Realizarea Ortofotoplanurilor Digitale

Realizarea ortofotoplanurilor digitale

CUPRINS

1. INTRODUCERE

2. CAMERE AEROFOTOGRAMETRICE

2.1. Camere clasice (analogice)

2.2. Camere digitale

2.2.1. Camera aeriană digitală DMC Z/I

2.3. Anexe ale camerelor aerofotogrametrice moderne

2.3.1. Sisteme de scanare laser de tip LIDAR

2.3.2. Platforme cu suspensie girostabilizatoare cuplate cu unitati inertial de masurare IMU (Inertial Measurement Unit)

2.3.3. Dispozitive receptoare GPS

2.3.4. Sisteme automate de corectare a trenării (FMC – Forward Motion Compensation)

3. FOTOGRAMA, PRODUS PRIMAR ÎN FOTOGRAMETRIE

3.1. Fotograme analogice

3.2. Fotograme digitale

3.3. Conversia digitală a fotogramelor analogice

4. REALIZAREA ORTOFOTOPLANULUI DIGITAL

4.1. Definiții. Noțiuni de bază

4.2. Aerotriangulația

4.2.1. Întocmirea proiectului de aerotriangulație

4.2.2. Măsurarea coordonatelor model

4.2.3. Calculul și comensarea aerotriangulației

4.2.4. Precizia și verificarea aerotriangulației

4.3. Realizarea modelului digital al terenului

4.3.1. Definiții. Noțiuni de bază

4.3.2. Specificațiile DTM

4.3.3. Generarea modelului digital

4.3.4. Trecerea de la Modelul Digital al Suprafeței de Reflectanță (MDSR) la Modelul Digital al Terenului (DTM)

4.3.5. Reconstrucția modelului digital al terenului

4.3.6. Extragerea liniilor caracteristice ale reliefului

4.3.7. Precizia și verificarea DTM

4.4. Generarea ortofotoplanului digital

4.4.1. Generarea suprafețelor individuale

4.4.2. Generarea ortofotoplanurilor digitale

4.4.3. Mozaicarea ortofotoplanului digital

4.4.4. Precizia și verificarea ortofotoplanului digital

5. REALIZAREA ORTOFOTOPLANULUI DIGITAL PENTRU CARIERA JILȚ-SLIVILEȘTI

5.1. Misiunea de aerofotografiere

5.2. Reperajul fotogrametric

5.3. Aerotriangulația

5.4. Generarea Modelului Digital al Terenului (DTM)

5.5. Realizarea ortofotoplanului digital și a planului topografic

6. ASPECTE ALE NORMĂRII ȘI ÎNTOCMIRII DEVIZULUI ESTIMATIV

7. BIBLIOGRAFIE

LISTA FIGURILOR

Figura 1. Camera analogică RMK TOP 15 ……………………………………………………………… 9

Figura 2. Configurația camerei TOP RMK 15 …………………………………………………………. 10

Figura 3. Camera aeriană digitală DMC Z/I …………………………………………………………….. 11

Figura 4. Componentele unui sistem aerofotogrametric integrat ………………………………… 16

Figura 5. Platformă girostabilizatoare și sistemul IMU …………………………………………….. 17

Figura 6. Schema de construcție a unui sistem IMU …………………………………………………. 18

Figura 7. Imagine fără compensarea trenării (a) și cu compensarea trenării (b) ……………. 19

Figura 8. Modele de premarcaj ale punctelor de sprijin …………………………………………….. 26

Figura 9. Modelul digital al suprafeței de reflectanță ……………………………………………….. 35

Figura 10. Modelul digital al suprafeței de reflectanță ……………………………………………… 36

Figura 11. Curbe de nivel de tip vector …………………………………………………………………… 37

Figura 12. Diferite cazuri la aproximarea suprafeței topografice ……………………………….. 38

Figura 13. Triangulație fără linii de constrângere …………………………………………………….. 39

Figura 14. Triangulația cu linii de constrângere ……………………………………………………….. 39

Figura 15. Netezirea curbelor de nivel prin procedee digitale ……………………………………. 40

Figura 16. Selectarea liniilor de unire între fotograme ……………………………………………… 47

Figura 17. Ortofotoplanul necorectat ……………………………………………………………………… 47

Figura 18. Corectarea geometrică a liniilor de unire a imaginilor ………………………………. 48

Figura 19. Corectarea radiometrică a ortofotoplanului ……………………………………………… 49

Figura 20. Alegerea GSD (mărmiea pixelului ortofotoplanului) ………………………………… 50

Figura 21. Avionul Cessna 404 Titan ……………………………………………………………………… 55

Figura 22. Camera digitală DMC …………………………………………………………………………… 55

Figura 23. Configurația sistemului integrat cameră-anexe pentru misiunea de aerofotografiere …………………………………………………………………………………………………… 55

Figura 24. Fișa descrierii topografice a punctelor de reperaj ……………………………………… 56

Figura 25. Distribuția reperilor fotogrametrici …………………………………………………………. 56

Figura 26. Inventar de coordonate puncte de reperaj ……………………………………. 57

Figura 27. Determinări GPS ………………………………………………………………………………….. 57

Figura 28. Prelucrarea măsurătorilor cu GPS Tools ………………………………………………….. 57

Figura 29. Vizualizarea punctelor din diferite imagini în cadrul aceleiași ferestre ……….. 59

Figura 30. Măsurarea coordonatelor indicilor de referință ………………………………. 60

Figura 31. Realizarea fișierului datelor calibrate ale camerei ……………………………. 60

Figura 32. Identificarea și măsurarea coordonatelor imagine ale punctelor de reperaj ….. 61

Figura 33. Configurația blocului de aerotriangulație ……………………………………. 61

Figura 34. Evaluarea preciziei punctelor de reper …………………………………………………….. 62

Figura 35. Erorile reziduale la execuția aerotriangulației (AeroSys) …………………………… 62

Figura 36. Reprezentarea elipselor de erori în punctele de reper ………………………………… 63

Figura 37. Orientarea interioara a stereomodelului …………………………………………………… 65

Figura 38. Realizarea orientarii exterioare ……………………………………………………………… 66

Figura 39. Punctele de aerotriangulatie ale unei benzi ………………………………………………. 66

Figura 40. Punctarea și măsurarea punctelor de aerotriangulație ………………………………… 67

Figura 41. Generarea automată a grid-ul de puncte pentru DTM în modelul stereoscopic și interpolarea curbelor de nivel ………………………………………………………………………………. 68

Figura 42. Gridul de puncte pentru DTM și curbele de nivel intrerpolate ……………………. 69

Figura 43. O zona din perimetrul carierei ……………………………………………………………….. 70

Figura 44. Modelul digital al supafeței de reflectanță ……………………………………………….. 71

Figura 45. Modelul Digital al Terenului dupa filtrarea MDSR …………………………………… 72

Figura 46. Foaie de ortofotoplan din zona carierei Jilț – Slivilești, scara 1:2.000………….. 73

Figura 47. Foaie de ortofotoplan din zona carierei Jilț – Slivilești – detaliu ………………… 74

Figura 48. Plan topografic digital, scara 1:2.000 ……………………………………………………… 75

Figura 49. Plan topografic digital – detaliu ……………………………………………………………… 76

INTRODUCERE

Fotogrametria este definită ca fiind știința și tehnologia de a obține informații certe despre obiectele fizice și despre mediul înconjurător prin înregistrarea, măsurarea și interpretarea unor imagini sau a caracteristicilor fluxului electromagnetic radiat de către acestea. Informațiile obținute se referă la aspectul metric al obiectelor din zona studiată: forma, dimensiunea, poziția reciprocă sau față de un sistem de referință.

În ultimele decenii, fotogrametria a cunoscut transformări esențiale din punct de vedere al echipamentelor de măsurare și a tehnologiei de prelucrare a măsurătorilor efectuate.

După ce în secolul al XIX-lea (în jurul anului 1840) apare prima referire la utilizarea fotografiei în întocmirea unor hărți topografice, în perioada celor două războaie mondiale apare și se dezvoltă fotogrametria analogică. În timpul primului război mondial apare fotointerpretarea ca știință tehnică, datorită utilizării fotografiilor în scopuri militare. Până la sfârșitul anilor 1930, fotogrametria se transformă într-o știință avansată, practicată în întreaga lume industrializată, atât în scopuri de măsurători cadastrale și cartografice, cât și în monitorizarea construcțiilor, în efectuarea unor încercări tehnice de rezistență în cercetare, în cercetarea cu raze X, sau în explorarea unor regiuni necartate din diferite zone ale lumii.

Modelele matematice încorporate în comparatoarele și dispozitivele de cartare asistate de calculator au îmbunătătțit viteza, acuratețea și eficiența producției fotogrametrice și au permis exploatarea imaginilor provenite de la o gamă largă de tipuri de senzori. Această modelare are la bază formularea în expresie analitică a relațiilor geometrice dintre puncte în spațiul obiect, centru de perspectivă și imaginile fotogrametrice, pe baza principiilor matematice ale geometriei proiective. Astfel, printr-o serie de lucrări realizate la începutul secolului al XX-lea s-au pus bazele fotogrametriei analitice. Activitățile de observare includ măsurarea coordonatelor imgine și în spațiul obiect, dar s-au creat și dizpozitive auxiliare pentru determinarea parametrilor orientării exterioare.

Datorită creșterii constante a capacității de stocare și prelucrare a informațiilor în format digital în a doua jumătate a secolului al XX-lea, tehnica de calcul a înlocuit, treptat, dispozitivele fotogrametrice analogice. Odata cu creșterea capacității de calcul și de stocare de date, s-a dezvoltat și capacitatea de utilizare unor sisteme de achiziție de date tot mai complexe. Sistemele optice pasive au fost înlocuite de senzori activi de tip radar, iar în ultima perioadă a apărut o nouă tehnologie, LIDAR (Light Detection and Ranging), ce permite îmbunătățirea preciziei altimetrice a produselor fotogrametrice.

Trecerea de la analogic la analitic a fost reprezentată de o evoluție continuă, însă trecerea la digital este bazată pe o revoluție a componentelor hardware și software ale fotogrametriei analogică și analitică. Față de tehnologiile analogice și analitice, tehnologiile digitale prezintă următoarele avantaje:

randament și precizie ridicate;

cost relativ redus al echipamentului de observare stereoscopică;

posibilitatea îmbunătățirii calității imaginilor, în urma prelucrărilor digitale, radiometrice și geometrice;

realizarea în regim semi-automat sau automat a principalelor etape ale procesului de exploatare fotogrametrică;

simplificarea prelucrării și comparării imaginilor multitemporale cu rezoluții diferite, preluate cu sisteme de înregistrare diferite;

asigurarea bazei geometrice și tematice pentru diverse aplicații, prin integrarea unei stații fotogrametrice într-un Sistem Informațional Geografic (SIG).

Exploatarea fotogramelor analogice pe platforme digitale este posibilă prin scanarea acestora. Pentru această operațiune se folosesc scanere profesionale. Totuși, fotogramele analogice sunt din ce în mai rar folosite pentru că prelucrarea filmului, cât și scanarea fotogramelor sunt mari consumatoare de timp, dar și datorită progresului înregistrat la nivelul sistemelor de achiziție a imaginilor aeriene.

Camerele de aerofotografiere de ultimă generație se disting printr-o serie de caracteristici de bază:

beneficiază de structură modulară, ce facilitează schimbul de componente;

obținerea de imagini de înaltă calitate, cu obiectivi de înaltă performanță, echipați c de stocare de date, s-a dezvoltat și capacitatea de utilizare unor sisteme de achiziție de date tot mai complexe. Sistemele optice pasive au fost înlocuite de senzori activi de tip radar, iar în ultima perioadă a apărut o nouă tehnologie, LIDAR (Light Detection and Ranging), ce permite îmbunătățirea preciziei altimetrice a produselor fotogrametrice.

Trecerea de la analogic la analitic a fost reprezentată de o evoluție continuă, însă trecerea la digital este bazată pe o revoluție a componentelor hardware și software ale fotogrametriei analogică și analitică. Față de tehnologiile analogice și analitice, tehnologiile digitale prezintă următoarele avantaje:

randament și precizie ridicate;

cost relativ redus al echipamentului de observare stereoscopică;

posibilitatea îmbunătățirii calității imaginilor, în urma prelucrărilor digitale, radiometrice și geometrice;

realizarea în regim semi-automat sau automat a principalelor etape ale procesului de exploatare fotogrametrică;

simplificarea prelucrării și comparării imaginilor multitemporale cu rezoluții diferite, preluate cu sisteme de înregistrare diferite;

asigurarea bazei geometrice și tematice pentru diverse aplicații, prin integrarea unei stații fotogrametrice într-un Sistem Informațional Geografic (SIG).

Exploatarea fotogramelor analogice pe platforme digitale este posibilă prin scanarea acestora. Pentru această operațiune se folosesc scanere profesionale. Totuși, fotogramele analogice sunt din ce în mai rar folosite pentru că prelucrarea filmului, cât și scanarea fotogramelor sunt mari consumatoare de timp, dar și datorită progresului înregistrat la nivelul sistemelor de achiziție a imaginilor aeriene.

Camerele de aerofotografiere de ultimă generație se disting printr-o serie de caracteristici de bază:

beneficiază de structură modulară, ce facilitează schimbul de componente;

obținerea de imagini de înaltă calitate, cu obiectivi de înaltă performanță, echipați cu filtre interne;

obturator pulsatoriu cu timp de acces constant;

compensare excelentă a trenării liniare și unghiulare, prin folosirea de dispozitive FMC (Forward Motion Compensation);

asigură verticalitatea axului de fotografiere prin utilizarea unor platforme de suspensie girostabilizatoare;

controlul expunerii se execută automat, utilizând principiul priorotății calității imaginii;

asigură evaluarea automată a raportului v/h, pentru controlul precis al acoperirilor longitudinale și înregistrarea riguroasă a fotogramelor din puncte de stație prestabilite;

asigură posibilități de integrare în sisteme de navigație și management a misiunilor de zbor, sprijinite de receptoare GPS.

Calitatea fotografică a unei fotograme este un parametru de performanță decisiv, atât pentru aplicațiile metrice, cât și pentru cele de fotointerpretare și este determinată de calitățile optice ale obiectivului camerei fotogrametrice și de rezoluția emulsiei filmului utilizat la aerofotografiere.

La momentul actual, preocupările din domeniul fotogrametriei pot fi definite astfel:

dezvoltarea de noi tipuri de senzori și îmbunătățirea performanțelor celor existenți;

dezvoltarea de senzori în domeniul microundelor pentru studierea geosferei și biosferei;

dezvoltarea unor tehnologii de cartare în timp real;

dezvoltarea de algoritmi de reconstrucție tridimensională a suprafețelor obiectelor din spațiu pe baza exploatării a două sau mai multe fotograme;

dezvoltarea aplicațiilor tematice pe baza exploatării înregistrărilor satelitare de mare rezoluție în studii de poluare sau de amenajare urbană sau rurală.

CAMERE AEROFOTOGRAMETRICE

În general, echipamentele de aerofotografiere se montează pe vehicule aeriene construite sau amenajate special în acest sens. În marea majoritate a cazurilor se utilizează avioane, care trebuie să îndeplinească o serie de condiții specifice, cum sunt stabilitatea și înscrierea riguroasă pe direcția de zbor.

Perfecționarea continuă a opticii, a părților mecanice, integrarea unor sisteme electronice și a unor sisteme anexe de poziționare a platformei și senzorului, creșterea performanțelor filmelor fotografice aeriene au permis realizarea camerelor fotogrametrice convenționale de ultimă generație, ce dispun de obiectivi cu rezoluție foarte mare, standardizate pentru formatul fotogramei de 23×23 cm.

Camere clasice (analogice)

Figura 1. Camera analogică RMK TOP 15

Camera aerofoto RMK, produsă de firma Carl Zeiss, a fost utilizată în întreaga lume, ca un sistem de înaltă performanță a fotografiei aeriene. Componentele individuale din unitățile logice funcționale sunt optimizate atât pentru nevoile aplicațiilor practice, cât și pentru nevoile aplicațiilor economice. Considerente speciale au fost acordate spațiului disponibil din avion, condițiilor de instalare și necesității de schimbare a componentelor.

Corpul camerei este o unitate compactă, un trunchi de con, în care se afla obiectivul și planul focal și câmpul de date auxiliare, care se imprimă pe fotogramă la fiecare expunere, motorașele care pun în mișcare filmul, cele patru filtre interne, diafragma și obturatorul.

Unitatea de control T-CU conține microprocesorul, interfața pentru GPS și sistemul de navigare, având rolul de a interconecta componentele întregului sistem.

Tabloul de comandă T-TL este folosit pentru a opera și a monitoriza întregul sistem al camerei. Acesta se bazează pe un computer compact programabil, ce se conectează la unitatea de control T-CU cu un cablu, putând fi folosit oriunde în avion. Tabloul permite schimbul de date cu un computer extern folosit pentru planificarea și evaluarea misiunilor.

Caseta de filme T-MC conține bobina debitoare pentru filmele neexpuse, bobina colectoare pentru filmele expuse și dispozitivul pentru deplasarea filmului.

Platforma girostabilizatoare face legătura între corpul camerei și podeaua avionului, având ca scop principal asigurarea de fotografii verticale care să nu fie afectate de vibrații. Trăsătura esențială ce îmbunătățește performanțele este stabilizarea corpului camerei pe trei axe.

Telescopul navigal este folosit pentru navigarea bandă cu bandă, controlul suprapunerii manuală prin măsurători continue și pentru corecția devierilor. Trăsăturile telescopului navigabil permit unui singur operator să execute în același timp procedura de navigare, controlul suprapunerilor și controlul camerei. Configurația recomandată a camerei TOP RMK 15 este următoarea:

Figura 2. Configurația camerei TOP RMK 15

Camere digitale

Primele camere fotogrametrice digitale au fost testate și omologate încă de la începutul anilor 1990. Datorită capacității lor de a prelua direct fotograme digitale, a fost completat fluxul tehnologic de prelucrare complet digitală a datelor preluate de pe platforme aeriene. Fotogramele digitale au forma unui tablou rectangular, bidimensional, format din linii și coloane de pixeli. Fiecare pixel este caracterizat de poziția sa în cadrul imaginii și de o valoare numerică întreagă, numită nivel de gri.

Înregistrarea imaginilor se poate face în doua moduri: înregistrare secvențială, ce se realizează cu linii de senzori amplasați în planul focal al camerei, urmată de compunerea imaginii digitale finale, sau prin expunere unică, atunci când în planul focal al camerei digitale se află o matrice de senzori, cu numărul de linii și de coloane egal cu numărul de linii și coloane al imaginii înregistrate.

2.2.1. Camera aeriană digitală DMC Z/I

Figura 3. Camera aeriană digitală DMC Z/I

Camera DMC (Digital Modular Camera) este produsă de ZI Imaging and Intergraf Company. Aceasta este o combinație flexibilă de 8 camere cu obiectivi Carl Zeiss: 4 camere pancromatice având obiectivi cu distanța focală f = 120mm și deschiderea maximă de f/4; acestea înregistrează patru subimagini digitale, cu formatul de 3824×7680 pixeli; dimensiunea fizică a senzorului este de 12 μm; cele patru subimagini compun o imagine finală cu dimensiunile de 7680 x 13824 pixeli.

3 camere multispectrale având obiectivi cu distanța focală f=25 mm și deschiderea maximă de f/4, care înregistreză imagini cu dimensiunile de 2048 x 3072 pixeli.

1 cameră pentru infraroșul apropiat având un obiectiv cu distanța focală f=25mm și deschiderea maximă de f/4, care înregistreză imagini cu dimensiunile de 2048 x 3072 pixeli.

Caracteristici tehnice ale camerei aeriene digitale DMC Z/I:

rezoluție radiometrică 12 biți (4096 nivele de gri);

timp de înregistrare: 2sec/imagine;

memorie: 3 Mission Data Recorders de câte 280 GB-total 840 GB (2000 imagini);

platformă girostabilizatoare T-AS GSCSM.

Compensarea trenării se face electronic prin întârzierea timpului de integrare (TDI). Imaginile se înregistrează pe trei unități de stocare conectate cu camerele de preluare, stocarea facându-se în timpul zborului.

Preluarea imaginilor aeriene cu camera DMC Z/I presupune două componente: o componentă care se montează pe platforma de preluare și o componentă de prelucrare după descărcarea datelor la finalul zborului.

Pe camerele de preluare se montează sistemul inerțial IMU de măsurare a unghiurilor de înclinare a platformei. Camera este montată pe o platformă giroscopică de stabilizare de tip T-AS, având aceleași dimensiuni cu cea a camerei clasice RMK-TOP.

Cele două antene GPS, una de precizie și alta de navigație, sunt în legătură cu unitatea ASMS. Întregul sistem este controlat de operator de la terminalul de operare. Unitatea ASMS este alcătuită din o parte de hard privind sistemul RTC și o parte de soft de comunicație cu camera și celelalte componente, precum și de control a expunerii fotogramelor conform proiectului de zbor planificat și optimizat de către ISMP conform situației reale din timpul și de la momentul preluării imaginilor.

Toate cele opt imagini trebuie să fie prelucrate în mod sincron cu aceeași deschidere relativă a obturatorului. Partea electronica a senzorului este integrată într-un singur modul astfel că softul ISPM optimizează proiectul de zbor și pe baza datelor reale din momentul respectiv îl actualizează. Imaginile înregistrate sunt stocate pe trei module detașabile de memorie care sunt cuplate cu camera de preluare. În timpul zborului de preluare se efectuează: controlul zborului, controlul camerei, controlul și înregistrarea datelor, afișarea imaginilor în proiecție redusă, pentru analiza calității de către operatorul de zbor și stocarea datelor pe unitățile mobile de memorie.

Componenta de prelucrare din laborator cuprinde următoarele etape :

proiectarea preluării imaginilor și înregistrarea proiectului în softul camerei, operație care se face înainte de preluare;

prelucrarea preliminară a imaginilor obținute la preluare, care cuprinde:

preluarea datelor de zbor și a imaginilor obținute;

prelucrarea radiometrică;

prelucrarea geometrică;

crearea imaginilor finale, întocmirea mozaicului pe benzi și bloc;

crearea și generarea imaginilor color;

distribuția datelor eventualilor utilizatori.

exploatarea imaginilor obținute la stațiile fotogrametrice digitale cu observare stereoscopică sau monoscopică, întocmirea hărților digitale topografice, tematice sau a sistemelor GIS.

Prelucrarea preliminară începe după salvarea datelor și imaginilor de pe modulele detașabile de memorie, unde au fost stocate.

Prelucrarea radiometrică presupune aplicarea corecțiilor radiometrice instrumentale datorate temperaturii, deschiderii relative a obturatorului camerei și aberațiilor cromatice ale obiectivului de preluare.

Prelucarea geometrică se aplică imaginilor corectate în prima etapă și presupune aplicarea corecțiilor de distorsiune simetrică a obiectivilor camerelor de preluare pe baza certificatului de calibrare a fiecărei camere. Imaginile corectate sunt apoi racordate în scopul obținerii imaginii finale din cele patru segmente imagine preluate cu cele patru camere. Cele patru segmente de imagine au fost preluate cu camere înclinate, deci fiecare imagine are elemente de orientare exterioare diferite. Imaginea care se obține prin compunerea celor patru segmente de imagine trebuie să corespundă unei imagini nadirale, pe un plan mediu de proiecție, având în vedere cele patru plane înclinate după care au fost preluate.

Orientările relative ale celor patru camere se cunosc din certificatul de calibrare a acestora, dar pentru că există unele deformații unghiulare de la o preluare la alta se pot determina aceste elemente prin efectuarea unui zbor pe un poligon fotogrametric înainte de zborul propriu-zis și determină elementele de orientare în etapa de calcule preliminare pe baza punctelor de sprijin din spațiul obiect.

Pentru preluările multispectrale se generează imaginile color prin combinarea imaginilor pancromatice și multispectrale prelucrate anterior.

Pe baza imaginilor finale se întocmește mozaicul zborului, atât pentru imaginile pancromatice cât și pentru imaginile color. După această etapă imaginile pot fi arhivate și stocate corespunzător sau distribuite eventualilor utilizatori.

Imaginile obținute prezintă următoarele caracteristici:

sunt obținute cu un raport optim semnal/zgomot, fiind obținute prin expunerea cu ajutorul sistemului optic dar fără mișcări mecanice, cum se procedează în cazul fotogramelor clasice;

senzitivitatea detectorilor de tip DTS împreună cu un timp mare de expunere permite post prelucrarea în scopul corectării efectului atmosferic asupra nivelelor de gri ale imaginii;

soluția aleasă de Z/I la construcția camerei DMC este de a forma imaginea prin compunerea a patru segmente de imagine care se obțin cu obiectivi separați și care au o acoperire între ele, axele camerelor de fotografiere fiind divergente. Cei patru obiectivi pot fi echipați cu filtre R G B pentru obținerea imaginilor color;

proprietățile metrice ale imaginilor sunt mai bune decât ale fotogramelor clasice, imaginea nefiind afectată de neregularitățile funcționării sistemelor de presare a filmului în planul focal în timpul expunerii, precum și de deformațiile induse filmului în procesul de prelucrare de laborator;

Utilizarea camerelor digitale pentru preluarea imaginilor digitale presupune pe lângă celelalte elemente care constituie fișa tehnică a proiectului de aerofotografiere, considerarea mărimii pixelului la sol sau a rezoluției spațiale și, în funcție de aceasta se face definirea altitudinii de preluare.

Rezoluția spațială se alege în funcție de natura obiectelor și dezvoltarea economică a zonei de aerofotografiat. Alegerea rezoluției spațiale precum și a rezoluției radiometrice este un compromis între precizia geometrică de identificare a detaliilor pentru streorestituție și costul lucrărilor de prelucrare și exploatare, volumul de date de manipulat, precum și de timpul de prelucrare.

Avantaje ale camerei DMC Z/I:

sistem electronic de compensare a trenării, chiar și pentru valori mai ridicate ale raportului viteză/înălțime de zbor;

imaginile oferă o precizie ridicată; la viteza avionului de 240 Km/h, la 60% acoperire longitudinală și înălțimea de zbor de 1000 m, rezoluția este de 10 cm, iar pentru înălțimea de zbor de 400 m rezoluția este de 5 cm (stereo);

posibilitatea utilizării metodelor de aerotriangulație convenționale.

Dezavantajele camerei DMC Z/I:

timp de post-procesare mediu;

calibrarea mai multor obiectivi;

probleme ce apar la registrația imaginilor multispectrale;

deformații importante, datorate diferențelor de nivel din teren.

Concluzii

Camerele digitale oferă avantaje clare față de camerele convenționale cu film, cum sunt:

reducerea numărului de benzi și a timpului de zbor;

asigurarea unui flux fotogrametric complet digital;

creșteri semnificative ale rezoluției la sol (până la cca. 5cm);

având o imagine cu orientarea interioară completă la nivelul senzorului, sunt eliminate sursele mai multor erori asociate filmului analogic, cum sunt deformațiile filmului, erorile de scanare a fotogramelor și de măsurare ale operatorului;

înlăturarea operațiilor de prelucrare fotografică și scanare a filmelor, mari consumatoare de timp;

economie semnificativă la costuri;

preluarea concomitentă a imaginilor multi-spectrale și a celor pancromatice diversifică domeniile aplicațiilor;

compensarea electronică a trenării (la camera DMC) elimină limitările impuse misiunilor de preluare în ceea ce privește viteza avionului și înălțimea de zbor;

compatibilitate și complementaritate cu imaginile preluate de noua generație de senzori satelitari de înaltă rezoluție (Ikonos, Quick Bird, OrbView).

Anexe ale camerelor aerofotogrametrice moderne

Pentru supravegherea misiunilor de aerofotografiere și pentru corecta lor desfășurare, camerele fotoaeriene moderne sunt dotate, pe lângă anexele clasice cunoscute, cu dispozitive anexe speciale. Aceste dispozitive ajută la determinarea și memorarea unor parametri absolut necesari în exploatarea ulterioară a fotogramelor. Între acestea pot fi amintite:

2.3.1. Sisteme de scanare laser de tip LIDAR

Sistemul de scanare laser de tip LIDAR (LIght Detection And Ranging) este o tehnică inovatoare, relativ nouă, de preluare a datelor altimetrice, cu perspective deosebite în aplicațiile fotogrametrice. Un astfel de aparat poate asigura un număr suficient de puncte de coordonate X, Y, Z cunoscute, necesare modelării suprafețelor (modele digitale altimetrice, modele digitale ale terenului, generarea curbelor de nivel). Unda laser este emisă spre suprafața terestră sub formă de pulsuri. O parte din energia sa este absorbită de obiectele de la sol, în funcție de tipul acestora. Energia rămasă este reflectată și preluată de senzor. Imaginea rezultată este o imagine alb/negru, în care nivelul de gri depinde de cantitatea de energie returnată senzorului. Trebuie precizat că datele culese de LIDAR nu constituie un produs final și nu sunt necesare totdeauna în aplicațiile fotogrametrice, această tehnică fiind una din metodele de culegere a datelor altimetrice.

Figura 4. Componentele unui sistem aerofotogrametric integrat

Sistemul LIDAR se instalează la bordul unui vector aerian și este compus din mai multe sisteme interfațate între ele:

1) un laser funcționând în domeniul infraroșu, care trimite impulsul spre o oglindă rotativă, ce baleiază terenul transversal pe direcția de zbor. Timpul între semnalul tramsmis și ecoul reflectat este înregistrat la bord de sisteme de măsurarea timpului de mare precizie; se poate spune că datele se obțin în sistem 4D, fiecare punct fiind determinat nu numai spațial ci și temporal;

2) un sistem de referință inerțial care înregistrează automat înclinările și direcția avionului;

3) un receptor GPS care înregistrează în regim cinematic poziția spațială a avionului; în timpul misiunii, una sau mai multe stații GPS de la sol sunt conectate la sistem, pentru a asigura referențierea sistemului față de sol;

4) un sistem de preluare a imaginilor (cameră convențională, cameră digitală sau cameră video color) în lungul fâșiei scanate de LIDAR. Imaginile sunt necesare pentru controlul preciziei în prelucrarea finală a datelor și a setului de elemente planimetrice. Pot fi utilizate și imagini preluate anterior. Pe baza datelor înregistrate în timpul zborului se poate calcula poziția spațială a fiecărui punct în care a fost emisă unda laser. Aceste date sunt stocate în baze de date în stații aflate la sol. Aplicațiile LIDAR care sunt realizate corespunzător pot fi utilizate la generarea de modele digitale ale terenului, cu o precizie altimetrică de ordinul a 15cm sau chiar mai puțin și o precizie planimetrică egală cu 1/1000 din înălțimea de zbor. Dintre avantajele oferite de sistemul LIDAR în realizarea hărților topografice pot fi enumerate:

programarea zborului la orice oră din zi, independent de tipul de vegetație sau de condițiile meteorologice. Totuși, ploaia sau stratul de nori pot influența negativ rezultatele misiunii LIDAR;

penetrarea coroanei copacilor este unul din cele mai importante avantaje, deoarece majoritatea aplicațiilor au ca produs final modelul suprafeței terenului, fără copaci, coroane ale acestora sau alte astfel de elemente planimetrice;

datele de teren pot fi preluate și prelucrate în același timp, ceea ce reduce timpul de realizare a aplicației.

Un exemplu de astfel de sistem este FLI-MAP (Fast Laser Imaging Mapping Airborne Platforme), produs de Frugo-USA și FRUGO-Inpark BV (Olanda) care garantează o precizie absolută de 5-10cm pentru coordonatele X, Y, Z.

2.3.2. Platforme cu suspensie girostabilizatoare cuplate cu unitati inertial de masurare IMU (Inertial Measurement Unit)

Figura 5. Platformă girostabilizatoare și sistemul IMU

Stadiul actual al girotehnologiei asigură controlul activ al componentelor ce mențin în poziție orizontală camera în momentul expunerii și amortizează pasiv vibrațiile pe direcție verticală. Platforma de suspensie face legătura dintre corpul camerei și trapa de montare a acesteia și se află în podeaua avionului. Ea este prevazută cu o placă de bază, ce formează componenta efectivă de conexiune cu cadrul trapei, iar placa este echipată la rândul său cu patru amortizoare, care au rolul de a elimina vibrațiile de înaltă frecvență. Amortizoarele sunt dispuse în același plan cu centrul de greutate al camerei, astfel că deplasarea translațională nu va produce rotații.

Mișcările de rotație , , din timpul zborului, datorate avionului, se măsoară prin intermediul a trei dispozitive giroscopice cu laser. După înregistrare, valorile lor se transmit sub formă de corecții subansamblelor care controlează cele trei rotații, compensând înclinările avionului și stabilizând camera în poziție orizontală, iar axul de fotografiere va fi adus în poziție verticală. Pentru asigurarea riguroasă a verticalității axului de fotografiere, pe lângă giroscoapele aferente rotațiilor și există doi senzori de orizontalizare, care operează în conjuncție cu acestea. Controlul rotației κ în plan, care are rolul respectării direcției de zbor, este realizat prin suprapunerea semnalului provenit de la luneta de navigație peste cel emis de giroscopul aferent acestei mișcări. Buclele de control și servosistemele platformei asigură în timpul funcționării o viteză de reacție de 10°/s, respectiv o accelerație de 20°/s . În fig.5 se poate vedea o cameră HRSC Zeiss TOP-RMK așezată pe o astfel de platformă girostabilizatoare cu o Unitate Inerțială de Măsurare Applanix montată pe corpul camerei.

Buclele de control și servosistemele platformei asigură în timpul funcționării o viteză de reacție de 10°/s, respectiv o accelerație de 20°/s . Acestea sunt caracteristice unor servomotoare care acționează camera, aducând-o într-o poziție corectă. Înclinările remanente se înregistrează de către senzorii IMU și se stochează în metadatele care însoțesc și caracterizează fiecare fotogramă.

Figura 6. Schema de construcție a unui sistem IMU

2.3.3. Dispozitive receptoare GPS

Receptorul GPS montat la bordul platformei cu care se execută aerofotografierea, oferă posibilitatea determinării cu precizie a poziției spațiale (Xo, Yo, Zo) a centrului de perspectivă în momentul expunerii, față de sateliții din rețeaua NAVSTAR – GPS vizibili în acel moment. Sunt utilizate două receptoare GPS. Un receptor este amplasat la bordul avionului, iar al doilea este amplasat la sol. Măsurarea se face în regim dinamic, asigurând precizii de ordinul centimetrilor. Ansamblul cameră fotoaeriană – receptor GPS, instalat la bordul avionului, permite:

determinarea precisă a coordonatelor centrului de proiecție (punctul nodal anterior al obiectivului camerei), care reprezintă practic punctul de stație fotogrametrică, transformate din coordonate pe elipsoidul WGS 84 în sistem local de coordonate;

dirijarea procesului de navigație și declanșarea automată a expunerii filmului în pozițiile proiectate, definite prin sistemul de navigație;

înregistrarea momentului efectiv al expunerii (punctul mijlociu al intervalului de timp cât obturatorul rămâne deschis), prin intermediul receptorului GPS, cu o eroare maximă de 2% din timpul de expunere;

înregistrarea precisă a datelor și a direcției nord reale în momentul expunerii.

2.3.4. Sisteme automate de corectare a trenării (FMC – Forward Motion Compensation)

a b

Figura 7. Imagine fără compensarea trenării (a) și cu compensarea trenării (b)

Trenarea este un fenomen la apariția căruia imaginea devine neclară, cauzând dificultăți la exploatarea acesteia. Este datorată vitezei prea mari a platformei aeriene asociată cu timpi de expune prea mari.

Prin dotarea camerelor fotoaeriene cu astfel de dispozitive, se pot utiliza avioane cu viteze mai mari, timpi de expunere mai mari și emulsii mai lente, dar cu putere de separare foarte mare (100 linii/mm). Funcționarea corectă a acestor dispozitive este posibilă numai atunci când sunt asociate cu platforme girostabilizatoare, care elimină efectul trenării unghiulare și amortizează vibrațiile avionului. În fig. 7 se prezintă efectul compensării trenării liniare. In Fig.7a este prezentată o imagine afectată de fenomenul de trenare. Este evidentă neclaritatea imaginii. Se poate observa calitatea superioară a imaginii, atunci când trenarea este eliminată (Fig.7b). În acest caz sunt evidențiate cu claritate toate detaliile din zona aerofotografiată.

Camerele aeriene sunt interfațate cu aceste dispozitive anexe, desfășurarea aerofotografierii fiind supravegheată de un microprocesor central. În felul acesta este asigurată geometria perfectă a zborului, sunt respectate acoperirile longitudinale și transversale proiectate, se asigură o înaltă calitate fotografică și geometrică a fotogramelor și se înregistrează automat datele privind parametrii camerei și de navigație pentru fiecare fotogramă în parte. Aceste date înregistrate vor facilita exploatarea ulterioară a fotogramelor.

FOTOGRAMA, PRODUS PRIMAR ÎN FOTOGRAMETRIE

Fotograme analogice

Fotogramele sunt produsul primar în fotogrametrie. Acestea sunt obținute cu ajutorul camerelor aerofotogrametrice, prin realizarea unui zbor riguros planificat, în funcție de scara produsului final care trebuie obținut și de destinația acestuia.

Fotogramele clasice, caracterizate prin geometrie constantă, sunt preluate cu ajutorul camerelor aerofotogrametrice convenționale prin expunerea controlată a filmului fotografic aflat în caseta camerei. Scara de preluare a fotogramelor este calculată în funcție de scara produsului fotogrametric ce urmează a fi realizat prin exploatarea acestora. Corecțiile datorate înclinării axului optic al camerei aerofotogrametrice față de verticala locului, deformațiilor pe cele două direcții ale suportului emulsiei, distorsiunii obiectivului, refracției atmosferice și curburii Pământului se aplică pe întreaga imagine, prin adoptarea unui model matematic unic. Fotograma aeriană poate avea unul din formatele 18cm/18cm, 23cm/23cm sau 30cm/30cm.

Fotograma cu geometrie constantă este obținută printr-o singură expunere cu ajutorul camerelor aerofotogrametrice, fototeodolitelor, camerelor multispectrale cu obiectiv unic montate pe o platformă terestră, aeriană sau satelitară.

Fotograma cu geometrie dinamică se obține prin baleiaj în spațiul-obiect cu ajutorul unor senzori optico-mecanici sau optico-electronici, prin compunerea în mod secvențial, pixel cu pixel, linie cu linie sau cadru cu cadru a imaginii digitale.

Fotograme digitale

O imagine digitală este reprezentată de o matrice G bidimensională cu elemente g i j. Fiecare element se numește pixel. Indicele i ia o valoare de la n la I în pași de 1, i=1(1)I. Indicele de pe coloană este j=1(1)J. Deoarece fiecărui element al matricei îi corespunde un element de suprafață, se utilizează noțiunea de elemente ale imaginii sau pixeli în loc de puncte ale imaginii.

Dimensiunile unui astfel de pixel sunt Δx și Δy. Pixelii g i j sunt purtătorii informației. Valoarea pixelului depinde de tipul instrumentului de înregistrare și a calculatorului folosit. Cea mai des folosită scară de valori este de la 0 la 255, o scară care depășește cu mult capacitatea de diferențiere a ochiului uman. Informația continuă în 256 de valori diferite ce poate fi înmagazinată în 8 biți, este tratată ca o unitate, un bite, în cazul calculatoarelor.

Imaginile digitale sunt caracterizate de o geometrie dinamică, se prezintă sub forma unui tablou rectangular sau bidimensional format din linii si coloane de elemente imagine, numite pixeli. Fiecare pixel este caracterizat de poziția sa în cuprinsul imaginii (linie/coloană) și de o valoare numerică întreagă numită nivel de gri. Acesta are valori cuprinse între 0 și 256, 512, 1024 sau 4096, în funcție de cuantizarea imaginii între 8 și 12 biți.

Studiile au demonstrat că prelucrarea și analiza imaginii digitale este mult mai facilă și riguroasă, față de imaginea clasică. Prin folosirea imaginilor digitale este simplificată considerabil exploatarea și compararea imaginilor preluate cu sisteme de înregistrare diferite, la diferite scări, la date și cu rezoluții diferite.

Pentru imaginile alb-negru, valorile pixelului sunt valori de gri sau densități (de obicei, pentru negru se folosește 0, iar pentru alb 255). Pentru imaginile color avem trei imagini matriceale cu aceleași scări, deci o imagine bloc cu trei straturi. Imaginile color, în particular cele multispectrale cu mai mult de trei benzi spectrale, au un rol important în fotogrametrie.

Dacă o imagine digitală va fi folosită în scopuri fotogrametrice este necesară o relație între poziția pixelului și sistemul de coordonate xOy.

Măsurarea tridimensională a coordonatelor imagine este înlocuită, în fotogrametria digitală cu identificarea pixelilor și această identificare este pe cât posibil automată. Restituția fotogrametrică cere evident cunoștințe de orientare interioară.

Dacă pixelii sunt suficient de mici, este suficient să știm care pixel conține punctul principal. Prin aceasta, se obține, în mod natural, o extensie în care indicii i și j pot fi interpretați drept coordonate imagine x și y. În acest caz, cu condiția ca pixelii să fie pătratici, distanța principală f poate fi introdusă în unități ale coordonatelor x și y exprimate prin Δx și Δy.

Ecuațiile de restituție rămân în continuare valabile în ciuda acestei scări neobișnuite în imagine și în spațiul imagine.

unde: (Xt, Yt, Zt) – coordonatele colțurilor imagine

(X0, Y0, Z0) – coordonatele centrului de perspectivă

(x, y) – coordonatele imagine

F – distanța focală calibrată a camerei.

Dacă se urmărește aceeași precizie de măsurare ca și în fotogrametria analitică, sau chiar mai mare, dimensiunea pixelului în planul imaginii trebuie să fie suficient de mică, practic de câțiva microni.

O precizie superioară nu reprezintă scopul primar, ci mai degrabă se caută alte avantaje ale fotogrametriei digitale; este suficientă și o dimensiune mai mare a pixelului. Un ortofotoplan digital este un produs tipic reprezentând practic fotograma digitală, ce se utilizează din ce în ce mai mult în tehnologia fotogrametrică, ce poate fi obținut cu dimensiuni ale pixelului mai mari.

Dacă timpul dintre obținerea imaginii și produsul finit este scurt, tehnologia fotogrametrică devine foarte utilă și astfel apare “fotogrametria în timp real”, cu un număr mare de pixeli, un volum uriaș de date și prelucrări intensive ale acestora.

Conversia digitală a fotogramelor analogice

Fotogramele digitale se pot obține prin două metode:

Prin preluare cu camere aerofotogrametrice digitale dotate cu senzori electrono-optici. În cazul fotogramei digitale elementele de orientare exterioară diferă pentru fiecare pixel sau linie de înregistrare din cuprinsul imaginii digitale, în funcție de tipul senzorului utilizat. Cei mai utilizați în prezent sunt senzorii CCD. Înregistrarea se poate face în două moduri: 1. Înregistrare secvențială, linie cu linie, realizată cu linii de senzori amplasați în planul focal al camerei, urmată de compunerea imaginii digitale finale; 2. Înregistrare prin expunere unică atunci când în planul focal al camerei digitale se află o matrice de senzori având un număr de linii și de coloane egal cu numărul de linii și de coloane al imaginii digitale înregistrate.

Prin scanare: tehnologiile actuale permit transpunerea unei imagini din format analogic în format digital, cu rezoluții înalte (de ordinul micronilor). Se impun însă o serie de limitări în privința rezoluției de scanare, deoarece precizia de măsurare scade sever pentru scări mici ale fotogramelor. Pentru fotograme preluate la scări de 1:20.000 sau mai mari, creșterea preciziei obținute prin mărirea rezoluției la peste 1.000 dpi este nesemnificativă, dar se observă creșterea substanțială a volumului de date care trebuie stocate. Spre exemplu, pentru o fotogramă cu formatul de 23 x 23 cm, scanată la o rezoluție de 10 μm (2540 dpi), spațiul necesar pentru stocare este de 530 MB. La o acoperire longitudinală de 60%, pentru un singur stereomodel este necesar un spațiu de memorie de 636 MB.

O rezoluție de scanare cuprinsă între 400 si 1000 dpi (corespunzătoare unei dimensiuni a pixelilor între 64 si 25 μm) este cea mai indicată pentru optimizarea volumului de date, aceasta asigurând o precizie geometrică corespunzătoare pentru redarea micilor detalii. În acest caz, spațiul de memorie pentru o fotogramă format 23 x 23 cm este acceptabil, fiind cuprins între 20 si 75 MB.

Procesul de digitizare urmează după developarea filmului. Pentru a ne asigura că nu se pierd informații din fotograme, pasul de digitizare trebuie adaptat la rezoluția fotogramei. Rezolutia R este exprimată în perechi de linii pe milimetru (Ip/mm sau l/mm). Rezultă din teoria scanării un pas de digitizare: AD [mm] < 1/(2R).

În practică se alege valoarea de 0.7 la numărător, de exemplu: AD [mm] < 0.7/ (2R).

Pasul de digitizare nu trebuie confundat cu dimensiunea elementului fotosenzor. Într-un proces ideal, pasul de digitizare și dimensiunea elementului fotosenzor sunt egale. De asemenea, la unele instrumente de digitizare, pasul de digitizare este foarte mic, dar elementul fotosenzor este semnificativ mai mare. În acest caz, va exista o acoperire laterală între pixeli care va influența cu siguranță informația originală.

REALIZAREA ORTOFOTOPLANULUI DIGITAL

Definiții. Noțiuni de bază

Ortofotoplanul este o reprezentare fotografică corectă a unei zone obținute pe baza unor fotograme aeriene rectificate geometric. Acestei reprezentări i se pot adăuga o serie de alte date grafice. Aceste date pot proveni fie din informații externe (limite administrative, toponimii etc.) sau din interpretarea imaginilor proprii (digitizări de drumuri, clădiri etc.). Dacă comparăm cu cartografia clasică, ortofotoplanul diferă prin absența (care poate fi totală) în cele mai multe cazuri a interpretării și a desenului. Astfel de sarcini necesită o importantă valoare umană. Este considerabilă reducerea costurilor și a întârzierilor, așa că ortofotoplanurile devin un produs din ce în ce mai comun, capabil de înlocuirea completă a cartografiei tradiționale.

Caracteristica esențială a producției de ortofotoplanuri digitale este transformarea matricei imagine din sistemul de coordonate al camerei, într-o matrice imagine din sistemul de coordonate teren, exprimate in planul XOY. Generarea de ortofotoplanuri începe cu definirea matricei imagine ce are sistemul de coordonate plane teren XY, urmate de transformarea centrelor acestor elemente în sistemul de coordonate al camerei.

Pentru această transformare sunt necesare, de asemenea, coordonatele Z ale punctelor aferente unei rețele din sistemul XY. Acestea pot rezulta de la o rețea a unui model digital cu o rezoluție mare.

Procesul de realizare implică cunoașterea a două date importante:

parametrii imaginii achiziționate (orientarea imaginii, poziția spațială a camerei);

relieful (descrierea generală a DTM).

Este lesne de înțeles că precizia acestui produs final depinde de calitatea celor două date.

Este mai mult sau mai puțin singura operație care poate fi complet automatizată în fotogrametria digitală, față de cartografie, care necesită supervizarea unui operator.

Pentru realizarea ortofotoplanului, operatorul are nevoie de numeroase imagini pentru a acoperi zona respectivă, ceea ce necesită o mozaicare. Mozaicarea este procedeul prin care se stabilesc legăturile dintre imagini din punct de vedere geometric și radiometric.

Aspectele geometrice sunt date de liniile ce taie elementele din imagini (drumuri, clădiri, cursuri de apă etc.).

Aspectele radiometrice țin de fenomenele fizice ce au origini numeroase: procesul chimic al imaginilor, diferențe ale calității luminii distribuite, imagini achiziționate la date diferite, sau doar momente diferite.

Imaginile folosite la realizarea ortofotoplanului pot proveni din numeroase surse.

Se pot folosi imaginile scanate (mărimea pixelului de la 21 la 28 μm). Marele inconvenient este lipsa unei consistențe radiometrice, ceea ce duce la probleme atunci când este calculată ortoimaginea.

Aceste imagini au, în general, dimensiune foarte mare și necesită calculatoare puternice pentru a le putea manipula. Dacă se folosesc astfel de imagini, atunci este nevoie de scanere profesionale.

Noile tipuri de imagini sunt imaginile aeriene provenite de la camerele digitale și imaginile satelitare cu rezoluție mare. Acestea se caracterizează printr-o consistență radiometrică ce simplifică procesul de calcul al ortoimaginii.

Aerotriangulația

Întocmirea proiectului de aerotriangulație

Aerotriangulația spațială este un procedeu de îndesire fotogrametrică a rețelei de sprijin (altimetrică și planimetrică), pe baza relațiilor rezultate din dubla și tripla acoperire a fotogramelor succesive. Aerotriangulația este tehnica de laborator, de determinare a coordonatelor-teren X, Y, Z ale punctelor de îndesire, necesare exploatărilor fotogrametrice, folosind coordonatele-model măsurate la aparat și coordonatele-teren ale unui număr restrâns de puncte de sprijin în cadrul unor transformări spațiale între spațiul-imagine sau model și spațiul teren. Această metodă se dovedește a fi unica soluție, mai ales în cazul unor zone greu accesibile sau chiar inaccesibile (Delta Dunării, zone muntoase). Prima etapă a acestui proiect constă în alegerea metodei de aerotriangulație. Metodele de aerotriangulație se diferențiază la nivelul procedeelor și algoritmilor folosiți pentru compensarea coordonatelor. În mod normal, algoritmii utilizați depind de condiția de coliniaritate sau de coplanaritate.

În procesul de determinare a punctelor de îndesire prin aerotriangulație se deosebesc următoarele etape:

1. Pregătirea lucrărilor de aerotriangulație începe odată cu definirea temei ridicărilor fotogrametrice în funcție de scopul lucrării. La întocmirea proiectului de aerofotografiere se stabilesc, pe baza proiectului de îndesire a rețelei de sprijin, punctele de sprijin din rețeaua geodezică, punctele de reper ce trebuiesc premarcate, tipurile de premarcaje de utilizat, premarcajele de orientare a itinerariilor de zbor. Punctele premarcate trebuie să aibă o dimensiune în imagine compatibilă cu a mărcii de măsurare.

Semnalele de diferite forme pot fi separate pentru planimetrie și pentru nivelment și sunt compuse dintr-o parte de atenționare de dimensiuni mari și un semnal de o suprafață mai mică ce marchează punctul propriu-zis. Față de mediul ambient, culorile folosite trebuie să asigure un contrast maxim.

După definitivarea proiectului de zbor se efectuează premarcaje în teren și se efectuează zborul fotogrametric. În urma operațiilor de laborator se obțin fotogramele negative și fotogramele pozitive efectuate prin copie contact. Pe fotogramele pozitive se identifică punctele de sprijin existente și se proiectează rețeaua punctelor de îndesire ce trebuie determinată prin reperaj fotogrametric la teren. Punctele de sprijin se identifică la teren și se marchează pe fotograme. După acestă etapă se proiectează rețeaua de puncte ce trebuie determinate prin aerotriangulație.

2. Întocmirea proiectului de aerotriangulație, marcarea și numerotarea punctelor, se face pe baza proiectului de reperaj fotogrametric executat la teren. Se întocmește proiectul de aerotriangulație, proiect ce urmărește completarea rețelei determinate la teren în scopul asigurării, pentru fiecare fotogramă sau stereogramă a numărului optim de puncte de sprijin, puncte ce vor fi determinate prin aerotriangulație. Acest proiect este definitivat odată cu identificarea, marcarea și transferul pe negativele vecine a punctelor de îndesire. După îndesirea stereoscopică a punctelor rețelei de aerotriangulație se identifică și punctele rețelei de sprijin determinate la teren și se trece la marcarea lor. Două modele de premarcare sunt prezentate în figura următoare:

Figura 8. Modele de premarcaj ale punctelor de sprijin

Identificarea punctelor de aerotriangulație se referă la punctele premarcate, la punctele de detaliu alese drept puncte de îndesire și la punctele de legatură între modele sau benzi, pentru formarea benzii sau blocului. Punctele de detaliu selecționate drept puncte de aerotriangulație trebuie identificate pe toate fotogramele pe care apar, stereoscopic. Punctele de legatură sunt puncte care se transpun pe stereogramele adiacente din aceeași bandă sau din benzi adiacente, în scopul asigurării legării modelelor sau benzilor adiacente. În zona punctelor centrale se aleg două puncte de transfer al scării pe baza cotelor. În scopul prelucrării automate, punctele alese trebuie să corespundă unui sistem de numerotare, iar punctele de triangulație și nivelment vor fi și ele numerotate. După aceste etape urmează efectuarea observațiilor în aerotriangulație, orientarea interioară relativă și măsurarea coordonatelor model.

Măsurarea coordonatelor model

Măsurarea și înregistrarea coordonatelor-model este etapa în care se efectuează măsurătorile în stereomodel. În lucrările de aerotriangulație se disting următoarele categorii de puncte: puncte de legătura longitudinală (dispuse în zona de triplă acoperire), puncte de legatură transversale (între benzi) și puncte de legătură între blocuri. Toate aceste puncte, ca și punctele de sprijin, se marcheaza și se numerotează pe fotogramele pozitive corespunzătoare, precum și pe schema proiectului de aerotriangulație. În fotogrametria digitală, punctele corespondente pentru efectuarea orientării relative se determină prin corecție plană, în cazul terenurilor plane și prin metoda Least Squares Matching, în cazul terenurilor accidentate.

Trebuie menționat că în acest caz pot fi prelucrate imagini cu geometrie constantă, digitizate, sau imaginile digitale care au o geometrie dinamică. Aceste imagini presupun o serie de prelucrări geometrice și radiometrice preliminare. În prelucrarea acestor imagini pentru asigurarea corespondenței între două plane sau spații pot fi considerate și alte elemente de sprijin (forme liniare, elemente de suprafață). Aceste elemente sunt identificate în mod automat, sunt extrase, liniarizate, parametrizate și pe baza lor se calculează parametrii transformărilor plane sau spațiale. Când se lucrează la o stație fotogrametrică digitală cu imagini digitale, așezarea mărcii de măsurare poate fi efectuată manual sau prin prelucrare la sistemul de calcul. Programul prin care se realizează această operație folosește metode de corelație a imaginilor. Metodele de corelație aplicate imaginilor preluate direct în acest format prin scanare, se clasifică în trei categorii generale: metode bazate pe suprafață, metode bazate pe trăsături sau linii și metode hibride sau mixte.

Metodele bazate pe suprafață execută corelația imaginilor prin compararea numerică a valorilor nivelelor de gri din mici submatrici ale fiecărei imagini.

Metodele bazate pe trăsături au un grad de complexitate superior și necesită, în primă fază, extragerea trăsăturilor, care sunt constituite din linii (limite, muchii) la diferite scări. Ele compară trăsăturile pe baza caracteristicilor lor, reprezentate de dimensiune și formă.

Metodele hibride reprezintă, practic, o combinație a primelor două metode. Acestea prelucrează mai întâi cele două imagini ale unei stereograme pentru a se evidenția trăsăturile (liniile), după ce trăsăturile au fost localizate, ele sunt corelate prin metode bazate pe suprafață.

Fiecare dintre cele trei grupe de metode prezintă avantaje și dezavantaje particulare. Poate cea mai simplă metodă de corelație a imaginilor digitale bazată pe suprafață este cea cunoscută sub denumirea de corelația normalizată încrucișată. Se efectuează o combinație statistică folosind valorile nivelelor de gri extrase din două submatrici având aceleași dimensiuni. Cele două submatrici sunt culese din imaginea stângă și respectiv cea dreaptă.

Coeficientul de corelație poate atinge valori cuprinse între +1 și -1. Dacă valoarea este +1, ea indică o corelație perfectă, ceea ce echivalează cu o potrivire exactă a celor două submatrici.

Un coeficient de corelație egal cu -1 corespunde corelației negative și apare totdeauna când se compară două submatrici identice extrase din negativul și respectiv pozitivul fotografic al unei imagini. Valorile coeficientului apropiate de zero indică nepotrivirea imaginilor și pot rezulta de la compararea oricărui set de valori de gri aleatorii. Datorită factorilor cum ar fi, de exemplu, zgomotul din imagine, corelația perfectă (+1) este extrem de rară. În general, se alege o valoare de 0,7 și, dacă aceasta este depășită, submatricile sunt considerate corelate.

Pentru corelația digitală a imaginilor bazată pe calculul coeficientului de corelație se realizează prin alegerea unei submatrici din imaginea stângă, denumită submatricea candidat. Apoi se stabilește submatricea de corespondență din imaginea dreaptă, printr-un proces de cercetare într-o submatrice denumită submatrice de căutare. Deoarece poziția exactă a submatricei șablon în imaginea dreaptă nu este inițial cunoscută, submatricea de căutare se alege de dimensiuni mai mari decât cele ale submatricei șablon.

Calculul și comensarea aerotriangulației

În prima etapă se formează banda sau blocul de aerotriangulație prin legarea modelelor sau a benzilor adiacente. Coordonatele-model bandă sau bloc obținute se transformă aproximativ în sistemul-teren pe baza punctelor de sprijin. Ultima etapă este compensarea acestor coordonate în mod riguros, iar rezultatele sunt analizate din punct de vedere al mărimii și distribuției erorilor reziduale. La aceste sisteme, operațiile se fac automat pe baza unor algoritmi.

Se presupune că punctele din spațiul obiect sunt marcate, deși pot fi folosite și puncte definite natural. Măsurarea coordonatelor imagine a acestor puncte în imagini fotogrametrice digitale poate fi foarte foarte ușor automatizată, scop pentru care se definesc matricele reper pentru semnalele individuale.

Totuși, pentru acesta există două abordări: în primul rând semnalele trebuie să se găsească mai mult sau mai puțin în planul obiect, iar în al doilea rând, planul imagine trebuie să fie suficient de paralel cu planul obiect. Sub aceste condiții aplicate în principal fotogrametriei aeriene, semnalele devin aproximativ de aceeași dimensiune și nu sunt semnificativ deformate.

În mod curent aceste condiții nu sunt satisfăcute în fotogrammetria de la mică distanță. Ecuația de bază este: g2 = g1(x + a) (4.1).

Ecuația trebuie extinsă pentru a permite compensarea prin metoda pătratelor minime. O varianta extrem de generală constă în introducerea celor șase parametri ai transformării afine:

(4.2)

Totuși, cei patru parametri corespunzători transformării plane de similaritate sunt suficienți:

(4.3)

Până acum nu ne-am referit la problemele legate de zonele de interes din imaginile digitale. În acest scop se pot utiliza următoarele metode:

poziționarea aproximativă pe ecranul monitorului de către operator;

predefinirea aproximativă a coordonatelor obiect (de la o ridicare anterioară) și a elementelor aproximative ale orientării exterioare aferente imaginii individuale, urmată de o proiecție centrală a coordonatelor obiect aproximative în imaginea digitală.

(4.4)

Când toate punctele imagine au fost identificate automat și măsurate precis, poate fi aplicată compensarea în bloc cu fascicule. Înainte de a începe, coordonatele imagine trebuie să fie prelucrate preliminar prin metode cunoscute. Prelucrarea preliminară a imaginilor digitale trebuie totodată să includă corecții pentru diferențele dintre pozițiile reale ale pixelilor și pozițiile teoretice din rețeaua lor.

În principiu, reducerea numărului de puncte de sprijin (de reper) determinate în teren și completarea acestora prin aerotriangulație (la birou) conduce la micșorarea preciziei exploatării fotogrametrice. Totuși, dacă se ține seama de factorii care influențează precizia aerotriangulației și de modul în care poate fi îmbunătățită această precizie se pot obține rezultate foarte bune (chiar și in cazul exploatării fotogrametrice la scări mari).

Dintre acești factori, un rol important îl are numărul și dispunerea punctelor de sprijin (de reper) în teren. Din studiile efectuate în acest sens de prof. dr. Ackermann rezultă că cea mai mare influență o au punctele de reper situate pe perimetrul blocului (din punct de vedere planimetric), punctele de reper din interiorul blocului având doar un efect local. Se recomandă astfel ca punctele planimetrice de sprijin să fie dispuse la distanțe de 5 baze pe laturile blocului, paralele cu direcția benzilor și la distanțe de 4 baze pe laturile transversale, adică din două în două benzi. În ceea ce privește dispunerea punctelor altimetrice de sprijin, aceasta trebuie să se realizeze în șiruri transversale blocului, la distanța de 5 baze (între aceste șiruri).

Desigur, utilizarea tehnologiei GPS (prin care determinăm destul de precis coordonatele centrelor de perspective) permite lărgirea acestor limite, adică punctele de reper pot fi situate la intervale mai mari, rolul lor fiind în principal controlul și omogenizarea preciziei.

Precizia și verificarea aerotriangulației

În ceea ce privește precizia aerotriangulației, trebuie remarcat că aceasta depinde de mai mulți factori. Deși, în principiu, reducerea numărului de puncte de sprijin determinate în teren și completarea acestora prin aerotriangulație, conduce la micșorarea preciziei exploatării fotogrametrice, dacă se ține seama de factorii menționați și de modul în care poate fi îmbunătățită această precizie, se pot obține rezultate foarte bune, chiar și în cazul exploatării fotogrametrice la scări mari.

Un prim factor îl reprezintă metoda de aerotriangulație utilizată. După cum s-a mai menționat și s-a argumentat, cele mai bune rezultate le oferă compensarea în bloc, cu fascicule fotogrametrice. De asemenea, un program eficient de aplicare a acestei metode trebuie să prevada posibilitatea verificării măsurătorilor, adică posibilitatea detectării greșelilor și eliminarea influenței acestora.

Un alt factor se referă la precizia de identificare a imaginilor punctelor de reper pe fotograme. În acest sens, trebuie precizat că cea mai bună identificare o oferă punctele premarcate în teren. Mărimea acestor premarcaje trebuie să țină seama de scara la care se face aerofotografierea, iar premarcajele trebuie să fie cât mai stabile în timp. Acest ultim aspect prezintă însă serioase dificultăți practice.

Pe de altă parte, un rol important (referitor la precizie) îl are numărul și dispunerea punctelor de sprijin în teren.

În ceea ce privește calculul principalilor indicatori ai preciziei (abaterea standard σ0, valorile rezidualelor etc.), acesta se face cu formulele specifice metodei de compensare utilizate, pe baza principiului pătratelor minime (celor mai mici pătrate). Pe de altă parte, un bun indiciu (deși nu tocmai riguros) privind precizia rezultatelor îl oferă erorile medii pătratice mR, mL, și mc calculate (respectiv) pe baza discordanțelor în punctele de reper, în punctele de legătură și în punctele de control (de verificare):

mR = (4.5)

mL = (4.6)

mC = (4.7)

Unde n’R , n’L , n’C reprezintă numărul total de apariții ale punctelor de reper, de legătură și de control în toate unitățile de compensare ale blocului fotogrametric. Prin urmare, numărul de la numitor va fi egal cu numărul termenilor de la numărător.

Valorile obținute cu aceste relații vor permite aprecierea constrângerii blocului pe punctele de sprijin și în punctele de legătură, precum și a rezultatelor compensării în celelalte puncte. Având în vedere că punctele de reper și cele de legătură au fost incluse în constrângerile compensării, un rol important în aprecierea preciziei aerotriangulației îl au punctele de control, ale căror coordonate au fost determinate în teren (ca și pentru punctele de reper), dar care nu au fost incluse în compensare și deci vor permite o apreciere mai reală a preciziei compensării.

Realizarea modelului digital al terenului

Definiții. Noțiuni de bază

Modelul Digital al Terenului (DTM) este o reprezentare tridimensională matematică, la scară, în format digital, a terenului dintr-o anumită zonă. Terenul este descris prin rețele regulate de puncte (grid) sau prin rețele de triunghiuri. Modelul digital al terenului își propune să descrie cât mai exact o suprafață de teren întinsă, de multe ori imposibil sau greu accesibilă, cum ar fi suprafețe acoperite de pădure sau zone muntoase, care ar face utilizarea tehnologiilor clasice greoaie sau imposibil de pus în practică.

DTM este un concept generic care se referă la cotele terenului. În acest caz este vorba de un un model digital al terenului (DTM), care oferă informații despre elevația fiecărui punct de la teren sau de la suprafața apei.

Dacă se consideră și acoperirile terenului (vegetație, construcții etc.) modelul corespunzător se numește model digital al suprafeței de reflectanță (MDSR). Peisajele naturale sunt mult prea complexe pentru a fi modelate analitic și astfel informația este de cele mai multe ori după nivelurile de gri.

Utilizarea LIDAR-ului ca anexă modernă a camerei fotogrametrice îmbunătățește considerabil precizia DTM, mai ales prin faptul că poate oferi informații altimetrice asupra obiectelor prezente pe suprafața terenului sau poate pătrunde prin stratul vegetal, până la nivelul solului. În felul acesta se pot genera cu precizie atât modele digitale ale suprafeței de reflectanță (MDSR), cât și modele digitale altimetrice (DTM), majoritatea aplicațiilor având ca produs final modelul suprafeței terenului.

Atunci când se au în vedere și alte date: pedologice, geologice, geotehnice, hidrologice etc., se obține modelul digital al naturii obiectelor (MDNO). Acuratețea modelului digital al terenului mai depinde de tipul de teren (zonă muntoasă, de deal sau de câmpie) și de topografia zonei (sat, pădure, cultură agricolă etc.).

Specificațiile DTM

Specificația unui DTM în general include două tipuri de parametri.

Pe de o parte o reprezintă specificațiile altimetrice standard care nu diferă de hărțile analogice. Parametrii geodezici (elipsoid, proiecție) și locațiile geografice (coordonatele colțurilor) dar fără scară, ceea ce este fără sens în cazul hărților digitale.

Pe de altă parte, un model digital este un produs digital care nu poate crea un grid altimetric fără următoarele specificații:

formatul digital, tipul (întreg, character, real etc.) și lungimea (cel mai des 2 biți);

importanța valorilor numerice, unități metrice (metri) și în unele cazuri coeficienții unei conversii ușoare, de exemplu o transformare liniară care face ca valorile să se potrivească într-un anumit interval;

structura gridului, care poate fi neregulată (rețea neregulată de triunghiuri, curbe de nivel digitizate) sau regulată (rețea regulată de pătrate).

Generarea modelului digital

Modelul digital de tip grid este bine adaptat pentru a reprezenta suprafețe printr-o funcție matematică 3D de forma z=f(x,y). Gridul descrie o reprezentare regulată a acestei funcții f care implicit presupune o definire a proiecției (acolo unde z=f(x,y) este validă) definind expresia coordonatelor x,y din coordonatele 3D inițiale într-un sistem global de referință cartezian. Când suprafața descrie relieful terenului, proiecția este dată pe elipsoid. Gridul are geometria unei imagini, acolo unde pixelii întâlnesc nodurile gridului există o valoare de gri, iar acestea reprezintă elevația. Unul din marile avantaje este acela că pot fi vizualizați ca nivele de gri sau în culori pe baza unor tabele hipsometrice. Este de preferat a fi stocat ca imagine. Trecerea de la imagine la informația și geometria grid-ului, cum ar fi unii parametrii (xO, yO, dx, dy, b) și unitățile de lungime în care acești parametrii sunt exprimați împreună cu sistemul de proiecție și parametrii elipsoidului, trebuie să fie cunoscută și stocată într-un fișier imagine/grid sau în altă parte într-un fișier separat. Transformarea din coordonatele pixelilor (i, j) în coordonate 3D (x, y, z) poate fi exprimată prin: x = idx + x0

y = jdy + y0 (4.8)

z = G(i j)dz + b

unde G(i,j) – nivelul de gri al pixelului (i, j)

(x0,y0) – coordonatele spațiale ale primului rând al imaginii și linia de pixeli

(dx ,dy,dz) – distanțele spațiale ale grid-ului în lungul axelor x, y și z

B – elevația care corespunde nivelului de gri=0 din imagine.

Parametrii dz și b în cazul când nivelele de gri nu sunt codate ca valoare de referință.

Eșantionarea datelor pentru DTM se poate face într-o rețea de tip GRID sau de tip TIN.

Un raster grid poate descrie o infinitate de suprafețe. Problema apare când trebuie determinate elevația unui punct ce se găsește în interiorul punctelor de rețea ale gridului. Această elevație se va calcula din elevațiile punctelor vecine ale gridului printr-o funcție de interpolare (biliniar, bicubic etc.). Gridul este o rețea regulată și de aceea unele elemente ale terenului pot fi descrise corect, în timp ce elementele mici vor avea o descriere discretă sau chiar vor lipsi în totalitate din model. În acest caz, este absolut necesar ca pentru toate schimbările de teren care apar să se folosească aceeași distanță între punctele grid-ului. Distribuția punctelor în zonele montane și accidentate va fi mai densă și mai rară în zonele de șes.

Concluzia ar fi că pasul gridului trebuie ales astfel încât nodurile să reprezinte cât mai bine suprafața terestră, respectând precizia impusă. Mai mult, există o ipoteză în fotogrametria aeriană în care se presupune că suprafața pe care vrem să o descriem grafic este de forma (x, y, f(x,y)). Este adevărat că această ipoteză nu este întotdeauna valabilă, cum ar fi zonele urbane unde apar discontinuități 3D, ba chiar și în fotogrametria terestră unde deseori apar suprafețe de acoperire. Modelul digital de tip Grid este ușor, dar nu un mod general de reprezentare a suprafeței terestre.

Majoritatea datelor convenționale referitoare la un sistem oferă măsurători de puncte răsfirate. Generarea unui grid pentru un MDSR este un nonsens. Ideea unor rețele neregulate de triunghiuri este de a adapta modelul astfel încât rezoluția să descrie suprafața cu ajutorul triunghiurilor elementare unde vârfurile reprezintă rezoluția.

Față de grid, rezoluția și dimensiunea triunghiurilor pot fi variate, ceea ce conduce la efectuarea unor operații elementare: în cazul interpolării lui Z pentru un X și Y dat, toate triunghiurile vor fi analizate, pentru a determina setul de triunghiuri care include acest punct.

Un dezavantaj al modelului digital de tip TIN este acela că panta este identică pe întreaga fațetă a suprafeței și este discontinuă între două fațete adiacente. Dacă presupunem că rezoluția tehnică ne oferă în plus vectorul suprafeței normale și dacă admitem că suprafața este netedă și curbă în interiorul fațetei și/sau intersectează celelalte fațete, atunci putem imbunătăți aproximarea suprafeței prin adăugarea fiecărui triunghi niște parametri suplimentari pentru a modela local comportamentul suprafeței printr-o funcție analitică bicubic splines, care este continuă și derivabilă cu toate celelalte fațete adiacente. Rețelele TIN se utilizează mai ales în cazul unor zone accidentate.

Trecerea de la Modelul Digital al Suprafeței de Reflectanță (MDSR) la Modelul Digital al Terenului (DTM)

Filtrarea MDSR-ului – Tehnicile de filtrare se bazeaza pe ipoteza că elementele cu structură ridicată constituie zone conexe ale suprafeței limitate și prezintă un contrast puternic al elevațiilor cu mediul înconjurător. Metoda cel mai des folosită provine din morfologia matematică: DTM-ul este obținut prin deschiderea morfologică a MDSR cu elementul de structură definit prin mărimea și geometria lui. Această metodă este aplicată numai în terenurile plane, deoarece nu păstrează curbarea terenului. Calitatea DTM obținută va fi prin urmare scăzută dacă terenul este deluros și dacă elementul de structură este de dimensiuni mari.

De asemenea, neregularitățile abrupte ale suprafeței pot duce la diferite nereguli care pot deveni vizibile pentru deschideri mai mari, exemplu eliminarea construcției aflată în rezoluția metrică a DTM-ului. Aceste nereguli pot fi accentuate de către nivelul de „zgomot" al MDSR -ului. O variantă a acestei metode a nivelului structurilor înalte constă în aplicarea de deschideri ale mărimilor succesive crescătoare cu elemente structurale până când se ajunge la mărimea dorită. Dacă acestă metodă nu rezervă o acuratețe mai bună DTM-ului datorită unei curbări puternice, are avantajul producerii unui rezultat fără asperități.

Segmentarea și eliminarea structurilor înalte – o alternativă pentru o filtrare simplă constă în utilizarea tehnicilor de recunoaștere a formei pentru a circumscrie întinderea structurilor înalte. DTM-ul este calculat prin înlocuirea, în locurile unde se detectează structurile înalte, valorile inițiale ale elevației cu valori interpolate. Această segmentare a elementelor poate fi făcută doar printr-un proces al MDSR sau prin analizarea unirii ortofotografică a aceleiași zone.

Toate instrumentele de segmentare folosite în analiza imaginii pot fi folosite și în analizarea MDSR-ului, cerându-se o definire a caracteristicilor acestor structuri în relație cu terenul. Cele mai simple metode se bazează pe examinarea pantelor sau a curbărilor MDSR-ului. Selectarea structurilor cu contururi extrase poate fi imposibilă, deoarece contururile sunt închise și valoarea pantei pe contururi este mai mare decât valoarea minimă. O constrângere suplimentară asupra mărimii zonelor respective poate, de asemenea, să fie aplicată. Aceste tehnici nu sunt recomandate. Întotdeauna se va dori o acuratețe a MDSR-ului la marginea structurii, deși această precizie este imposibil de garantat (fie datorită calității imaginii, fie datorită parților ascunse pe un cuplu de imagini). Pentru a atenua fragilitatea metodelor bazate pe extragerea conturului în MDSR și insuficiența metodelor bazate pe morfologia matematică, care vor eșua sistematic în cazurile extinderii structurilor înalte și terenurilor deluroase, mai multe metode elaborate fac obiectul cercetărilor. Metode ale segmentării prin arie cresc, printr-un criteriu al omogenității bazat pe diferențe ale altitudinilor dintre puncte vecine. O altă metodă este folosirea datelor cartografice pentru a forța segmentarea.

Selectarea punctelor teren în MDSR – o a treia aproximare constă în selectarea, printr-un procedeu ad-hoc, a unui set de puncte aflate la nivelul terenului în MDSR și reconstruirea DTM prin interpolarea acestui set de puncte. Această tehnică are avantajul că anulează problema segmentării exacte a extinderilor structurilor înalte. Poate fi folosit numai în cazuri individuale unde strategia selectării punctelor de teren este foarte stabilă. Este cazul în zonele urbane, unde terenul variază puțin. În lipsa altor informații, se pot folosi metode ale selecției oarbe pentru analiza MDSR-ului cu ajutorul unor ferestre mobile, aceste ferestre de analiză alegându-se astfel încât să aibă o mărime suficientă și să nu cuprindă numai structuri înalte. Metoda este riguroasă numai în terenurile plane și este extrem de sensibilă la “nivelul de zgomot” al MDSR-ului.

Figura 9. Modelul digital al suprafeței de reflectanță

Figura 10. Modelul digital al suprafeței de reflectanță

În concluzie, aceste metode nu pot fi considerate perfect operative. Numai algoritmii simpli sunt în general prezenți în fotogrametria digitală. Aceștia vor oferi de cele mai multe ori rezultate bune în terenurile cu pante moderate și unde structurile înalte sunt constituite ca părti conexe ale unei extinderi slabe. Așadar rămân importanți din momentul în care numărul acestor zone conexe este mare, deoarece vor permite micșorarea timpului de editare.

Algoritmii sunt foarte sensibili la calitatea MDSR-ului calculat și în particular la panta acestuia la marginile care delimitează structurile înalte. Pot produce și unele rezultate neașteptate ca structuri ambigue cum ar fi podurile, care pot fi considerate ca aparținând sau nu unor astfel de structuri. Așadar nu trebuie folosiți fără o supervizare atentă.

Reconstrucția modelului digital al terenului

Presupunem că deținem un fișier ce conține curbele de nivel ce descriu relieful unei zone geografice fixe. Curbele de nivel apar fie ca secțiuni, fie închise sau oprite la marginea zonei alese. Fiecare curbă este reprezentată printr-un vector descris de vertecșii unui poligon de tip linie. Sau printr-o secvență ordonată de puncte de forma:

{pij = (xij, yij, zj); i=1,…n(j)} (4.9)

pentru curbele de nivel de pe rândul j al fișierului; coordonata z reprezintă altitudinea și x, y coordonatele relative la o reprezentare cartografică.

Este important de menționat că aceste curbe de nivel nu reprezintă numai o familie finită de puncte, ci o uniune a segmentelor [Pij, Pi+i, j]. Așadar este o serie continuă, a cărui familie pij este una din posibilitățile de reprezentare. În particular, este permisă împărțirea unui segment [py, pi+1, j] într-unul mai mic fără a schimba forma curbei.

Figura 11. Curbe de nivel de tip vector

Dorim să interpolăm cu aceste curbe de nivel un grid de puncte cu intervalul h. Prin interpolare se ințelege că fiecare punct trebuie așezat pe suprafața respectivă, astfel încât să reprezinte cât mai bine curba de nivel.

Dacă vrem să desenăm o nouă curbă de nivel situată la jumătatea înălțimii dintre două curbe succesive, atunci trebuie plasată la o distanță orizontală egală față de cele două. În general, o curbă intermediară trebuie plasată între două curbe de nivel, astfel încât distanța orizontală să fie în raport cu distanța verticală.

Aproximarea suprafeței topografice cu o rețea neregulată de triunghiuri- triangulația domeniului D al unui plan este o familie finită de triunghiuri a căror unire este D, al ariilor nenule ce au în comun ori un vertex ori o latură. Trebuie să aproximăm suprafața topografică cu o suprafață de triunghiuri potrivită pe curbele de nivel. Poziția orizontală a vertecșilor triunghiului nu este cu precădere cunoscută. Acestă problemă este distinctă de potrivirea unei suprafețe a cărei poziție orizontală a vertecșilor va forma o rețea fixă, o problemă în care doar altitudinile vertecșilor triunghiurilor sunt necunoscute. Este normal că verecșii triunghiurilor sunt puncte luate pe curbele de nivel, pentru că nu există un mod ușor de a defini alte puncte.

Fiecare triunghi trebuie să fie o aproximare acceptabilă din suprafața topografică, ceea ce necesită ca toate cele trei laturi ale triunghiului să fie apropiate de suprafața respectivă. Ca o particularitate, este interzis ca o latură a triunghiului să intersecteze o curbă de nivel deoarece în acest caz latura respectivă nu se mai află pe suprafața topografică. Ca exemplificare a celor spuse mai sus avem figura în care latura AB traversează curba (z+e) ceea ce înseamna că nu se află pe suprafața topografică și al cărui profil este AIB.

În particular, un triunghi nu poate avea vertecși pe trei curbe de nivel cu altitudini diferite, cu alte cuvinte, o latură traversează o curbă (triunghiul ABC). Un triunghi nu trebuie să aibă vertecși pe aceeasi curbă, adică este orizontal și nu se va afla pe suprafața topografică (triunghiul DEF). Deci este necesar ca fiecare triunghi să aibă vertecși pe două curbe consecutive. Suplimentar, una din laturi definită de doi vertecși să se afle pe aceeași curbă de nivel și să se confunde cu aceasta (triunghiul GHJ).

Trebuie remarcat faptul că triunghiul GHJ aproximează cel mai bine suprafața topografică și că latura HJ, este mai mică decât GH și GJ, așadar este de preferat ca latura ce se confundă cu curba de nivel să fie mai scurtă.

Figura 12. Diferite cazuri la aproximarea suprafeței topografice

În final este necesar ca triunghiurile care acoperă întreaga zonă să descrie cât mai bine curbele de nivel, astfel că fiecare punct al curbei de nivel se găsește într-un triunghi.

Reconstrucția MDSR-ului din curbe de nivel poate fi îmbunătățită prin adăugarea punctelor 3D obținute prin procedee fotogrametrice pentru a rezolva ambiguitățile ce apar din triangulația curbelor de nivel. În același timp, curbele de nivel pot fi introduse ca linii de constrângere în procesul de triangulație al tuturor punctelor 3D ce sunt procesate din imagini. Ambele metode conduc către o triangulație constrânsă. Această comasare de procese oferă șansa de reusită dacă cele două informații 3D sunt omogene în acuratețe și precizie și dacă descriu aceeași suprafață.

Un DTM poate fi generat manual prin reprezentarea grafică pe un display stereo a punctelor 3D. Localizarea spațială a acestor puncte este determinată de operator, iar elevația poate fi reprezentată grafic manual sau generată automat direct prin metode stereo. Densitatea spațială a punctelor depinde de rugozitatea locală a terenului și de precizia dorită pentru DTM.

Figura 13. Triangulație fără linii de constrângere

În loc de o reprezentare grafică cât mai densă a punctelor pe suprafața respectivă, se pot folosi liniile de schimbare de pantă ce redau morfologia reliefului pentru zona respectivă. Operatorul poate reprezenta grafic aceste linii, iar acestea sunt folosite pentru a constrânge triangulația locală. În practică, toate triunghiurile care se suprapun cu liniile de schimbare de pantă sunt distruse, iar spațiul rămas gol este reîmpărțit în triunghiuri .

În figurile următoare se poate vedea rezultatul triangulației pe un set de date reprezentate grafic la stația fotogrametrică digitală. În figurile 14a și 14b se poate vedea rezultatul triangulației pe un set de date reprezentate grafic la stația fotogrametrică digitală.

a b

Figura 14. Triangulația cu linii de constrângere

Extragerea liniilor caracteristice ale reliefului

Delimitări specifice ale reliefului – construcția reliefului rezultă din multe acțiuni endogene și exogene cum ar fi: transformări litologice, variații climatice, vegetație etc. Rețeaua hidrografică prezintă un set de particularități ce folosește obiecte pentru a caracteriza relieful. Descrierea pe baza elementelor caracteristice conduce spre o reprezentare matematică ce depinde de:

tipul de date capturate: suprafața, reprezentarea cartografică;

modul de obținere a datelor: ridicare aeriană, digitizare, restituție fotogrametrică;

tipul distribuției altitudinilor: curbe de nivel, rețea de puncte regulată sau neregulată.

În practică, se face diferența dintre aspectele legate de achiziția elementelor caracteristice de la teren și cele legate de reprezentarea matematică a suprafeței. Noțiuni ca talveguri și râuri sunt deseori asimilate și asta conduce la confuzii cum ar fi asimilarea reliefului și procesul apelor curgătoare, chiar dacă acestea sunt, de cele mai multe ori, legate.

O prezentare simplă matematică topologică va fi dată pentru elementele principale ale reliefului. Din punct de vedere global, o linie caracteristică este linia pantei care asigură împărțirea canalului de scurgere a apelor curgătoare. Definirea acestor linii deseori prezintă două variante. Prima depinde de înțelegerea geomorfologiei reală, iar a doua de conformitatea cu algoritmii folosiți pentru detectarea lor.

Crestele și talvegurile principale constituie sistemul principal hidrografic. O atenție specială trebuie acordată zonelor joase, cum sunt lacurile și văile plane cu deschidere largă, în particular când este vorba de o extragere automată. Rețelele talvegurilor produse prin diferite metode pot permite hidrologilor să realizeze o clasificare a segmentelor care compun rețeaua.

O altă aplicație utilizată este netezirea curbelor de nivel. În ciuda tuturor precauțiilor, DTM filtrat prezintă forme ale terenului ușoare în comparație cu ceea ce ar trebui să fie. Pentru a limita deteriorarea formelor terenului, se poate folosi procedeul de netezire cartografică ce constă în determinarea automată a zonelor din DTM care corespund liniiior caracteristice ale terenului.

Figura 15. Netezirea curbelor de nivel prin procedee digitale

Parametrii adaptați netezirii pot fi aplicați într-un mod uniform pentru fiecare zonă astfel încât să se obțină niște curbe de nivel netede, dar păstrând o descriere bună a formei terenului.

O a treia aplicație este editarea manuală a DTM. Extragerea liniiior caracteristice este deseori întreruptă în practică de prezența micro-reliefurilor, neregulilor din calcul, cum ar fi creste de dimensiuni mici, pasarele sau bazine aberante, fără a avea o bază fizică. Eliminarea acestor anomalii topografice poate fi realizată prin înlocuirea unui grup de elevații cu un set nou de date obținut printr-o diminuare controlată a valorilor. Este ușor de realizat, problema care apare fiind aceea de modificare a altor altitudini vecine din zona respectivă. Pasul corectării manuale interactive se dovedește a fi încă indispensabilă. Durata unei astfel de operații depinde de oportunitățile economice pentru a face aceste corecții manual. La ora actuală există softuri care cuprind trei instrumente de editare:

un editor punctual – se modifică punctual numai câte o altitudine (folosit rar);

un editor linear – se trasează liniile de schimbare de pantă, marginile unui curs de râu etc.;

un editor de suprafață – permite operatorului selectarea unui grup de puncte și aplicarea unei valori altimetrice acestora.

Operațiile de corectare manuală sunt mai scurte și mai eficiente dacă avem o calitate bună a DTM-ului. În această fază, operatorul nu are cum să evite anomaliile topografice, crestele dintr-o zonă concavă sau delta unui râu când se face trecerea de la o zonă convergentă la una divergentă.

Precizia și verificarea DTM

DTM rezultat este verificat în primul rând calitativ. Scopul acestei verificări este acela de a înlătura următoarele defecte:

elemente dublate;

intersecții de linii fără joncțiune comună;

elemente având aceleași coordonate X și Y, dar Z diferit.

Sunt utilizate funcții speciale de verificare, cum sunt: reprezentarea punctului cu valoarea coordonatei Z, generarea și suprapunerea curbelor de nivel, profile și vedere în perspectivă.

Punctele de control folosite pentru evaluare trebuie să aibă o precizie identică. Este util să se folosească punctele de control de la aerotriangulație, puncte din măsurători terestre sau puncte cotate de pe hărțile topografice.

Evaluarea modelului digital al terenului poate fi făcută pe totalitatea blocului sau pe mai multe locații mici, funcție de locul unde sunt disponibile punctele de control cu precizie mare, absolută sau relativă. Acuratețea modelului digital al terenului depinde și de tipul de teren (zonă muntoasă, ondulată sau plată), ca și de topografia locului (sat, pădure etc). Verificarea preciziei trebuie făcută pe cel puțin 20 puncte de verificare.

Punctele de control de la aerotriangulație și punctele geodezice de control nu trebuiesc incluse în generarea modelului digital de teren.

Dacă sunt colectate și incluse linii de frângere în DTM, atunci va fi utilizat un model TIN pentru evaluare.

La verificarea lucrărilor de generare a DTM se urmăresc următorii parametri:

A) Abaterea medie pătratică (RMSE):

Cea mai bună evaluare a modelului digital de teren se face folosind punctele independente de verificare măsurate cu precizie mare. Dacă există astfel de puncte, atunci trebuie folosite.

Dacă nu, pentru evaluarea preciziei modelului digital al terenului, se vor folosi punctele de control de la aerotriangulație. În această situație însă, nu vor mai exista indicații privitoare la erorile introduse la legarea aerotriangulației de teren.

(4.10)

Unde: ZDTM – cota punctului, interpolată în modelul digital al terenului

Zverif – valoarea cotei punctului de verificare

n – numărul punctelor utilizate pentru verificare.

B) Eroarea maximă a abaterii medii pătratice în DTM

Eroarea maximă pentru relația de mai sus permite o estimare a celei mai mari erori posibile, pozitive sau negative, din DTM.

C) Abaterea standard

Dacă se cunosc abaterile dintre sistemul de coordonate al terenului și sistemul calculat prin aerotriangulație, diferenței dintre cele două sisteme va fi introdusă la calcularea abaterii medii pătratice. Pentru a se exclude erorile sistematice din evaluarea modelului digital al terenului, trebuie calculată abaterea standard.

Abaterea standard trebuie calculată dacă modelul digital de teren este, de exemplu, comparat cu punctele cotate de pe planurile topografice și se constată o diferență de o mărime necunoscută.

Formula deviației standard este:

(4.11)

unde: x – abaterea medie între cota MDT și cea a punctelor de verificare

xD/F – diferența între cota DTM și cea a punctelor de verificare

n – numărul punctelor de verificare.

D) Eroarea maximă a abaterii standard în modelul digital de teren

Calculul acesteia oferă o estimare a celei mai mari erori relative așteptate.

Generarea ortofotoplanului digital

Generarea suprafețelor individuale

După realizarea aerotriangulației, se realizează modelul digital al terenului prin generarea automată a unei grile de puncte, folosind corelarea automată a fotogramelor. Acesta este corectat apoi prin utilizarea modulului și convertit în formatul ASCII pentru o rețea rectangulară regulată (grid) cu dimensiunea pasului în funcție de scara fotogramelor și de precizia prevazută a DTM.

Pentru manipularea mai ușoară a ortofotoplanului, suprafața zonei de lucru este divizată în foi mai mici (de exemplu cu dimensiunea de 2×1 Km pentru scara 1:1.000).

Realizarea ortofotoplanurilor se face în trei etape: generarea suprafețelor individuale, generarea ortofotoplanurilor și mozaicarea ortofotoplanului. Pentru realizarea ortofotoplanului sunt utilizate fotogramele digitale aeriene color și Modelul Digital al Terenului realizat în faza anterioară, referențiat într-un sistem local sau național.

Pentru fiecare fotogramă digitală se realizează o suprafață rectificată, cu dimensiunea pixelului de 20 cm, utilizând pentru constrângere, suprapunerea acesteia cu fotogramele adiacente din aceeași bandă și din benzile adiacente.

Chiar și atunci când are o precizie ridicată, ortofotoplanul are capacitatea de a ne reaminti că nu este doar o imagine și că uneori alegerea poziționării liniei de unire are o importanță fundamentală pentru esteticul acestuia.

Producătorul trebuie să folosească posibilitățile de modificare prin calcul automat a liniei de unire, prin impunerea unor puncte de trecere dacă se deține această funcție. În cazul în care nu există, operatorul va face aceste modificări ale liniei de unire manual, urmând liniile caracteristice ale terenului.

Generarea ortofotoplanurilor digitale

Tehnologia de realizare a ortofotoplanurilor se bazează pe două metode:

1. Realizarea ortofotoplanului pe baza modelului stereoscopic provenind de la o stereogramă.

În acest caz trebuie să avem la dispoziție fotogramele aeriene digitale, elementele de orientare exterioară ale fotogramelor provenind de la unitățile GPS, INS și IMU (anexe ale camerei fotogrametrice digitale) și Modelul Digital Altimetric al zonei din stereomodel, realizat în faza anterioară. În cadrul acestei metode trebuie parcurse următoarele etape:

orientarea interioară: care poate fi efectuată de către operator, în mod manual prin identificarea și măsurarea coordonatelor indicilor de referință, în mod semiautomat prin identificarea și măsurarea unui indice, ceilalți indici putând fi identificați și măsurați în mod automat sau complet automat. În urma aplicării principiului corelării pentru identificarea indicilor de referință, se obțin coordonatele acestora, cu precizie ridicată. Inițial, trebuie aplicate toate prelucrările preliminare pentru corectarea deformațiilor induse imaginii de distorsiunea sistemului optic de preluare, refracția atmosferică, curbura Pământului sau de scanerul utilizat, în cazul fotogramelor clasice scanate. Pentru eliminarea parțială a acestor deformații se poate aplica o transformare afină, de tipul:

(4.12)

unde: r (rând) / c (coloană) – coordonatele pixelilor în imaginea digitală

x', y' – coordonatele imagine pe fotograma analogică

orientarea exterioară: se realizează conform celor două etape cunoscute: orientarea exterioară relativă, în urma căreia se realizează stereomodelul și orientarea exterioară absolută a acestuia. Pentru identificarea punctelor corespondente, necesare pentru orientarea relativă sau a punctelor de sprijin și de control pentru orientarea absolută, se poate utiliza una din cele trei metode de lucru: identificarea interactivă de către operator, identificarea semiautomată sau identificarea complet automată.

transformarea imaginii în scopul întocmirii ortofotoplanului: informația altimetrică MDA poate fi realizată în cadrul aceleiași aplicații, anterior realizării ortofotoplanului, sau poate proveni din aplicații anterioare în aceeași zonă. În ultimul caz trebuie asigurată corespondența datelor imagine cu datele MDA. Pentru transformarea imaginii se utilizează următorul principiu: imaginea se prelucrează numai în zona utilă a stereomodelului. Pentru această zonă este realizată o retea imaginară la scara ortofotoplanului, cu o rezoluție specifică scării de realizare a acestuia. Transformarea imaginii se face parcurgând următoarele etape:

– în cadrul rețelei create, în planul ortofotoplanului, se impune valoarea unui pixel P(r',c');

– se interpolează pe MDA cota pixelului corespunzător acestei poziții. Ca metodă de interpolare se poate utiliza interpolarea biliniară;

– se calculează coordonatele imagine ale pixelului P(r,c) care urmează a fi transformat în planul ortofotoplanului, folosind relațiile de coliniaritate;

– se reeșantionează valoarea intensității de gri folosind una din metodele: interpolare biliniară, metoda proximității maxime, convoluția cubică etc..

Transformarea se realizează pixel cu pixel sau se pot utiliza punctele de legatură.

Mărimea rețelei punctelor de legătură poate fi mai mare sau mai mică în funcție de accidentarea terenului reprezentat pe fotogramă. Timpul necesar transformării imaginii depinde de volumul de date care trebuie transformate și de performanțele stației digitale.

Fotogramele ortogonale obținute sunt apoi mozaicate cu ajutorul unor programe specializate și se realizează foi de ortofotoplan pe trapeze sau pe unități mai mari. Liniile de îmbinare sunt definite automat sau interactiv, pe grupuri de imagini sau pentru intreaga zonă, astfel încât să minimizeze diferențele între fotogramele adiacente în zona marginală, folosind la maxim partea centrală a fotogramei. Pe ortofotoplanul astfel realizat sunt vizualizate și curbele de nivel. Echidistanța acestora se mărește automat atunci când ortofotoplanul este afișat la o scară mai mică decât cea proiectată.

2. Realizarea ortofotoplanului pe baza unei singure fotograme

În acest caz se consideră cunoscută orientarea fotogramei independente sau orientarea se determină pe baza punctelor de sprijin identificate în MDA și în planul imagine. Informația altimetrică MDA este preluată din aplicații anterioare în zonă sau se obține prin scanarea unei hărți topografice a zonei. Transformarea imaginii se face în două etape, deoarece există rotații mari între sistemul de coordonate al MDA, sistemul hărții și sistemul imagine:

se realizează mai întâi o transformare aproximativă, în cadrul căreia se aduce imaginea în corespondență aproximativă cu sistemul hărții; pentru rotații mari, această operație trebuie precedată de o supraeșantionare;

transformare de precizie, care trebuie să asigure corespondența geometrică a imaginii cu sistemul hărții cu o precizie de cel putin 0,5 pixeli.

Etapele de calcul sunt următoarele:

prin metoda coliniarității se determină elementele de orientare exterioară ale fotogramei;

pentru rotații mai mari de 10°-15° se realizează o supraeșantionare a imaginii care trebuie transformată pentru a evita golurile în imaginea transformată, dacă aceasta se efectuează printr-o metodă directă de transformare;

se transformă colțurile imaginii în planul ortofotoplanului pe baza MDA.

Utilizând cele patru puncte ale colțurilor imaginii se creează o rețea imaginară corespunzătoare ortofotoplanului ce va fi obținut. Mărimea pixelului este selectată în funcție de scara imaginii, scara ortofotoplanului și de accidentarea terenului.

Se pornește de la planul ortofotoplanului, interpolându-se cotele în MDA, după care, prin relațiile de coliniaritate, se găsește poziția pixelului care urmează a fi reeșantionat cu una din metodele enumerate mai sus.

Pot fi utilizate și metode directe de transformare, dar acestea sunt mari consumatoare de timp, deci neeconomice.

Mozaicarea ortofotoplanului digital

Fotogramele ortogonale obținute în etapa anterioară sunt apoi mozaicate. Procedura urmată este realizată în două etape. Liniile de mozaicare sunt definite mai întâi manual, astfel încât să minimizeze diferențele între fotogramele adiacente în zona marginală, folosind la maxim partea centrală a fotogramei. Urmează definirea poligonului de îmbinare pentru mozaic.

Calcularea automată a liniilor care unesc imagini cu calitate radiometrică bună este o problemă relativ simplă. Dacă luăm o zonă ce se găsește pe două imagini vom vedea că fiecare punct de la teren deține două reprezentații: una pe fiecare imagine. Linia de unire a două imagini este doar o cale de unire a două parți din zona respectivă. Se dorește ca această linie de unire să fie cât mai puțin vizibilă. Pentru acesta, va trebui o valoare pentru fiecare punct din zona considerată.

Acestă valoare reprezintă vizibilitatea liniei de unire ce trece prin acel punct.

Figura 16. Selectarea liniilor de unire între fotograme

Figura 17. Ortofotoplanul necorectat

Figura 18. Corectarea geometrică a liniilor de unire a imaginilor

Se realizează apoi prelucrarea radiometrică. Fotogramele au fost supuse unui proces de corelare radiometrică, astfel încât pe fotogramă să fie reprezentată toată gama de tonuri ale histogramei. În același timp, s-a realizat o netezire a tonurilor și culorilor la marginea fotogramelor, în scopul înlăturării diferențelor tonale și de culoare între fotogramele adiacente. Determinarea valorilor radiometrice pentru pixeli a fost realizată cu metoda interpolării bicubice, care produce o netezire a imaginii.

Imaginile digitale provenite din scanare nu permit o egalizare radiometrică corectă. Această problemă a modelării diferențelor radiometrice este foarte complexă, uneori chiar imposibilă.Metodele folosite sunt, în general, empirice.Se folosesc parametrii care sunt ajustați manual și necesită o anumită experiență.

Figura 19. Corectarea radiometrică a ortofotoplanului

Înlocuirea filmului în timpul zborului aerian, modificarea procesului chimic al filmului sau o problemă intervenită în calibrarea scanerului, poziția soarelui, sunt factori care pot surveni și genera deficiențe pentru ortofotoplan. Unele dintre aceste probleme nu există dacă se folosesc camere digitale, dar trebuie să reținem că atunci când un proiect se întinde pe o anumită perioadă de timp, modificările care apar sunt referitoare la modificările mediului înconjurător și pot deveni apreciabile sau chiar nepermise pentru ortofotoplan.

Figura 20. Alegerea GSD (mărmiea pixelului ortofotoplanului)

Dacă facem o sinteză asupra elementelor procesului tehnologic și a responsabilității operatorului în calitatea finală a ortofotoplanului, vom constata:

modelul digital poate fi obținut direct prin exploatare stereoscopică. Dacă un model digital este furnizat de către un beneficiar, sau este obținut dintr-o bază de date externă, se va observa o separare a respoonsabilităților între operator și furnizorul de model digital;

parametrii imaginii achziționate sunt, în toate procesele prezente, inevitabili ca produse ale părții fotogrametrice;

cunoașterea cadrului de referință nu este o problemă simplă. Apare în anumite regiuni în care nu există acces la informații. Fără existența acestor puncte, apare din nou o împărțire a responsabilităților între operator și furnizorul de puncte de referință. Altimetria are ca referință geoidul, iar coordonatele planimetrice sunt doar geometrice (au ca referință elipsoidul), o mare confuzie ce apare foarte des este sistemul de referinăț altimetric;

intervenția umană este importantă în atingerea calității dorite : studii ale punctelor de referință, continuitatea geometrică dincolo de legături, continuitatea radiometrică.

Precizia și verificarea ortofotoplanului digital

Verificarea calitativă a ortofotoplanulul se referă, pe de o parte la evaluarea vizuală, iar pe de altă parte, la evaluarea preciziei geometrice a acestuia.

Pentru realizarea unor produse finale omogene, la evaluarea vizuală se au în vedere următoarele aspecte:

Ortofotoimaginile trebuie să formeze un mozaic complet. Ortofotoplanurile sunt produse cu formate mai mari, compuse din module. Liniile de îmbinare a ortofotoplanurilor mari trebuie evaluate împreună, astfel încât să nu apară discrepanțe geometrice sau diferențe radiometrice. Același lucru se va face și pentru liniile de îmbinare a modulelor din interiorul lor.

Liniile de îmbinare a mozaicului imaginilor trebuie să fie imperceptibile. Erorile generate de aerotriangulație și modelul digital al terenului (DTM) se pot observa în mozaic, între imagini. Dacă în DTM, de exemplu, apare o eroare la racordarea drumurilor, diferența (observabilă) poate fi de câțiva pixeli.

Fidelitatea redării detaliilor planimetrice a ortofotoimaginilor. Drumurile în linie dreaptă trebuie să apară tot linii drepte, rambleurile și zonele de teren deluros nu trebuie să prezinte pete (umbre) etc;

Liniile de îmbinare din zonele urbane nu trebuie să secționeze casele sau alte categorii de obiecte. Atunci când liniile de îmbinare rămân totuși vizibile, ele nu trebuie să creeze interpretări eronate ale ortofotoimaginii;

Corectarea distorsiunilor unor elemente planimetrice, aflate la înălțime față de nivelul solului precum podurile, conductele etc. rezultate din DTM.

Pentru evaluarea geometrică, se pot folosi punctele de control din aerotriangulație, care trebuie să fie uniform repartizate pe întregul ortofotoplan. Punctele terestre independente, măsurate cu precizie ridicată, permit o evaluare corectă, atât a preciziei relative, cât și a preciziei absolute a ortofotoplanului.

Compararea coordonatelor punctelor măsurate pe teren și a coordonatelor determinate digital pe ortofotoimagine va face posibilă o estimare a preciziei absolute. Dacă se compară coordonatele rezultate din măsurătorile terestre cu cele măsurate în ortofotoimagini, putem evalua precizia relativă.

Dacă sunt disponibile puncte de acest tip, ele trebuie folosite în locul punctelor de control din aerotriangulație. Se pot folosi puncte geodezice provenind fie din măsurători GPS, fie din rețeaua geodezică de sprijin.

Dacă se vor folosi doar puncte apropiate de centrul de proiecție se pot limita de asemenea influențele erorilor introduse de modelul digital al terenului. Folosind puncte terestre ca puncte de control, trebuie avut în vedere însă și modul de determinare al acestor puncte și precizia acestora.

REALIZAREA ORTOFOTOPLANULUI DIGITAL PENTRU CARIERA JILȚ-SLIVILEȘTI

Așa cum am prezentat în capitolul 4, unul dintre cele mai complete și utilizate produse fotogrametrice este ortofotoplanul digital. Aplicațiile acestuia vizează toate activitățile umane, începând cu infrastructura, toate activitățile umane tehnice sau sociale, inventarierea patrimoniului istoric, cultural sau protecția mediului. Aplicația din acest proiect vizează realizarea ortofotoplanului digital pentru activități din domeniul minier. În subordinea SC Turceni se află carierele Jilț Nord și Jilț Sud comuna Slivilești-Miculești din județul Gorj. În vederea realizării planului de situație scara 1:2000 și a ortofotoplanului digital, datorită condițiilor dificile de acces în zona de proiect și pentru reducerea timpului de execuție, s-a optat pentru utilizarea tehnicilor fotogrametrice în vederea extragerii informațiilor spațiale necesare cartografierii zonei.

De asemenea, metoda fotogrametrică realizează o acoperire mai mare în zona propusă, ceea ce permite beneficiarului o viziune de ansamblu a zonei carierei și alegerea unor soluții optime în ceea ce privește estimarea volumului de steril și exploatarea viitoare.

Astfel, pentru îndeplinirea cerințelor de cartografiere la scara 1:2000, s-au desfășurat următoarele activități:

Realizarea rețelei geodezice de sprijin pentru zona carierei;

Realizarea proiectului de aerofotografiere;

Aerofotografierea zonei la diferite înălțimi de zbor pentru a se asigura o valoare de 25cm a GSD (Ground Sample Distance);

Alegerea și identificarea punctelor de reperaj pe fotograme;

Realizarea măsurătorilor GPS pentru determinarea coordonatelor punctelor de reperaj fotogrametric;

Realizarea aerotriangulației;

Generarea punctelor DTM din modelele stereoscopice fără proceduri automate astfel încât să nu apară erori în model;

Verificarea calității DTM;

Realizarea ortofotoplanului digital al zonei;

Verificarea calității ortofotoplanului digital al zonei;

Stereorestituția detaliilor planimetrice și altimetrice pentru scara 1:2000 (mod 3D);

Elaborarea și editarea planurilor topografice cu semne convenționale de-a lungul traseului

Obiectul acestui proiect de diplomă îl constituie primele 10 puncte ale fluxului tehnologic prezentat mai sus. Pentru realizarea acestor activități s-au utilizat echipamente de aerofotografiere de ultimă oră, un avion al firmei Hansa Luftbild și o camera digitală DMC, calibrată în . De asemenea, s-au folosit echipamente GPS în dublă frecvență de tip Topcon – Javad și stații totale de tip Leica.

Misiunea de aerofotografiere

Pe baza acestor considerente, s-a executat o misiune de aerofotografiere a traseului preliminar cu o rezoluție medie a pixelului de 25 cm, care trebuie să asigure precizia necesară planului 1:2.000. Se poate face precizarea că o precizie grafică de redactare a planurilor de 0,2 mm reprezintă în teren pentru planuri la scara 1:2.000 necesitatea unei rezoluții de 40cm.

Această rezoluție, de 25cm, a permis obținerea unei precizii planimetrice de ordinul rezoluției pixelului și o precizie altimetrică de ordinul 1,3 din rezoluția pixelului adică de 30 – 35 cm.

Imaginile au fost realizate în perioade cu vegetație redusă, fără ca terenul să fie acoperit de zăpadă, iar unghiul de elevație al soarelui a fost suficient de mare astfel încât detaliile să se distingă foarte clar, iar obiectele înalte să nu proiecteze umbre mari pe sol, care să acopere alte detalii planimetrice din vecinătatea lor, în ideea de a putea fi cât mai ușor cartografiate.

Avionul folosit la aerofotografiere, un Cessna 404 Titan (fig. 21), este dotat cu receptor DGPS aeropurtat, pentru determinarea cu precizie a coordonatelor centrelor de proiecție ale imaginilor. Dotările avion-cameră includ sisteme inertiale de tip INS/IMU. În timpul zborului au funcționat două stații GPS pentru postprocesarea datelor GPS înregistrate la bordul avionului.

Aerofotografierea s-a executat cu camera digitală color DMC (fig. 22).

Camera fotogrametrică digitală utilizată este prevăzută cu toate anexele moderne necesare obținerii unor fotogramme de o calitate excelentă.

Sistem de compensare a trenării liniare FMC (Forward Motion Compensation) încorporat – permite eliminarea fenomenului de trenare, înlătură neclaritatea detaliilor pe fotograme, datorată deplasării avionului în intervalul cât obturatorul este deschis (ecartul de corectare este de 85 de pixeli);

Unitate Inerțială de Măsurare – IMU, pentru înregistrarea valorilor reziduale ale (φ, ω, κ) pentru fiecare fotogramă;

Figura 21. Avionul Cessna 404 Titan Figura 22. Camera digitală DMC

Camera, receptorul DGPS, sistemele INS, IMU și FMC sunt conectate într-un sistem integrat (Fig.23), care permite realizarea unui zbor perfect, cu realizarea unor fotograme de înaltă calitate.

Obiectivul a fost calibrat pentru domeniul spectral vizibil. Rezoluția radiometrică a fost setată la 8 biți.

Fiecare obiectiv al camerei utilizate a fost calibrat, testat și certificat de către producătorul camerei. Certificatul de calibrare demonstrează că tipul de camere DMC se calibrează automat prin intermediul softului de control al acesteia, iar procedura de transformare a imaginii rezolvă toate problemele de distorsiune.

Figura 23. Configurația sistemului integrat cameră-anexe pentru misiunea de aerofotografiere

Reperajul fotogrametric

Pentru rectificarea fotogramelor este nevoie de o rețea densă de puncte de sprijin la sol, de coordonate cunoscute cu precizie. După realizarea unei inventarieri a punctelor existente în zona de aerofotografiere, se realizează un Proiect de reperaj, în vederea determinării unor puncte de sprijin prin tehnologia GPS. Coordonatele acestora sunt măsurate în sistemul WGS84, iar apoi transcalculate în Sistemul Național de Proiecție Stereografică 1970.

Figura 24. Fișa descrierii topografice a punctelor de reperaj

Figura 25. Distribuția reperilor fotogrametrici

Pe imagini trebuie identificate foarte precis aceste puncte de reperaj, care vor fi determinate apoi cu precizie prin măsurători în teren cu tehnologia GPS. Coordonatele acestora vor fi citite în cursul lucrărilor de aerotriangulație, calculate, astfel încât să se obțină precizia de determinare dorită.

Prin aerotriangulație are loc o îndesire a punctelor de sprijin inițiale, obținându-se puncte cu coordonate corespondente teren-imagine, astfel încât fiecare model stereoscopic să dispună de suficiente puncte cu coordonate cunoscute în sistemul fotogramei și în sistemul teren.

Figura 26. Inventar de coordonate puncte de reperaj

Figura 27. Determinări GPS Figura 28. Prelucrarea măsurătorilor cu GPS Tools

Pentru determinarea coordonatelor punctelor rețelei de reperaj s-au utilizat determinări GPS conform metodologiei stabilite de ANCPI, respectiv au fost realizate determinări în sistemul ETRS89, apoi acestea au fost transformate cu programul TRANSDAT 4 pus la dispoziție de ANCPI.

În acest mod, rețeaua geodezică de reperaj a fost realizată în mod unitar și omogen.

Măsurătorile din teren au fost conectate la rețeaua GPS de bază prin stația permanentă de la Tg. Mureș.

Punctele de reperaj au fost determinate planimetric în sistemul de coordonate Stereografic 1970 și altimetric în sistem de cote Marea Neagra 1975.

Punctele de reperaj au fost încadrate într-o rețea unitară, măsurată cu instrumente și metode care să asigure o precizie interioară planimetrică de ±5 cm și altimetrică de ± 10 cm.

Pentru toți reperii fotogrametrici au fost realizate schițe de reperaj atașate conform Fig. 24. Inventarul de coordonate al acestora este prezentat în tabelul din Fig. 26.

Aerotriangulația

În urma procesului de aerotriangulație pentru fiecare fotogramă se vor determina parametri de orientare exterioară care vor asigura extragerea de informații necesare pentru realizarea modelului digital al terenului sau a altor produse fotogrametrice digitale.

Pentru asigurarea preciziei s-au folosit puncte de control deja existente în baza de date a firmei care a execută lucrările fotogrametrice, îndesite cu puncte de reperaj măsurate după executarea aerofotografierii.

Toate prelucrările fotogrammetrice au fost executate cu ajutorul pachetului de programe software DVP produs de DVP-GS Inc. Quebec, Canada pentru stereorestituție și AeroSys AT al companiei AeroGeomatics Group pentru calculul și compensarea aerotriangulației.

DVP pentru aerotriangulație este proiectat pentru integrare în fluxul de producție, oferă posibilitatea măsurării precise a coordonetelor punctelor de aerotriangulație și compensarea în bloc a acestora prin metoda fasciculelor. DVP utilizează autocorelarea pe parcursul procesului de AT pentru măsurarea automată a coordonatelor punctelor.

Programul memorează caracteristicile corespunzătoare ale punctului și poziționează cursorul pe zona corespondentă a fotogramei conjugate. Verifică rezultatul stereoscopic, înregistrează coordonatele și trece la punctul următor.

DVP pentru Aeroriangulație poate manipula blocuri cu un număr nelimitat de imagini. Suprapunerile multi-imagine permit măsurarea punctelor de legătură și de trecere în lungul și transversal pe benzi.

Singurele limitări de mărime sunt resursele de memorie RAM ale calculatorului și capacitatea hard disk-ului.

Programul permite importul coordonatelor măsurate la orientarea interioară, relativă și absolută. Nu are restricții în ceea ce privește tipul de cameră, calibrarea ei sau distanța focală a acesteia.

Câteva caracteristici ale programului sunt următoarele:

Culori specifice pentru toate elementele de aerotriangulație, incluzând indicii de reper, punctele de orientare relativă, punctele de legătură, punctele de control la sol;

Utilizarea autocorelației pentru eliminarea paralaxei și pentru măsurarea punctelor în vederea compensării prin metoda fasciculelor;

Zoom până la raportul 1:8;

Importul și afișarea fișierelor vectoriale 2D, la orice altitudine definită de utilizator în stereomodel;

Vizualizarea punctelor din diferite imagini în cadrul ferestrei de zoom a imaginii;

Achiziția de date și legarea modelelor (suprapunere longitudinală peste 50%, pentru vectorizare) și a imaginilor individuale (suprapunere longitudinală mai mică de 50% pentru realizarea ortofotoplanului);

Poziționarea automată a punctelor Von Grüber;

Măsurarea punct cu punct a coordonatelor în cadrul imaginii înainte de orientarea relativă;

Măsurarea punct cu punct a coordonatelor în stereomodel înainte de orientarea absolută;

Corectarea paralaxei punctelor este ușor de realizat;

Suprapunerea și citirea simultană a coordonatelor;

Afișează deviațiile standard pentru analiza statistică pentru: puncte de control la sol, coordonatele imagine, coordonatele centrelor de perspectivă și poziția punctelor GPS cinematice și parametri de orientare interioară.

Figura 29. Vizualizarea punctelor din diferite imagini în cadrul aceleiași ferestre

Prelucrarea și compensarea măsurătorilor GPS s-a făcut cu software Pinnacle, iar transformarea coordonatelor din sistemul WGS84 în Sistemul Stereo 70 cu programul GPSTools.

Prelucrarea automată a măsurătorilor topografice, rețele poligonometrice, retrointersecții, detașări, calcul suprafețe, transformări de proiecții, alte utilitare s-au realizat cu programul GeoTools.

Figura 30. Măsurarea coordonatelor indicilor de referință

Figura 31. Realizarea fișierului datelor calibrate ale camerei

Procesul de prelucrare începe cu determinarea centrului fiecărei fotograme (orientarea interioară), orientarea fotogramelor între ele prin procedee de corelație automată și semiautomată (orientarea exterioară relativă) și determinarea poziției și orientării absolute în spațiu a fiecărei fotograme (orientarea exterioară absolută).

În urma acestor etape se creează modele stereoscopice orientate (perechi de fotograme orientate) care pot fi astfel exploatate independent.

Figura 32. Identificarea și măsurarea coordonatelor imagine ale punctelor de reperaj

Figura 33. Configurația blocului de aerotriangulație

Figura 34. Evaluarea preciziei punctelor de reper

Figura 35. Erorile reziduale la execuția aerotriangulației (AeroSys)

Figura 36. Reprezentarea elipselor de erori în punctele de reper

Generarea Modelului Digital al Terenului (DTM)

Modelul Digital al Terenului s-a realizat pe o stație fotogrametrică digitală utilizând pachetul de programe 3DTools în sistemul național de coordonate Stereografic 1970 și sistem altimetric Marea Neagră 1975.

DTM a fost obținut pentru aria acoperită de ortofotofotograme. Sub-blocul a fost realizat pe modele stereoscopice separate, prevăzute de proiectul de realizare a DTM. Colectarea datelor pentru DTM a fost realizată prin generarea automată a unei grile de puncte, folosind corelarea automată a fotogramelor. Rezultatul a fost salvat apoi în formă vectorială.

Materialul obținut a făcut obiectul unui studiu amănunțit pe modele stereoscopice pentru:

marcarea elementelor speciale, pentru care nu se poate genera automat DTM (râuri, lacuri, etc.);

îmbunătățirea DTM în zonele determinate greșit prin corelarea automată;

îmbunătățirea DTM în zonele în care s-au depășit erorile admisibile;

În unele zone împădurite, punctele s-au determinat la vârfurile copacilor și au fost reduse la nivelul solului pe baza măsurătorilor în zonele cu vizibilitate, sau a mediei înălțimii copacilor.

Precizia DTM rezultat a fost verificată în primul rând calitativ. Scopul acestei verificări a fost acela de a înlătura următoarele defecte: elemente dublate, intersecții de linii fără joncțiune comună, elemente având aceleași coordonate X și Y dar Z diferit.

Verificarea preciziei s-a realizat pe sub-blocuri și s-a bazat pe trei grupe de puncte, puncte de verificare, puncte de control și puncte de verificare incluse în modelul 3D de către operatori.

Figura 38. Realizarea orientării exterioare

Realizarea ortofotoplanului digital și a planului topografic

Folosind etapele prezentate anterior s-a obținut ortofotoplanul digital pentru cariera Jilț-Slivilești. După verificarea corectitudinii datelor obținute, s-a trecut la realizarea planului topografic digital.

Pentru extragerea informațiilor topografice necesare întocmirii planului topografic de situație la scara 1:2.000 s-a utilizat metoda stereorestituției fotogrammetrice.

Detaliile topografice au fost extrase în straturi separate în modul 3D și au fost apoi editate pentru adăugarea de semne convenționale în modul 2D.

S-au extras detaliile planimetrice (drumurile, hidrografia, construcțiile, limite de categorii de folosință ale terenului, păduri), detalii altimetrice (rupturi de teren, curbe de nivel, puncte de cotă caracteristice) și orice alt detaliu reprezentativ pentru scara 1:2.000.

Planul topografic a fost apoi editat utilizând atlasul de semne convenționale în vigoare pentru scara 1:2.000 (Fig. 48).

După editarea planului, s-au efectuat verificări în teren pentru identificarea anumitor detalii care nu au fost vizibile pe fotograme.

ASPECTE ALE NORMĂRII ȘI ÎNTOCMIRII DEVIZULUI ESTIMATIV

BIBLIOGRAFIE

1. Ionescu, I. Fotogrametrie inginerească, Editura MatrixROM, București,

2004.

2. Linder, L. Digital Photogrammetry. Theory and Aplications. Springer

Verlag Berlin , 2003.

3. Turdeanu, L. Fotogrammetrie analitică, Editura Academiei Române, 1997.

4. Zăvoianu, F. Rețele geodezice de sprijin. Modulul B (Proiectarea și efectua-

Noaje, I. rea măsurătorilor). Capitolul 7 (Determinări fotogrametrice) și

Ionescu, I. Capitolul 8 (Înregistrări de teledetecție). Carte universitară

pentru cursurile postuniversitare de perfecționare (Ediție îngri-

jită de Consiliul Facultății de Geodezie București), Vol. I,

Editura Conspress, București, 2004.

5. x x x Manual of Photogrammetry- Fifth Edition, American Society for

Photogrammetry and Remote Sensing, ,

, 2004.

6. – http://www.geospace.co.za/pdf/DMC%20Brochure.pdf

– http://www.ct.upt.ro/users/AlinaBala/Tehnologii_Geodezice_Spatiale.pdf

– http://www.scrigroup.com/tehnologie/tehnica-mecanica/PROIECTUL-DE-AEROTRIANGULATIE82924.php

– http://www.isprs.org/proceedings/XXXVII/congress/1_pdf/04.pdf

– http://www.isprs.org/proceedings/XXXVII/congress/1_pdf/13.pdf

BIBLIOGRAFIE

1. Ionescu, I. Fotogrametrie inginerească, Editura MatrixROM, București,

2004.

2. Linder, L. Digital Photogrammetry. Theory and Aplications. Springer

Verlag Berlin , 2003.

3. Turdeanu, L. Fotogrammetrie analitică, Editura Academiei Române, 1997.

4. Zăvoianu, F. Rețele geodezice de sprijin. Modulul B (Proiectarea și efectua-

Noaje, I. rea măsurătorilor). Capitolul 7 (Determinări fotogrametrice) și

Ionescu, I. Capitolul 8 (Înregistrări de teledetecție). Carte universitară

pentru cursurile postuniversitare de perfecționare (Ediție îngri-

jită de Consiliul Facultății de Geodezie București), Vol. I,

Editura Conspress, București, 2004.

5. x x x Manual of Photogrammetry- Fifth Edition, American Society for

Photogrammetry and Remote Sensing, ,

, 2004.

6. – http://www.geospace.co.za/pdf/DMC%20Brochure.pdf

– http://www.ct.upt.ro/users/AlinaBala/Tehnologii_Geodezice_Spatiale.pdf

– http://www.scrigroup.com/tehnologie/tehnica-mecanica/PROIECTUL-DE-AEROTRIANGULATIE82924.php

– http://www.isprs.org/proceedings/XXXVII/congress/1_pdf/04.pdf

– http://www.isprs.org/proceedings/XXXVII/congress/1_pdf/13.pdf