FOTOGRAMETRIA
Fotogrametria- dział nauki i praktyki zajmujący się określeniem położenia, wymiarów i kształtu obiektów przestrzennych na podstawie ich obrazów fotograficznych.
Zalety pomiarów fotogrametrycznych
- do rejestracji (fotografowania) i pomiaru nie jest potrzebny bezpośredni kontakt z obiektem;
- wykonanie zdjęcia obiektu trwa bardzo krótko (ważne przy obiektach ruchomych);
- pomiar i opracowanie w warunkach kameralnych;
- możliwość powtórzenia lub uzupełnienia pomiarów;
- nie ma problemów z pomiarem dużej liczby pH;
- zdjęcia stanowią wierny i obiektywny obraz mierzonego obiektu i mają wartość archiwalną;
- opracowania fotogrametryczne mają charakter ciągły i są pozbawione subiektywizmu lub generalizacji.
Zalety fotogrametrycznych metod pomiarowych w porównaniu do pomiaru bezpośredniego:
- dokładność pomiarów- porównywalna (geodezja kilka cm, a fotogrametria kilkadziesiąt cm);
- szybkość opracowania większa (zwłaszcza duże powierzchnie);
- koszty opracowania - mniejsze.
Ograniczenia fotogrametrycznych metod pomiarowych:
- metoda nieopłacalna przy małych obiektach;
- ograniczenia z powodu warunków atmosferycznych;
- kosztowny sprzęt fotogrametryczny (w mln. złotych);
- złożony proces technologiczny tworzenia map;
- ograniczenia w dostępie do zdjęć (do niedawna).
Zdjęcia pomiarowe- są to zdjęcia, które nie mogą posiadać zniekształceń kątowych i liniowych. Zdjęcia te wykonuje się kamerami fotogrametrycznymi, wyposażonymi w obiektywy wysokiej klasy.
Podziały fotogrametrii:
- topograficzna;
- nietopograficzna (bliskiego zasięgu);
- lotnicza (aerofotogrametria);
- naziemna (terrofotogrametria);
- jednoobrazowa;
- dwuobrazowa.
Metody opracowań fotogrametrycznych:
- analogowe- optyczno mechaniczne rozwiązanie zależności między obiektem a jego obrazem fotograficznym (analogowe obrazy i analogowe urządzenia);
- analityczne- rozwiązanie zależności geometrycznych z wykorzystaniem techniki obliczeniowej (obrazy są jeszcze analogowe);
- cyfrowe- j.w. (obrazy w postaci cyfrowej).
Formy opracowań fotogrametrycznych:
- opracowanie graficzne np. mapa;
- opracowanie fotograficzne;
- opracowanie numeryczne - np. mapa cyfrowa (numeryczna) lub przetworzony obraz.
Rzut środkowy- aby otrzymać rzut środkowy odcinka AB na płaszczyźnie Π lub Π”, należy końce tego odcinka połączyć z punktem S nie leżącym na żadnej z tych dwóch płaszczyzn i wyznaczyć punkty przebicia tych płaszczyzn przez proste przechodzące przez punkty S.A. i SB. Otrzymane odpowiednio na płaszczyznach Π i Π” odcinki a b i a”b” są rzutami środkowymi odcinka AB. Punkt S nazywamy środkiem rzutów, płaszczyzny Π i Π” - płaszczyznami rzutów, zaś proste przechodzące przez rzutowane punkty i środek rzutów - promieniami rzutującymi.
O wyborze samolotu do wykonania zdjęć decydują:
-prędkość lotu; prędkość wznoszenia; stateczność lotu; długość drogi startu i lądowania; osiągania odpowiedniego pułapu lotu; możliwości umieszczenia kamery w pobliżu środka ciężkości samolotu (najmniejszy wpływ na jakość zdjęć)
Skala zdjęć lotniczych- nazywamy, stosunek długości odcinka na zdjęciu do długości odpowiadającego mu odcinka w terenie i zapisujemy w postaci ułamka 1/m. 1/m = f/H (stosunek ogniskowej do wysokości na której zrobiono zdjęcie). Skala zależy od długości ogniskowej. Zdjęcia o dużej skali mają mniejszy zasięg odtworzonego obrazu. Małe skale pokazują większe obszary, duże skale prezentują informacje bardziej szczegółowe.
Duża skala 1:2500; 1:500; mała skala 1;20000; 1:25000.
Rodzaje zdjęć lotniczych
- pionowe- wykonywane przy pionowym położeniu osi kamery. Płaszczyzna kliszy zajmuje wówczas położenie poziome. Utrzymanie w pionie osi kamery podczas wykonywania zdjęć z powietrza jest praktycznie niemożliwe, dlatego też zdjęciami pionowymi nazywamy zdjęcia, dla których odchylenie osi kamery od kierunku pionu nie przekracza 3° (praktycznie wynosi ono 1-1,5°, czyli są to zdjęcia prawie pionowe); do celów pomiarowych i topograficznych wykonywane są wyłącznie zdjęcia prawie pionowe; stosując stabilizację żyroskopową możemy uzyskać odchylenie osi od pionu nie przekraczające 3-5'
- ukośne- zdjęcia wykonane przy nachyleniu osi kamery w stosunku do kierunku pionu przekraczającym 3°; w tym do 45°- nachylone, powyżej 45°- zdjęcia perspektywiczne.
Radialne przesunięcie- jest to różnica między dachem a podstawą budynku. Radialne, bo mierzone od środka do zewnątrz. Zależy od ogniskowej kamery (krótsza - większe), skali( większa - większe); wysokości obiektu (im wyższy obiekt tym wyższe przesunięcie radialne).
Zespół zdjęć- są to wszystkie zdjęcia lotnicze wykonane dla danego fragmentu terenu.
Szereg zdjęć- są to kolejne zdjęcia wykonane w określonych odstępach czasu, jakie wykonuje samolot podczas jednego przelotu nad terenem. W zależności od wielkości fotografowanego terenu zespół zdjęć może się składać z dwóch lub więcej szeregów.
Pokrycie podłużne- sposób wykonania zdjęć polegający na tym, że część terenu odfotografowana na jednym zdjęciu jest odwzorowana na zdjęciach sąsiednich w szeregu. Najczęściej stosowane pokrycie sięga 60%.
Pokrycie poprzeczne- jest to pokrycie między sąsiednimi szeregami, wynosi ono z reguły ok. 30%.
Baza podłużna- jest to odległość między sąsiednimi położeniami stanowisk, z których wykonano kolejne zdjęcia. Aby to wyliczyć potrzebna jest wielkość porycia podłużnego. Baza ta mierzona na zdjęciu stanowi(100-p)% formatu zdjęcia. (p- pokrycie podłużne).
Baza poprzeczna- mierzona na zdjęciu odległość między kolejnymi szeregami zdjęć. Baza ta stanowi (100-q)% formatu zdjęcia. (q- pokrycie poprzeczne).
Zakładka- powinna wynosić 25%, dotyczy ona tylko pierwszego i ostatniego szeregu.
Nalot fotogrametryczny- czynności poprzedzające zespół zdjęć lotniczych- należy wykonać projekt techniczny lotu. W części obliczeniowej projektu, na podstawie parametrów kamery lotniczej (dł. ogniskowej- f i format zdjęć d*d), skali zdjęć i przyjętych wartości pokrycia podłużnego i poprzecznego, ustala się wysokość lotu nad terenem- H, bazę podłużną Bx i poprzeczną By. Elementy te można wyznaczyć na podstawie zależności: H= f*m; Bx= d(100-p/100)*m; By= d(100-q/100)*m. na mapie w skali 1 do 100000 lub 1 do 50000 nanosi się granice obiektu, dla którego mają być wykonane zdjęcia, a następnie projektuje osie nalotów. Ze względów ekonomicznych osie nalotu należy projektować w kierunku, w którym dany obszar jest wydłużony (mniejsza liczba nalotów), dla leśnictwa robimy to w układzie równoleżnikowym. Plan wykonany na mapie (część kartograficzna projektu lotu) pozwala na ustalenie liczby szeregów (ns) i ich łącznej długości (L), a następnie ogólnej liczby zdjęć (n). Wynosi ona: n= L/Bx. Ponieważ wykonuje się po 2 zdjęcia na początku i na końcu szeregu to ogólna liczba zdjęć dla całego obszaru (N) będzie wynosiła N= n+ns*4.
Punkt główny- jest on na linii przelotu i musi znajdować się na obydwu zdjęciach.
Zniekształcenia obrazu zdjęcia wynikają z:
-własności rzutu środkowego- (przesunięcie obrazu z powodu deniwelacji terenu ?; tworzenie się martwych pól - musimy polecieć wyżej lub zwiększyć ogniskową kamery;);
-wad układu optycznego- (krzywizna pola, zniekształcenia obrazu spowodowane dystorsją obiektywu, zniekształcenia powodowane niepłaskością emulsji (mało istotne), nieostrość kamery spowodowana ruchem samolotu lub samej kamery);
- wpływu środowiska- (refrakcja- promień świetlny przechodzący przez różne warstwy atmosfery załamuje się; - przesunięcia radialne spowodowane zakrzywieniem Ziemi (tylko gdy są fotografowane bardzo duże fragmenty np. 6 na 6 km).
Kamera fotogrametryczna- podstawowe części:
-podwieszenie- służy do umocowania kamery nad otworem w pokładzie samolotu, zabezpiecza kamerę przed szkodliwym działaniem drgań, wibracji przy pomocy specjalnych siłowników;
-korpus kamery- łączy poszczególne podzespoły kamery w całość. Wewnątrz korpusu znajdują się mechanizmy zapewniające pracę kamery oraz urządzenia rejestrujące dane dotyczące parametrów zdjęcia lotniczego (ogniskowa kamery, nr zdjęcia, wysokość lotu, czas fotografowania);
-stożek kamery (wymienny)- znajduje się w korpusie. Jego górna część stanowi płaszczyznę ramki tłowej ze znaczkami tłowymi zdjęcia, w dolnej części umieszczony jest obiektyw wraz z przesłoną i migawką. Obiektyw charakteryzuje się: ogniskową, otworem względnym, kątem obrazu i zdolnością rozdzielczą.
-ładownik- zawiera kasetę z filmem (może mieć kilkadziesiąt metrów długości i rejestrować kilkaset klatek- zależy to od grubości filmu). Film jest dociskany pneumatycznie, aby nie powstały zniekształcenia.
-elektroniczne urządzenie sterujące.
Ogniskowa obiektywu- jest to odległość punktu głównego obrazowego od ogniska obrazowego. Jest jedną z podstawowych właściwości kamery, decydującej o przydatności zdjęć do określonych celów. Ze względu na długość ogniskowych kamery możemy podzielić na 3 grupy: 1/ krótkoogniskowe do 150 mm; 2/ średnioogniskowe od 151 do 250mm; 3/ długoogniskowe powyżej 251mm.
Format kadru- 23*23 cm- Ck 88 mm - stożek nadszerokokątny; 23*23 -Ck 150 mm- stożek szerokokątny; 23*23 cm- 210 mm- stożek pośredni; 23*23- Ck 300mm- normalnokątny; 23*23- Ck 600 mm- wąskokątny.
Odczytywanie obrazów- jest to wykrywanie obiektów (procesów lub zjawisk), rozpoznawanie ich, czyli zaklasyfikowanie do określonej kategorii jedynie na podstawie oznak widocznych na obrazie. Jeśli w tym procesie uwzględnimy wzajemne powiązania między elementami krajobrazu wówczas mamy do czynienia z interpretacją (np. rozpoznajemy skład gatunkowy i na tej podstawie interpretujemy typ gleby).
Cechy rozpoznawcze obiektu
-fototon- jest funkcją promieniowania odbitego od obiektu, które dotarło do obiektu i zostało zarejestrowane. Na zdjęciu kolorowym tej cesze odpowiada barwa (jasnozielona, ciemnozielona, niebieski, czerwony, purpurowy, biały, żółty, żółtawy.
-struktura- oddaje charakter powierzchni zarejestrowanego obiektu, może być amorficzna- nie widać oddzielnych elementów; ziarnista - drobno- i grubo (np. pole, łąki, las).
-tekstura- przestrzenne uporządkowanie elementów obrazu w określony wzór; może być bezładna, kratowa, smugowa, pasmowa, plamista, gwiaździsta.
Podstawowe elementy zdjęć lotniczych: - skala zdjęcia (m); wymiar zdjęcia - d [cm]; pokrycie podłużne - p [%]; pokrycie poprzeczne- q [%]; długość szeregów - Ls; liczba szeregów- ns.
Punkt wiążący- jest to punkt wspólny zdjęć lotniczych sąsiadujących ze sobą. Dzięki tym punktom możemy złożyć blok zdjęć.
Fotogrametria jednoobrazowa- jest to opracowanie pojedynczych zdjęć. Może posłużyć do uaktualnienia mapy, pomiaru np. wysokości drzew i drzewostanu. Punktami charakterystycznymi są:
-punkt główny zdjęcia- jest rzutem prostokątnym środka rzutów S na płaszczyznę zdjęcia. Stanowi on początek układu współrzędnych tłowych zdjęcia lotniczego.
-punkt nadirowy n- jest punktem przebicia płaszczyzny zdjęcia przez prostą pionową przechodzącą przez środek rzutów S. punkt ten jest punktem zbiegu wszystkich linii prostopadłych do płaszczyzny terenu T. Kierunki wychodzące z punktu nadirowego nie są zniekształcone z powodu deniwelacji terenu, posiadają jedynie zniekształcenia wynikające z nachylenia zdjęcia.
-punkt izocentryczny i- jest punktem przebicia płaszczyzny zdjęcia Π przez dwusieczną kąta nachylenia zdjęcia. Kąty te posiadają zniekształcenia z powodu deniwelacji terenu.
-główny punkt zbiegu- z jest punktem przebicia płaszczyzny horyzontu H przez główną pionową zdjęcia vv.
Metody pomiaru i przenoszenia pkt. ze zdjęcia na mapę:
-za pomocą paska papieru- przenoszenie punktu ze zdjęcia na mapę.
-metoda wcięcia w przód;
-metoda wcięcia wstecz - metoda niezależna od skali;
-metoda biegunowa
Metody te są zbyt mało dokładne, aby mogły posłużyć do tworzenia map.
Ortofotomapa- mapa, na której usunięte są wszelkie zniekształcenia powodowane np. nierównościami terenu, własnością soczewek itp. Jest to takie zdjęcie, na którym teren wygląda jakby był płaski.
Tworzenie ortofotomapy- należy pokryć teren blokiem zdjęć, które zachowują pokrycie podłużne i poprzeczne. Musimy znaleźć analogię między sąsiadującymi zdjęciami (musimy „zszyć” zdjęcia metodami cyfrowymi), musimy mieć punkty kontrolne xyz aby uzyskać skalę mapy. Są to tzw. punkty referencyjne.
Etapy tworzenia ortofotomapy- pozyskanie obrazu (filmy z kamery cyfrowej, obrazy cyfrowe z satelitów); wstępne przetwarzanie obrazów, skanowanie filmu lotniczego, import obrazów cyfrowych; -przetwarzanie fotogrametryczne- triangulacja.
Zdjęcie = mapa? - TAK, jeśli teren jest płaski, wysokość, na której powstaje zdjęcie jest równa oraz kąt wykonania zdjęcia jest prosty.
Zdjęcie = mapa?- NIE, gdy pojawiają się deniwelacje terenu.
Przetwornik optyczno mechaniczny- służy do przenoszenia szczegółów terenowych ze zdjęć lotniczych (np. granic wyłączeń drzewostanowych) na podkład kartograficzny. Składa się on z podstawy, do której przymocowana jest kolumienka.
Numeryczny model terenu (NMT) w ortorektyfikacji zdjęć lotniczych- jest to źródło do korygowania błędu przy powstawaniu ortofotomapy. Nie opisuje dokładnie pofałdowania terenu. Jest to twór jakby schodkowy.
Skanowanie lotnicze (lidar) laserowe (NMWK)- od koloru ciemnoniebieskiego (tereny lub obiekty najniższe) do białego (tereny lub obiekty najwyższe).
Źródła danych do budowy modeli NMT i NMPT (NMWK)
- geodezyjne pomiary bezpośrednie (tachimetria, GPS);
-digitalizacja map sytuacyjno wysokościowych (jest to dobry sposób, ponieważ teren się nie zmienia - oprócz działalności rzek i człowieka). Sposób dobry tylko do NMT.
- pomiary fotogrametryczne (stereodigitalizacje)- bardzo pracochłonne (duża ilość pomiarów, kilka tysięcy punktów);
- skanowanie laserowe- bardzo dokładne, obejmuje bardzo duże obszary. Można korygować ortofotomapy.
-korelacja obrazów- technika przyszłościowa.
Skanowanie laserowe- czynniki wpływające na moc odbieranego sygnału:
-moc wysyłana; od szerokości wiązki; od odległości; od obiektu; od atmosfery.
Promień laserowy jest w różnym stopniu odbijany lub pochłaniany przez obiekty terenowe.
Elementy systemu pomiarowego- GPS na pokładzie samolotu; skaner laserowy.
Organizacja nalotu- podobny jak w fotogrametrii, samolot lata pasami. Znajdujemy punkty wiążące i uzyskuje jednolity zestaw danych.
Ograniczenia -pomiędzy otrzymywanymi impulsami musi być zachowany minimalny odstęp czasowy np. 10 ns s=v*t = 300000 tys km/s *10 ns= 3m, co oznacza, że nie można uchwycić oddzielnego echa z pod roślinności, która jest niższa niż 1,5 m (=o,5*3).
Teledetekcja- zdalne wykrywanie i rozpoznawanie obiektów. Jest to dziedzina nauki i dział praktyki człowieka, ale także sztuki, która za pomocą promieniowania elektromagnetycznego zapisanego na nośnikach danych rozpoznaje obiekty na powierzchni Ziemi i pozwala wnioskować o ich stanie. (np. wykonane zdjęcia lotnicze aby określić gdzie znajdują się dane gatunki drzew, cz są zdrowe, czy martwe - tzn. określić ich stan.)
Fotointerpretacja- ogranicza zakres do obrazów zrobionych drogą fotografowania (fotografia i interpretujemy ją).
Cele przetwarzania obrazu (cyfrowego)
1/ poprawienie jakości obrazu (aby był czytelny). Poprawić jakość można przez: zmianę jasności obrazu; - wzmocnienie kontrastu; - wyrównanie histogramu.
Mały kontrast- między kolorami ciemnymi a jasnymi jest mała rozpiętość tonalna.
Histogram- pokazuje nam, jaka jest częstość występowania pikseli o różnym stopniu zaczernienia. Jest przedstawiony w liczbach całkowitych od 0 do 255.
Zmiana jasności obrazu- polega na tym, że każdy piksel rozjaśniamy o pewną konkretną wartość. Otrzymujemy obraz jaśniejszy, czytelniejszy.
Zmiana kontrastu- jest to zwiększenie rozpiętości wartości zaczernienia. Poprawiamy wizualny stan obrazu.
Rozdzielczość przestrzenna- wartość, jaką reprezentuje piksel w terenie.
Funkcje zmiany kontrastu- liniowa; logarytmiczna; wykładnicza; składana (zdjęcia wody- przy zmianie z barwy ciemnej, co możemy zobaczyć).
Progowanie- wprowadzanie wartości progowej, do której poszczególne wartości przybierają barwę czarną, a powyżej barwę białą.
Kwantowanie- jest to odpowiednik progowania, tylko mamy kilka progów.
Rozpiętość tonalna- jest to różnica między najjaśniejszym, a najciemniejszym pikselem.
2/ poprawienie jakości geometrycznej obrazu (zła jakość wynikająca z własności kamery, rzutu środkowego, własności środowiska w którym zrobiono zdjęcie).
3/ filtracja- wzmocnienie poszczególnych fragmentów np. brzegu obrazu, usunięcie zakłóceń, znalezienie obiektów liniowych np. rzek. Możemy wyróżnić filtrację częstotliwościową i …...
Klasyfikacja nadzorowana- przebiega pod naszą kontrolą.
Klasyfikacja nie nadzorowana- sam system wyróżnia poszczególne kategorie obiektów.
Efekt- zależy od: - jaki mamy materiał źródłowy; - jaka to jest pora roku; - jakie obiekty chcemy wyróżniać; - czy dobrze pobraliśmy próby (czy są one odp. licznie reprezentowane); - metody jakie zastosujemy do przetworzenia.
4/ klasyfikacja treści obrazu- określamy, gdzie występuje np. uprawa sosnowa lub określamy gdzie jest drzewostan zaatakowany przez szkodniki.
5/ indeksy wegetacyjne- mają na celu wnioskowanie o wielkości biomasy. Może określać stan drzew w drzewostanie.
6/ metoda składowych- tworzenie z zestawu zdjęć możliwie najlepszego obrazu.
7/ RGB i HS - służą do połączenia właściwości rozpoznawczych obiektów.
Dane określające obiekty geograficzne:
-przestrzenne (geograficzne)
-opisowe (drzewostan o pow. takie i takiej)
Informacja geograficzna
1/ To odpowiedź na pytanie: - gdzie znajduje się obiekt lub zjawisko (np. Ursynów); - co znajduje się we wskazanym miejscu; - jakie cechy przestrzenne ma wskazany obiekt lub zjawisko (kształt, rozmiar, odległość od czegoś);
2/ Może być bardzo precyzyjna lub ogólna (skala);
3/ Może mieć charakter ciągły lub dyskretny;
4/ Może być dynamiczna;
5/ Jej przechowywanie może wymagać zaangażowanie wielkich ilości środków technicznych.
Normy informacji geograficznej:
- niektóre elementy przestrzeni (prezentujemy za pomocą danych wektorowych) geograficznej mają charakter dyskretny np. dom, drzewo, rzeka, województwo.
- inne są ciągłe i zmieniają się w zależności od miejsca na powierzchni Ziemi np. temperatura, ciśnienie, rzeźba terenu, zanieczyszczenie powietrza, wysokość.
Klasyfikacja systemów informacyjnych:
- inne systemy informacyjne;
- system informacji przestrzennej: - systemy informacji przestrzennej odniesione do Ziemi: a/ systemy informacji geograficznej (małe skale - obszary typu województwo, Polska);
b/ systemy informacji terenowej (SIT)- ( duże skale - działka, poligon, część granicy)
- inne systemy przestrzenne.
SIP- system zarządzania danymi przestrzennymi, który umożliwia zbieranie, przetwarzanie, przechowywanie, analizowanie, udostępnianie i prezentację informacji o obiektach i zjawiskach przestrzennych.
Składowe SIP
1/ ludzie- administratorzy, zarządzający, specjaliści SIP, użytkownicy końcowi;
2/ hardware (sprzęt)- komputery, sieci (kable, karty sieciowe); peryferia graficzne;
3/ software (programy)- SIP; bazy danych; systemy operacyjne; sieci;
4/ dane- dane wektorowe, dane rastrowe; dane teledetekcyjne (są wszystkie rastrowe) te 3 to dane geomatyczne ; dane opisowe (so, drzewostan gospodarczy);
5/ procedury- specyfikacje, standardy, reguły postępowania.
Rozwarstwienie informacji SIP- warstwy te nazywają się warstwami informacyjnymi. Każdy rodzaj informacji jest na osobnej warstwie informacyjnej. Osobna warstwa przedstawia rzeki, osobna lasy.
Bazy danych SIP - baza geometryczna (dane zapisywane w postaci wektorowej); baza opisowa.
2 modele danych- wektorowy- mamy układ współrzędnych i to co jest zapisywane przez komputer to para liczb w przypadku punktu; linie - zespół punktów, są też miejsca załamania; powierzchnie - są to też punkty wycinające powierzchnię lub skrawek (połączenie tych punktów);
-rastrowy model danych- najczęściej są to kwadraty (wymiar geograficzny). Mówi nam jak dużo i gdzie. W kratkach tych za pomocą liczb komputer koduje dane np. temperatura powietrza, kolor.
Integracja danych SIP- co się składa na SIP.
-GPS- określenie lokalizacji na terenie Ziemi (metoda pozyskania danych geometrycznych), w/w dane można przenieść na mapę np. adresy mrowisk;
-mapy- jest to główny produkt SIP;
-pomiary terenowe;
-teledetekcja- jest gałęzią SIP;
-multimedia- animacje np. rzeźby terenu.
Zastosowanie SIP
Usługi, transport, wojsko, hydrologia, infrastruktura, leśnictwo, geodezja.