Metode Fotogrammetrice

CAPITOLUL III. METODE FOTOGRAMMETRICE

3.1 INTRODUCERE (definitia, obiectul si scopul fotogrammetrei)

Fotogrammetria este stiinta si tehnica ce se ocupa cu obtinerea datelor de baza sub forma fotogramelor, recunoasterea si identificarea înregistrarilor obiectelor, determinarea formei si dimensiunilor acestora si materializarea rezultatelor sub forma analogica si/sau digitala.

Obiectivul fotogrammetriei consta în studiul proprietatilor geometrice si fizice ale reprezentarilor metrice, folosind fotogramele exploatate separat sau în cuple stereoscopice (stereograme).

Scopul fotogrammetriei este efectuarea determinarilor metrice riguroase, în plan si spatiu, asupra unui obiect oarecare, cum ar fi: suprafata Pamântului si a altor corpuri ceresti, un fenomen meteorologic sau morfologic, o constructie sau un element al constructiei supus deformarii, o planta, un nor, etc. , folosind înregistrarile acestora.

Aparitia fotogrammetriei a fost impusa la începutul acesteia de nevoia obtinerii rapide si precise a planurilor si hartilor topografice pe zone geografice cât mai mari. Astfel, în

aproape un secol de evolutie, fotogrammetria generala contemporana numara foarte multe ramuri de aplicare, fiecare la fel de importanta în domeniul ei de folosire. În domeniul cartografierii terestre, marea majoritate a planurilor si hartilor sunt realizate pe cale fotogrammetrica (90% pe plan mondial si 95% în tara noastra). Merita, de asemenea, sa fie mentionata utilizarea fotogrammetriei în spatiul circumterestru si pe alte corpuri ceresti.

O aplicatie conventionala a fotogrametriei este elaborarea de harti topografice cu curbe de nivel, bazate pe masuratori si informatii obtinute de pe fotografii aeriene si spatiale cu

instrumente analogice optice si/sau calculatoare analitice. În mod similar, principiile topografice de masuratori de precizie sunt aplicate in fotogrammetria la mica distanta pentru reprezentarea obiectelor a caror studiere pe alte cai întâmpina dificultati pentru înregistrarea deformatiilor masurabile în modelele ingineresti, pentru studierea medicala a formelor de viata, etc.

O alta aplicatie importanta a fotogrammetriei, de mare actualitate si mai ales de mare viitor, este utilizarea laser scannerului, în care imaginile sunt obtinute cu un alt sensor decât (sau pe lânga) camera fotogrammetrica conventionala, în care o imagine este înregistrata ca o baleiere electronica în vizibil sau folosind radiatii din afara domeniului vizibil pe film, cu microunde, radar, în infrarosul termic sau ultraviolet.

O imagine reprezinta în sens larg o distributie bidimensionala de câmp luminos. În aceasta clasa intra atât imaginile fotografice cât si orice alte inregistrari de functii bidimensionale sau monodimensionale multicanal. Distributia de câmp poate fi abtinuta prin iluminarea unei pelicule

fotografice pe care este înregistrata aceasta imagine, dar acest procedeu nu este restrictiv. Prelucrarea unei imagini este o operatie efectuata asupra functiei bidimensionale reale f(x,y) ce reprezinta imaginea in scopul:

reconstituirii imaginii initiale;

scoaterea sau accentuarea unor caracteristici particulare;

codificarea imaginii in scopul transmiterii sau stocarii ei in mod eficient.

Fotogrammetria este o disciplina a stiintei masuratorilor terestre. Fotogrammetria cuprinde un ansamblu de metode matematice, tehnici si tehnologii de utilizare a fotografiei în domeniul masuratorilor terestre.

Pe lânga aplicatiile în domeniul masuratorilor terestre, fotogrammetria poate fi aplicata si în alte domenii: arhitectura, constructii, geologie, geofizica, transporturi, meteorologie, agricultura, îmbunatatiri funciare, ingineria mediului, s.a.

Din punct de vedere tehnologic, procesul fotogrammetriei si teledetectiei se desfasoara conform etapelor cunoscute. Astfel, prima etapa a procesului tehnologic o reprezinta ansamblul operatiunilor de captare si înregistrare a datelor. Pentru inregistrari se folosesc camere speciale terestre sau aeriene montate pe platforme aeriene sau spatiale purtatoare ale sensorilor de înregistrare.

Putem clasifica fotogrammetria propriu-zisa dupa urmatoarele doua criterii: dupa modul de obtinere a fotogramelor si dupa modul de exploatare a fotogramelor.

Dupa modul de obtinere a fotogramelor, fotogrammetria se împarte în:

• fotogrammetria terestra sau geofotogrammetria, care se ocupa cu tehnica obtinerii si exploatarii fotogramelor terestre, adica a fotogramelor obtinute cu ajutorul fototeodolitului sau cu

stereo-camere (camere duble), din statii terestre marcate în teren ale caror coordonate spatiale pot fi determinate riguros prin metode topo-geodezice.

• fotogrammetria aeriana sau aerofotogrammetria, care se ocupa cu tehnica obtinerii si exploatarii fotogramelor aeriene, adica a fotogramelor obtinute cu o camera aero-fotogrammetrica

ce se instaleaza pe un vehicul aerian (avion, elicopter, balon etc). În acest caz, pâna la dotarea avioanelor cu sisteme modern DGPS, punctele de statie din care se executa fotografierea nu pot

fi materializate si determinate în prealabil.

• fotogrammetria cosmica, care a aparut ca urmare a problemelor specifice în prelucrarea fotogramelor cosmic obtinute din spatiul cosmic.

Dupa modul de exploatare a fotogramelor, fotogrammetria se împarte în:

• Fotogrammetria planimetrica, în care exploatarea fotogramelor se face independent (fotograma cu fotograma). Masuratorile se executa în plan obtinându-se pozitia planimetrica

a elementelor prin coordonatele X si Y. Rezultatul principal al fotogrammetriei planimetrice îl constituie fotograma redresata – sub forma analogica sau digitala.

• Stereofotogrammetria (fotogrammetria spatiala), în care exploatarea fotogramelor se face în cuple stereoscopice (stereograme). În acest caz, masuratorile se executa în trei dimensiuni (X, Y, Z). Rezultatul principal al masuratorilor spatiale îl constituie harta topografica, având reprezentate atât detaliile de planimetrie, cât si relieful terenului prin curbe de nivel. Este domeniul cel mai raspândit al fotogrammetriei topografice.

3.2 Fotointerpretarea

3.2.1 Notiuni si principii de fotointerpretare

Fotointerpretarea este metodologia de extragere si clasificare a informatiei tematice continute de fotograme sau de perechile de fotograme care alcatuiesc cuplul stereoscopic. Fotointerpretarea consta în indentificarea pe fotodocumente a elementelor si fenomenelor referitoare la elementele topografice ale terenului natural (de relief, planimetrie vegetatie, hidrografie, etc.) si a obiectelor artificiale existente pe teren. Procesul de studiere si de culegere a informatiilor necesare, identificând diferitele caracteristici artificiale si naturale din spatiul-imagine, este numit fotointerpretare.

Fotointerpretarea este stiinta localizarii, descrierii si determinarii obiectelor si fenomenelor dintr-o imagine fotografica. Spre deosebire de o harta, trasaturile de pe o fotografie aeriana nu sunt generalizate sau reprezentate prin simboluri. Aerofotogramele înregistreaza toate caracteristicile vizibile pe suprafata Pamântului dintr-o perspectiva centrala si globala.

Desi caracteristicile spatiului obiect sunt vizibile, ele nu sunt întotdeauna usor de identificat. Cu o interpretare atenta, aerofotogramele sunt o excelenta sursa de date spatiale pentru studiul mediului înconjurator.

În plan calitativ imaginea fotografica poate fi interpretata cu scopul evidentierii diverselor caracteristici ale mediului de catre specialisti din diverse ramuri ale stiintelor naturii sau ingineresti.

În plan cantitativ, fotografia aeriana si tehnicile fotogrammetrice multispectrale în vizibil si infrarosu permit masurarea formelor si dimensiunilor terenului cu ajutorul unor instrumente clasice, în vederea elaborarii hartilor si planurilor. Primul obiectiv al fotointerpretarii este utilizarea intensive a documentelor fotografice sau a imaginilor multispectrale pentru obtinerea si exploatarea informatiei necesare studiilor specifice unor domenii tematice. Fotointerpretarea este conditionata de acumularea prealabila a unor cunostinte referitoare la realitatea socio-economica si fizica, tipurile morfologice si conditiile specifice unui areal considerat subiect al studiului.

Avantajele utilizarii fotogramelor sunt urmatoarele:

– Imaginea este un mijloc de perceptie relativ obiectiv al

realitatii la un moment dat,

– Imaginea contine o reprezentare completa a unui obiect (cu

exceptia partilor ascunse sau mascate),

– Este un document foarte unor de manipulat, cu o mare

fiabilitate în timp (atunci când sunt luate masuri de arhivare

speciale),

– Prin aerofotografiere sau prelevari de fotograme terestre se

realizeaza corespondenta dintre obiectul real din teren si

imaginea sa (mai mult sau mai putin obiectiva ) de pe fotograma,

– Este posibil studiul obiectelor deformabile, fragile, sensibile,

fara a intra în contact direct cu acestea si fara a le deteriora,

– Prin fotointerpretare se realizeaza operatiunea inversa

aerofotografierii prin care se încearca reconstituirea realitati din

teren pe baza unor criterii de analiza specifice.

Factorii importanti la identificarea unor trasaturi sunt: forma, modelul (pattern), marimea, culoarea sau tonul, umbra, textura, asocierea, timpul si perspective stereoscopica.

3.2.2 Aparatura si metodele de fotointerpretare

Executarea fotointerpretarii necesita aparatura de la cea mai simpla pâna la cea mai complexa, în functie, în primul rand, de metoda utilizata si posibilitatile de dotare tehnica.

Fotointerpretarea clasica se realizeaza cu instrumente relative simple, cum ar fi: lupe, stereoscoape, mese luminoase, sau cu aparatura mai perfectionata: interpretoscoape, aparate de

exploatare analogica (stereoplanigrafe, stereometrografe, aviografe s.a.) si aparatura complexa în cazul fotointerpretarii automate, cum ar fi: aparatura de exploatare numerica (convertoare A/D, D/A, microcalculatoare, statii grafice cu sisteme de programe specializate).

3.3 Modelul digital al terenului obtinut prin metode de fotogrammetrie digitala

Scopul modelului digital al terenului (MDT) este, pe de o parte, de a fi folosit în ortofotoredresare, iar pe de alta parte, pentru a avea o descriere exacta a terenului în alte scopuri.

Spre exemplu, pentru scara ortofotoplanului 1:5000, MDT este de obicei realizat pe o grila cu echidistanta de 5 m iar precizia este de ± 1.00m. Dupa generarea automata a modelului

digital al terenului, acesta trebuie editat în sensul corectarii cotelor gresite.

Punctele MDT trebuiesc livrate întrun fisier tip ASCII. Dimensiunile fisierelor care cuprind coordonatele punctelor din alcatuirea MDT nu trebuie sa depaseasca 80 MB. Toate rupturile

de teren (breaklines) mai mari de 1 m, precum si alte detalii (schimbarile de panta neevidentiate în grila, firele de apa, suprafetele de apa – extrase ca poligoane închise, taluzurile, digurile) trebuie preluate în mod manual si vor fi livrate în fisiere format .dxf, ca elemente grafice de tip polilinie 3D.

În domeniul aplicatiilor grafice pe calculator, o importanta deosebita o are modelarea matematica a terenului si corpurilor în spatiu, precum si studiul imaginilor obtinute pe cale

fotogrammetrica sau de teledetectie. Reprezentarea imaginilor pe ecranul unui dispozitiv grafic se face în mai multe moduri astfel încât aceasta sa fie cât mai sugestiva:

reprezentari prin puncte sau prin sectiuni transversale);

reprezentari tip " wire-frame " ("cadru de sirma");

reprezentare prin retea de poligoane (reprezentare poliedrala), etc.

Toate aceste reprezentari ridica fiecare probleme specifice, în literatura tehnica de specialitate acestea fiind tratate cu mare atentie în functie de aplicatiile grafice în care se întâlnesc.

Sistemele fotogrammetrice digitale sunt sisteme de exploatare a imaginilor digitale sau digitizate. Dezvoltarea fotogrammetriei a cunoscut transformari profunde determinate de progresele facute în domeniile matematicii, fizicii si tehnicii de calcul care au permis perfectionarea sistemelor de prelucrare a fotogramelor în toate zonele spectrului electromagnetic, folosind senzori din ce în ce mai performanti. Aparitia în ultimul deceniu al secolului XX a camerelor fotogrammetrice digitale permite salvarea înregistrarilor direct în memoria aparatelor sub forma unor fisiere imagine. Formatul digital rezultat se caracterizeaza printr-o precizie radiometrica si geometrica mare. Aceasta dezvoltare a fotogrammetriei si aparitia teledetectiei de înalta rezolutie a dus la dezvoltarea metodelor de recunoastere a formelor prin fotointerpretare semiautomata /automata.

Modelarea digitala a reliefului realizata conventional cu ajutorul mijloacelor fotogrammetrice, foloseste ca structuri de referinta puncte distribuite în lungul curbelor de nivel , pe profile si în retele. Totdeauna acestea se completeaza cu punctele care descriu liniile si pozitiile, ce prezinta importanta sub aspect morfologic.

Fotogrammetria digitala prelucreaza imaginile digitale sau digitizate. Specific acestor noi tehnologii de fotogrammetrie au aparut pe lânga produsul traditional, care este harta, noi produse

precum sistemele informationale geografice (SIG) sau sistemele informationale ale teritoriului (SIT).

Pentru generarea modelelor digitale culegerea datelor de referinta reprezinta o faza fundamentala , dependenta direct de tipul modelului generat. Datele initiale (punctele de referinta)

sunt culese fotogrammetric daca se dispune de imagini (fotograme) preluate la scari mari. Metodele fotogrammetrice au o larga utilizare si opereaza cu imagini provenite de la senzori optici aeropurtati, precum si cei amplasati la bordul satelitilor sau navelor spatiale. Datele se culeg prin digitizarea stereomodelelor (în principal pentru modele destinate aplicatiilor la scari mari si medii) sau aplicând tehnici de corelatie a imaginii (modele utilizate pentru aplicatii la scari medii si mici).

Principala sursa de informatie este fotograma care în fotogrammetria digitala poate fi scanata în vederea exploatarii monoscopice sau stereoscopice, poate fi digitizata la tabela de digitizare prin fotointerpretare de catre operator.

Fotogramma digitala o putem defini ca fiind o fotograma obtinuta prin baleaj (scanare ) în spatiul obiect.

Când o fotograma analogica este stocata pe un support magnetic prin scanare se obtine o fotograma digitala. Obtinerea modelului digital al terenului se realizeaza conform schemei urmatoare:

Figura III.1 Obtinerea modelului digital al terenului

Obtinerea modelului digital se realizeaza cu ajutorul retelelor de tip TIN si de tip GRID. Modelul Digital Altimetric (MDA) este o reprezentare matematica a altitudinilor unei suprafete topografice din spatiul obiect pentru o zona de teren bine definita. MDA contine pentru fiecare punct si informatia altimetrica pentru obiectele aflate la suprafata solului, cât si sub aceasta suprafata (creste, dealuri, gropi). Aceasta suprafata a aparut datorita metodelor fotogrammetrice automate de

determinare a punctelor corespondente la exploatarea stereogramei digitale sau în cazul laser-scaner-ului la determinarea punctelor. Aceasta suprafata a aparut datorita metodelor fotogrammetrice automate de determinare a punctelor corespondente la exploatarea stereogramei digitale sau în cazul

laser-scaner-ului la determinarea punctelor obtinute pe baza datelor din prima reflexie. Corespunzator acestor metode se determina coordonatele planimetrice si cotele punctelor .

Reteaua TIN (triangulated irregular networks) face o distinctie referindu-se strict la modelele digitale structurate sub forma de retele triangulare neuniforme. Ele includ seturi de triunghiuri adiacente, ce nu se suprapun, obtinute prin calcul folosind puncte distribuite neunuiform, pentru care se cunosc coordonatele X,Y,Z. De asemenea, stocheaza legaturile topografice dintre triunghiuri si vecinii lor adiacenti.

Reteau de tip GRID este formata din triunghiuri regulate. Reteaua de triunghiuri regulate se formeaza între punctele specifice care determina informatiile de altitudine .

Fluxul tehnologic de obtinere a modelului digital al terenului este prezentat în schema din Figura III.2.

În principiu, DTM (Digital Terain Model) constituie o matrice de altitudine exprimata prin cote conforma cu vârfurile unei grile în modul vectorial si printr-o imagine în modul raster unde valoarea fiecarui pixel corespunde cotei sale.

Rezultatul interpretarii imaginilor satelitare si, implicit, oportunitatilor de utilizare a acestora, sunt conditionate de puterea de rezolutie a senzorului, natura detaliilor, perioada înregistrarilor, modul de înregistrare si de însusirile modelului optic realizat de operator.

Calitatea modelului digital al terenului depinde, la rândul sau, de nivelul detaliilor, respectiv rezolutia acestora si de precizia determinarii datelor de baza, a cotelor individuale. Cerintele minime , în cazul ambelor aspecte, sunt impuse de contextul si de natura aplicatiei fixata pe utilizator. În pas cu automatizarea procedurilor de obtinere a DTM-ului apare si nevoia crescânda de sporire a preciziei acestuia care se reflecta în produsele finale. Din acest punct de vedere rezolutia se dovedeste a fi un factor mai putin limitativ, exceptând anumite regiuni; în consecinta, erorile de determinare a cotelor sunt tot mai mult luate în considerare, cautându-se solutii de diminuare a lor.

Figura III.2 Fluxul tehnologic de obtinere a modelului digital al terenului

În concluzie, modelul digital al terenului devine un instrument, un obiect de studiu de un real folos pentru diverse sectoare de activitate si pentru diversi utilizatori. Deoarece MDT este redat în format digital poate fi oricând utilizat, modificat sau prelucrat cu usurinta în scopuri diverse, reprezentând asfel un mijloc, o oportunitate eficienta de lucru, demna de luat în considerare în studiile si analizele principalelor sectoare ale economiei nationale.