1.FOTOGRAMETRIA nauka zajmująca się określaniem położenia,wymiarów, kształtu obiektów przestrzennych na podstawie ich obrazów fotograficznych lub cyfrowych. Photos – światło, gramma – zapis, metro – pomiar. Podział: a) miejsce wykonania zdjęć: - naziemna (terrof.) – lotnicza (aerof.) – satelitarna (mogą być jedno lub dwuobrazowe)b)na metody opracowania – analogowa (zdjęcia analogowe, instrumenty optyczne) – analityczna (zdjęcie w postaci rastrowej, skomputeryzowane instrumenty) – cyfrowa (zdjęcie rejestrowane w postaci cyfrowej, przetwarzane komputerowo) Zastosowanie: a) lotnicza i satelitarna – w opracowywaniu różnego rodzaju map wektorowych, ortofotomap, NMT, aktualizacja map topograficznych i ewidencyjnych, źródło danych dla SIP oraz projektów technicznych dużych budów. b) naziemna – do opracowań architektonicznych (przekroje, rzuty i rysunki elewacji, fotoplany); do opracowań budowlanych (badanie odkształceń, wpasowanie w istniejącą architekturę); w górnictwie (wyznaczanie wielkości urobku w kopalniach odkrywkowych); glacjologia (badanie ruchów lodowców); - geologia (rejestrowanie zjawisk geologicznych); archeologia (inwentaryzacja wykopów, rekonstrukcja obiektów); medycyna (pomiary ludzkiego ciała, w tym uzębienia); hydrologia (pomiar deformacji linii brzegowej).
2.KAMERY LOTNICZE – urządzenie do pozyskiwania zdjęć lotniczych. Są to dokładne i skomplikowane układy mechaniczne, elektryczne i optyczne. Podział: a) geometria zdjęć (kadrowe, szczelinowe, panoramiczne) b) kąt widzenia (wąskokątne 10-20st, ck=610,950mm; normalnokątne 50-70, ck=210,300; szerokokątne 85-95, ck=152mm, ponadszerokokątne 110-130, ck=88mm c) wymiary zdjęcia (małoformatowe <18x18, normalnego formatu 18x18, 23x23; wielkofroamatowe >23x23) d) stopień zautomatyzowania (ręczne, półautomatyczne, automatyczne). Budowa: korpus kamery (zawiera ramkę tłową oraz uchwyt na kasety (ładownik) – służy do pomieszczenia stożka obiektywowego); kaseta – służy do pomieszczenia i przewijania materiału światłoczułego; stożek obiektywowy – w dolnej jego części umieszczony jest obiektyw, wewnątrz którego wmontowana jest przesłona i migawka urządzenie sterujące – reguluje rytm pracy i współdziałanie elementów GPS, celownik, komputer- urządzenie umożliwiające realizację orientacji zewnętrznej zawieszenie lub spodarka ze statywem; Wymagania konstrukcyjne –obiektyw wolny od zniekształceń geometrycznych obrazu – duża rozdzielczość obiektywu – konstrukcja podzespołów powinna gwarantować uzyskanie ostrego obrazu w ruchu – ramka tłowa prostop. do osi – powinna naświetlać znaczki tłowe. Wskaźniki na ramce tłowej: - nr kamery, nr zdjęcia, stała kamery, wysokościomierz, zegar, libella pudełkowa. Cyfrowe kamery lotnicze – kamery wykorzystującą technologię CCD (change coupled devices), jest to obrazowanie barwne na matrycach z wykorzystanie materiału światłoczułego (krzem). Zarejestrowana przez sensor intensywność energii świetlnej jest przetwarzana na widmo elektromagnetyczne (np. widmo RGB). Nowoczesna, wysokorozdzielcza kamera cyfrowa posiada system przetwarzający obrazy analogowe w cyfrowe i wbudowany twardy dysk o dużej pojemności. Problemem jest uzyskanie rozdzielczości zbliżonej do zdjęć analogowych. By uzyskać zadowalającą jakość stosuje się: - linijki detektorów, -kilka matryc detektorów CCD wypełniających kadr, - cyfrowy adapter do analogowej kamery. Wspomniane technologie są jednak bardzo drogie, stąd wciąż nie słabnie popularność kamer analogowych.
3. ANALOGOWE Z.L – zdjęcia wykonane kamerą analogową. Światło dobite od przedmiotu à kamera z materiałem światłoczułym à obraz optyczny à naświetlenie materiału światłoczułego à wywołanie negatywu à kopiowanie (pozytyw). Zdjęcie oprócz fotografowanego obszaru zawiera elementy ramki tłowej oraz wyryte znaczki tłowe.
4. OBRAZ CYFROWY – raster matematyczny, czyli macierz, której każdy element opisuje jedną cechę określonego elementu obrazu. Najmniejszym elementem jest piksel. Cechą piksela jest poziom szarości (0-255) dla zdjęć czarno-białych. Dla zdjęć kolorowych w zależności od przyjętego zestawu kolorów podstawowych mamy np. RGB w pamięci komputera zapisuje się dla jednego obrazu - kilka obrazów składowych, a w każdym obrazie składowym poziom jasności danego koloru podstawowego. Cechy: a)rozdzielczość geometryczna - charakteryzuje wielkość piksela) - najczęściej wyrażana liczbą pikseli na jeden cal (obrazu optycznego), zapisywana skrótem dpi. b)rozdzielczość radiometryczna - charakteryzuje liczbę
poziomów jasności, w której zapisywany jest obraz cyfrowy. Najczęściej obraz zapisywany jest na 256 poziomach jasności, co pozwala na zapisanie wartości piksela na jednym bajcie. c)rozdzielczość spektralna – podaje w jakim zakresie spektrum promieniowania elektromagnetycznego zarejestrowany jest obraz METODY POZYSKIWANIA: a) skanowanie zdjęć analogowych do formatu bmp, tiff, giff – rozdzielczość 1300 dpi. b) zdjęcia cyfrowe wykonane za pomocą metod pasywnych: (–skanera optycznego, - skanera optyczno-elektrycznego –kamery CCD) lub aktywnych (radar, skaner laserowy).
5.PROTOKÓŁ KALIBRACJI KAMERY – charakterystyka metryczna kamery fotogrametrycznej wyznaczona w procesie okresowej (2 lata) obowiązkowej kalibracji (wyznaczenia elementów orientacji wewnętrznej). Taka charakterystyka jest niezbędna do przeprowadzenia opracowań fotogrametrycznych. Zawiera: - stałą kamery lub ogniskową – położenie punktu głównego w stosunku do znaczków tłowych (x0,y0) – zdolność rozdzielczą obiektywu – wartość dystorsji obiektywu – odległości między znaczkami tłowymi – odchylenie ramki tłowej od płaszczyzny. Te parametr umożliwiają precyzyjną rekonstrukcję wiązki promieni. Metody kalibracji: a) polowe (z wykorzystaniem pola testowego lub wybranych gwiazd jako punktów o znanych współrzędnych – dzielą się na statyczne i dynamiczne) b) laboratoryjne (oparte na wykorzystaniu kalibratorów wielokolimatorowych lub goniometrów).
6.ZNIEKSZTAŁCENIA A. GEOMETRYCZNE zdjęcie jest z geometrycznego punktu widzenia - rzutem środkowym przestrzennego obiektu na płaszczyznę. W praktyce to założenie jest spełnione tylko w przybliżeniu. Czynniki zniekształcające geometrię: a) Wpływ nachylenia zdjęcia - punkt terenowy odwzoruje się na nachylonym zdjęciu lotniczym przesuniętym radialnie w kierunku punktu izocentrycznego, w porównaniu z jego odpowiednikiem na zdjęciu ściśle pionowym b) Wpływ deniwelacji - różnice terenowe powodują zniekształcenia perspektywistyczne punktów, Kierunek przesunięcia jest zgodny z kierunkiem do punktu nadirowego. c) Dystorsja obiektywu lub dystorsja radialna jest cechą stałą dla danego obiektywu. Jest to zniekształcenie rotacyjno-symetryczne obrazu. Zniekształcenie to powoduje radialne przemieszczenie obrazów punktów w kierunku do lub od punktu głównego zdjęcia i jest wynikiem różnego powiększania obrazów leżących w różnych odległościach kątowych od osi obiektywu. Dystorsję opisuje się przez podanie wektora określonej długości i kierunku. d) Deformacje podłoża emulsji foto - używane jako nośniki emulsji światłoczułej błony acetanowe i poliestrowe, pod wpływem temperatury, wilgotności i czasu składowania kurczą się. Uwzględnić je można przez porównanie pomierzonych odległości znaczków tłowych z ich h nominalnymi wartościami. e) wpływ niepłaskości emulsji foto - emulsja nie stanowi idealnej płaszczyzny. W wyniku tej niepłaskości następuje radialne przesunięcie punktów zdjęcia względem ich położenia zgodnie z zasadą rzutu środkowego. f) wpływ refrakcji atmosferycznej - promienie świetlne tworzące obraz fotograficzny, nie rozchodzą się po liniach prostych, lecz się załamują, gdy przechodzą przez warstwy powietrza o różnej gęstości. Wielkość refrakcji zależy od stanu atmosfery. Wpływ refrakcji rośnie ku skrajom zdjęcia. g) wpływ krzywizny Ziemi - zakrzywienie Ziemi nie powoduje zniekształceń wiązki perspektywicznej. Jednak współrzędne geodezyjne są odniesione do przyjętej płaszczyzny odwzorowawczej, więc trzeba uwzględnić zakrzywienie Ziemi. Wpływ krzywizny Ziemi rośnie ku skrajom zdjęcia, jest wprost proporcjonalny do wysokości fotografowania i odwrotnie proporcjonalny do odległości obrazu. B. RADIALNE – Zniekształcenia radiometryczne, są spowodowane: - nierównomiernością oświetlenia, - błędami konwersji oświetlenie – sygnał elektryczny (tzn. błędami detekcji). Jednym z najczęściej spotykanych przypadków zniekształceń radiometrycznych jest spadek jasności na brzegach obrazu. Mamy tu do czynienia z liniową albo nieliniową funkcją spadku jasności od środka obrazu. Jeżeli funkcje te są różne dla poszczególnych składowych kolorów, to na zdjęciu możemy zaobserwować zjawisko zmian kolorów na obrazie w zależności od odległości od środka obrazu. Jest to nie do zaakceptowania przy prezentacji zdjęć, fotoplanów lub ortofotomap i dlatego zdjęcia takie poddaje się korekcji.
7.ORIENTACJA WEWNĘTRZNA – jest rekonstrukcja rzutu środkowego. Jej parametry umożliwiają odtworzenie położenie środka rzutów, są to: współrzędne tłowe punktu głównego O’ (X0,Y0) oraz stała kamery (Ck) – jest to O’O czyli odległość punktu głównego środka rzutów. Orientacja wewnętrzna zdjęcia polega na transformacji współrzędnych obrazu z układu pikselowego do układu tłowego. W tym celu najczęściej stosuje się transformację alfiniczną (, a także biliniową lub Helmerta. Podczas orientacji punktami dostosowania są znaczki tłowe. Ich współrzędne w układzie tłowym, a także Ck i x0,y0 powinny znajdować się w metryce kamery. Transformacja z pikselowych na tlowe:
x=Axp-xs+Byp-ys+C; y=Dxp-xs+Eyp-ys+F
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 : a) odległość obrazowa kamery fotogrametrycznej oznaczona symbolem F lub Ck ( f= Ck ) b) 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.
8. WIDZENIE STEREOSKOPOWE. Naturalny efekt stereoskopowy – wiąże się ze zdolnością ludzkich oczu odbierania wrażenia przestrzenności i ocenę odległości. Jest to możliwe dzięki różnicy obrazów powstałych na siatkówkach oczu oddalonych od siebie o ok. 65 mm. Warunkiem jest współuczestnictwo obu oczu – jednakowej wielkości obrazy powstają w odpowiadających sobie miejscach na siatkówce oczu. Sztuczny efekt stereoskopowy – uzyskujemy obserwując zdjęcia wykonane z dwóch różnych miejsc. Warunki: - zdjęcie lewe obserwujemy okiem lewym a prawe prawym – podobna skala obu zdjęć (do 15%) – 30’’<γ<15st – obserwacja w płaszczyźnie rdzennej α(O’,O’’,P’)=α(O’,O’’,P’’) p’€α, p’’€α By spełnić te warunki należy przeprowadzić orientację wzajemną.
9. UKŁADY WSPÓŁRZĘDNYCH
Układ współrzędnych terenowych (X, Y, Z) definiuje się jako prawoskrętny układ ortogonalny. Zazwyczaj oś X jest zgodna z kierunkiem osi szeregu zdjęć lotniczych. Początek układu może być dowolny, jednak dla większego zespołu zdjęć jest on przyjmowany pośrodku opracowywanego terenu. Dla osi Z przyjęto dodatni kierunek zwrotu do góry. W układzie terenowym przedstawiane są ostateczne rezultaty opracowania fotogrametrycznego. Jest to możliwe przy znajomości współrzędnych XYZ punktów osnowy odwzorowanych na zdjęciach. Położenie wiązki promieni homologicznych opisują elementy orientacji zewnętrznej. Są to trzy wielkości liniowe określające położenie środka rzutów zdjęcia (XYZ) oraz trzy kąty wyrażające nachylenia osi układu przestrzennego zdjęcia względem osi układu terenowego (φ, ω, κ).
Lokalny układ współrzędnych fotogrametrycznych 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 bez dokładnej znajomości jego skali oraz orientacji przestrzennej
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 stereokomparatorów - 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 osiami x,y został utworzony ortogonalny układ prawoskrętny. TRANSFORMACJE
Przekształcenie rzutowe Przekształcenie rzutowe płaszczyzny na płaszczyznę: przestrzeni na płaszczyznę:
Czteroparametrowa Transformacja bilinearną(4):
transformacja (Hellmerta)(2)
x = ao + a1xs + b1ys x = ao + a1xs + a2ys + a3xsys
y = b0 + a1ys – b1xs y = b0 + b1ys + b2xs + b2xsys
Transformacja afiniczna(3) - 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 afiniczna wprowadza również przesunięcie początku układu współrzędnych z układu współrzędnych komparatora xs, ys, do układu współrzędnych zdjęcia x, y oraz stosuje obrót o kąt skręcenia obydwu układów: x = a1 + a2xs + a3ys; y = b1 + b2xs + b3ys
10. ORIENTACJA ZEWNĘTRZNA
Orientacja zewnętrzna pozwala na określenie położenia zdjęcia w układzie współrzędnych terenowych. Za pomocą 6 elementów możemy zrekonstruować położenie wiązki promieni jaka w momencie naświetlania utworzyła obraz w trójwymiarowej przestrzeni. - 3 elementy liniowe określające położenie środka rzutów w układzie odniesienia (geodezyjnym) (X, Y, Z) - 3 elementy kątowe określające położenie osi kamery pomiarowej względem osi układu odniesienia(Ω, Elementy orientacji zewnętrznej zdjęcia można obliczyć, rozwiązując zadanie wcięcia wstecz. Dokonuje się tego przez wpasowanie fotogrametrycznej wiązki rzutu środkowego w zespół punktów o znanych współrzędnych terenowych. Można do tego celu użyć wzorów x=a11(X-X0)+a12(Y-Y0)+a13(Z-Z0); y=a21(X-X0)+a22(Y-Y0)+a23(Z-Z0); z=a31(X-X0)+a32(Y-Y0)+ a33 (Z-Z0), z=-ck àdzielimy przez –ck obie strony i przenosimy na prawą
Wymagają one znajomości (pomiaru na zdjęciu i wyznaczenia w terenie) współrzędnych trzech punktów, kiedy znane są Ck, X0, Y0 lub czterech punktów, kiedy znana jest tylko Ck.
11. ORIENTACJA WZAJEMNA – polega na wprowadzeniu układu modelu, a więc powiązaniu dwóch zdjęć i analitycznym „odtworzeniu wiązek”. Zadaniem orientacji jest doprowadzenia zdjęć do takiej postaci jaka było w momencie fotografowania. Pomiarowi podlegają punkty jednoznacznie identyfikowalne na lewym i prawym zdjęciu.Orient. wzaj. dokonuje się tylko wtedy gdy nie znane są elementy o. zewn. Do jej przeprowadzenia wymagany jest pomiar 6 punktów homologicznych w tzw. Rejonach Grubera. Baza b=[bx,by,bz]T, obserwacja rdzenna r=[x’,y’,z’] rT – wektor obserwacji transformowanych, płaszczynza orientacji α(O1,O2’,P’) α(b,r). Warunek widzenia stereoskopowego à P’’€α
rt''=A*r''=1-κφκ1-ω-φω1*x''y''-ck
...
mroczka_92