Digitális fotogrammetria

Átírás

1 Digitális fotogrammetria

2 I. Áttekintés Digitális fotogrammetria (DFG): digitális felvételeket használ Elıállíthatók: fotogrammetriai szkennerekkel hagyományos légifényképekbıl, vagy közvetlenül digitális kamerákkal DFG-ban több fotogrammetriai folyamat jelentısen automatizált: pl. automatikus DDM kinyerés, vagy ortofotó generálás). A kimeneti termékek digitális formátumúak: pl. digitális térképek, DDM, digitális ortofotó DFG fejlıdésével a fotogrammetriai eljárások jelentısen hatékonyabban és egyszerőbben integrálhatók a Távérzékelés és a GIS eszköztárába.

3 Miért DFG? A nyers légifotók és mőholdképek geometriai értelemben torzultak Fotogrammetriai modellezéssel hatékonyan kiküszöbölhetıek ezek a hibák és a nyers felvételekbıl pontos ortofotók kaphatók. Speciálisan beszélhetünk 3D-ós képalapú geometriáról: az átfedı felvételekbıl (sztereo modellek) nyerhetı információkat különösen a raszteres GIS-ben korábbiakban kevéssé felhasznált harmadik dimenzió, a magasság értékeit használjuk ki Bármely mérés, amelyet a FG-i értelemben feldolgozott (tájékozott) felvételeken hajtunk végre megfeleltethetı az adott terepen történı mérésnek: idıt, pénzt, munkát spórolunk, ha a földrajzi információkat DFG-i módszerekkel szerezzük meg, ahelyett, hogy terepi munkával határoznánk meg a szükséges távolságokat, szögeket, területeket, térfogatokat(!), pozíciókat stb.

4 Hagyományos geometriai korrekció Síktranszformáció (pl. a polinomiális transzformáció) : nem közvetlenül az adott felvételezésnél fellépı torzulások, hibák forrása alapján határozunk meg. Eredményes: kis felbontású, keskeny látószöggel készült mőholdképek (Landsat, SPOT) feldolgozásánál. Az általános függvények elınye az egyszerőségük. Valós alternatívát jelentenek a geometriai modellezés során, ha a képi adatállomány geometriai jellemzıirıl keveset tudunk. A hagyományos geometriai transzformációval általában egyszerre egy képet korrigálhatunk. Még nagyszámú felszíni illesztıpont (GCP) felhasználásával is rendkívül nehéz megfelelı pontosságot elérnünk, fıként élénk domborzatról készült nagyfölbontású felvételeknél

5

6 DFGM: tömbkiegyenlítés, légiháromszögelés 1. A DFG-i rendszerek akár több száz (ezer!?) felvételbıl álló tömböket (block) tudnak egyszerre kezelni rendkívül kevés (a síktranszformációhoz viszonyítva) GCP felhasználásával. 2. A légi-, vagy tömbhárömszögelés során matematikai kapcsolatot keresünk a projektben tárolt felvételek, a kamara-, vagy szenzormodell és a felszín között. 3. A légiháromszögelés eredményét használjuk: DDM generálásához és ortofotó elıállításához. sztereopárok térbeli megjelenítéséhez

7

8 II. Légifelvételek készítése és digitalizálása 3. repülési sor 2. repülési sor 1. repülési sor Felvételezési pontok 2. repülési sor 60 % átfedés 1. képsor % átfedés 2. képsor repülési irány

9 Fotogrammetriai szkennerek Speciális minıségi követelményeknek megfelelı berendezések, amelyek biztosítják a kiváló képminıséget és pozícionálási pontosságot. Használatukkal elérhetı a hagyományos analóg és analitikus eszközök geometriai pontossága. Szkenneléshez az eredeti filmtekercseket használják, mivel képminıségük és geometriájuk messze meghaladja a papírmásolatokét (kontaktmásolat). A pozícionálási pontosságuk RMSE-ben kifejezve kisebb, mint 4 mikron és felbontásuk eléri az 5-10 mikront ( pixel/inch). A felbontást az alkalmazás szabja meg: nagy pontosságú légiháromszögeléshez, térbeli vektorizáláshoz gyakran mikronos, míg színes ortofotók elıállításához mikronos felbontást használnak. Asztali szkennerek Gyengébb képminıséget és geometriai pontosságot biztosítanak. Szabvány légifotóhoz szükséges a legalább 9x9 inches (min. 23x23 cm-es) aktív terület (A3 szkenner), hogy a kép keretjelei is ráférjenek a digitális állományra. Általában kevésbé pontos térinformatikai, távérzékelési munkáknál használatos.

10 Fölbontás A felvétel fölbontását meghatározza a szkennelési fölbontás (fényképfelvételnél), illetve a szenzor pixelfölbontása (digitális felvételnél, mőholdképnél). A fölbontás optimális megválasztása nagyon lényeges, a megfelelı értéket a pontossági követelmények, a munka(terület) mérete és a munka elvégzésére rendelkezésre álló idı szabja meg. Természetesen a hardver kapacitásának figyelembe vétele elengedhetetlen!

11

12

13 III. Koordináta rendszerek Pixel koordináta-rendszer (r,c) Síkbeli mérıkép koordináta-rendszer (x,y) Térbeli mérıkép koordináta-rendszer (x,y,z) Földi (vetületi) koordináta rendszer (X,Y,Z) oszlop sor

14 IV. Tájékozás Ahhoz, hogy a digitális képek pixel-koordinátáiból térbeli vetületi koordinátákat határozzunk meg, vagyis a felvételeket tájékozzuk, három lépésbıl álló mőveletsort kell végrehajtanunk: belsı tájékozás: a lencse és a szkenner elrajzolási hibáinak csökkentése és képkoordináta rendszer illesztése a felvételekre, kölcsönös tájékozás: a képsorok összetartozó pontjainak mérésével a térmodellek elıállítása, abszolút tájékozás: ismert vetületi koordinátájú illesztıpontok megadásával a térmodellek vetületi rendszerbe illesztése.

15 IV.1. Belsı tájékozás A belsı tájékozás során meghatározzuk kamara vagy a szenzor belsı geometriáját a kép készítésének idıpontjára vonatkozóan. Célja a digitális kép pixel koordináta-rendszerérıl a térbeli képkoordinátarendszerre való áttérés transzformációs egyenleteinek megadása. A kamera belsı geometriáját a következı változók határozzák meg: képfıpont koordinátái fókusztávolság = kamaraállandó értéke keretjelek helye optikai elrajzolás értéke

16 Képfıpont és fókusztávolság A képfıpont matematikai definíciója: a vetítési középpontból a képsíkra állított merıleges egyenes és a képsík metszéspontja. A vetítési centrum és a képfıpont távolsága a fókusztávolság. Pontos értékét laboratóriumi mérésekkel határozzák meg: kamera kalibrációs jegyzıkönyv h Vetítési centrum Keretjelek Fókusztávolság Képsík

17 IV.2. Kölcsönös tájékozás Kapcsoló pontok (Tie Points, Homológ pontok) A kapcsoló pont olyan pont, amely vetületi koordinátája nem ismert, de vizuálisan felismerhetı két, vagy több felvételen. Képi pozíciója azonosítható és mérhetı az átfedı képterületeken. A vetületi koordinátáját a légi-háromszögelés során számítjuk. A kapcsoló pontok manuálisan és automatikusan is mérhetık. kapcsolópontok 9 kapcsolópont kell minden képen a tömb összekapcsolásához kapcsolópont

18 Képpiramisok A nagy mennyiségő képi adat miatt a számítási idı csökkentésére és az egyeztetési eljárások megbízhatóságának növelésére képpiramisokat alkalmaznak. A piramis adatstruktúra ugyanazt a képet reprezentálja, lépcsızetesen egyre növekedı felbontással. A piramisban föntrıl lefelé haladva a sorok és oszlopok értékét szintrıl szintre megkettızzük. A képpiramisok jól hasznosíthatók az egyeztetési eljárásoknál az elızetes értékek felvételekor. A durvább szinten történt képhozzárendelés eredménye kiinduló értéke a finomabb szintő korrelációnak, ezért ezt az eljárást többszintő korrelációnak is nevezik. 4. szint 64 x 64 pixel felbontás: 1 : 8 A 4. szinten indul az egyeztetés 3. szint 128 x 128 pixel felbontás: 1 : 4 és 2. szint 256 x 256 pixel felbontás: 1 : 2 1. szint 512 x 512 pixel teljes felbontás: 1 : 1 az 1. szinten fejezıdik be az egyeztetés.

19 IV.3. Abszolút tájékozás Az abszolút tájékozás célja ismert illesztıpontok koordinátáinak meghatározásával a képek vetületi rendszerbe illesztése. A képek térbeli pozíciójának megadása három koordinátával és három elforgatási szöggel történik. A külsı tájékozási elemek meghatározzák az expozíció idıpontjában a képkészítés geometriai körülményeit. A külsı tájékozási elemek: vetítési középpont koordinátái a földi (vetületi) koordináta rendszerben: Xo, Yo, Zo, ahol Zo a kamera tszf.-i magassága. kamaratengely dılését jellemzı két szög: ω,ϕ és a sugárnyaláb elfordulása a kamaratengely körül: κ (kappa) P felszíni pont

20 Típusai: teljes: X,Y,Z horizontális: X,Y vertikális: Z GCP - Földi illesztıpontok Mérésük módszerei: teodolit (mm-cm pontosság) total station (mm-cm pontosság) földi GPS (cm-m pontosság) planimetrikus és topográfiai térképek (m- több 10m pontosság) digitális ortofotók (csak X,Y koordinátákat ad, pontossága az ortofotó felbontásától függ) DDM (Z koordinátákat is szolgáltat, pontossága a DDM felbontásától függ)

21 A sugárnyaláb kiegyenlítési eljárás megértéséhez vizsgáljuk meg a következı esetet: rendelkezésünkre áll két felvétel, az átfedı területen három db. GCP X,Y,Z földi koordinátáival, továbbá hat db. mért kapcsoló pont. Kapcsolópont Tapasztalati egyenletek száma Ismeretlenek száma Redundancia (szabadsági fok) 3 GCP 3 x 4 = Kapcsoló pont 6 x 4 = 24 6 x 3 = 18 - Külsı tájékozási paraméterek - 2 x 6 = 12 - Összesen: = 6

22 Szükséges GCP-ok száma A minimálisan szükséges GCP-ok száma függ a projekt méretétıl. Az elméleti minimum ahhoz, hogy megteremtsük a kapcsolatot a képtér és a felszín között a következı: 2 (teljes) GCP X,Y,Z koordinátákkal és 1 (vertikális) GCP Z koordinátával megadva.

23 V. Digitális ortofotó Centrális vetítés A fotogrammetriában egy objektumra vonatkozó információinkat nem az eredeti alakzatról, hanem közvetett úton annak fényképérıl vesszük. Fényképezéskor a tárgy képét optikai vetítéssel hozzuk létre. A vetítés olyan geometriai transzformáció, amely az eredeti alakzat alakját és helyzetét is megváltoztatja. A légifelvételek készítésénél centrális vetítést alkalmaznak: a vetítési centrum a végesben helyezkedik el. (A fényképezéssel készült kép közelebb áll a látott képhez, mivel az emberi szemben is centrális vetítéső kép keletkezik.) Ortogonális vetület A térkép és a legtöbb térinformatikában alkalmazott vetületi rendszer ellenben ortogonális vetülete a földfelszínnek. (A természetben az egyetlen, párhuzamos vetítısugarakkal keletkezett kép a napfény-megvilágításból adódó árnyék.)

24

25 Eredeti kép Kamera Ortofotó (Digitális) Ortofotó: perspektivikus torzulásoktól mentes (digitális) kép, geometriailag helyes felvétel (Digitális) Ortofotó-térkép: az ortogonális átalakítással együtt a (digitális) felvétel vetületi rendszerbe illesztése is megtörtént.

26

27 Elınye (vonalas térképpel szemben): sokkal szemléletesebb képet ad a földfelszínrıl a felhasználó a számára szükséges képi tartalmat a térkép geometriai pontosságával nyerheti ki elıállítása (nagy tömegben) gazdaságosabb, olcsóbb és gyorsabb a vektoros térképénél!

28 Ortofotók alkalmazási lehetıségei a, földrajzi interpretációra pontos geometriai tartalommal b, a térinformatikai megjelenítı és elemzı modulban a raszteres alaptérképként, c, térképezési, tervezési feladatok során meghatározott pontosságú mérésekhez, d, felszíni objektumok nagy pontosságú vektorizálásához.

29 Köszönöm a figyelmet!