to, że dokładność określenia wysokoś­ci na podstawie zdjęć nadszerokokątnych, będzie większa niż na podstawie zdjęć normalnokątnych w tej samej skali. Reasumując, widać, że np. płaskie, odkryte tereny rolnicze należy fotogra­fować kamerą szeroko- czy nadszerokokątną, a tereny miejskie, o zwartej wysokiej zabudowie, podobnie jak tereny górskie — kamerą normalnokątną.

ZDJĘCIE LOTNICZE.ORIENTACJA WEWNĘTRZNA.

Określenie zdjęcie lotnicze oznacza fotogrametryczne lotnicze zdjęcie pomiarowe. Dotyczy ono zarówno negatywu jak i pozytywu. W zależności od położenia osi optycznej kamery lotniczej w momencie ekspozycji w stosunku do linii pionu przechodzącej przez przedni punkt główny obiektywu zdjęci lotnicze dzielimy na: zdjęci poziome lub prawie poziome, które charakteryzują się odchyleniem osi optycznej od linii pionu nie większym niż 3stopnie. Stosowane są do opracowania map topograficznych i inżynieryjno-gospodarczych, zdjęcia ukośne (nachylone i perspektywiczne), które charakteryzują się kątem nachylenia większym niż 3 stopnie. Zdjęcia nachylone mają kąt mniejszy niż 45 stopni, a perspektywiczne kąt większy niż 45 stopni. Zdjęcia ukośne obejmują znacznie większy obszar terenu niż zdjęcia poziome. Zdjęcia perspektywiczne stosowane są do celów przeglądowych i rozpoznawczych.

Zdjęcia lotnicze wykonane w celu opracowania mapy danego obszaru nazywane są zespołem zdjęć. W czasie jednego przelotu samolotu nad terenem przeznaczonym do sfotografowania kamera wykonuje w określonych odstępach czasu serię (szereg) zdjęć. Ponieważ jeden szereg zdjęć obejmuje pas terenu wzdłuż trasy lotu o szerokości równej bokowi kliszy w skali fotografowania, to w zależności od wielkości obiektu i skali zdjęć trzeba wykonać jeden, dwa lub więcej równoległych szeregów. Tak więc zespół zdjęć może się składać nawet z dużej liczby szeregów. Na przykład przy skali zdjęć 1:10 000, wyko­nanych kamerą o formacie 23 cm, zostanie sfotografowany dla jednego szeregu pas terenu o szerokości 10000 • 23 cm = 2300 m. Żeby między sąsiednimi zdjęciami w szeregu czy między szeregami nie było luk, zdjęcia są wykonywane tak, aby część obszaru odwzorowana na jednym zdjęciu była również odwzorowana na zdjęciach sąsiednich (zdjęcia muszą się pokrywać). Pokrywanie się zdjęć sąsiednich w jednym szeregu nazywane jest pokryciem w szeregu lub pokryciem podłużnym (p), zaś pokrywanie się zdjęć sąsiednich szeregów nazywane jest pokryciem w zespole lub pokryciem poprzecznym (d). Przy pokryciu n% odstęp między zdjęciami sąsiednimi wyniesie (100 - n)% boku kliszy. Na przykład przy pokryciu w szeregu wynoszącym 60% i formacie zdjęcia 23x23 cm odstęp między zdjęciami (baza fotografowania) wyniesie b = (100-60) • 23 cm = 0,40- 23cm = 9,2 cm. Przy skali zdjęć m = 10000 baza ta w rzeczywistości wyniesie B = 10000 •9,2cm = 920m. Będzie to odstęp, w jakim zostaną wykonane kolejne zdjęcia podczas przelotu samolotu nad terenem. Do opracowań stereoskopowych cały teren (obszar) jest fotografowany na parach zdjęć, czyli zdjęcia muszą mieć pokrycie podłużne wynoszące co najmniej 50%. W praktyce stosuje się najczęściej pokrycie podłużne około 60% oraz pokrycie poprzeczne około 30%. Do opracowań jednoobrazowych przyjmuje się p równe ok. 20%.

Orientacja wewnętrzna zdjęć. Elementy orientacji wewnetrznej pozwalają na odtworzenie wiązki promieni rzucających. Są to elementy liniowe określające położenie środka rzutów S w stosunku do płaszczyzny obrazowej. Elementami orientacji wewnętrznej zdjęcia są: odległość obrazowa kamery fotogrametrycznej oznaczona symbolem F lub Ck ( f= Ck ), współrzędne punktu głównego zdjęcia o (x ,y ) stanowiącego rzut prostokątny środka rzutów S na płaszczyznę obrazową. Punkt główny zdjęcia o jest punktem wyznaczonym przez przecięcie łącznic łączących przeciwległe znaczki tłowe zdjęcia fotogrametrycznego. Płaszczyzna obrazowa zwana jest również płaszczyzną tłową , a układ współrzędnych - prostokątnym. Zdjęcia układem współrzędnych tłowych. Rzut środkowy zmienia się ze zmianą położenia środka rzutów S i przedmiotów względem płaszczyzny tłowej. To właśnie położenie środka rzutów S względem płaszczyzny tłowej określają elementy orientacji wewnętrznej zdjęcia. Dla zdjęć fotogrametrycznych gdy odległość fotografowana jest na tyle duża , że obraz powstaje w płaszczyznie ogniskowej , odległość środka rzutów od płaszczyzny tłowej jest równa ogniskowej kamery. Położenie punktu głównego określone jest w lokalnym systemie współrzędnych zdjęcia , zwanym współrzędnych tłowych, które wyznaczają znaczki tłowe umieszczone w płaszczyznie tłowej kamery pomiarowej. Znaczki tłowe są umieszczone zazwyczaj pośrodku na przeciwległych bokach zdjęcia i odwzorowując się na każdym zdjęciu wyznaczają w ten sposób osie układu współrzędnych tłowych.

GEOMETRYCZNE I RADIOMETRYCZNE ZNIEKSZTAŁCENIA OBRAZU

Związki matematyczne wykorzystywane w fotogrametrii, a konsekwentnie i konstrukcje optyczno-mechaniczne analogowych urządzeń pomiarowych bazują na założeniu, że zdjęcie pomiarowe jest - z geometrycznego punk­tu widzenia - rzutem środkowym przestrzennego obiektu na płaszczyznę. W praktyce to założenie jest spełnione tylko z pewnym przybliżeniem. Do czynników zniekształcających geometrię zdjęcia można zaliczyć: dystorsję obiektywu, deformację podłoża emulsji fotograficznej, wpływ niepłaskości emulsji fotograficznej, wpływ refrakcji atmosferycznej. Pomiar fotogrametryczny sprowadza się zwykle do przedstawienia obiektu w pewnym przyjętym odwzorowaniu kartograficznym. Ponieważ powszechnie stosowany układ współrzędnych geodezyjnych nie jest ortogonalny (wysokości są odniesione do powierzchni geoidy), więc należy również uwzględnić wpływ zakrzywienia Ziemi (a dla bardzo dużych obszarów także odwzorowa­nie współrzędnych płaskich). Zasygnalizowane czynniki zniekształcające geo­metrię zdjęcia mają obecnie tak niewielki wpływ, że w większości pomiarów fotogrametrycznych pomija się je i uwzględnia tylko w opracowaniach precy­zyjnych.

Dystorsja obiektywu. W idealnym obiektywie powiększenie kątowe jest równe jedności. Oznacza to, że obraz płaskiego przedmiotu usytuowane­go w płaszczyźnie prostopadłej do osi optycznej obiektywu jest podobny do tego przedmiotu, a o takim obiektywie mówi się, że jest ortoskopowy. W rze­czywistych obiektywach ortoskopia jest zaburzona. Zjawisko to nazywa się dystorsją radialną obiektywu (zwaną również symetryczną) lub po prostu dystorsją. Charakter i wielkość dystorsji zależą od konstrukcji obiektywu i umiejscowienia w nim diafragmy. Wolne od dystorsji są obiektywy symetryczne z diafragmą znajdującą się w płaszczyźnie symetrii, jednak dążąc do eliminacji innych błę­dów i zwiększenia jasności obiektywów, odstępuje się od tej konstrukcji. Dystorsja obiektywu powoduje przesunięcie obrazu punktu na płaszczyźnie tłowej. Przesunięcie to można rozłożyć na dwie składowe: pierwszą, tj. rzut przesunięcia dystorsyjnego na promień radialny - noszący nazwę dystorsji radialnej, drugą (prostopadłą do kierunku promienia) noszącą nazwę dystorsji tangencjalnej. Dystorsja tengencjalna jest bardzo mała w porównaniu z dys­torsją radialną. Wielkość przesunięcia radialnego zależy od kąta osiowego, a więc i długości promienia radialnego. Ponieważ dystorsja jest związana z konstrukcją obiektywu, więc jej wiel­kość i rozkład są znane już na etapie projektowania obiektywu. Jest niezmier­nie ważne, aby obiektywy kamer pomiarowych miały małą dystorsję. Dystor­sja obiektywów współczesnych kamer jest rzędu kilku mikrometrów i rzadko sięga kilkunastu mikrometrów (l pm = 0,001 mm). Są to wielkości, które można pominąć w większości opracowań fotogrametrycznych. Uwzględnia się je tylko przy precyzyjnych opracowaniach. Wartośc dystorsji podaje zwykle producent.

Deformacje podłoża emulsji fotograficznej. Drugim - oprócz dystorsji - czynnikiem zmniejszającym możliwości pomiarowe zdjęć jest wpływ podłoża materiału światłoczułego. Obecnie, jako nośnika emulsji światłoczułej używa się niepalnych błon acetatowych i polies­trowych. Błony te w nieznacznym stopniu kurczą się pod wpływem zmian wilgotności, temperatury i czasu składowania. Można mówić o skurczach regularnych i nieregularnych.

Wpływ niepłaskości emulsji fotograficznej. Pomimo, że w kamerach film przed ekspozycją jest poddawany wypłaszczaniu, a w większości kamer naziemnych używa się płyt szklanych, to jednak w żadnym z tych przypadków podłoże emulsji nie stanowi idealnej płaszczy­zny. W wyniku więc niepłaskości emulsji następuje radialne prze­sunięcie punktów zdjęcia względem ich położenia zgodnego z zasadą rzutu środkowego. Na brzegach zdjęcia wykonanego kamerą szerokokąt­ną błąd spowodowany niepłaskością osiąga wartość równą tej niepłaskości, a dla kamer nadszerokokątnych ją przewyższa. Przy precyzyjnych opracowa­niach fotogrametrycznych niepłaskość emulsji stanowi znaczące źródło błę­dów. Aby wpływ ten zminimalizować, w niektórych precyzyjnych kamerach naziemnych wykorzystuje się specjalne, ultrapłaskie klisze o podłożu z grube­go, szlifowanego szkła. Dla zdjęć lotniczych najpełniej wpływ niepłaskości emulsji można uwzględnić w przypadku wykorzystania kamery z siatką reseau. W kamerach takich w płaszczyźnie tłowej znajduje się gruba płyta szklana z precyzyjnie wytrawioną siatką kwadratów. Siatka ta odwzorowuje się na emulsji dociskanej w czasie ekspozycji do płyty. Ewentu­alne lokalne niepłaskości emulsji spowodują przesunięcie zarówno obrazu powierzchni terenu, jak również najbliższych węzłów siatki. Pomiar tych węzłów na zdjęciu i znajomość ich nominalnego położenia umożliwiają uwzględnienie lokalnych wpływów niepłaskości emulsji.

Wpływ refrakcji atmosferycznej. Atmosfera nie jest jednorodnym środowiskiem optycznym. Promienie świet­lne tworzące obraz fotograficzny nie rozchodzą się po liniach prostych, lecz załamują się, przechodząc przez warstwy o różnej gęstości. Wpływ refrakcji rośnie ku skrajom zdjęcia i jest większy dla kamer o krótszych odległościach obrazu. Wartość refrakcji jest stabelaryzowana dla standardowej atmosfery. Zależy ona od wysokości lotu nad poziomem morza i średniej wysokości fotografowa­nego terenu. Dla zdjęć wielkoskalowych wpływ refrakcji atmosferycznej nie przekracza wartości 10 um i może być pominięty nawet przy dokładnych opracowaniach.

Wpływ krzywizny Ziemi. Zakrzywienie Ziemi nie powoduje zniekształ­ceń wiązki perspektywicznej. Ponieważ jednak współrzędne geodezyjne są odniesione do przyję­tej płaszczyzny odwzorowawczej, zatem przy określeniu współrzędnych terenowych na podsta­wie zdjęć lotniczych fakt zakrzywienia Ziemi powinien być uwzględniony. Aby przedstawić powierzchnię Ziemi na płaszczyźnie, należy do pomiarów na zdjęciu wprowadzić po­prawkę radialną dr. Wpływ krzywizny Ziemi szybko rośnie ku skrajom zdjęcia, jest wprost proporcjonalny do wysokości fotografowania i odwrotnie propor­cjonalny do odległości obrazu.

Źródłami zniekształceń są również: obiektyw, aberracja sferyczna i chromatyczna, koma (przecinek).

PROTOKÓŁ KOLIBRACYJNY KAMERY

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

1) odległość obrazowa kamery (stała kamery — oznacza się przez c_k lub f),

2) położenie punktu głównego kamery w stosunku do znaczków tłowych (x_o, y₀),

3) radialna i tangencjalna dystorsja obiektywu,

4) zdolność rozdzielcza obiektywu,

5) odległość pomiędzy znaczkami Iłowymi,

6) odchylenia ramki tłowej do płaszczyzny.

Ponadto, jeśli kamera zawiera siatkę reseau, muszą być również określone położenia znaczków „reseau" w stosunku do znaczków Iłowych. Powyższe dane pozwalają na przeprowadzenie precyzyjnej geometrycznej rekonstrukcji wiązki promieni, która została zarejestrowana w kamerze podczas ekspozycji. Rekonstrukcji tej można dokonać graficznie, instrumentalnie i matematycznie.

Metody kalibracji można podzielić na polowe i laboratoryjne. Metody polowe wymagają budowy pola testowego lub wykorzystania wybranych gwiazd jako punktów o znanych współrzędnych. Do metod tych zalicza się metody statyczne i dynamiczne. Te ostatnie umożliwiają pozyskiwanie informacji do kalibracji ka­mer lotniczych w czasie lotu. Najczęściej stosuje się jednak metody laboratoryjne, oparte na wykorzystaniu kalibratorów wielokolimatorowych lub goniometrów, czyli kalibrację przeprowadza się metodą fotograficzną lub wizualną. STEREOKOMPARATOR I STEKOMETR

Obserwacja i pomiar punktów zdjęć na stereokomparatorze prowadzi do wyznaczenia współrzędnych płaskich w układzie pomiarowym instrumentu (x_st, y_st). Stereoskopowy pomiar zdjęć na stereokomparatorze umożliwia dokonanie przyporządkowania punktów homologicznych oraz wybór punktów wyznacza­nych na etapie obserwacji. W instrumentach służących do pomiaru położenia punktów na fotogramach wyróżnia się dwa zasadnicze podzespoły:

• system obserwacyjny,

• układ pomiarowy instrumentu.

System optyczny to najczęściej podwójny mikroskop zogniskowany na górne płaszczyzny nośników, na które zakłada się mierzone zdjęcia. Okulary tego systemu umożliwiają obserwatorowi indywidualną regulację ostrości obrazu i ich rozstawu. Znajdujący się w systemie optycznym pozorny znaczek pomiarowy gwarantuje właściwą precyzję pomiaru.

Układ pomiarowy składa się z:

• nośników, na które kładzie się mierzone fotogramy (nośniki te mogą się obracać we własnej płaszczyźnie),

• układu prowadnic, definiujących materialne układy współrzędnych instru­mentu, pozwalających na wykonanie pomiaru.

Właściwy pomiar odbywa się poprzez przesuwanie zdjęć na nośnikach względem nieruchomego systemu obserwacyjnego lub odwrotnie.

W instrumencie tym wielkościami mierzonymi są x_st, y_st, px_st, py_st. Wiel­kości x_st, px_st są określane poprzez pomiar przesuwu nośników względem nieruchomego na tym kierunku systemu optycznego. Pomiar wielkości y_st, py_st na kierunku prostopadłym do poprzedniego jest realizowany poprzez przesuw układu optycznego stereokomparatora. Dokładność nominalna wielko­ści mierzonych jest zróżnicowana.

Współrzędne x_st, y_st odczytuje się z dokładnością ±0,02 mm, natomiast dokładność paralaksy px_st, py_st jest równa ±0,005 mm.

Zwiększona dokładność pomiaru paralaks jest szczególnie cenna przy wy­konywaniu pomiarów różnicowych na tzw. stereogramach czasowych. W tego typu stereogramach mierzone paralaksy są funkcją zmian badanego obiektu w czasie i skali zdjęcia, ich wartość na ogół jest rzędu pojedynczych milime­trów. Przy takim zakresie pomiaru paralaks można przyjmować, że błędy instrumentalne nie wpływają na wyznaczane wartości.

ZDJĘCIE LOTNICZE W POSTACI CYFROWEJ

Fotogrametria cyfrowa, korzystając z danych rastrowych, staje przed problemem dużej ilości danych oraz wielkości opracowywanych zbiorów. Z problemem tym można się spotkać zarówno przy transmisji, przetwarzaniu jak i archiwizacji danych. Tworząc obraz rastrowy nie chcemy tracić informacji jakie zawiera zdjęcie. Przyjmując rozdzielczość zdjęcia równą 30-60 par linii na milimetr powinniśmy skanować obrazy z rozdzielczością 7-15 m (10 m dla zdjęć czarno-białych i 15-20 m dla zdjęć kolorowych). Skanując zdjęcie 23x23 cm z zakładaną rozdzielczością 7-15 [im, z użyciem 8-bitowego piksela otrzymamy 250 Mb — 1 Gb danych. W celu podniesienia wydajności technologii możemy rozważać zastosowanie kompresji, polegających na szukaniu powtarzających się sekwencji danych i jednokrotnym ich zapisywaniu. Do dyspozycji mamy kompresje bezstratne i kompresje ze stratą informacji. Typowe zdjęcia lotnicze nie posiadają redundancji danych, bezstratne metody kompresji są więc mało efektywne. Najbardziej popularne metody kompresji ze stratą informacji oparte są na dyskretnej transformacji cosinusowej, próbkowaniu wektorowym, piramidach laplasjanowych, różnicowej modulacji kodowania.

Do metod kompresji ze stratą informacji należą:

— JPEG (Joint Photogrametic Experts Group),

— ALP (Adeptive Laplacian Pyramid),

— LWZ,

— Metoda fraktalna,

— Metoda fraktalno-falowa.

Metoda JPEG zdobyła do tej pory największe uznanie. Istnieje od kilku lat i posiada standard wydany przez ISO w 1993 roku. W odróżnieniu od innych metod jest ona wspomagana przez specjalne procesory. Metody fraktalna i fraktalno-falowa są równie wydajne jak JPEG, gdy chodzi o stopień kompresji i są realizowane programowo, przez co czas kompresji i dekompresji jest kilkaset razy dłuższy niż w metodzie JPEG.

Przy kompresji JPEG obraz jest dzielony na bloki 8x8 pikseli, przy czym blok jest zamieniany z funkcji x, y na funkcję częstotliwości za pomocą transformacji cosinusowej (Fouriera). Potem następuje proces kwantyzacji, gdzie współczynniki do transformacji są skalowane i zamieniane na liczby całkowite, co powoduje stratę informacji. Ostatnim etapem jest kodowanie współczynników do transformacji. Podczas procesu kwantyzacji stosowany jest współczynnik kwantyzacji (wpływający na stopień kompresji) q-faktor, który zarządza stopniem usunięcia częstotliwości ze zdjęcia (działa jak filtr). Cechą metody JPEG jest jej stratność powodująca degradację obrazu tym większą, im większy stopień kompresji chcemy uzyskać oraz kumulowanie się degradacji w przypadku powtórnej kompresji obrazu. Jako stopień kompresji możliwy do stosowania w fotogrametrii cyfrowej - nie powodujący pogorszenia wyników pomiarów, podawane są w literaturze wartości z dość szerokiego przedziału od 1:3 do 1:10.

Zalety fotogrametrii cyfrowej

Głównym zadaniem fotogrametrii jest pozyskanie informacji geometrycznych, spektralnych i semantycznych ze zdjęć, a więc ich pomiar i interpretacja. Obserwator pracując na autografie analitycznym rozpoczyna swoją pracę od przygotowania zdjęć, lokalizacji szeregu, szeregów między sobą oraz pokrycia zdjęć. Następnie w zależności od rodzaju zadania musi obiekty zlokalizować, zinterpretować i pomierzyć. Zadania fotogrametrii cyfrowej są identyczne. Zmienia się tylko postać danych i sposób prowadzenia obserwacji. Wykonywane dotychczas operacje należy przedstawić w sposób matematyczny w celu umożliwienia zastosowania algorytmów wspomagających lub wykonujących pomiar. Fotogrametria cyfrowa wprowadziła nową postać danych i form map możliwych do dostarczania użytkownikom w krótkim czasie i małym nakładem kosztów zawierających aktualne informacje o terenie i obiektach. Pojawienie się wspomagania komputerowego podnosi komfort i szybkość pracy operatora, zwiększa dokładność wyników. Obok systemów tworzonych dla pełnej automatyzacji pewnych zadań pomiarowych jak orientacja zdjęć czy tworzenie numerycznego modelu powierzchni, powstają strategie automatyzacji cząstkowej procesu pomiarowego prowadzonego przez człowieka.

FORMATY BMP I TIFF

Dwoma podstawowymi formatami plików graficznych są; TIFF i BMP

Tif - tag image file format - najczęściej używany format do skanowania

Bmp - bit mapa - do obrabiania zdjęć w środowisku Windows

Dla obrazów barwnych - kolorowych 1 piksel ma 3 współrzędne (RGB)

Format tiff: nagłówek zawierający informacje odólne o parametrach obrazu, druga część zawierająca treść obrazu

Format bmp jest czytelniejszy

PALETY BARW

Piksel

Określenie piksel jest skrótem angielskiego wyrażenia określającego ele­ment obrazu (picture element). Piksel jest zatem najmniejszą częścią obrazu cy­frowego. Zobrazowania rastrowe mają strukturę siatki, której każda komórka re­prezentuje piksel. Dlatego piksel często nazywany jest komórka siatki.

Piksel jest pojęciem o szerokim znaczeniu, używanym do określenia dwóch poniższych przypadków:

• wartości pliku danych - piksel określa pojedynczą wartość (radiometryczna - przyp. wyd.) danej na zobrazowaniu (piksele pliku - file pixels)

• miejsca oczka siatki na ekranie monitora lub na wydruku (piksel zobrazo­wania - display pixels)

Zazwyczaj jeden piksel w pliku odpowiada jednemu pikselowi na ekranie monitora lub na wydruku. Zobrazowanie może być jednak powiększane i zmniejszane, co powoduje, że jeden piksel pliku nie odpowiada już jednemu pi­kselowi zobrazowania lub wydruku. Na przykład, jeśli zobrazowanie jest wy­świetlane ze współczynnikiem powiększenia równym 2, wtedy jeden piksel pliku zajmuje na ekranie monitora 4 (2 x 2) komórki siatki.

Wyświetlając obraz, piksel pliku reprezentujący jedną lub więcej wartości, musi zostać przetransformowany na piksel monitora w taki sposób, aby mógł być widoczny - muszą więc być przetworzone jego jasność i kolor. Ponieważ piksel pliku ma takie wartości, które odpowiadają danym (takim jak długość fali promieniowania odbitego), piksel wyświetlony na ekranie musi mieć określony kolor lub poziom szarości odpowiadający wartościom pliku danych.

Kolory

Percepcja kolorów przez człowieka zależy od względnej ilości światła czer­wonego, zielonego i niebieskiego, które zastaje pomierzone przez światłoczułe stożki (sensory) w oku. Z kombinacji promieniowania czerwonego, zielonego i niebieskiego powstają różne kolory. Jest to szersza gama kolorów niż ta, którą można utworzyć z mieszaniny innych kolorów. Dlatego kolory: czerwony, zielo­ny i niebieski uważa się za addytywne kolory podstawowe.

Przy łączeniu kolorów czerwonego zielonego i niebieskiego można tworzyć prawie nieskończoną liczbę barw i odcieni. Na monitorze, różne kolory będące kombinacjami czerwonego, zielonego i niebieskiego pozwalają rozróżniać zmia­ny występujące na obrazie. Współczesne monitory kolorowe mogą generować 2 lub 16 777 216 kolorów. Z kolei każdy kolor może mieć 2 (256) różnych war­tości.

Działa kolorów

W monitorze działa kolorów kierują strumienie elektronów na warstwę fo­sforu świecącą w kolorach czerwonym, zielonym i niebieskim. Warstwa ta świe­ci z odpowiednimi częstotliwościami odbieranymi jako różne kolory. Monitory kolorowe zazwyczaj nazywane są monitorami RGB, (Red, Green, Blue - czerwo­ny, zielony, niebieski).

Warstwa fosforu (czerwonego, zielonego i niebieskiego) w lampie obrazo­wej nanoszona jest na ekran w postaci cienkich kolorowych plamek. Ludzkie oko łączy te plamki, a ich świecenie odbierane jest łącznie. Każdy piksel jest re­prezentowany przez jednakową liczbę plamek świecących w kolorze czerwo­nym, zielonym i niebieskim.

Wartości jasności

Wartości jasności (lub wartości intensywności) są wartościami natężenia każdego z kolorów podstawowych charakteryzujących dany piksel. W czasie wizualizacji zobrazowania, wartość jaskrawości jest obliczana dla każdego dzia­ła elektronowego i w efekcie dla każdego piksela.

Wszystkie kolory wyjściowe obrazu wyświetlanego na monitorze mogą być wyrażone przy pomocy trzech wartości jaskrawości - po jednej dla każdego działa kolorów.

Tablice barw i wzorcowe komórki kolorów

Kolor na ekranie jest tworzony jako kombinacja kolorów czerwonego, zielonego i niebieskiego, a każdy z kolorów składowych jest przedstawiony w postaci wartości 8-bitowej. Tak więc, do przedstawienia kolorowego obrazu potrzebne są 24 bity. Ponieważ wiele systemów jest wyposażonych w monitory 8-bitowe, do przetwarzania wartości 8-bitowej na dany kolor stosuje się tablice barw. Tablica barw to uporządkowany zestaw wzorcowych komórek kolorów, wykorzystywany do realizacji przetworzenia w oparciu o zespół sygnałów wejściowych. W czasie wyświetlenia lub drukowania obrazu, tablica barw służy do przetworzenia wartości pliku danych, znajdujących się w pamięci, na wartości jaskrawo­ści dla każdego elektronowego działa kolorów. Zastosowanie tablic barw nie ogranicza się jedynie do monitorów 8-bitowych.

Tablice barw a tablice przeglądowe

Tablica barw jest funkcją sprzętową monitora, natomiast tablica przeglądo­wa jest funkcją ERDAS IMAGINE. Tablice przeglądowe wykorzystywane są między innymi do regulacji kontrastu w IMAGINE. Jeśli jednak korzysta się z funkcji automatycznego uaktualniania obrazu (realizowanego w czasie prawie rzeczywistym), wtedy wykorzystywana jest tablica barw, która umożliwia od­wzorowanie zobrazowania przez tablicę przeglądową. Proces ten pozwala na uaktualnianie odwzorowania barw na ekranie w czasie prawie rzeczywistym. W tym rozdziale przedstawiono sposoby wykorzystywania tablic barw do wy­świetlenia obrazów.

Wzorcowe komórki kolorów

Komórki wzorcowe są umiejscowione w tablicy barw i przypisane do odpo­wiedniej wartości pliku danych. Wartości barwy czerwonej, zielonej i niebieskiej, przypisane do danej komórki, sterują jaskrawością dział kolorów tworzących wyświetlany piksel (Nye 1990). Liczba komórek w danej tabeli barw odpowiada liczbie bitów na ekranie monitora (np. 8 bitów, 24 bity). Na przykład, jeśli pikselowi o wartości pliku danych 40 została przypisana wartość monitora (wartość komórki kolorów) 24, do wizualizacji tego piksela zo­stanie użyta wartość jaskrawości 24. komórki z tablicy barw. Zgodnie z poniższą tabelą, piksel ten byłby wyświetlony jako niebieski.

Konwersja RGB na CMY

Kolory

W atramentowych urządzeniach drukujących podstawowymi kolorami są zielononiebieski, purpurowy i żółty, zamiast podstawowych kolorów światła (czerwonego, zielonego i niebieskiego). Do utworzenia koloru czarnego służy subtraktywna metoda łączenia kolorów zielononiebieskiego, purpury i żółtego. Podstawowe kolory światła - czerwony, zielony i niebieski - łączone metodą adtytywną dają kolor biały.

Przesyłane na urządzenie drukujące wartości pliku danych oraz towarzyszące im tablice kolorów i kontrastów są prezentowane w schemacie RGB. Wartości jaskrawości RGB w tablicach kontrastów i kolorów muszą zostać zamienione na wartości CMY.

Podstawowe kolory RGB są przeciwstawne do kolorów CMY. Oznacza to ha przykład, że obecność koloru zielonożółtego oznacza równoważny brak kolo­ru czerwonego. Wartość jaskrawości przeciwstawnej tworzy się przez jej kon­wersję, a więc przez odjęcie od maksymalnej wartości jaskrawości każdej warto­ści jaskrawości RGB.

Czarny atrament

Chociaż, teoretycznie, połączenie kolorów zielononiebieskiego, purpurowego i żółtego tworzy kolor czarny, to jednak, w praktyce, jest to kolor przypominający brudny brąz. W wielu urządzeniach drukujących, do drukowania prawdziwego koloru czarnego, stosuje się czarny atrament.

TREOGRAM LOTNICZY

Stereogram to stereoskopowa para zdjęć lub rysunków poprawnie zorientowana i umiejscowiona do obserwacji steroskopowej.

Dla określenia wysokości punktów, gdzie nie jest wymagana zbyt duża dokładność, można wykonać opracowanie uproszczone przy założeniu, że zdjęcia lotnicze stereogramu wykonano z tej samej wysokości i tworzą one przypadek normalny. Przyjęto, że zdjęcia zostały wykonane z wysokości W, z dwóch punktów O2 i O1. Dla punktu Po, leżącego w odległości W od poziomej bazy zdjęć, można zgodnie ze wzorami podanymi uprzednio dla przypadku normalnego napisać W=B*f/p_o gdzie po oznacza paralaksę podłużną punktu Po, czyli różnicę współrzędnych tłowych obrazów punktuj na lewym i prawym zdjęciu. Wzór ten będzie się odnosił do wszystkich punktów leżących w odległości W od bazy (leżących na tym samym poziomie odniesienia). Dla punktu P, leżącego na wysokości A/i w stosunku do poziomu odniesienia, a w odległości W- ၄h od poziomu bazy zdjęć, będzie W- ၄h = B*f/p

Rys. 4. 31. Paralaksa podłużna jako funkcja deniwelacji terenu

၄h = W-B*f/p

၄h = B*f*(p-po)/(p*po)

၄h = W²*၄p/(B*f) gdzie ၄p=p-po

podstawiając W/f = m

၄h = W*m*၄p/B

lub ၄h = c*၄p gdzie c jest wielkością stałą dla danego stereogramu i może być obliczona jednorazowo.

Pomiar paralaks podłużnych potrzebnych do wyznaczenia ၄h można wykonać za pomocą stereomikrometru. Jest on jednym z najprostszych przyrządów wykorzystujących zasadę przestrzennego znaczka pomiarowego. Posiada dwie płytki szklane, na których wytrawione są identyczne znaczki. Uchwyty płytek połączone są ze sobą ramieniem metalowym w taki sposób, że odległości między nimi mogą być mierzone przez pokręcanie śruby mikrometrycznej. Bębenek odczytowy śruby posiada podziałkę umożliwiającą odczytywanie wielkości przesunięcia prawej płytki w stosunku do lewej z dokładnością 0,01 mm. Jednocześnie za pomocą pokrętła śruby można ustawiać znaczek pomiarowy na terenie. Przed przystąpieniem do ustawiania znaczka pomiarowego na wybranych punk­tach, trzeba zdjęcia stereogramu zestroić pod stereoskopem zwierciadlanym w celu uzyskania efektu stereoskopowego. Następnie na zdjęciach układa się stereomikrometr w ten sposób, żeby w polu widzenia lewego oka znalazła się lewa płytka ze znaczkiem, a prawego - prawa. Obserwacje wykonuje się z wykorzystaniem lunetek powiększających stereos­kopu. Po zestrojeniu zdjęć naprowadza się lewy i prawy znaczek pomiarowy na jednoimienne punkty stereogramu, uzyskując wrażenie przylegania znaczka do terenu. Następnie na śrubie mikrometrycznej odczytuje się paralaksę danego punktu. Zachowując warunek równoległości osi stereomikrometru do bazy obserwacyjnej stereoskopu, można przesuwając stereomikrometr ustawiać znaczek pomiarowy na wybranych punktach mode­lu. Różnice wysokości tych punktów oblicza się według podanych wyżej formuł. Jeżeli ze stereomikrometrem będzie połączone urządzenie do rysowania, to stereogram można opracować w sposób ciągły, wodząc znaczkiem pomiarowym po liniach modelu stereos­kopowego. Jednak dokładność takiego opracowania będzie dużo mniejsza niż opraco­wania wykonanego na autografie.

Widzenie stereoskopowe

Dla stwierdzenia stopnia czyjejś zdolności widzenia stereoskopowego sto­suje się m.in. specjalne testy — stereogramy. Na takim stereogramie znajduje się 10 różnych figur syl­wetkowych. Obserwując ten stereogram, zobaczymy, że sylwetki poszczegól­nych figur są płaskie. Jednocześnie przy każdej z tych figur zaobserwujemy cztery znaczki w kształcie: kreski, krzyżyka, trójkąta i balonu. Znaczki te względem płaszczyzny figury rozmieszczone są przestrzennie, tzn. mogą znaj­dować się przed, za lub w płaszczyźnie obserwowanej figury. Właściwe bada­nie zdolności widzenia stereoskopowego polega na ocenie przestrzennego usy­tuowania wymienionych znaczków względem płaszczyzny danej sylwetki. Wszystkie sylwetki są ponumerowane cyframi 1-10. Dla figury nr l zmiany głębokości, w których są umieszczone znaczki, odpowiadają zmianie kąta paralaktycznego około 13". Jest to więc wartość praktycznie graniczna równa zdolności rozdzielczej widzenia stereoskopowego. Dla kolejnych figur względne zmiany głębokości są coraz większe i wzrastają w postępie arytmetycz­nym. Dlatego też zaleca się rozpoczęcie badania od oceny położenia znaczków względem figury 10, dla której różnice odległości odpowiadają zmianie kąta paralaktycznego ok. 130". Rezultaty oceny położenia znaczków względem poszczególnych figur za­mieszczamy w formularzu. Po zakończeniu badania ustalamy liczbę trafnych ocen przez wagi przyporządko­wane każdej figurze, a następnie zsumowanie wszystkich ocen cząstkowych tworzy sumę ogólną. Suma ta pozwala ustalić paralaksę osobową badanej osoby. Osoby, które uzyskają wynik 13" mogą bez trudu wykonywać pomiary fotogrametryczne na instrumentach fotogrametrycznych.

Efekt stereoskopowy można otrzymać obserwując zdjęcia nie uzbrojonymi oczami. Trzeba wtedy zdjęcia umieścić w taki sposób, ażeby oglądane jednoimienne punkty znajdowały się w odległości bazy ocznej bo. Obserwacja taka wymaga treningu i doświadczenia. W celu ułatwienia tej obserwacji stosuje się przyrządy pomocnicze. Są nimi stereoskopy. Do oglądania zdjęć niedużych formatów (6x6 cm) stosuje się stereoskopy soczewkowe, w których dwie lupy O1 i O2 można roz­suwać na poziomym mostku i odpowiednio zbliżać lub oddalać od zdjęć Z1 i Z1 w celu ustalenia ostrości. Do obserwacji zdjęć większego formatu jest powszechnie używany w fotogrametrii stereoskop zwierciadlany. Zespół czte­rech luster lub luster i pryzmatów zwiększa bazę oczną i pozwala obserwować zdjęcia dużych formatów.

Odległość g od oka obserwatora lub od soczewki (jeśli stereoskop posiada so­czewkę) po obiegu promienia centralnego do zdjęcia nazywa się główną odle­głością stereoskopu (promień centralny to promień przekazywany wzdłuż osi optycznej soczewek stereoskopu).

Jeżeli stereoskop jest wyposażony w soczewki, to odległość g mierzymy od środka soczewki po biegu promienia centralnego do zdjęcia. Znając g (w milimetrach), można obliczyć powiększenie stereoskopu.

ORIENTACJA WZAJEMNA

Orientacja wzajemna (względna) polega na doprowadzeniu zdjęć do takiego położenia względem siebie , aby patrząc przez okulary systemu obserwacyjnego autografu, widać było model stereoskopowy terenu na powierzchni całego stereogramu.

ORIENTACJA BEZWZGLĘDNA

Orientacj bezwzględna polega na odpowiednim obróceniu modelu w ten sposób, aby zajął on takie samo położenie względem poziomu, jakie zajmuje teren odwzorowany na zdjęciach.

Orientacja bezwzględna

W wyniku przeprowadzonej orientacji wzajemnej uzyskuje się model geo­metryczny terenu. Model ten ma nie znaną skalę i przypadkową orientację w przestrzeni autografu.

W procesie orientacji bezwzględnej doprowadza się model do założonej skali i poziomuje go, tj. doprowadza do równoległości płaszczyznę XOY au­tografu do płaszczyzny X^GOY^G układu odniesienia (np. układu geodezyjnego).

Na orientację bezwzględną składa się więc:

• skalowanie modelu,

• poziomowanie modelu.

Do skalowania modelu potrzebne są dwa punkty o znanych współrzędnych geodezyjnych odfotografowane na stereogramie. Ponieważ nachylenie modelu nie jest duże, więc do skalowania wystarczy porównywać rzuty poziome od­cinka. W tym celu mierzy się współrzędne fotogrametryczne obu końców odcinka (odczytanie współrzędnych X i V z liczników autografu) i oblicza współczynnik skali:

Jeśli prawidłowo została określona długość bazy b na etapie czynności wstępnych to współczynnik skali jest bliski l (skala zbudowane­go modelu jest bliska skali żądanej).

Model w żądanej skali otrzyma się, odkładając w autografie nowe składo­we bazy pomnożone przez k (jeśli było b_y- b_z = 0, co ma często miejsce przy orientacji wzajemnej metodą ruchów kątowych obu kamer, to skalowanie oznacza obliczenie i odłożenie tylko składowej b_x):

B = b'k

b_x = b_x'k

b_y = b_y'k

b_z = b_z'k

Skalowanie modelu można wykona graficznie.

Zasada graficznego skalowania modelu

Na planszę nanosi się w skali mapy współrzędne punktów A i B oraz innych punk­tów o znanych współrzędnych geodezyjnych. Należy ustawić znaczek pomiarowy na punkcie A modelu i pod mikroskop koordynatografu podsunąć ten punkt planszy. Następnie należy ustawić znaczek pomiarowy na punk­cie B modelu i tak obracać planszę wokół pun­ktu A, aby mikroskop wypadł na linii AB, np. w punkcie B' zamiast B. Współczynnik skali wynosi:

Nowe składowe bazy oblicza się zgodnie ze wzorem i odkłada w au­tografie. Jeżeli dl jest małe (tzn. k = l), to można się posłużyć uproszczonym wzorem na poprawkę do długości składowej b bazy (poprawki pozostałych składowych będą praktycznie zerowe):

Poprawkę tę należy dodać lub odjąć od aktualnej wartości b '. Skalowanie należy powtórzyć i skontrolować na planszy położenie innych znanych punktów. Zgodnie z instrukcją K-1.5, model można uznać za zeskalowany a planszę za zorientowaną, jeśli wektory odchyłek sytuacyjnych na wszystkich punktach stereogramu mają rozkład przypadkowy i nie przekra­czają 0,2 mm. Kierunki i długości tych odchyłek wpisuje się do metryki ste­reogramu.

Po orientacji wzajemnej i skalowaniu model należy spoziomować. Ogólne nachylenie modelu można rozłożyć na dwie składowe: nachylenie podłużne i poprzeczne. Aby wyznaczyć te kąty nachylenia, konieczna jest znajomość minimum trzech punktów o znanych wysokościach geodezyj­nych. Punkty te powinny tworzyć trójkąt obejmujący maksymalnie dużą po­wierzchnię stereogramu. Stając kolejno na każdym z punktów, odczytuje się wysokości z licznika Z autografu oraz oznacza położenie na planszy koordynatografu (np. w skali opracowywanej mapy).

Wcześniejsze założenie przykładni trybowej — odpowiedniej dla skali zbu­dowanego modelu - pozwala odczytywać wysokości w jednostkach tereno­wych.

Mierzone punkty tworzą trójkąt ABC. Przez wierzchołki tego trójkąta przeprowadza się proste równoległe do osi X i V autografu. W danej sytuacji staje się na punkcie A i kręcąc tylko korbą X autografu, uzyskuje się na planszy oś X, która przecina bok BC w punkcie M; stając na B i korzystając z korby Y uzyska się odpowiednio oś Y przecinającą bok AC w punkcie N. Dla każdego punktu oblicza się różnice między wysokością odczytaną z autografu i wysokością terenową. Na punkcie A obie te wyso­kości są jednakowe, ponieważ na tym punkcie licznik Z zostaje odłączony i nastawia się na nim wysokość terenową tego punktu. Mając określone różni­ce wysokości na każdym z trzech wierzchołków, interpoluje się takie różnice dla punktów M i N. Interpolację przeprowadza się na podstawie pomierzo­nych na planszy odcinków i obliczonych proporcji, na jakie dzielą punkty M i N odpowiednie boki trójkąta. Wyrażając na podstawie znanej skali, terenowe długości odcinków AM i BN oblicza się poszukiwane kąty obrotu modelu.

Pożądany obrót modelu uzyska się, obracając wokół osi X i Y autografu obie kamery projekcyjne wraz z bazą. W niektórych autografach można obrócić całe zawieszenie kamer projekcyjnych wraz z bazą o obliczone kąty Φ i Ω. W innych autografach (np. A5, A8) istnieją tylko możli­wości podłużnego nachylenia modelu Φ. W takim przypadku, aby obrócić model o kąt poprzeczny Ω, należy każdą z kamer projekcyjnych obrócić o ten kąt; w większości współczesnych autografów nie ma wspól­nych obrotów Φ i Ω. Do obrócenia modelu o kąt Φ w takim przypadku nie wystarczy tylko obrót każdej z kamer o ten kąt. Po takich obrotach pojawią się w modelu paralaksy poprzeczne będące sumą paralaks spowodowanych obu obrotami. Jest to rezultat nie obrócenia bazy. Takie paralaksy należy usunąć ruchem b_z (w górnej lub dolnej części stereogramu), co jest równoznaczne z obrotem bazy projekcji o kąt Φ.

Zwykle dysponuje się na stereogramie nie trzema, lecz sześcioma punkta­mi o trzech współrzędnych, standardowo rozmieszczonymi. Współrzędne te uzyskuje się w procesie aerotriangulacji (kameralnego zagęsz­czenia osnowy). W takim przypadku procedurę poziomowania można uprościć, wybierając po dwa punkty położone w przybliżeniu wzdłuż obu osi auto­grafu. Nie jest konieczny rysunek na koordynatografie.

Graficzna interpretacja poziomowania modelu w autografie: a) nachylenie poprzecz­ne Ω, b) nachylenie podłużne Φ

Potrzebne długości odcinków można obliczyć ze współrzędnych tereno­wych lub odczytanych z autografu. Należy zwrócić jedynie uwagę, aby wyso­kości i długości były wyrażone w jednakowych jednostkach (tj. w skali mode­lu lub jednostkach terenowych). W przypadku obrotu o kąt poprzeczny Q zbędne są wszelkie obliczenia. Pamiętając, że obrót poprzeczny jest realizo­wany wokół osi X, wystarczy stanąć np. na punkcie 5 modelu, na liczniku Z nastawić wysokość tego punktu, stanąć na punkcie 3 i odczytać jego wyso­kość, a następnie tarczą nożną nastawić znaczek pomiarowy na wysokość średnią z odczytanej i terenowej.

Znaczek ten znajdzie się nad lub pod punktem 3. Jednoczesnymi obrotami ω' i ω'' obu kamer należy opuścić (lub podnieść) ten punkt modelu na znaczek pomiarowy. Ewentualna różnica obrotów da natychmiast znać o sobie pojawieniem się paralaksy poprzecznej.

Przedstawione rozumowanie jest słuszne przy symetrycznym położeniu punktów 3 i 5 względem bazy stereogramu.

Obrót podłużny Φ znajdzie się mierząc wysokość np. punktów l i 2:

Czynność poziomowania należy powtórzyć i sprawdzić wysokości innych znanych punktów na modelu. Zgodnie z instrukcją K-1.5 model można uznać za spoziomowany, gdy odchyłki wysokościowe na poszczególnych punktach wysokościowej osnowy fotogrametrycznej nie są większe dla map w skali:

- 1:500 od 0,1 m,

- 1:1000 od 0,2 m,

- 1:2000 od 0,35 m,

- 1:5000 od 0,5 m.

Niedostateczny stan techniczny autografu, a także nieuniknione błędy ob­serwatora powodują, że zarówno etap skalowania jak i poziomowania modelu może spowodować pojawienie się małych paralaks poprzecznych, szczególnie jeśli zmiany długości bazy i obroty kamer są znaczne.

Ekonomicznie uzasadnione może być więc wstępne szybkie i mało dokład­ne zestrojenie wzajemne zdjęć (z pozostawieniem szczątkowych paralaks po­przecznych o wielkości 1-2 średnic znaczka pomiarowego), a następnie wy­konanie jednego przybliżenia skalowania i poziomowania modelu. Po tych wstępnych operacjach należy powtórzyć cały proces z wymaganą dokładnoś­cią. Należy dodać, że obecnie etap autogrametrycznego opracowania jest zwykle poprzedzony aerotriangulacją. W procesie aerotriangulacji uzyskuje się elementy orientacji lewego i prawego zdjęcia. Przystępując do opracowania na autografie, należy nastawić te elementy, aby otrzymać — z dobrym przybliże­niem — spoziomowany model w założonej skali. Wystarczy jedna iteracja, aby usunąć z takiego modelu szczątkowe błędy.

Wyniki strojenia należy zamieścić w metryce stereogramu, wpisując od­chyłki wysokościowe.

AEROTRIANGULACJA

Aerotriangulacja to technologia kameralnego zagęszczenia osnowy. Decyduje ona o eko­nomice opracowań fotogrametrycznych. Wpływają na nią następujące czynniki:

— rodzaj stosowanego sprzętu pomiarowego,

— metoda zasadniczego wyrównania,

— stosowane metody wyznaczania punktów osnowy polowej,

— uwzględnianie dodatkowych obserwacji geodezyjnych.

Podstawowym typem instrumentu pomiarowego jest autograf analityczny lub autograf cyfrowy. Wysoki stopień automatyzacji sprawia że wykonywa­nie cyfrowej aerotriangulacji jest bardzo efektywne. Automatyczne przeprowadzenie procesu aerotrian­gulacji i proces pomiaru współrzędnych tłowych metodą korelacji obrazów trwa ok. l min na stereogram. Do realizacji za­sadniczego wyrównania stosowane są programy oparte na blokowym rozwią­zaniu metodą niezależnych modeli lub niezależnych wiązek. Ta ostatnia meto­da, jako bardziej ścisła, stosowana jest zawsze wtedy, gdy potrzebne jest wy­znaczenie współrzędnych punktów z wyższą precyzją. W obu metodach wyrównania powszechnie stosuje się procedury dla auto­matycznej eliminacji błędów odstających oraz korekcji szczątkowych błędów systematycznych (samokalibracja). Powszechnie realizowane jest wyrównywa­nie dużych bloków (np: 2000 zdjęć), co istotnie wpływa na ekonomikę tej technologii.

Proces aerotriangulacji w efekcie finalnym definiuje na każdym stereogra-mie grupę punktów nowo wyznaczonych, 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 lub stereodigitalizacji.

Bardzo istotnym czynnikiem podnoszącym efektywność procesu aerotnan­gulacji jest uwzględnianie dodatkowych obserwacji geodezyjnych w postaci wyznaczanych pozycji środków rzutów techniką GPS.

CYFROWA AEROTRIANGULACJA

Aerotriangulacja cyfrowa wykorzystuje korelację obrazów.

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.

2. Metoda automatyczna, gdzie punkty wiążące są automatycznie wybierane, transferowane i mierzone (na wszystkich zdjęciach, w których występują) w dziewięciu nominalnie rozmieszczonych regionach (oknach). Pomiar odbywa się nie w jednym punkcie, ale w grupie punktów znajdujących się w tych rejonach. Jako punkty wybierane są szczegóły terenowe (feature points) przy pomocy operatora Forstena. Proces rozpoczyna się od najbardziej zgrubnego obrazu (z kilku wcześniej utworzonych obrazów piramidalnych poprzez pomniejszenie obrazu oryginalnego) wzdłuż i w poprzek bloku zdjęć, przechodząc poprzez obrazy bardziej dokładne aż do obrazu oryginalnego. Wspomaganie interaktywne bywa potrzebne jedynie w około 6% i to głównie w celu wykonania przybliżonego pomiaru na terenach zabudowanych, leśnych oraz przy opracowaniu zdjęć lotniczych w skalach dużych i o małym pokryciu q. Operator Forstena używany jest do automatycznego wyboru punktów wiążących. Do końcowego pomiaru współrzędnych wykorzystuje się metodę korelacji z uwzględnieniem warunków rzutowych, czyli tzw. metodę „object-space-multi-image-least square correlation". Do zgrubnej korelacji korzysta się z obrazów piramidalnych. Punktami wiążącymi mogą być punkty sygnalizowane, jak i naturalne. W przypadku używania punktów sygnalizowanych ich wymiar (po zeskanowaniu) powinien być rzędu 5x5 pikseli. Pozwala to na automatyczną detekcję i pomiar współrzędnych iłowych zdjęć z dokładnością rzędu 1/5 piksela. Dokładność bloku zdjęć po wyrównaniu reprezentowana przez błąd średni pomiaru współrzędnych tłowych σ_ wynosi wtedy 4 m.

NUMERYCZNY MODEL TERENU

TWORZENIE NMT

Numeryczny Model Rzeźby Terenu jest numeryczną, dyskretną (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.

Algorytm interpolacyjny pozwala określić (wyinterpolować) wartość wysokości dla dowolnego punktu o położe­niu określonym przez jego współrzędne x, y, tj. znaleźć wartość z = f(x,y)

Najbardziej efektywna metoda tworzenia NMT to metoda automatycznej korela­cji obrazów cyfrowych lub pomiar bezpośredni profili w układzie terenowym

Korelacja obrazów polega na automatycznym odnajdywaniu na zdjęciu fragmentów, które mają największy stopień podobieństwa do przyjętego wzor­ca. Mając tablicę wzorcową i znając jej przybliżone położenie, przeszukujemy obszar wokół tego położenia. Obszar ten tworzy nam tablicę badaną. W trakcie szukania wykorzystujemy piramidy zdjęć.

Piramidę można interpretować jako wielopoziomowy filtr wygładzający. Struktura piramidy eliminuje stopniowo informację zawartą na zdjęciu, pozostawiając najbardziej znaczące obiekty i struktury na najwyższym poziomie. Utworzona raz piramida pozwala na lokalizację elementów, rozpoczynając od poziomu najbardziej ogólnego (n) do szczegółowego.

Wstępne dopasowanie dokonywane jest na poziomie najwyższym — n, tu określamy również stopień pokrycia podłużnego (w przypadku pary zdjęć). Przechodząc na kolejne po­ziomy o wyższej rozdzielczości i niższym numerze, wykonywana jest korelacja o wyższym stopniu dokładności. Dla każdego położenia wyznaczany jest współczynnik korlacji r pomiędzy wzorcem, a sprawdzanym fragment

W trybie pomiaru automatycznego występują problemy w terenach zurbanizowanych z gęstą zabudową. DTM w takich obszarach wymaga manualnej edycji.

DOKŁADNOŚĆ NMT

Jest to błąd średni wysokości wyinterpolowanej z wynikowego NMT. Na błąd ten składają się:

- błędy danych pomiarowych,

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

- czynnik opisujący charakter terenu.

m_zDTM² = m_zpom² + (a + d)²:

a = 0,004-0,007 dla terenów łatwych (o gładkiej powierzchni),

a = 0,010-0,020 dla terenów średnich,

a = 0,022-0,044 dla terenów trudnych (o nieregularnych i stromych powierzchniach).

ZASTOSOWANIE NMT

- tworzenie rysunków warstwicowych,

- generowanie map spadków lub pochyleń,

- wykonywanie profili o zadanej lokalizacji w terenie,

- tworzenie rysunków aksonometrycznych i w rzucie środkowym,

-generowanie danych do przetwarzania ortograficznego zdjęć i obrazów

satelitarnych,

- wyznaczania objętości lub ich zmian w czasie

Metoda piramid

W celu rekonstrukcji geometrycznych kształtów obiektów znajdujących się na zdjęciach stosuje się różne metody. Jedną z nich jest metoda piramid. Jest ona metodą hierarchiczną stosowaną w wielu algorytmach korelacji (matching'u). Polega ona na hierarchicznej wielopoziomowej korelacji, która rozpoczyna się od utworzenia piramidy. Materiałem wyjściowym do tworzenia piramidy są zdjęcia. Pierwszy poziom wygładzany jest przez odpowiedni filtr Gaussa. Poszczególne poziomy piramidy różnią się rozdzielczością. Na kolejnych poziomach rozdzielczość geometryczna w wierszach i kolumnach jest redukowana dwukrotnie, poprzez:

GENEROWANIE CYFROWEJ ORTOFOTOMAPY

Pod pojęciem cyfrowej ortofotomapy należy rozumieć rastrowe zapisany obraz powierzchni terenu przetworzony z obrazów źródłowych do postaci kartometrycznej. Chcąc zachować źródłową zawartość informacyjną lotni­czych zdjęć na etapie skanowania (zamiana postaci analogowej na cyfrową) stosowany jest mały wymiar piksela. Praktycznie stosowane są rozmiary piksela 7,5-30 urn w zależności od rodzaju dalszego przeznaczenia i wykorzys­tania zapisu cyfrowego oraz relacji skalowej skala zdjęcia/skala opracowania. W efekcie w technologiach cyfrowych operujemy bardzo dużymi zbiorami danych (przykładowo lotnicze zdjęcie monochromatyczne zeskanowane pikselem o rozmiarach 12,5 urn tworzy plik 352 MB, a zdjęcie barwne odpowied­nio trzy razy większy).

Technika cyfrowej ortofotografii pozwala przetworzyć obraz utworzony w dowolnej projekcji na obraz wynikowy w odwzorowaniu ortogonalnym. Do procesu korekcji geometrycznej wpływu orientacji zewnętrznej urządzenia rejestrującego oraz deniwelacji terenu określane są wcześniej parametry orien­tacji zewnętrznej zdjęcia oraz Numeryczny Model Terenu (DTM). Samo prze­twarzanie ze względu na ilość danych (pikseli) podlegających obróbce wyko­nywane jest na specjalizowanych stacjach roboczych.

Produkt w postaci cyfrowej ortofotomapy powinien charakteryzować się określoną kartometrycznością oraz jakością radiometryczną.

Tradycyjnie cyfrowa ortofotomapa jest wizualizowana na podłożu papiero­wym. Do tego celu stosowane są specjalistyczne naświetlarki lub plotery atramentowe. Plotery atramentowe pozwalają na tworzenie pojedynczych kopii. Przy planowanym wielonakładowym upowszechnianiu produktu należy wytworzyć folie wydawnicze do druku na naświetlarce.

Przy tym sposobie upowszechniania produktu finalnego zakładana jest jego kartometryczność na poziomie m = ±0,2 mm w skali drukowanej mapy.

Obrazy ortofotograficzne w formie cyfrowej stanowią często jedną z warstw w bazie danych SIT/GIS i w takim przypadku zakładany jest wynikowy wy­miar piksela w terenie. Przy tworzeniu cyfrowej orofotomapy dla takich po­trzeb zakłada się, że kartometryczność nie powinna być niższa niż wymiar piksela.

Omawiana kartometryczność cyfrowej ortofotomapy jest rozumiana jako bezwzględna dokładność lokalizacji elementów terenowych względem ze­wnętrznego układu odniesienia. Oczywiście należy pamiętać, że z taką precy­zją będą odwzorowane na cyfrowej ortofotomapie jedynie elementy leżące na powierzchni topograficznej, którą w procesie przetwarzania reprezentuje DTM. Wszystkie obiekty terenowe „wystające" z powierzchni terenu będą w dal­szym ciągu na cyfrowej ortofotomapie prezentowane w sposób zniekształcony. Co prawda prowadzone są prace nad wyeliminowaniem tego mankamentu produktu poprzez generowanie tzw. „true" ortofotomapy. Jednak ta technolo­gia jest uzależniona zarówno od posiadania odpowiedniego oprogramowania, jak również sporządzania do tego celu w odpowiedni sposób zdjęć lotniczych.

Poza scharakteryzowaną bezwzględną dokładnością obiektów odwzorowa­nych na cyfrowej ortofotomapie należy poruszyć jeszcze zagadnienie dokład­ności względnej na tym produkcie. Problem ten występuje przy tworzeniu ortofotomapy z kilku obrazów źródłowych. Omawiane niezgodności obniżają głównie wrażenie wizualne (nie pogarszają dokładności bezwzględnej) i są widoczne na stykach elementów liniowych mozaikowanych (łączonych) ortofotografii. Taki efekt będzie zauważalny gdy przekroczy wymiar piksela wyni­kowego i powstaje przy indywidualnym odtwarzaniu orientacji zdjęć lotni­czych w oparciu o terenowe punkty osnowy. Wpływ tego czynnika można ograniczać na etapie mozaikowania poprzez odpowiedni dobór przebiegu linii połączenia. Chcąc całkowicie uniknąć wpływu tego czynnika należy przepro­wadzić proces aerotriangulacji dla wykorzystywanego zespołu zdjęć i określo­ne w ten sposób parametry orientacji zewnętrznej tych zdjęć bezpośrednio wykorzystywać w procesie generowania cyfrowych ortofotografii wchodzą­cych w skład ortofotomapy.

Osobnym problemem jest właściwa jakość radiometryczna tworzonej orto­fotomapy. Błędy tonalne tworzonego produktu mogą mieć następujące przy­czyny:

• niska jakość fotograficzna zdjęć oryginalnych,

• błędy skanowania zdjęć lotniczych,

• nierównomierne naświetlenie w obrębie fotogramu wywołane zmianą topo­grafii terenu lub znaczną zmianą kąta promieni naświetlających poszcze­gólne partie zdjęcia,

• łączenie zdjęć wykonanych w różnych terminach.

Dzięki cyfrowej obróbce obrazu cytowane błędy są możliwe do skorygo­wania i nie muszą obciążać produktu finalnego. Praktycznie dla cyfrowej modyfikacji radiometrycznej możemy używać większość oprogramowania teledektycyjnego. Programy te jednak najczęściej wprowadzają zmiany według przyjętego (wybranego) algorytmu dla całej powierzchni obrazu cyfrowego. Korekcja lokalna wynikająca z potrzeby likwidacji wpływu np. topografii terenu jest w praktyce trudna do zrealizowania. Najczęściej wyspecjalizowane firmy wykonujące ortofotomapy mają własne oprogramowanie, którego nie upowszechniają. Bardzo często, aby ograniczyć potrzebę wykonywania korekcji radiometrycznej, wykonywane są zdjęcia celowane. Przy takim podejściu cyfrowa ortofotomapa powstaje z przetwarzania jednego zdjęcia obejmującego obszar całego arkusza. Dobrej jakości zdjęcie lotniczej w takim przypadku eliminuje potrzebę korekcji radiometrycznej. Takie rozwiązanie jest ekonomi­cznie uzasadnione, o czym świadczą wykonywane projekty cyfrowej ortofotomapy w krajach zachodnich.

Analizując produkt w postaci cyfrowej ortofotomapy należy zasygnalizo­wać problem jej dystrybucji. Istnieje możliwość tworzenia wydruków tej mapy i dalsze tradycyjne jej wykorzystywanie. Jednak w przypadku produktu cyfro­wego korzystnym jest jego wykorzystywanie również w postaci cyfrowej u użyt­kownika poprzez wykorzystywanie dostępnych przeglądarek typu Arc-View. Oczywiście wymaga to określenia standardu wymiany danych dostosowanego do wymagań oprogramowania aplikacyjnego i zapis produktu finalnego w od­powiedniej postaci. Ze względu na obecne upowszechnienie mikrokomputerów personalnych najkorzystniejszym jest zapis na płytach CD-ROM w formacie TIFF. Tak zapisana cyfrowa ortofotomapa może być eksploatowana jako od­dzielna warstwa w systemach GIS i stanowić tło dla planowania przestrzenne­go lub tworzenia opracowań tematycznych w technice hybrydowej z wykorzy­staniem metody monoplotingu.

— eliminowanie co drugiego wiersza i kolumny,

— uśrednianie pikseli 2x2 w wyższym obrazie,

— resampling,

— lub inne przekształcenia.

Piramidę można interpretować jako wielopoziomowy filtr wygładzający. Struktura piramidy eliminuje stopniowo informację zawartą na zdjęciu, pozostawiając najbardziej znaczące obiekty i struktury na najwyższym poziomie.

Utworzona raz piramida pozwala na lokalizację elementów, rozpoczynając od poziomu najbardziej ogólnego (n) do szczegółowego.

5

---