Lucrarea își propune realizarea unui studiu riguros referitor la importanța lucrărilor fotogrammetrice, respectiv metodologia și etapele generării… [302656]

Cap 1

1. Noțiuni introductive

1.1 [anonimizat].

[anonimizat] s-a ales comuna Ususău din județul Arad; [anonimizat].

Modul în care a [anonimizat].

Astfel în primul capitol intitulat “Noțiuni introductive” se vor regăsi date cu caracter general și informațional privind materia de bază Fotogrammetria și înregistrarea fotografică denumită și fotograma.

Făcând trecerea la următorul capitol “Proiectarea sesiunii de aerofotografiere”, se vor trece în revistă etapele necesare preluării imaginilor aeriene.

În capitolul intitulat, “Prelucrarea datelor” [anonimizat]. Se descriu cu lux de amănunt pașii urmăriți și softurile specializate pentru generarea acestuia.

Penultima treaptă a lucrării este atinsă de acest capitol fiind produsul final al acestei lucrări descris înca și din titlu acestuia, “Obținerea ortofotoplanului și aplicații ale acestuia”.

Finalul lucrării îl constituie capitolul de “Concluzii și propuneri” [anonimizat].

Viciul secolului XXI este descris ca fiind tehnologia; puterea mediului tehnologic influențează majoritatea ramurilor de interes economic printre acestea se enumeră și activitățiile din domeniul de interes al măsurătorilor tereste respectiv din domeniul fotogrametriei.

[anonimizat] a suferit o [anonimizat], prelucrare și interpretare a datelor.

Generarea unui ortofotoplan devine un real obiect de studiu și de folos în diferite domenii de activitate.

1.2. Localizarea geografică a obiectivului de interes

Ca zonă de interes s-a [anonimizat], Pătârș, Ususău și Zăbalț.

[anonimizat], într-o [anonimizat].  [anonimizat]-se din punct de vedere teritorial administrativ cu urmatoarele comune: Nord-[anonimizat]-Est-Bârzava, Est-Bâta, Vest-Șiștarovãț, Nord-Est-Lipova iar în Sud cu județul Timiș.

[anonimizat], cu porțiuni mai înalte în zona dealurilor Domanu și Lipovei și luncă în zona nordică care este traversată de răul Mureș. [anonimizat], căruia îi datorează variația de altitudini și peisaje. Datorită cadrului natural activitățile umane specifice sunt: agricultura, silvicultură, creșterea animalelor și rar pomicultură.

[anonimizat] confundă cu drumurile modernizate ce continuă în extravilan și fac legătura cu localitățile vecine sau constituie trasee de circulație importante pentru traficul rutier din județ.

Populația comunei Ususău

Din datele furnizate de Direcția Județeană de Statistică, extragem populația totală a comunei este distribuită în cele cinci localități astfel:

· Ususău: 472 locuitori

· Dorgoș: 248 locuitori

· Bruznic: 206 locuitori

· Pătârș: 110 locuitori

· Zăbalț: 309 locuitori

1.3. Fotogrammetria

În secolul al XV lea, spirit universalist din fire, Leonardo da Vinci înglobează elemente de proiecție și perspectivă centrală, urmând ca munca sa să fie dusă mai departe de către Albrecht Durer și Johan Lambert.

Conexitatea dintre fotogrammetrie și geometria proiectivă se dezvoltă abia trei secole mai târziu. S-au încercat ridicări tereste cu fototeodolitul și ridicări fotoaeriene. Aime Laussedat este primul care folosește așa numitul fototeodolit într-un scop topografic prin metoda de ridicare terestră “metrofotografierea”.

În România, în timpul războiului de independență din anul 1877, s-au realizat primele experimente de aplicare a fotogrametriei terestre. În anul 1889 ofițerul Văitoianu realizează primele fotografii dintr-un balon, iar în anul 1911 Aurel Vlaicu, inventatorul aviației române execută prima fotografiere din avion. În marea sa parte, dezvoltarea acestei ramuri a fost înnodată de apariția aviației iar ulterior folosită în interes militar.

Numele are o proveniență de origine greacă ce combină armonios informația finală, “photos=lumină”, “gramma=scriere”, “metron=măsură”

“Fotogrammetria este știința care se ocupă cu reconstruirea și măsurarea formei și poziției unui obiect sau fenomen în spațiu și timp pe baza imaginilor fotografice ale acestora.

Reprezintă o tehnică de realizare a măsuratorilor terestre, fie de sine stătătoare sau îmbinată cu metode geodezice pentru soluționarea problemelor privind măsuratorile suprafeței terestre.

În cadrul măsurătorilor fotogrammetrice sunt realizate imagini fotografice, iar în cadrul geodeziei măsurătorile sunt materializate direct pe teren.

Evoluarea acestei științe se poate fragmenta în patru mari etape importante, în care metodologiile și tehnologia au marcat fiecare fază în parte pornind de la metode simple până la cele mai complexe și inovative metode.

Prima etapă marcantă a acestei științe a avut loc între anii 1850-1900 purtând denumirea de Fotogrammetrie grafică, avand la bază geometria descriptivă; astfel se consideră că restituția fotogrammetrică rezultă din construcții grafice. Aparatura utilizată a fost fototeodolitul, iar imaginile mari preluate considerându-se a fi de o precizie ridicată, scopul metodei a fost marcat în vederea restaurării monumentelor culturale.

A doua fază s-a petrecut între anii 1900-1950, având să marcheze un nou început al acestei științe, Fotogrammetria analogică. Geometria imaginii ajunge să fie preluată cu ajutorul aparaturii incorporate cu mecanisme fie de tip optic fie mecanic. Se preiau două imagini, formând stereofotograma, orientate corespunzător vor forma un model tridimensional al domeniului de interes iar operatorul controlează lucrarea sub vedere stereoscopică. Această etapă a fotogrammetriei ajunge la o dezvoltare ce permite cartografierea directă a liniilor de detaliu dar și a curbelor de nivel.

Între anii 1950-2000 se dezvoltă cea de a treia etapă, Fotogrammetria analitică care are să pună bazele unui nou început în ceea ce privește dezvoltarea acestei științe. La fel ca a doua etapă aplică fotograme convenționale, iar prin intermediul legăturii dintre punctele imagine și punctele obiect transpuse în mediul digital se realizează geometria imaginii.

În anul 1960 se dezvoltă primul program de fototriangulație, care permite corectarea poziției punctelor date de erori precum deformații și distorsiuni.

Ultima etapă, Fotogrammetria digitală datează din anul 2000 și are la bază tehnicile corelării.

Această etapă marchează evoluția tehnologiei și a softurilor de prelucrare a datelor.

În anul 1988 se implementează un nou instrument care va accentua o schimbare în cea ce privește obținerea planurilor și hărtilor și anume stațiile fotogrammetrice digitale, ce permit o digitizare a bazei de date aferente întocmirii planurilor și hărților.

1.4. Fotograma

Din punct de vedere geometric, fotograma se descrie ca fiind o proiecție centrală a căror elemente sunt cunoscute: cele de orientare interioară și exterioară, pe care se fac determinări de ordin metric.

Baza fotogrammetriei și a fotogramelor o reprezintă perspectiva centrală. Se cunoaște faptul că, punctele spațiului obiect sunt proiectate pe un plan de proiecție prin ajutorul razelor de proiecție. Astfel, razele trec printr-un punct comun denumit și centru de proiecție, care se afla în afara planului de proiecție. În cadrul proiecției centrale se consideră că fiecărui punct îi aparține un singur punct din planul imagine.

Elementele proiecției centrale, în cazul în care spațiul obiect este suprafața terestră:

Planul orizontal (G) al terenului, fiind ales la o înălțime aleatorie

Planul fotogramei (F) înclinat cu un unghi față de planul terenului

Planul vertical principal, făcând trecerea prin centrul de proiecție având o poziție perpendiculară pe planul terenului și a fotogramei

Linia verticalei principale vv, urma planului vertical în planul tablou

Linia orizontalei principale hh, ce face trecerea prin punctul H`

Raza principală OH`, dreapta ce face trecerea prin planul de proiecție

Distanța principală OH`, distanța dintre centrul de perspectivă și planul tabloului

Înălțimea centrului de perspectivă h

Punctul principal al tabloului H`, intersecția razei principale cu planul fotogramei

Punctul de fugă F, imaginea punctului de la infinit al dreptelor paralele cu planele (V) și (T)

Punctul de dispariție D s-a format în urma planului (T) a razei de proiecție care trece prin punctul (O) fiind paralel cu linia v`v„

În fotogrammetrie există două situații: prima situație este atunci când imaginea metrică este plană, între punctele terenului și ale fotogramei se creează o relație biunivocă; însă atunci când terenul este accidentat trebuie să se construiască două perspective din două centre de proiecție diferite; explicația geometrică fiind faptul că, fiecărui punct imagine îi corespunde o dreaptă și fiecărei drepte îi corespunde un plan din spațiul obiect.

1.5. Clasificarea fotogramelor

Fotogramele terestre sunt preluate cu aparate denumite și fototeodolite poziționate fie pe suprafața terestră sau în subteran. La această cateogrie coordonatele spațiale ale centrului de perspectivă sunt cunoscute. Exectutarea acestui tip de înregistrări se realizează în cadrul reconstituirii fațadelor monumentelor de patrimoniu.

Fotogramele aeriene sunt acele imagini preluate din camere aeriene instalate pe avioane fotogrammetrice la care coordonatele spațiale nu sunt cunoscute, însă atunci când camerele aerofotogrammetrice dețin în dotare un system GPS(Global Positioning System)/IMU(Inertial Measurement Unit) coordonatele pot fi determinate.

1.6. Elementele de construcție

Elementele de construcție a imaginii sunt în funcție de anumiți factori precum: indicii de referință la care se tine cont de poziția și forma lor, formatul fotogramei, natura suportului, modul de înregistrare a numărului de ordin și a distanței focale, imaginea cronometrului, a altimetrului și a nivelei sferice.

Indicii de referință sunt amplasați fie pe mijlocul fiecărei rame sau a colțului cadranului cu ajutorul lor imaginea se poziționează central fie față de laturi fie de colțul fotogramei. Punctul principal al fotogramei este determinat de intersecția linilor de unire, fapt ce ajută la calcularea orientării interioare.

Formatul imaginilor metrice este de formă pătratică, dimensiunile cele mai des întâlnite sunt 18x18cm și 23x23cm.

Numărul de ordine este tipărit într-un colț la care numărătoarea se execută automat.

Valoarea distanței focale se publică fie dedesubtul numărului de ordine, fie separate față de acesta.

Imaginile nivelei sferice, altimetrul și cronometrul se afla pe marginea fotogramei numită și manșetă.

Imaginea nivelei sferice este folosită în fotografiile analogice și ajută la determinarea aproximativă a unghiului de înclinare al axei optice a camerei, care nu are în dotare sistem de navigație.

Altimetrul precizează determinarea obținerii înălțimii de zbor iar cronometrul preia timpul la care a fost determinată fotograma.

Axele de coordonate sunt factori necersari în determinarea poziției unui punct și derivă din unirea indicilor de reper cu axa pe care se afla originea punctului. Originea sistemului de axe nu este altceva decât punctul din mijloc al fotogramei.

În imaginea metrică întâlnim diferite puncte redate prin mai multe posibilități față de care apar distorsiuni și deplasări. Astfel fotograma deține 3 puncte principale și anume:

Punctul principal, materializat în urma intersecției axei optice a lentilei camerei cu planul fotogramei, se obține prin unirea indicilor de referință situați pe colțuri sau pe mijlocul laturilor.

Nadirul este punctul care se obține prin axa verticală rezultată de firul cu plumb, ce intersectează axa imaginii, cu alte cuvinte este rezultatul proiecții verticale pe imaginea metrică în momentul expunerii.

Izocentrul este rezultatul intersecției axei de rotație cu planul fotogramei, este punctul care face legătura dintre punctul principal și punctul nadiral.

În fotogrametria aeriană vertical, condiția a fost ca toate aceste trei puncte să ajungă la o suprapunere, însă este irealizabilă din cauza faptului că, fiecare fotogramă are un anumit grad de înclinare. Cele trei tipuri de puncte au importanța lor în sensul în care deplasările și distorsiunile se materializează din cauza acestora; înclinările imaginilor metrice vor face referință față de izocentru iar deplasările detaliilor față de punctul nadiral.

1.7. Elementele de orientare. Elemente de orientare interioară și exterioară

Determinarea perspectivei centrale se realizează atunci când se cunosc condițiile ce construiesc elementele de orientare interioară și exterioară anume, poziția centrului față de planul de proiecție și poziția și orientarea în spațiul format de fotogramă și centrul de perspectivă.

Elementele de orientare interioară reprezintă poziția centrului de perspectivă față de planul fotogramei și sunt alcătuite din:

“Punctul H- proiecția centrului de proiecție O pe planul imaginii metrice

Distanța principală-distanța de la centrul de proiecție la planul fotogramei

Coordonatele X și Y ale punctului H

Distanța f a centrului O față de planul fotogramei

Elementele de orientare exterioară caracterizează poziția în spațiu format din centrul de perspectivă și fotograma și sunt alcătuite din coordonatele spațiale X,Y,Z a centrului de proiecție O și cele trei unghiuri anume:

Unghiul “ω”, care reprezintă prima rotire cu înclinarea fotogramei stânga-dreapta(transversal) perpendiculară pe direcția de zbor.

Unghiul “φ” marchează a doua rotire cu înclinarea imaginii față-spate(longitudinală) față de direcția de zbor.

Unghiul “k” este rotirea terțiară cu rotirea fotogramei în același plan.

1.8. Scara fotogramei. Determinarea scării

Scara reprezintă raportul dintre distanța focală și înălțimea de zbor impusă. Aceasta variază în funcție de diferențele de nivel din teren și înclinarea axei de fotografiere.

Se impun anumite elemente de care trebuie să se tină cont:

Determinarea unei valorii medii din mai multe direcții

Punctele trebuie alese astfel încât să aibă înălțimi egale

Așezarea punctelor și identificarea lor trebuie să fie la o distanță mai mare decât jumătatea laturii fotogramei

Eroarea de măsurare grafică a distanței pe imaginea metrică trebuie să fie maxim

Imaginile metrice nadirale, cu axul de fotografiere vertical unde planul are o înclinare orizontală va rezulta formula de determinare a scării:

====Sc

În care: f- distanța focală

h-înălțimea de zbor

l,L-latura fotogramei și corespondența sa în teren

d,D-distanțele și corespondența sa în teren

Sc- scara

Este important de reținul faptul că, daca dorim să realizam o imagine la aceeași scara odată, ce scade distanța focală trebuie să se micșoreze și înălțimea de zbor, deoarece imaginile obținute vor fi la scari diferite.

Determinarea scării medii constă în realizarea numitorului scării prin diferite metode:

în funcție de înălțimea de zbor și distanța focală. Metoda ce este aplicabilă în cazul în care înălțimea de zbor este cunoscută.

N=

în funcție de distanța între doua puncte măsurate pe fotogramă și distanța dintre punctele din teren. Pentru a nu apărea o marjă de eroare trebuie ca distanța să fie suficient de mare(>4-5cm), iar direcțiile distanțelor perpendiculare și măsurate relativ central.

Sc==, N=

în funcție de o distanță măsurată pe imaginea metrică și lungimea identică în teren. Distanțele vor fi plasate pe diagonală.

Determinarea scării în zona de lucru se materializează în cadrul în care sunt desfășurate măsurătorile. Se alege o zonă de lucru interesată și o zonă în care se determină scara pentru trecerea numitorului scării; se va executa cu ajutorul diferenței de nivel fie cu un altimetru sau se extrage de pe plan cu linii de nivel(scara 1:25 000). Acest tip de determinare este relativă din cauza faptului că, nu a fost îndeplinită o redresare a fotogramei.

1.9.Deformări. Deplasări ale punctelor și distorsiuni pe fotogramă

Deformațiile și deplasările sunt factori importanți care trebuie înlăturați sau ajustați pentru realizarea unei fotograme cu precizie ridicată.

Fenomenul cel mai des întâlnit la fotograme este deplasarea punctelor care apare din cazul axei de fotografiere, care înfățișează întotdeauna înclinări datorită faptului că terenul nu este orizontal. În funcție de înclinarea axei de fotografiere deplasările devin mai mari, toleranța impusă deplasărilor este de 3°.

Cauza deplasărilor datorită înclinației axei o reprezintă înclinarea platformei fața de vertical de aceea apare și o ușoară vedere oblică. În procesul de aerofotografiere, acest tip de deplasare apare de-a lungul axelor aripilor avionului sau a liniei de zbor. Se pleacă cu deplasarea de la punctul denumit și izocentrul fotogramei și se materializează spre în afară; rectificarea se poate realiza doar în cazul în care se cunoaște valoarea și direcția înclinării.

Cea mai importantă deplasare o reprezintă cea care se datorează diferenței de nivel, dar și geometriei perspective a camerei de aerofotografiere, care începe de la punctul nadir spre marginile fotogramei.

În cazul în care, avem o înregistrare la scara mare, cu o camera aerofotogrammetrică la o distanță focală mică este necesar a avea și o înălțime de zbor mică. Utilizarea unei camere cu distanțe focale mici poate conduce la deplasări și distorsiuni datorate reliefului, însă creșterea înălțimii pe fotogramă reprezintă un factor pozitiv.

Pentru a se realiza o evaluare a suprafețelor trebuie să avem în vedere condiția de înclinare a axei de fotografiere și a diferențelor de nivel pentru a nu depăși toleranța impusă. Astfel pentru a determina suprafața se va calcula scara medie, fie pe întreaga fotogramă sau pe anumite porțiuni din aceasta.

Distorsiuni pe fotograme

Dacă deplasările însemnau o modificare a poziției obiectului din fotogramă în care nu se modifica caracteristicile perspectivei în imagine, distorsiunile marchează schimbarea perspectivei imaginii.

Distorsiunea lentilelor este cauzată datorită micilor imperfecțiuni a lentilelor din sistemul optic al camerei de aerofotografiere. Acest fenomen scade precizia de poziționare a punctelor înregistrate și localizate în planul imagine. Acest efect se concretizează practic atunci când razele de lumină sunt lente schimbând asftel direcția, proces care marchează intersectarea planului imagine al poziții deviate față de cel normal. Procesul și efectele distorsiunii sunt determinate în laborator în timpul procesului de calibrare a camerei, valoarea distorsiunii este definită ca o funcție de distanță radială ce pleacă de la punctul principal sau de la unghiul de câmp. Din cauza defectelor lentilelor s-au descoperit doua tipuri de distorsiuni.

Distorsiunea radială pornește de la punctul principal spre margine, fapt ce determină ca obiectele să pară fie mai apropiate fie mai depărtate față de poziția lor adevărată. Corectarea acesteia se face dupa ce s-au determinat cei trei coeficienți cu ajutorul metodei statice.

Distorsiunea tangențială se materializează perpendicular față de liniile radiale, sunt considerate neglijabile deoarece, mărimea lor este mult mai mică față de distorsiunile radiale.

1.10. Fotograme digitale

Imaginea digitală înfățisează un tablou bidimensional constituit din elemente de imagine, pixeli.

Pixelul ilustrează “unitatea elementară de suprafață din imagine” posesoare de informative.

Pixelul se simbolizează în matrice pe linia (r) și coloana (c), unde se regăsesc elemente definitorii poziției centrului pixelului.

Pixelul se individualizeaza de nivelul de gri sau nuanta (I) a caror valori pot fi cuprinse intre 0-256.

Modalități de obținere a imaginii unui detaliu din spațiul geografic care este iluminat de o sursă de lumină:

Analogic se utilizează în fotogrammetria analogică și reprezintă divizarea obiectului într-un numar infinit de puncte, înfățișând sursa de lumina în orice direcție.

Digital marchează fragmentarea într-un numar finit de puncte organizate pe linii și coloane, punctele ilustrând sursa de lumină în toate direcțiile.

Procedee de obținere a imaginilor digitale:

digitizarea fotogramelor care sunt recepționate cu camere aerofotogrammetrice analogice ca efect al scanării; utilizând scannere de înaltă precizie ce permite conversia din format analogic în format digital

camere aerofotogrammetrice digitale, incorporate cu senzori cadru sau linie, ce permit înregistrarea datelor digitale direct în timpul procesului de zbor

Diferența dintre cele doua este marcată de doi factori esențiali anume, timpul și locul în care are loc procesul de conversie; fie imaginea se modifică în format digital dupa ce a fost recepționată pe film sau dupa ce a avut loc procesul de stocare de către senzori.

Avantajele aplicării imaginilor digitale:

eliminarea efectului de degradare a filmului ce conferă o calitate superioară a ansamblului

precizie geometrică

procesul de prelucrare a imaginilor se poate începe în dată ce sesiunea de zbor s-a încheiat și a fost efectuată detașarea datelor stocate

automatizarea extragerii informației spațiale și tematice

Scara imaginilor digitale este identică cu scara în cazul imaginilor analogice, adica în funcție de înălțimea de zbor și distanța focală. Beneficiul constă în faptul că scara poate suferi modificari, între anumite limite, cu ajutorul programelor de prelucrare a datelor.

1.9. Aparatură utilizată

Drona cu aripi fixe Trimble UX5 HP este aparatura folosită în cadrul culegerii de date pentru această lucrare.

Trimble UX5 HP este o drona autonomă fără pilot (UAS), ușor de folosit și complet automatizată, oferind o precizie ridicată în captarea imaginilor aeriene, având o rezoluție de până la 1 cm/pixel (în cazul zborurilor la mică altitudine).

Drona, împreună cu softurile Trimble Acces Aerial Imaging (soft folosit in teren) și Trimble Business Center (soft folosit la birou pentru prelucrare), oferă un flux de lucru intuitiv, astfel generând cu ușurință ortomozaicuri și modele 3D de cea mai bună calitate.

Componenta hardware a dronei este compusă din drona propriu-zisă, camera foto, sistemul GPS IMU si unitatea de control.

Trimble UX 5 HP este construită din spumă de polipropilenă expandată în jurul unei structuri de rezistență din carbon, obținând astfel un corp foarte compact cu dimensiunile de 100 cm x 65 cm x 10,5 cm și o greutate de 2,9 kg . Propulsia dronei este asigurată de un motor electric, având o putere nominală de 1400 W, acesta fiind alimentat de o baterie cu o putere de 14,8 V și o capacitate de 6600 mAh. Cu ajutorul acestui sistem de propulsie, drona poate atinge viteze de până la 85 km/h, având o autonomie de aproximativ 40 minute.

Decolarea dronei este realizată cu ajutorul unei catapulte pretensionate, poziționată la un unghi de 30°. În momentul în care drona părăsește catapulta, acesta are o viteză de aproximativ 45 km/h, viteză la care motorul pornește automat.

Manevrele de viraj, ascensiune, coborâre și menținerea poziției în zbor sunt asigurate de două flapsuri acționate electric, acestea fiind poziționate pe aripile fixe ale dronei.

Toate acestea sunt coordonate cu ajutorul unității centrale de control, denumită eBox. În cadrul acesteia găsim procesorul de zbor, tubul Pitot, receptorul GNSS, unitatea radio, conectorii și butonul de pornire.

Senzorul de captare a imaginilor (aparatul foto) este introdus în compartimentul denumit gBox. Aici regăsim următoarele componente : Camera de fotografiat, bateria, cablul de alimentare, cablul de comandă a aparatului de fotografiat și banda de siguranță.

Cealaltă componentă hardware este unitatea de control, denumită Trimble Tablet Rugged PC. Această tabletă combină portabilitatea unei tablete cu puterea de procesare a unui laptop și cu rezistența unui controller, fiind testată cu succes de către Armata Americană. Sistemul de operare folosit de această tabletă este Windows 7 Professional, iar softul de culegere a datelor instalat este Trimble Access.

Specificațiile tehnice a tabletei Trimble sunt următoarele :

procesor Intel Atom 1,6 GHz

memorie RAM 4 GB

Hard Disk de tip flash de 128 GB SSD

Modem 3.75G integrat

Bluetooth 4.0

Wi-Fi 802.11 b/g/n

Slot card – SIM

Display de 7” de tip multi-touchscreen capacitive și cu o rezoluție de 1024×600 pixeli protejat de un panou Gorilla Glass

Doi acumulatori standard Litiu-Ion

Camera de 5MP cu georeferențiere și dual LED

Receptor GPS

Busolă și accelerometru electronice integrate

Camera fotografica Sony a7R

Camera fotografică încorporată în cadrul dronei Trimble UX5 HP este una dintre cele mai bune camere fotografice de tip „mirrorless” produsă în ultimii ani.

Recunoașterea acordată în anul 2015 ca „Cel mai bun aparat fotografic mirrorless” a fost una de bun augur, astfel compania Trimble optând pentru acest aparat pentru realizarea dronei UX5.

Principala caracteristică constructivă care a fost urmărită este tocmai aceea de aparat fotografic mirrorless (fără oglindă), astfel aparatul fotografic are mai puține componente aflate în mișcare, oferindu-i mai multă rezistență la șocurile si vibrațiile survenite în timpul operării.

Principiul de funcționare al unui aparat fotografic mirroless este simplu : lumina ajunge direct pe senzor prin intermediul lentilelor obiectivului iar focalizarea imaginii se face direct prin senzorul de captură.

Avantajele folosirii acestui tip de camera sunt multiple, enumerând cele mai importante :

Dimensiuni mici, astfel reducând din greutatea dronei și spațiul ocupat de aparatul fotografic în compartimentul gBox

Calitatea fotografiilor – aspect foarte important în aerofotografierea de la înalțimi mari

Obiective fotografice de mici dimensiuni și de foarte bună calitate – astfel având un impact scăzut asupra greutății dronei și oferind lentile performante într-un pachet de mici dimensiuni

Performanțe foarte bune – aparatele fotografice de tip mirrorless oferă un autofocus rapid, aspect vital în cadrul aerofotogrammetriei, datorită timpilor de fotografiere scurți și imposibilității de a realiza focusul manual de către operator.

În concluzie, aparatul fotografic Sony a7R a fost ales datorită portabilității generate de dimensiunile reduse și greutatea scăzută, datorită senzorului de captură foarte performant și datorită rezistenței oferite în utilizare.

Principalele caracteristice tehnice ale aparatul Sony a7R :

Senzor Full Frame Exmor CMOS 36.3Mpx

Procesor de imagine BIONZ X

AutoFocus Fast Intelligent

Ecran TFT LCD 3.0" rabatabil cu 1.229.000 puncte

Vizor electronic OLED 2.400.000 puncte

Iesire necomprimata HDMI

Conectivitate WiFi si NFC

Patina Multi-Interface

Captura RAW 14-Bit

Format fisiere: JPEG, RAW

Rezolutii maxime ale fotografiilor: 7360 x 4912 @ 3:2 ; 7360 x 4944 @ 16:9

Tip obturator – electronic

Tip focalizare – AF hibrid cu detectie de faza pe 117 puncte si detectie de contrast pe 25 de puncte

Mod focalizare – Single-servo AF, Continuous-servo AF, Focus Manual

Fig. Camera Fotografica Sony a7R

Sistemul GPS-IMU

Drona Trimble UX5 folosește sistemul GPS-IMU pentru a obține fotograme precise ca și localizare, rezultând astfel livrabile situate în toleranțele impuse de standarde.

Sistemul IMU constă într-un set de giroscoape, accelerometre și tubul Pitot ce măsoară continuu înălțimea și accelerația dronei

Cap 2 Proiectarea sesiunii de aerofotografiere

2. Reperajul fotogrametric

Reperajul fotogrametric se definește ca fiind legatura matematică dintre fotogramă si reprezentările cartografice ce se dobândesc prin intermediul unor puncte stabilite pe teren și recunoscute pe fotogramă.

Punctele ale căror coordonate terestre sunt redate în sistem de proiecție geodezic și pot fi determinate prin reperaj terestru, natural sau artificial sau prin reperaj fotogrametric mai precis prin aerotriangulații se numesc puncte de reper. Ca exemple de repere pot fi alese: colțuri de clădiri, colțuri de tarlale, parcele, intersecții de drumuri, etc.

Numărul lor pe o fotogramă trebuie să fie 4+1 pe o fotogramă , iar pe o stereofotogramă 3+1. În cazul în care, punctele nu sunt suficiente, înaintea procesului de fotografiere se va semnaliza viitoarele repere fotogrammetrice determinate topografic prin văruire sau prin instalarea de panouri albe.

La fotograme există acoperire longitudinală de circa 60% și transversală de circa 30% astfel numărul punctelor de reper se diminuează, obținându-se o ușurare a activității de lucru dar și o scădere a valorii de cost al ridicărilor fotogrammetrice.

Determinarea reperajului fotogrammetric și a coordonatelor punctelor de reper se realizează printr-un proiect, în care măsurătorile sunt efectuate pe cale topografică cu ajutorul sistemelor GPS și a stațiilor totale.

Planul de reperaj va fi întocmit cu ajutorul atlasului de semne convenționale prin interpretarea punctelor de reper regăsite pe fotogramă. Se continuă cu lucrările de aerotriangulație, urmând lucrări de restituție finalizându-se planul topografic prin intermediul mijloacelor fotogrammetrice și de fotointerpretare. Pentru ca o fotogramă să fie restituită este obligatoriu ca aceasta să fie orientată, atât exterior cât și interior; fiindcă elementele de orientare exterioară sunt necunoscute, aceasta se va face în funcție de punctele de reper ce fac legatura intre fotograme și teren.

În cazul de față, lucrarea fiind solicitată de o instituție publică pentru a analiza raportul cost-beneficiu a lucrării de fotogrammetrie aeriană pentru concesionarea pășunilor din domeniul public; studiul fotogrammetric a fost realizat fără reperaj artificial la sol, deoarece precizia GPS-ului integrat în drona Trimble UX5 HP poate oferi livrabile.

”Tie Points” sau în traducere liberă puncte de legătură sunt puncte ale căror coordonate terestre într-un sistem de proiecție nu sunt cunoscute, dar pot fi determinate pe înregistrari în porțiunile de suprapunere a două sau mai multe fotograme. Acest tip de puncte pot fi calculate fie manual sau automat, condiția fiind ca acestea să aibă vizibilitate în toate imaginile; numărul de puncte necesar în fiecare imagine este de minim 9.

Datorită gradului mare de automatizare regăsit în softul de prelucrare, Trimble Business Center, punctele de legătură au fost determinate automat cu ajutorul pixelilor comuni; astfel programul realizează orientarea și mozaicarea în mod automat.

2.1. Metode fotogrammetrice de reperaj

Clasificarea metodelor de reperaj se împarte în două mari grupe:

fototriangulații(plane)

aerotriangulații(spațiale)

Reperajul terestru natural implică utilizarea unor puncte de reper bine identificabile atât în teren cât și pe fotograme.(exemplu: colț de gard, colț de clădire, capete de tarlale, pod, etc…). Se realizează identificarea lor pe fotogramă și se elaborează o schiță de reperaj după care urmează procesul de determinare a coordonatelor.

Reperajul terestru artificial se execută în condițiile în care teren nu îndeplinește o anume formă, mărime și poziție în planul fotogramei.

Aceste tipuri de situații sunt des întâlnite în cazul pășunilor montane și alpine, a celor întinse dar și compacte.

Acest tip de reperaj se efectuează înaintea efectuării zborului de fotografiere și implică amplasarea în teren a unor puncte adecvat realizate a căror poziție a fost aleasă inițial pe hartă, operațiunea mai poartă denumirea de premarcaj.

Densitatea punctelor este mai mare, iar reperele pot fi construite din scânduri sau pietre dispuse în diverse figuri și vopsite.

Metoda fotogrammetrică de reperaj implică determinarea punctelor de reper pe fiecare fotogramă/stereogramă din cadrul unor benzi, condiționate de faptul că între capetele benzilor și reperajul terestru să existe o legătură.

Această metodă este aplicabilă în cazul unor suprafețe cu păduri întinse, pășuni montane și alpine, lunci, nisipuri, etc., cazuri în care selecționarea punctelor de reper și a celor de control atât pe fotogramă cât și pe teren nu este materializabilă.

Aerotriangulația conține metode și tehnici de determinare a punctelor implicabile în legarea fotogramelor pe benzi și în bloc.

Metoda poate fi divizată în:

aerotriangulație plană sau fototriangulație plană

aerotriangulație spațială sau fototriangulație spațială

Fototriangulația constă în determinarea elementelor necesare care stau la baza realizării acestui proces. Această metodă la rândul ei îmbracă mai multe forme:

fototriangulația plan-radială, care implică măsurarea unghiurilor și a direcțiilor necesare; situația se complică doar în momentul în care sunt cazuri de teren înclinat atunci unghiurile vor fi masurate numai în punctul nadiral

fototriangulația plan-radială numerică, realizabilă cu ajutorul instrumentelor precise(stereocomparatoare) ce permit măsurarea direcțiilor sau a coordonatelor prin observare stereoscopică

fototriangulația plan-radial grafică permite obținerea direcțiilor radiale pe cale grafică

fototriangulația plan-radial mecanică este asemanator metodei grafice și oferă o stabilitate laterală a benzilor prin puncte de legatură, în acest caz punctele de reper se reduc

Metoda aerotriangulației spațiale implică acțiunea fotogramelor pe benzi și măsurarea coordonatelor prin metoda stereocomparatoare. Execuția lor se realizează pe blocuri mari, cu un numar micșorat de puncte de reper ale căror coordonate se obțin 3D.

2.2. Întocmirea proiectului de aerofotografiere

Proiectul de zbor reprezintă cheia în realizarea procesului de aerofotografiere, ce înglobează elemente cu impact asupra calității imaginii și obținerea unor rezultate cât mai bune din punct de vedere cartografic și fotointerpretabil.

Elaborarea proiectului de aerofotografiere se realizează cu ajutorul elementelor calculate în fișa tehnică a zborului dupa cum urmează:

Suprafața zonei de aerofotografiere () reiese în urma lungimii (L) și a lățimii zonei pe care se preiau fotograme, exprimată în hectare.

Scara medie a fotogramelor () în cazul lucrărilor de restituție și redresare cu ajutorul relației lui Gruber:

unde: c-coeficientul lui Gruber (c=200-250)

Np-numitorul scării planului

Înălțimea de zbor se elaborează în funcție de înălțimea relativă de zbor (h), cota medie () a zonei înregistrate:

Z= h

Înalțimea relativă de zbor(h) provine din relația scării fotogramelor (N) și a distanței focale(f) îmbinate cu cota medie a terenului în funcție de cota maximă () și cota minimă () de unde reiese relația:

=

Timpul de expunere() influențează în mod direct calitatea imaginii în funcție de factori precum: sensibilitatea și coeficientul de contrast al emulsiei, contrastul obiectului etc.

în care: se definește a fiind viteza deplasării avionului.

Timpul de așteptare() înfățișază timpul în care avionul străbate baza de fotografiere (b) a traseelor ”dus” și ”întors”:

=

Baza de fotografiere și distanța dintre benzi depinde de acoperirea longitudinala (=66%) în lungul direcției de zbor între fotogramele din aceeași bandă și acoperirea transversală (=33%).

Baza de fotografiere este egală cu distanța dintre două expuneri succesive și depărtarea(d), expusă prin distanța dintre două benzi vecine:

b=(1-)

b=(1-)

Numărul de benzi () se decide în urma traseelor avionului fixate pe direcția laturii lungi a zonei de aerofotografiere:

=

Numărul de fotograme dintr-o bandă () se calculeaza cu ajutorul bazei de fotografiere (b) și lungimea totală a benzii ():

=

Numărul total de fotograme (), se v-a înmulți numărul de benzi () cu numărul de fotograme dintr-o bandă ():

=

Metrajul de film necesar () calculabil în funcție de totalitatea de fotograme() unde se adaugă o constantă egală cu 2, ce reprezintă defapt intervalul de film neexpus:

=

Durata zborului în zona de aerofotografiere () se exprimă în funcție de timpii de așteptare ( și ) și numărul total de fotograme ():

=

=

=k

Viteza rezultantă de deplasare a avionului () este îmbinarea vectorilor și :

=

Ca urmare a avansului tehnologic care a cuprins și sfera tehnologiei aeriene, procesul de planificare a lucrărilor de fotogrammetrie sunt ușor de realizat și intuitiv, dovada fiind softul de planificare a zborului, Trimble Acces Aerial Imaging, care abordează o nouă deschidere a sferei aferente; impunând o abordare mai simplistică și mai ușor de programat pentru utilizator. Trimble Acces Aerial Imaging oferă setarea ”jobului”, etapele de lucru fiind înșirate într-un flux cronologic în raport cu parametrii necesari realizării planului de zbor.

Primul pas în programarea planului de zbor este crearea unui job, de preferabil cu denumirea locației.

Fig.3 Acces în softul specializat și crearea ”jobului”

Conform Figurii 4, căutarea locației de interes se poate face într-un mod interactiv și familiar (asemănător programului Google Earth); astfel, în căsuța de dialog se introduce numele așezării omenești, se validează parametrul introdus iar programul caută și afișează locația dorită. (Fig. 5)

Fig.4 Căutarea locației de interes

Fig.5 Localizarea zonei de interes-Ususău

Dacă în urma căutării se obține rezultatul scontat, se trece la următorul pas în planificarea zborului, mai precis, la selectarea zonei care urmeaza a fi fotografiată. (Fig.6)

Programul Trimble Access – Aerial Imaging oferă posibilitatea de a selecta o singură zonă de interes (un block) sau selectarea mai multor zone de fotografiat ( block-uri multiple ) ; în cazul block-urilor multiple, drona va trece etapizat dintr-un block în următorul, zona de tranziție nefiind fotografiată.

Fig.6 Selectarea zonei de lucru în bloc

Următoarea etapă în configurarea planului de zbor constă în selectarea modelului de dronă, aparat fotografic și a dimensiunii obiectului. (Fig. 7)

Fig.7 Selectarea dronei UX5 HP și a camerei Sony a7R

Parametrii generali, prezentați în Figura 8, corespund valorilor de precizie care sunt solicitați în cadrul lucrării de ortofotografiere; Valorile care pot fi modificate sunt :

dimensiunea pixelului

altitudinea de zbor

suprapunerea longitudinală si transversală

direcția vântului

Fig.8 Valorile parametrilor generali

Fig.9 Stabilirea numărului de zboruri

Datorită mediului dinamic în care operează drona, mai precis în spațiul aerian , în cazul în care se pierde conexiunea radio cu operatorul mai mult de 120 secunde, aparatul de zbor va ateriza în zona de aterizare selectată în prealabil. (Fig. 10)

Fig.10 Introducerea parametrilor de siguranță

Fig.11 Selectarea blocului de zbor

Fig.12 Alegerea locului de decolare

Fig.13 Alegerea locului de aterizare

Având o valoare financiară foarte mare, cea mai importantă procedură este cea de aterizare. În cadrul Figurii 14, sunt detaliate setările de siguranță, cum ar fi :

direcția vântului

diferența de altitudine între locul de lansare și locul de aterizare

traiectoria de urmat pentru a intra pe culoarul de zbor

metoda de aterizare

Fig.14 Selectarea modului de aterizare (parabolă)

Rezultatul tuturor pașilor descriși mai sus este detaliat în Figurile 15 și 16; astfel în Figura 15 ne este prezentat printr-o metodă grafică traseul complet pe care îl va parcurge drona, în timp ce în Figura 16 ne sunt prezentate datele numerice ale traseului.

Fig. 15 Prezentarea grafică a planului de zbor complet

Fig. 16 Parametrii numerici a planului de zbor

Programul Trimble Access – Aerial Imaging oferă de asemenea simularea traseului de zbor planificat, oferind date aproximative a semnalului radio, semnalului GNSS, nivelul bateriei, viteza, accelerația și înclinația dronei.

Fig. 17 Simularea planului de zbor

Cap 3

Prelucrarea datelor

După etapa de teren urmează, în ordinea firească a acțiunilor topografice, etapa de birou, în care se transferă datele în domeniul digital, după care se procesează și se pregătesc pentru prelucrarea lor grafică în vederea realizării planului fotogrammetric.

Astfel, prima etapă este cea de descărcare și procesare a datelor, etapă ce se realizează cu ajutorul unor programe de specialitate, în cazul de față Trimble Business Center.

După întocmirea și realizarea proiectului de aerofotografiere, în prima etapă a prelucrării datelor se va selecta zborul efectuat pentru al exporta din softul de specialitate, Trimble Acces Aerial Imaging în softul dedicat procesării datelor. (Fig. 18)

sss

Fig. 18 Exportul datelor din programul Trimble Acces – Aerial Imaging în softul Trimble Business Center

Iar pentru a continua succesiunea etapelor menționate în Figura 18, se va selecta zborul conform Figurii 19.

Fig. 19 Selectarea zborului în pregătirea acestuia pentru export

Conform Figurii 20, etapa de export efectuează informațiile culese în urma procesului de aerofotografiere, astfel avem două componente :

1. Componenta poziții declanșate – numărul de instantanee efectuate

2. Componenta poziții recepționate – numărul de instantanee preluate

Fig. 20 Citirea informațiilor de zbor

Ultima etapă a importului este prezentată in Figura 21, unde este solicitat selectarea tipului de imagine, care va fii importat (în cazul de față, RGB, mai precis imagine color) și se poate solicita corecția automata a imaginilor prin bifarea ultimei căsuțe.

Fig. 21 Citirea informațiilor de zbor și corectarea automată a pozelor preluate

Începând cu Figura 22, se realizează procesarea propriu-zisă a datelor descărcate în urma aerofotografierii.

Prin comanda “Project Explorer”, se adaugă pozele preluate prin comanda “drag & drop”.

Fig. 22 Introducerea pozelor culese din teren

În același fișier, se setează sistemul de coordonate aferent lucrării; astfel se introduce sistemul de referință a țării noastre, Stereografic 1970, datum-ul de transformare, geoidul de referință și datum-ul RTX.

Fig. 23 Setarea sistemului de coordonate aferent

În cadrul ferestrei „Receiver Raw Data Check In”, se introduce punctul de control fix, notat cu „Baza 1”, punct care a fost determinat cu ajutorul GPS-ului în mod static. În cadrul acestei ferestre, sunt detaliate în baza unui tabel, informații privind „Baza 1”, precum numele punctului, ora la care a început măsurarea, ora la care s-a încheiat măsurarea și durata.

Fig. 24 Introducerea staticului (TO2)

Fig. 25 Procesarea traiectoriei avionului în funcție de baza determinată de static

Vizualizarea 3D a planului de zbor cu traiectoriile și pozițiile din care s-au efectuat ortofotogramele

Fig. 26 Vizualizarea 3D

În urma prelucrării rezultă imaginea punctelor, ce nu se încadrează în toleranța impusă; de altfel, acestea sunt marcate pe imagine prin stegulețe roșii.

Fig.27 Expunerea punctelor ieșite din toleranța acceptată

Selectarea livrabilelor dorite prin comanda “Advanced UAS”, iar din meniul nou deschis comanda “Delivrables”.

Fig. 30 Creare nor de puncte

Se debifează toate livrabilele, pentru a genera în primă fază doar ajustarea imaginilor. Pentru o ajustare cât mai precisă, norul de puncte trebuie să fie pe densitate scăzută adică, “Low”.

Fig.31 Ajustarea imaginilor

Fig. 32 Ecran cu realizarea ajustării

Selectarea livrabilelor (nor de puncte, ortofotoplan, elevație raster) și a densității/preciziei dorite pentru acestea.

Fig. 32 Ajustarea imaginilor prin modificarea densității și a preciziei dorite

Pentru a verifica dacă lucrarea se află în toleranțele impuse de categoria de lucrare, se face importul punctelor de verificare, determinate in prealabil la nivelul solului, și se afișează în model cartezian diferențele de poziționare relativă a punctului măsurat la sol și punctele măsurate din dronă. (Fig. 33)

Fig. 33 Importul punctelor de verificare a preciziei lucrării

Verificarea preciziei se poate face prin măsurarea grafică a distanței dintre punctul determinat la sol și punctul rezultat din aerofotograma prelucrată. (Fig. 34)

Fig. 34 Controlul preciziei

În Figura 35 este prezentat rezultatul final al procesării de date, ortofotoplanul.

Fig. 35 Ortofotoplanul