Fig. 1.1 Etapele de dezvoltare ale fotogrammetriei 10 Fig. 1.2 Surse de date geospațiale 16 Fig. 1.4 Modul de reprezentare a datelor vectoriale de… [303847]
LISTA FIGURILOR
Fig. 1.1 Etapele de dezvoltare ale fotogrammetriei 10
Fig. 1.2 Surse de date geospațiale 16
Fig. 1.4 Modul de reprezentare a datelor vectoriale de tip linie 19
Fig. 1.5 Modul de reprezentare a datelor vectoriale de tip polygon 19
Fig. 1.3 Modul de reprezentare a datelor vectoriale de tip punct 19
Fig. 1.6 Elemente de imagini în fotograma digitală 22
Fig. 1.7 Codificarea imaginii cu două niveluri 23
Fig. 1.8 Aflarea numărului de biți necesar pentru codificarea 23
Fig. 1.9 Imagine cu rezoluția spațială grosieră și imagine cu rezoluția spațială fină 25
Fig. 1.10 Descriere geometrică a unui senzor optic 26
Fig. 1.11 Relația dintre IFOV și GIFOV 27
Fig. 1.12 Imagini surprinse cu satelitul GeoEye-1 28
Fig. 1.13 Diferențierea pe benzi a fiecărui tip de senzor 30
Fig. 2.1 Conversia semnalului analogic în semnal digital la formarea fotogramelor digitale 36
Fig. 2.2 Tipuri de senzori existenți 37
Fig. 2.3 Senzor activ 38
Fig. 2.4 Senzor pasiv 38
Fig. 2.5 Formatul de colectare a datelor pentru un scaner mecanic (whiskbroom). 39
Fig. 2.6 Scanner de tip „pushbroom” 40
Fig. 2.7 Principiul de achiziție al captorilor cu matrice de detector 41
Fig. 2.8 UltraCam Eagle M3 42
Fig. 2.9 SAR orientat perpendicular pe direcția de zbor 45
Fig. 2.10 Componente ale sistemelor de detectare și măsurare a luminii 49
Fig. 2.11 Sonar activ 52
Fig. 3.1 Sisteme de coordonate ale fotogramei 55
Fig. 3.2 Sisteme de coordonate geocentric 56
Fig. 3.3 Elementele de orientare interioară ale fotogramei 58
Fig. 3.4 Elementele de orientare exterioară ale fotogramei 60
Fig. 3.5 Relații între sistemele de coordonate 61
Fig. 3.6 Rotația φ 64
Fig. 3.7 Rotația ω 64
Fig. 3.8 Rotația k 65
Fig. 3.9 Relațiile dintre coordonatele fotogrammetrice și geodezice 67
Fig. 3.10 Scara fotogramei nadirale în cazul terenului plan 70
Fig. 3.11 Scara fotogramei nadirale în cazul terenului cu denivelări 71
Fig. 4.1 Imaginea originală ( stânga) , imaginea egalizată ( dreapta) 78
Fig. 4.2 Aplicarea filtrului trece jos cu nucleu 3×3 (stânga), 5×5 (centru), 7×7 (dreapta) 79
Fig. 4.3 [anonimizat] 3×3 (stânga), 5×5 (centru), 7×7 (dreapta) 79
Fig. 4.4 Principiul transformării geometrice 81
Fig. 4.5 Metoda directă de transformare: a) înregistrarea originală; b) înregistrarea transformată 82
Fig. 4.6 Metoda indirectă de transformare: a) înregistrarea originală; b) înregistrarea transformată 83
Fig. 4.7 Înregistrarea fotografiilor aeriene prin maparea punctelor 85
Fig. 4.8 Corespondența punctului de pe hartă cu punctul de pe imagine 86
Fig. 4.9 Reeșantionarea din valorile celor mai apropiați vecini 86
Fig. 5.1 Flux de generare MNT 92
Fig. 5.2 Triangulația Delaunay ( stânga), suprafața TIN interpolată (dreapta) 95
Fig. 5.3 Vizualizarea liniilor de contur(curbelor de nivel) 96
Fig. 5.4 Vizualizarea umbririi în pantă 96
Fig. 5.5 Vizualizarea vederilor de perspectivă 97
Fig. 5.6 Procesul de ortofotoredresare 98
Fig. 5.7 Sistemele de coordonate utilizate la ortofotoredresare 101
Fig. 5.8 Transfer prin element din linie dreaptă 105
Fig. 5.9 Transfer prin element de suprafață plană 106
Fig. 5.10 Alipirea imaginilor pentru realizarea mozaicului și a liniei de tăiere 110
Fig. 6.1 Etapele necesare obținerii unei ortofotohărți 113
Fig. 6.2 Pornirea modului QC Viewer 115
Fig. 6.3 Fereastra QC Viewer 115
Fig. 6.4 Setarea parametrilor aplicației QC Viewer 116
Fig. 6.5 Fereastra QC Viewer cu o bandă afișată 116
Fig. 6.6 Aplicarea parametrului „None” 117
Fig. 6.7 Fereastra Image Adjustement pentru corecția „None” 118
Fig. 6.8 Aplicarea parametrului „Calibrated” 118
Fig. 6.9 Fereastra Image Adjustement pentru corecția „Calibrated” 119
Fig. 6.10 Aplicarea parametrului „Dark pixel” 119
Fig. 6.11 Fereastra Image Adjustement pentru corecția „Dark pixel” 119
Fig. 6.12 Aplicarea parametrului „Modified Chavez” 120
Fig. 6.13 Aplicarea parametrului „Atmospheric” 120
Fig. 6.14 Aplicarea parametrului „Calibrated + Lambert” 121
Fig. 6.15 Aplicarea parametrului „Dark Pixel + Lambert” 121
Fig. 6.16 Aplicarea parametrului „Modified Chavez + Lambert” 121
Fig. 6.17 Aplicarea parametrului „Atmospheric + Lambert” 122
Fig. 6.18 Aplicarea parametrului „Calibrated + BRDF” 122
Fig. 6.19 Fereastra Image Adjustement 123
Fig. 6.20 Butonul Load in right view with Profile 123
Fig. 6.21 Tool-ul General Contrast din cadrul ERDAS Imagine 124
Fig. 6.22 Ajustare contrast folosind metoda Dynamic Range Adjust 125
Fig. 6.23 Ajustare contrast folosind metoda Gamma 125
Fig. 6.24 Ajustare contrast folosind metoda Gaussian 126
Fig. 6.25 Ajustare contrast folosind metoda Invert 126
Fig. 6.26 Ajustare contrast folosind metoda lineară 127
Fig. 6.27 Ajustare contrast folosind metoda Percentage LUT 127
Fig. 6.28 Ajustare contrast folosind metoda deviației standard 128
Fig. 6.29 Rezultatele comparative ale metodelor de ajustare a constrastului 128
Fig. 6.30 Filtru detectare contur 129
Fig. 6.31 Filtru întărire contur 129
Fig. 6.32 Filtru de sumarizare 130
Fig. 6.33 Filtru de reducere a zgomotului 130
Fig. 6.34 Filtru Laplacian 131
Fig. 6.35 Ajustarea contrastului folosind metoda egalizării histogramei 131
Fig. 6.36 Histogramele imaginii originale corespunzătoare celor trei straturi: roșu (stânga), verde (centru), albastru ( dreapta) 132
Fig. 6.37 Histogramele imaginii egalizate corespunzătoare celor trei straturi: roșu (stânga), verde (centru), albastru ( dreapta) 132
Fig. 6.38 Imaginea filtrată cu nucleu 3×3 (stânga), 5×5 (centru), 7×7 (dreapta) 133
Fig. 6.39 Imaginea filtrată cu nucleu 3×3 (stânga), 5×5 (centru), 7×7 (dreapta) 133
Fig. 6.40 Etapele creării unui bloc fotogrammetric 134
Fig. 6.41 Modul Block Preparation 134
Fig. 6.42 Fereastra New Block Model 135
Fig. 6.43 Adăugare benzi 136
Fig. 6.44 Fereastra Takes to Add 136
Fig. 6.45 Fereastra Block Preparation 137
Fig. 6.46 Meniul Block 137
Fig. 6.47 Fereastra Edit Ground Control cu punctele încărcate 138
Fig. 6.48 Editarea datelor de la reperaj 138
Fig. 6.49 Save Block (stânga), Close Block (dreapta) 139
Fig. 6.50 Modulul Triangulation din pachetul software Leica Xpro 139
Fig. 6.51 Etapele de lucru în realizarea aerotriangulației pentru un bloc fotogrammetric 140
Fig. 6.52 Fereastra modulului Triangulation 140
Fig. 6.53 Deschiderea blocului fotogrammetric 141
Fig. 6.54 Selectarea blocului fotogrammetric 141
Fig. 6.55 Afișarea blocului fotogrammetric 142
Fig. 6.56 Activarea ferestrei Measurement 142
Fig. 6.57 Măsurarea automată a punctelor de legatură 143
Fig. 6.58 Rularea uneltei APM 143
Fig. 6.59 Alegerea benzilor care se folosesc la măsurarea automată a punctelor de legatură 143
Fig. 6.60 Punctele de legătură măsurate automat 144
Fig. 6.61 Puncte de reper nemăsurate 144
Fig. 6.62 Măsurarea unui punct de reper 145
Fig. 6.63 Fereastra Measurement 145
Fig. 6.64 Schița punctului de reper 1454 146
Fig. 6.65 Fotografia punctului de reper 1454 146
Fig. 6.66 Eliminarea unui punct de reper 147
Fig. 6.67 Stabilirea tipului de reper fotogrammetric 148
Fig. 6.68 Crearea unui nou scenariu 148
Fig. 6.69 Încărcarea unui scenariu anterior creat 149
Fig. 6.70 Fereastra Basics 149
Fig. 6.71 Scenariul creat 150
Fig. 6.72 Fereastra Advanced 151
Fig. 6.73 Fereastra Layer Display 151
Fig. 6.74 Vizualizarea rezultatelor pe culori 152
Fig. 6.75 Blocul fotogrammetric prelucrat 152
Fig. 6.76 Precizia Quality- Horizontal 153
Fig. 6.77 RMS orizontal 154
Fig. 6.78 RMS vertical 154
Fig. 6.79 Valorile reziduale ale reperilor fotogrammetrici 155
Fig. 6.80 Fereastra Statistics 155
Fig. 6.81 Exportul coordonatelor compensate 156
Fig. 6.82 Coordonatele teren ale punctelor de reper 157
Fig. 6.83 Coordonatele compensate ale punctelor de reper 157
Fig. 6.84 Coordonatele teren ale punctelor de legătură 157
Fig. 6.85 Coordonatele compensate ale punctelor de legătură 157
Fig. 6.86 Afișarea fișierului printout.0 158
Fig. 6.87 Fereastra Printout 158
Fig. 6.88 Iterația 1 159
Fig. 6.89 Iterația 2 159
Fig. 6.90 Scrierea blocului fotogrammetric 160
Fig. 6.91 Erorile reziduale planimetrice 160
Fig. 6.92 Erorile reziduale altimetrice 161
Fig. 6.93 Închiderea scenariului 161
Fig. 6.94 Fereastra Clip 162
Fig. 6.95 Valorile modelului numeric al terenului 162
Fig. 6.96 Curbele de nivel pe baza cărora se crează MNT 163
Fig. 6.97 Fereastra Create Tin 163
Fig. 6.98 Valorile MNT-ul creat 164
Fig. 6.99 Diferența între cele două MNT-uri 164
Fig. 6.100 Etapele procesului de ortofotoredresare 165
Fig. 6.101 Pornirea modulului Rectifier din pachetul Leica XPro 165
Fig. 6.102 Fereastra Block Selection 166
Fig. 6.103 Fereastra modulului Rectifier dupa selectarea blocului de rectificat 166
Fig. 6.104 Deschiderea ferestrei de editare a produsului de ortorectificare 167
Fig. 6.105 Definirea produsului de ortoredresare 168
Fig. 6.106 Selectarea produsului dorit 169
Fig. 6.107 Fereastra Choose Coordinate System 169
Fig. 6.108 Fereastra modulului Rectifier după selectarea parametrilor ortorectificării 170
Fig. 6.109 Pornirea procesului de ortorectificare 171
Fig. 6.110 Pornirea locala a procesului de ortorectificare 171
Fig. 6.111 Încărcarea benzilor unui bloc în Orthovista 172
Fig. 6.112 Vizualizarea contururilor benzilor/imaginilor dintr-un bloc 173
Fig. 6.113 Asignarea canalelor RGB 173
Fig. 6.114 Vizualizarea contururilor benzilor și al secțiunilor dintr-un bloc 174
Fig. 6.115 Vizualizarea benzilor/imaginilor dintr-un bloc 175
Fig. 6.116 Inițializarea editorului de radiometrie 175
Fig. 6.117 Selectarea benzilor spectrale 176
Fig. 6.118 Selectarea unei benzi în vederea editării radiometrice în fereastra Project Dialog 176
Fig. 6.119 Ajustarea parametrilor de Intensitate/Contrast 177
Fig. 6.120 Salvarea sau anularea ajustărilor radiometrice 178
Fig. 6.121 Vizualizarea benzilor prelucrate radiometric dintr-un bloc 178
Fig. 6.122 Instrumentul pentru selectarea imaginilor în Orthovist 179
Fig. 6.123 Vizualizarea imaginilor selectate în Orthovista 179
Fig. 6.124 Setarea parametrilor de procesare în Orthovista 180
Fig. 6.125 Activarea benzilor pentru afișare 181
Fig. 6.126 Selectarea secțiunilor în Orthovista 181
Fig. 6.127 Vizualizarea de aproape a liniilor de mozaicare 182
LISTA TABELELOR
Tabel 1 Comparația între datele de tip vector și datele de tip raster 22
Tabel 2 Comparațiile între scanner-ele „pushbroom” și „whiskbroom” 41
Tabel 3 Specificațiile tehnice ale camerei UltraCam Eagle M3 43
Tabel 4 Data și ora la care au fost aerofotografiate benzile fotogrametrice 112
INTRODUCERE
Tema proiectului de diplomă se intitulează „Obținerea ortofotohărților la scara 1:5000 prin ortofotoredresare digitală”, iar pentru obținerea acesteia se vor prezenta noțiuni teoretice în legătură cu fotogrammetria digitală, bazele matematice ale fotogramei, respectiv bazele matematice ale ortofotoredresării, procesul de ortofotoredresare digitală, precum și procesul tehnologic de realizare a ortofotohărții la scara 1:5000 cu ajutorul fotogramelor digitale. Procesul tehnologic s-a realizat cu date fotogrammetrice recente și cu echipamente hardware și software, așa numite „state of the art” din domeniul fotogrammetric.
Ortofotoharta reprezintă un proces de actualitate atât în domeniul militar, cât și în domeniul civil, fiind realizată o legătură între cele două domenii prin contractul aflat în derulare între Agenția de Informații Geospațiale a Apărării și Agenția de Plăți și Intervenție pentru Agricultură privind “Servicii de controlul calității serviciilor de aerofotogrammetrie și realizare de ortofotoplanuri color în format digital”. Informațiile folosite în realizarea ortofotohărților dau informații reale de pe teren, precum: șosele, poduri, localități, etc.
Progresul fotogrammetriei a fost în strânsă legătură cu progresul proceselor tehnice din diverse domenii, ce țin cont de preluarea, prelucrarea, interpretarea și modul de prezentare al informațiilor rezultate. Printre acestea pot fi enumerate: matematica, fizica, chimia, geodezia , topografia, cartografia, industria aeronautică și spațială.
Produsele fotogrammetrice pot fi grupate în următoarele categorii principale: fotograma, mozaicul, fotoplanul, planul restituit, ortofotoplanul sau ortofotoharta, date numerice (suprafețe, volume, coordonate etc.), hărți tematice, produse speciale.
În cadrul acestui proiect se folosesc ca date inițiale înregistrări digitale din zona localității Almașu Mare, din județul Alba. Aceste înregistrări au fost puse la dispoziție de către Agenția de Informații Geospațiale a Apărării „General de divizie Constantin Barozzi”. Partea practică a proiectului de diplomă se realizează cu ajutorul softurilor Leica Xpro, OrthoVista, ERDAS și ArcGIS.
Lucrarea de față este structurată în șase capitole, primele cinci conțin noțiunile teoretice, iar ultimul capitol partea practică a lucrării.
În primul capitol, intitulat Considerații privind prelucrarea înregistrărilor digitale aeriene în vederea ortofotoredresării și obținerea ortofotohărților la scara 1:5000 și importanța economică și militară a acestora, se prezintă aspectele teoretice privind obiectul și scopul fotogrammetriei, avantajele și aspectele limitative ale acesteia. În cea de-a doua parte a capitolului se discută despre informația geospațială, punându-se accentul pe surse de date, formate de date, respectiv pe tipul de date folosite în fotogrammetrie și despre imaginea digitală, trecându-se în revistă definirea acesteia, inclusiv tipuri de rezoluții.
Al doilea capitol, este denumit Metode și sisteme de înregistrare digitală. Acest capitol este structurat în două subcapitole și oferă informații despre datele fotogrammetrice digitale, respectiv metodele de obținere a fotogramelor digitale. În cel de-al doilea subcapitol se expun date despre senzorii utilizați în definirea imaginilor digitale, precum și tipul acestora.
Cel de-al treilea capitol, Baza matematică a fotogramei, se bazează pe descrierea fotogramelor,fiind structurat în patru subcapitole. În primul subcapitol se vorbește despre sistemul de coordonate al fotogramei, iar în celelalte două subcapitole s-au evidențiat elementele de orientare ale fotogramei, respectiv ecuațiile de bază ale acesteia. Pentru a ajunge la ecuațiile de bază ale fotogramei, se descriu relațiile de legătură între coordonatele plane și spațiale ale acesteia, precum și formarea matricei de rotație. În ultimul subcapitol este prezentată scara fotogramelor.
În cel de-al patrulea capitol, Prelucrarea radiometrică și geometrică a înregistrărilor digitale, se evidențiază necesitatea prelucrărilor în vederea obținerii unei ortofotohărți. Prima parte a acestui capitol se ocupă cu prelucrarea radiometrică, descriind operatorii, metodele și algoritmii folosiți în prelucrarea imaginii digitale,iar cea de-a doua parte prezintă prelucrarea geometrică, explicând metodele geometrice de prelucrare: georeferențierea, registrația, ortofotoredresarea și reeșantionarea.
Al cincilea capitol, Ortofotoredresarea, prezintă toate procesele necesare realizării unei ortofotohărți, acesta fiind structurat în cinci subcapitole.
Primul subcapitol, Aerotriangulația prezintă procesul matematic de stabilire a unei relații precise și exacte între sistemul de coordonate individual al imaginii și un datum definit împreună cu proiecția la sol. Sunt prezentate principalele etape ale aerotriangulație, compensarea aerotriangulației în bloc, erorile și precizia acesteia, precum și aspecte definitorii pentru aerotriangulația digitală.
Scopul celui de-al doilea capitol, Modelarea numerică a terenului pentru realizarea procesului de ortofotoredresare, este de a evidenția importanța modelului numeric al terenului asupra obținerii unei ortofotograme. Generarea unui model numeric al terenului corect este condiția necesară pentru realizarea unei ortofotoredresări cât mai precise.
Cel de-al treilea subcapitol, Bazele matematice ale redresării și ale ortofotoredresării, prezintă noțiuni teoretice referitoare la clasificarea metodelor de ortofotoredresare precum și modurile de ortofotoredresare a fotogramei. În a doua parte a capitolului este descrisă baza matematică a metodelor de ortofotoredresare.
În al patrulea subcapitol, Ortofotoredresarea digitală și precizia ortofotoredresării, sunt prezentate generalități privind ortofotoredresarea digitală și mozaicarea, precum și detalii despre precizia ortofotoredresării, care oferă informații importante referitoare la calitatea imaginii redresate și randamentul metodei.
În al cincilea subcapitol, Domenii de utilizare a ortofotohărții, se prezintă câteva domenii în care se utilizează produsul final al ortofotoredresării.
Al șaselea capitol, Aplicație practică privind modelul obținerea ortofotohărții la scara 1:5000 prin ortofotoredresarea digitală a fotogramelor, oferă informații detaliate despre procesul de obținere a ortofotohărții, fiecare etapă a procesului fiind însoțită de figuri care ilustrează rezultatele utilizării aplicației.
Ultimul capitol al acestei lucrări, Concluzii privind precizia și randamentul metodei, cuprinde într-o abordare concisă concluziile asupra rezultatelor obținute în urma procesului de ortofotoredresare precum și randamentul metodei adoptate.
Anexele conțin înregistrările digitale prelucrate radiometric, modelul numeric al terenului, precum și ortofotoharta realizată la scara 1:5000, respectiv la scara 1 :25000.
CONSIDERAȚII PRIVIND PRELUCRAREA ÎNREGISTRĂRILOR DIGITALE AERIENE ÎN VEDEREA ORTOFOTOREDRESĂRII ȘI OBȚINEREA ORTOFOTOHĂRȚILOR LA SCARA 1 :5000 ȘI IMPORTANȚA ECONOMICĂ ȘI MILITARĂ A ACESTORA
Fotogrammetria. Definiție și scop.
Fotogrammetria este o parte a geomaticii aflată între teledetecție, cartografie, topografie și GIS. Este o ramură a științelor moderne care se ocupă cu studiul informațiilor metrice( dimensiuni, distanțe și suprafețe) cu scopul de a extrage date precise pentru a putea reprezenta pe diferite hărți și planuri elementele de planimetrie și altimetrie. Cu alte cuvinte, se poate spune că fotogrammetria este știința măsurării fotografiilor. Denumirea de fotogrammetrie provine din limba franceză ”photogrammetrie” și derivă de la cuvintele grecești ”photos” – lumină, ”gramma”- înregistrare și ”metron” – a măsura [Răducanu, 1993].
La început, fotogrammetria a apărut ca o necesitate de realiza mai rapid planurile și hărțile topografice pe zone cât mai mari. Fiecare ramură a fotogrammetriei are o importanță deosebită în zona de aplicare, un exemplu fiind domeniul cartografierii terestre, unde majoritatea produselor cartografice( hărți și planuri) sunt realizate pe cale fotogrammetrică.
Domeniile de aplicabilitate ale fotogrammetriei sunt multiple, însă problema principală o reprezintă refacerea unui obiect cu ajutorul perspectivelor plane și a fotogramelor, aceasta soluționându-se datorită diferenței care apare între modelul matematic și realizarea lui fizică. Fotogramele sunt înregistrări fotografice și digitale pe baza cărora se fac măsurători precise asupra unui obiect.
Fotogrammetria vizează două aspecte: aspectul cantitativ ( metric) și aspectul calitativ. Aspectul cantitativ constituie constituie scopul fotogrammetriei pentru realizarea unor măsurători de precizie pentru restabilirea formei și dimensiunii obiectelor din mediul înconjurător .
Obiectivul fotogrammetriei este redat de analiza proprietăților fizice si geometrice ale elementelor metrice, bazându-se pe fotograme folosite separat sau pe o pereche de fotograme cu acoperire longitudinală cuprinsă între 60-90 %, numită stereogramă.
Fotogrammetria este o știință în care scopul principal îl reprezintă determinările metrice stricte asupra unui obiect folosind înregistrările acestuia (suprafața Pământului, construcții, corpuri cerești, etc.). Fotogrammetria poate fi și o artă, deoarece obținerea de măsurători fiabile necesită anumite abilități și tehnici din partea individului care se ocupă cu procesul de extragere a informațiilor [Florea, Zăvoianu., 1999].
De la apariția sa și până în prezent, fotogrammetria a trecut prin patru etape de dezvoltare [Răducanu, 1993].:
Fotogrammetria planimetrică (grafică) a început cu construirea primei camere fotografice metrice folosită pentru realizarea procedeului de ridicare topografică. În 1858, s-a obținut prima fotografie aeriană din zona Parisului , folosindu-se un balon captiv. În anul 1909, în Franța , s-a obținut prima fotografie realizată cu ajutorul unui avion.
Fotogrammetria analogică a fost utilizată între anii 1900-1960. În această fază, au fost inventate rectificarea analogică și instrumentele de prelucrare analogică.În acest interval de timp s-au stabilit tehnici de anchetă aeriană și continuă să se găsească elemente fundamentale pe care se bazează fotogrammetria.
Fotogrammetria analitică a fost folosită în perioada 1960-1990, fiind o etapă în care s-a perfecționat calculatorului electronic și a circuitelor integrate. Pe măsură ce s-a dezvoltat tehnica, s-a realizat și automatizarea operațiilor de bază, putându-se prelucra un volum mare de date cu ajutorul aparatelor de stereorestituție analitică. În acest timp, aerofotogrammetria a devenit principal ramură a fotogrammetriei în domeniul măsurătorilor terestre.
Fotogrammetria digitală reprezintă o tehnică bine stabilită pentru obținerea informațiilor 3D geometrice dense pentru obiectele din lumea reală din suprapunerea imaginii stereoscopice și s-a dovedit a avea aplicații extinse într-o varietate de domenii. Fotogrammetria digitală folosește materiale digitale automatizate pentru a gestiona diferitele faze ale procesului. Dezvoltarea fotogrammetriei digitale se datorează celui mai recent progres tehnologic, care a condus la producția de calculatoare deosebit de performante la prețuri mici și la dezvoltarea unor algoritmi de calcul puternici.
Odată cu apariția tehnologiei de calcul și imagistică, fotogrammetria a evoluat de la fotogrametrie analogică la analiză digitală (softcopy). Termenul de „fotogrammetrie softcopy" este folosit pe scară largă în Statele Unite din motive istorice, deși „fotogrammetria digitală" este preferată în comunitatea internațională.
În fotogrammetria digitală, datele de intrare sunt imagini digitale sau fotografii scanate. Fotogrammetria digitală își are rădăcinile la sfârșitul anilor șaizeci, când Hobrough (1968) a început să experimenteze corelarea, chiar dacă soluțiile au fost analogice. Timp de aproape 20 de ani, tehnicile de corelare au rămas vizibile doar în domeniul fotogrammetriei digitale. Eforturile de cercetare în domeniul fotogrammetriei digitale au crescut în ultimii ani datorită disponibilității camerelor digitale, imaginilor prin satelit, scanerelor de înaltă calitate, puterii sporite de calcul și instrumentelor de procesare a imaginii [Madani, 2001].
Diferența principală dintre fotogrammetria digitală și predecesorii săi – analoagă și analitică – este că se ocupă mai degrabă de imaginile digitale în loc de fotografiile (analogice). Cu toate acestea, matematica modelelor de procesare a datelor (de exemplu, orientarea, triangulația etc.) utilizată în fotogrammetria digitală a fost bine stabilită.
În domeniul fotogrammetriei analogice, se folosesc instrumente optice și mecanice (plottere) pentru stabilirea relațiilor geometrice. În fotogrammetria analitică, modelarea geometrică este matematică. Ambele se ocupă cu fotografiile analogice utilizând plottere fotogrametrice scumpe. În fotogrammetria digitală, pot fi procesate imagini de toate tipurile, inclusiv pasive (de exemplu, senzori optici) sau active (de exemplu, imagistică radar) și preluate de pe orice platformă (de ex., aer, satelit, apropiat etc.). Datorită tehnologiei digitale de calcul, întregul proces de producție fotogrammetric este digital și multe componente au fost automatizate.
Fig. . Etapele de dezvoltare ale fotogrammetriei
Avantajele și aspectele limitative ale fotogrammetriei
Avantajele fotogrammetriei
În zilele noastre s-a dezvoltat o întreagă industrie topografică care conține metode automate și semiautomate pentru a reprezenta suprafețele direct în spațiu. Cartografierea și modelarea pe teren a zonelor mari pot fi realizate mai rapid și la un nivel mai înalt cu costuri mai mici comparativ cu alte metode de analiză.
Un alt avantaj este că se poate repeta o înregistrare instantanee a locului datorită fotografiei aeriene. Se pot reprezenta cu succes nivelmentul și planimetria, având un randament ridicat datorită faptului că nu se mai folosește metoda de interpolare, ci se bazează pe fotograma existentă. În timpul capturării fotografiilor aeriene, fotogrammetria produce o înregistrare fotografică reală și permanentă a unei condiții speciale care există în timpul acestui proces. Din moment ce înregistrarea are proprietăți metrice, aceasta nu este doar o înregistrare grafică, ci și înregistrare precisă și măsurată.
Fotogrammetria asigură un grad ridicat de precizie, bazându-se pe măsurători realizate cu camere fotografice sau alte echipamente speciale dotate cu senzori de imagine și sisteme electronice de calcul [Răducanu, 1993].
Fotogrammetria este utilă în orice locație care este dificilă, nesigură sau imposibilă de accesat. Este o metodă de topografie ideală pentru zonele toxice în care activitatea pe teren poate afecta siguranța echipajului de supraveghere.
Aspectele limitative ale fotogrammetriei
Condițiile de sezon afectează imaginile aeriene, adică straturile de zăpadă pot crea o impresie falsă și prin urmare există doar o scurtă perioadă de timp, de obicei între martie și noiembrie, care este perfectă pentru fotogrammetria aeriană.
Precizia generală este relativă la calitatea camerei și la înălțimea zborului. Înălțimile preluate din fotogrammetrie sunt mai puțin corecte decât studiile la sol. Identificarea caracteristicilor planimetrice poate fi uneori dificilă sau imposibilă, iar zonele subterane nu pot fi localizate, măsurate sau identificate.
Condițiile solare, adică unghiurile de soare mai mari de 45o vor produce pete solare pe imagine, iar cele mai mici de 25o vor conține umbre, acest lucru ducând la imposibilitatea de a colecta măsurători.
Un dezavantaj al fotogrammetriei este necesitatea permanentă a unei rețele de sprijin, determinarea acesteia făcându-se prin metode topogeodezice. Tehnica necesară pentru realizarea proceselor implicate în fotogrammetrie implică costuri mai mari.
Domenii de aplicabilitate
Fotogrametria este utilizată în domenii precum cartografiere topografică, arhitectură, inginerie, producție, controlul calității, patrimoniu cultural și geologie. Arheologii îl folosesc pentru a produce rapid planuri de situri mari sau complexe, iar meteorologii îl folosesc pentru a determina viteza vântului de tornadă atunci când nu se pot obține date obiective meteorologice.
Fotogrammetria poate fi clasificată în moduri diferite, dar modul standard este împărțit în două câmpuri pe baza poziției camerei montate. Pe această bază avem fotogrammetrie aeriană și fotogrammetrie terestră.
În fotogrammetria aeriană, aparatul este montat pe avion și în cea mai mare parte îndreptat vertical spre sol. Numeroase imagini sau imagini suprapuse sunt luate de-a lungul căii de zbor.
În fotogrammetria terestră, camera este ținută în mână sau în trepied. De obicei, acest tip de fotogrammetrie este realizat pentru scopuri non-topografice, cum ar fi măsurarea clădirilor, scene de criminalistică și accident, seturi de film, structuri de inginerie și așa mai departe.
Analiza fotogrammetrică poate fi aplicată unei fotografii sau poate utiliza fotografia de mare viteză și teledetecția pentru a detecta, măsura și înregistra campurile complexe de mișcare 2-D și 3-D prin alimentarea măsurătorilor și a analizei imaginilor în modele computaționale, în încercarea de a estima succesiv, cu precizie crescândă, mișcările relative, 3-D relative[Madani, 2001].
Fotogrammetria este, de asemenea, frecvent utilizată în ingineria de coliziune, în special în cazul automobilelor. Fotogrammetria este utilizată pentru a determina cât de deformată este mașina în cauză, se referă la cantitatea de energie necesară pentru a produce această deformare. Energia poate fi apoi utilizată pentru a determina informații importante despre accident (cum ar fi viteza la momentul impactului).
Scopul fotogrammetriei digitale este de a stabili relația geometrică dintre un obiect și o imagine digitală și de a obține informații despre obiect strict din imagine. Prin utilizarea fotogrammetriei digitale, se procesează maparea, actualizarea hărților și modelele 3D ale orașelor.
Fotografia aeriană a fost utilizată de mai multe decenii ca instrument de gestionare și inventariere a pădurilor. Cu toate acestea, metodele convenționale de interpretare sunt atât consumatoare de timp, cât și costisitoare, cu rezultate care variază în rândul interpreților. Odată cu dezvoltarea continuă a tehnologiei computerelor personale, fotografiile aeriene au devenit mai accesibile pentru analiza digitală. Precizia interpretărilor de mediu depinde de priceperea și experiența interpretului, precum și de rezoluția fotografiei și a calității echipamentului utilizat.
Importanța economică și militară
Importanța economică
Fotogrammetria are un rol foarte important pentru dezvoltarea și implementarea Sistemelor Informatice Geografice. Analiza satelitară utilizează imagini aeriene produse de camere aeriene sau de sateliți, care vor fi georeferențiate și prelucrate sub forma unor ortofotograme, cel mai important aport adus de către fotogrammetrie pentru mediul digital fiind reprezentat de generarea informațiilor pentru crearea mai rapidă și mai sigură a unei baze de date.
În fotogrammetrie, achiziția de date este definită ca procesul de obținere a informațiilor fiabile despre obiectul de interes. Acest lucru este realizat fără a fi în contact fizic cu obiectele. Imaginea achiziționată la distanță poate fi grupată în patru categorii de informații:
informații geometrice: implică poziția spațială și forma obiectelor;
informații fizice: se referă la proprietățile radiației electromagnetice ale obiectelor;
informații semantice: se referă la semnificația unei imagini cerute;
informații temporale:imaginile înregistrate cu date diferite indică modificarea obiectului.
Fotogrammetria este acum integrată în multe activități care implică date geospațiale. Acest lucru se datorează, în parte, naturii datelor digitale care încurajează convergența datelor din diferite surse și, în parte, datorită exploziei diferitelor senzori și platforme de colectare a imaginilor. Sistemele de imagistică variază de la fotografierea aeriană tradițională până la LIDAR și RADAR. Platformele includ acum vehicule aeriene fără pilot (UAV), vehicule terestre mobile și sateliți, precum și aeronavele tradiționale. Camerele portabile pentru consumatori sunt, de asemenea, o sursă valoroasă, iar imaginile de la acest tip de cameră, încărcate pe rețelele sociale, devin, de asemenea, o sursă importantă de informații geografice voluntare (VGI). Software-ul este acum fiabil și ușor de utilizat și există o diviziune între software-ul de ultimă generație de la furnizori stabiliți la produse mai puțin costisitoare din noile intrări pe piața de software pentru fotogrammetrie. Multe companii de cartografiere găsesc în prezent dificultăți în ceea ce privește viața, având în vedere condițiile economice slabe, însă gama de aplicații de fotogrammetrie este în creștere și apar noi companii pentru a exploata aceste piețe.
Situația este și mai complicată de faptul că tehnologia a produs senzori noi care nu implică imagini, ci sunt procesați în mod similar imaginilor. Scanerele cu laser măsoară distanța și direcția, producând un nor de puncte care este identic cu norul de puncte generat de imagini stereo potrivite. Din acești nori de puncte, putem calcula modelele de cotație digitală la scări care variază de la macro( cu o precizie mai mică de 1mm) la nivel global. Norul de puncte poate fi procesat în același mod, indiferent de sursa lui; totuși, este generat de diferite tehnici. Radarul cu apertură sintetică (SAR) măsoară, de asemenea, distanța și poate fi folosit pentru a genera modelul numeric al terenului și ortoimagini.
Generarea bazelor de date cu informații obținute cu ajutorul fotogrammetriei înseamnă un cost mai scăzut și un timp mai scurt față de procesul de măsurare în teren. Din acest proces rezultă o precizie mult mai mare.
Cele mai importante beneficii aduse în economie sunt hazardele naturale, inundațiile, șoselele, podurile și construcțiile de diguri.
Cele mai importante probleme care continuă să reprezinte provocări și oportunități mari în industrie sunt: cererea față de cost într-o economie incertă pentru o rezoluție spațială ridicată și date noi privind senzorii, atât aerieni, cât și prin satelit, care răspund creșterii cererii pentru un nivel mai înalt de educație în GIS precum și tehnologiile de imagistică mai noi și rolurile conflictuale ale guvernelor naționale în dezvoltarea de platforme și produse de teledetecție în timp ce limitează accesul și utilizarea datelor.
Importanța militară
Armata folosește fotografii aeriene în două scopuri generale. Unul dintre acestea scopuri este pregătirea hărților folosite de personalul militar pentru a putea planifica operațiunile și pentru a putea localiza trupele în teren sau pentru a calcula datele specifice armelor artilerie și infanterie. Imaginile aeriene aflate peste liniile inamice sunt studiate pentru a elabora planurile noastre și să le dezvăluie pe cele ale inamicului.
Înregistrările aeriene sunt folosite și pe timp de pace de către unitățile topografice pentru fabricarea de hărți utilizate în scopuri de război. Dezvoltarea tehnologiilor spațiale și diversificarea aplicațiilor software au conturat o nouă etapă de dezvoltare, cea a hărților în format digital și a determinării precise a pozițiilor spațiale ale punctelor din teren.
Începând cu Primul Război Mondial, s-au folosit camerele aerofotogrammetrice pentru realizarea fotografiilor aeriene cu scopul de a putea recunoaște zonele de interes pentru Armată.
După cel de Al Doilea Război Mondial , Armata României a primit în înzestrarea sa Secția de Fotogrammetrie, aceasta fiind mutată de la Oficiul Hidrografic și Aerofotogrammetric la Institutul Geografic al Armatei, actuala Agenție de Informații Geospațiale a Apărării.
Mutarea Centrului de Fotogrammetrie în serviciul armatei a cunoscut un succes în realizarea planurilor topografice și cadastrale, deoarece s-au utilizat calculatoare și metode fotogrammetrice automatizate pentru realizarea proceselor de aerotriangulație și exploatare analitică a fotogramelor.
Principala metodă folosită în armată pentru a descrie spațiul geografic este harta topografică. Această harta s-a personalizat în funcție de elementele specifice fiecărei arme sau specializări, rezultând un complet de documente topogeodezice . Acest complet cuprinde hărți și planuri topografice, hărți tematice, descrieri geografice militare și documente cu coordonatele punctelor geodezice.
În momentul actual nu există o bază de date topogeodezică actualizată și de aceea sunt necesare recunoașterile în teren și informațiile obținute prin alte metode. Folosirea un Sistem Informațional Geografic pentru a culege,stoca, manipula, analiza și afișa datele specifice zonei geografice la un nivel mai înalt față de completul de documente topogeodezice rezolvă problema care apare în urma faptului că nu există un sistem general de gestiune a informațiilor .
În România, pentru a crea o bază de date, se pot folosi hărțile vechi care pot fi scanate sau digitizate, produsele cartografice putând fi generate la orice scară și pentru orice zonă.
Pentru a varia hărțile pe tipuri de arme și specializări din domeniul militar se folosesc hărțile numerice care conțin informații digitale.
Deoarece există un volum mai mare de măsurători terestre s-au creat unități fotogrammetrice moderne și s-a înființat învățământul de specialitate pentru a pregăti personalul.
Surse de date
Formate de date
În funcție de formatul surselor de date geografice folosite în fotogrammetrie și teledetecție vom avea următoarea clasificare:
format analogic: cataloage și tabele de coordonate, hărți topografice și speciale, tipărite sau originale de editare, înregistrări de fotogrammetrie și teledectecție analogice, etc;
format digital: jurnale și carnete electronice de teren, fisiere, baze de date cartografice existente, determinări cu receptoare GPS sau stații totale, date recepționate de la diferitele tipuri de senzori amplasați la bordul dronelor, etc.
Pentru a lucra mai ușor cu informațiile geospațiale s-a decis că este necesar ca acestea să se standardizeze, adică să se codifice informația în diferite formate.
De la începutul standardizării, au început să se introducă diferite formate, care au produs numeroase avantaje pentru utilizatori:
se pot detecta automat caracteristicile bazate pe concepte geografice;
datele se pot transfera de la un sistem la altul prin procesul de extragere;
furnizează informații de calitate foarte înaltă, oferind utilizatorilor soluții pentru a vedea dacă se potrivesc cu cerințele unei aplicații;
datele pot trece dintr-un format în altul fără a-și pierde din calitate;
prin standardizare avem un mijloc de comunicare explicit și precis;
standardizarea reprezintă o sursă de informații ușor accesibile pentru stadiul actual al tehnicii.
în Europa, toate standardele sunt aproape finalizate: modelul de referință al informațiilor geografice, poziția de referință, identificarea geografică, prelucrarea interogării actualizarea și descrierea datei, geometria, calitatea,
metadate, transfer de date.
În mediul SIG se folosesc fișierele de date care se împart, în funcție de formatul digital, în două categorii [Porumb, 2010]:
Format vector:
XML produs de OpenGIS, fiind destinat schimbului de date
Shapefile (ESRI) compus din fișierele SHP, SHX și DBF;
Sistemul de coordonate cartezian(XYZ);
AutoCAD DXF produs de Autodesk;
VMap
Format raster:
IMG-format ERDAS Imagine;
GeoTIFF-e o variantă TIFF îmbogățită cu metadade pentru SIG;
Esri GRID ( ESRI) –format binary și ASCII;
JPEG2000- format compresat Open Source;
GIF(Graphics Interchange Format);
bmp (Windows Bitmap).
Formate de date folosite în domeniul militar
VMAP ( Vector Map sau Vector Smart Map) este o grupare vectorială de date GIS privind suprafața terestră, diferite nivele de detaliere.
Produsele VMap sunt clasificate pe patru nivele de detaliere funcție de scara (rezoluția) datelor sursă (hărți clasice, înregistrări satelitare sau aeriene) :
VMap nivel 0, bazată pe hărțile Operational Navigation Charts la scara 1:1 000 000;
VMap nivel 1, bazată pe hărțile Joint Operations Graphics la scara 1:250 000;
VMap nivel 2, bazată pe hărțile Topographic Line Maps la scara 1:50 000;
UVMap, bazată pe hărțile localităților City Graphics la scara 1:25 000 sau mai mare.
Nivelul 0 (rezoluție scăzută) aparține nivelului global, accesibil publicului, fiind în concordanță cu datele la o scară mică 1: 1.000.000. Datele sunt ierarhizate conform VPF (Vector Product Format) și conform cu standardele militare MIL-V-89039 și MIL.STD 2407.
Nivelul 1 (acoperire globală și rezoluție medie) este identic cu datele aflate la o scară medie, fiind parțial accesibil publicului. Datele conținute în VMap Nivel 1 sunt conforme cu MIL-V-89033, asigurându-se o precizie orizontală de 125-500 m și o precizie verticală de 0.5-2m. VMap nivel 1 este structurat în 2343 straturi geografice, numai 57 (2006) dintre acestea fiind accesibile publicului. Caracteristicile fizice și descriptive: lățime, înălțime, utilizare, material de construcție, nume, sunt memorate ca atribute în 126 de clase de elemente. Baza de date VMap1 este utilizată pentru obținerea a două tipuri de hărți la scara 1:250 000 ( JOGAIR si JOG-GROUND) [Stamin, 2005].
Nivelul 2 (rezoluție ridicată) este echivalent cu date de rezoluție ridicată și se supune prevederilor standardului MIL-V-89032. Asemănător datelor VMap1, fiecare clasă de elemente din datele VMap2 are asociate atribute, prin care sunt memorate diverse caracteristici fizice si descriptive. Baza de date VMap2 este pentru obținerea hărții topografice TLM la scara 1:50 000 [Porumb, 2010].
Se folosește ca sistem de referință, sistemul geografic, stocat în grade, cu emisfera vestică și cea sudică folosind valori negative pentru latitudine și longitudine. Datumul orizontal este WGS84 (World Geodetic System 1984), iar datumul vertical este MSL (Mean Sea Level). Caracteristicile vectoriale și atributele sunt stocate conform cu prevederile internaționale din FACC (Feature and Attribute Coding Catalogue).
Tipuri de date digitale
Datele digitale sunt foarte importante pentru reprezentarea realității înconjurătoare. În zilele noastre, există două modele de date:
1.Modelul vectorial este de tip tehnic, care conține următoarele elemente de bază: puncte, linii, poligoane;
2.Modelul raster este de tip fotografic și reprezintă părți continue din realitate.
Date vectoriale
Datele vectoriale cuprind datele de localizare, atributele și valorilele atributelor. Harta numerică în format în format vectorial are ca elemente de bază punctele, liniile și poligoanele. Caracteristicile datelor vectoriale sunt înregistrate pe rând, forma fiind definită de valorile numerice ale perechilor de coordonate xy.
Stocarea vectorilor implică stocarea unei topologii explicite, care generează cheltuieli generale, însă stochează doar acele puncte care definesc o caracteristică și toate spațiile în afara acestor caracteristici sunt "inexistente".
Punctul(vertex) este definit de o singură pereche de valori de coordonate.
Punctele sunt de obicei folosite pentru a modela caracteristici singulare, discrete cum ar fi clădiri, fântâni, stâlpi, locații pentru eșantioane, etc.
Linia(arc) este definită ca o secvență de perechi de coordonate care definesc punctele prin care este trasată linia. Prin intermediul liniilor se definesc elementele geografice care nu au lățime și nu pot fi reprezentate sub forma unei suprafețe. Linile sunt folosite pentru a reprezenta caracteristici liniare, cum ar fi drumurile, fluxurile, defectele, limitele, etc.
Fig. . Modul de reprezentare a datelor vectoriale de tip linie
Poligonul (suprafața) reprezintă prima pereche de coordonate (punct) de pe primul segment de linie este aceeași cu cea a ultimei perechi de coordonate de pe ultimul segment de linie. Poligoanele sunt folosite pentru a reprezenta caracteristici cum ar fi granițele orașului, formațiunile geologice, lacurile, comunitățile de vegetație, etc. Poligoanele au proprietățile zonei și ale perimetrului și de asemenea, sunt numite zone.
Fig. . Modul de reprezentare a datelor vectoriale de tip polygon
Pornind la aceste trei elemente de bază, numite și primitive grafice putem să stocăm imaginile vectoriale. Dacă definim geometric formele combinând primitivele și le adăugăm atribute obținem un obiect grafic.
Principalul avantaj al datelor vectoriale îl reprezintă faptul că obiectele înregistrate își păstrează forma fără a rezulta vreun tip de generalizare. Datele din formatul vector păstrează cu o precizie foarte mare localizarea geografică, putându-se realiza cât mai eficient codarea topologiei. De asemenea, există și dezavantaje datorită faptului că pentru a putea stoca și prelucra datele este nevoie ca acestea să fie convertite în structuri topologice. Dacă se dorește actualizarea sau editarea datelor, atunci trebuie să se refacă structura topologică.
Date raster
Modelul vectorial presupune determinări punctuale. Se acceptă în unanimitate ideea că în GIS ar trebui să coexiste ambele tipuri de date, dar toate determinările comune impun existența datelor vectoriale. Aceste date pot rezulta din:
determinarea topografică;
digitalizarea automată prin urmărirea detaliilor;
exploatarea analogică a înregistrărilor fotogrammetrice (fotograme aeriene analogice);
exploatarea analitică și digitală a înregistrărilor numerice;
digitalizarea hărților sau a ortofotohărților etc.
Multe dintre aceste tipuri au probleme comune de rezolvat. Este important de subliniat faptul că la realizarea GIS, colectarea datelor are cel mai mare cost, în jurul valorii de 70- 75 % din costul întregului sistem. Datele fotogrammetrice și de teledetecție sunt obținute în formate analogice și digitale. Forma analogică obișnuită este bobina de preluare a filmului cu fotograme aeriene alb-negru sau color, după care se realizează diapozitivele. Acestea pot fi exploatate la dispozitive specializate pentru restituirea stereo analogică și analitică sau pot fi scanate, obținând date de imagine raster digitale. Există, de asemenea, camere fotogrametrice aeriene digitale, prin intermediul cărora sunt obținute direct datele raster [Madani, 2001].
Sistemele de teledetecție de la distanță (de exemplu Landsat, SPOT, Quick Bird etc.) permit obținerea directă a datelor raster, în diferite benzi ale spectrului electromagnetic. Datele sunt primite de posturile de recepție dispuse în diferite locuri de pe Pământ.
Datele raster sunt bazate pe structuri celulare rezultate din intersecția liniilor și a coloanelor, fiecare celulă putând avea o unică valoare, iar această categorie de date include imaginile aeriene și prin satelit. Din punct de vedere matematic, imaginea poate fi definită ca o suprafață bidimensională compusă din pixeli, numiți și elemente de imagine.
Există două tipuri de date raster: continue și discrete. Un exemplu de date raster discrete este densitatea populației. Exemplele de date continue sunt măsurătorile de temperatură și elevație.
Există, de asemenea, trei tipuri de seturi de date raster:
date tematice;
date spectrale;
imagini.
O utilizare obișnuită a datelor raster într-un GIS este ca o afișare de fundal pentru alte straturi de caracteristici. De exemplu, ortofotogramele afișate sub alte straturi furnizează utilizatorului hărții încrederea că straturile de hartă sunt aliniate spațial și reprezintă obiecte reale, precum și informații suplimentare. Trei surse principale de cartografiere raster sunt: ortofotogramele din fotografiile aeriene, imaginile prin satelit și hărțile scanate.
Datele în format raster depind de rezoluție, astfel încât dacă se modifică rezoluția se schimbă și calitatea imaginii. Calitatea imaginii este mai mare dacă dimensiunea pixelului este mai mică, dar acest lucru are un dezavantaj legat de spațiul de stocare, deoarece acesta se mărește, fiind foarte greu să se lucreze cu datele. În sens invers, calitatea imaginii scade dacă dimensiunea pixelului crește rezultând o reducere a spațiului de stocare ocupat, dar și a timpului necesar procesării.
Cu ajutorul unui sistem de coordonate reprezentat prin linii și coloane putem localiza un pixel într-un fisier sau imagine .
Sistemul de coordonate se împarte în două categorii:
sistemul de coordonate imagine (al fișierului): indică poziția pixelului în cadrul imaginii;
sistemul de coordonate cartografice: indică poziția pixelului în terenul plan.
Ambele tipuri de date sunt foarte utile, dar există diferențe importante. Caracteristicile de mai jos sunt generalizări largi care nu se aplică neapărat în toate circumstanțele.
Tabel Comparația între datele de tip vector și datele de tip raster
Imaginea digitală
Definirea imaginii digitale
Se consideră o matrice bidimensională A, cu elemente de forma gij, în care fiecare element reprezintă un pixel, adică o suprafață elementară a imaginii fotogramei. Această matrice poartă denumirea de imaginea digitală a unei fotograme, iar indexul de rând, respectiv indexul de coloane, notați cu i și j iau valori de la 1 la i, respectiv de la 1 la j [Krauss, 1993].
Imaginea digitală poate fi definită și matematic printr-o funcție bidimensională f (x, y) , în care x și y reprezintă coordonatele plane ale pixelului, iar f este funcția proporțională în fiecare punct de coordonate (x, y) cu intensitatea radiometrică(cu strălucirea sau cu nivelul de gri) [Vlaicu ,1997].
Fig. . Elemente de imagini în fotograma digitală
Pentru fiecare pixel, dispozitivul de imagini înregistrează un număr sau un mic set de numere care descriu o anumită proprietate a acestui pixel, cum ar fi luminozitatea (intensitatea luminii) sau culoarea sa. Numerele sunt aranjate într-o serie de rânduri și coloane care corespund pozițiilor verticale și orizontale ale pixelilor din imagine.
Numărul atribuit fiecărei imagini reprezintă cea de a treia dimensiune. Mărimea acestui număr este legată de numărul de trepte ale densității optice, putând codifica pe un bit de memorie două stări ale densității, precum alb și negru sau lipsa imaginii și prezența acesteia.
Fig. . Codificarea imaginii cu două niveluri
Pentru a afla numărul de biți K necesari pentru codificarea unei imagini alb-negru, având un număr cunoscut de trepte de gri (de la alb la negru) C, folosim formula [Răducanu, Răducanu, 2004]:
K=log2C.
Fig. . Aflarea numărului de biți necesar pentru codificarea
în binar a treptei 91 de gri
Pentru a transforma o imagine analogică în imagine digitală trebuie să se utilizeze o întregistrare a tuturor valorilor unui fișier secvențial, fiind necesari M+N+2 octeți. O imagine numerică sau digitală este formată din valorile numerice ale treptelor de gri, structurate pe un suport de memorie magnetică.
Utilizarea computerelor a permis o nouă modalitate de a exploata fotograme aeriene, adică prelucrarea digitală care permite extinderea gamei de informații pe care acestea le pot furniza. În pofida progreselor tehnologice din domeniu, trebuie subliniat că interpretarea vizuală este limitată la benzile spectrale vizualizate în imagine, din care o bandă este pentru reprezentare alb / negru și trei benzi pentru o imagine color.
O utilizare foarte promițătoare a imaginilor digitale este recunoașterea automată a obiectelor. Un computer poate recunoaște automat un obiect afișat în imagine și îl poate identifica după nume.
Principalele proprietăți fizice ale unei imagini digitale sunt: rezoluția, dimensiunea, modelul de culoare, tipul imaginii, numărul de benzi,tipul de compresie și datele imagine.
Rezoluția reprezintă numărul de linii și de coloane al matricii în care este stocată imaginea digitală. Rezoluția este un termen asociat cu toate tipurile de fotografie. Are semnificații diferite, în funcție de contextul în care este folosit. În ceea ce privește camerele digitale, rezoluția (numită și rezoluția de captură a imaginii) se referă la numărul de pixeli din senzorul camerei. Cu cât sunt mai mulți pixeli dintr-un senzor, cu atât este mai mare rezoluția imaginii. În ceea ce privește imprimarea digitală, rezoluția se referă la numărul de puncte într-o anumită distanță, de obicei puncte per inch sau DPI. Cu cât sunt mai multe puncte pe inch, cu atât este mai mare rezoluția imprimării [Porumb, 2010].
În ceea ce privește fotografierea aerienă verticală, rezoluția (numită și rezoluția la sol sau distanța eșantionului la sol) se referă la suprafața de sol acoperită de un pixel individual. Selectarea rezoluției de sol dorite este un factor important pentru a decide când se comandă imagini aeriene verticale.
Pentru a înregistra imaginile trebuie să se țină cont de regiunea din teren reprezentată de un pixel ( rezoluția spațială), numărul de valori posibile cu care se poate cuantiza un fenomen( rezoluția radiometrică), intervalul din spectrul electromagnetic( rezoluția spectrală) și de intervalul de preluare de imagini al sistemelor de înregistrare ( rezoluția temporală). De obicei, se are în vedere o rezoluție spațială superioară pentru a putea observa mai multe detalii din teren și o rezoluție spectrală pentru a extrage doar informațiile necesare unor anumite proiecte.
Tipuri de rezoluții
Rezoluția spațială
Rezoluția spațială reprezintă aria efectivă a pixelului la sol și se exprimă, de obicei, în metri pe pixel. Rezoluția spațială este o măsură a zonei sau a mărimii celei mai mici dimensiuni de pe pământ, suprafață în care poate fi efectuată o măsurare independentă de către senzor [Alniței, 2011].
Imaginile în care se disting doar obiectele de dimensiuni mari sunt întregistrări cu rezoluția spațială grosieră, iar imaginile în care se pot vedea entități mici și identificabile sunt înregistrări cu rezoluția spațială fină.
Fig. . Imagine cu rezoluția spațială grosieră și imagine cu rezoluția spațială fină
Sursă: http://gis.humboldt.edu/club/Images/Documents/lecture7.pdf
Câmpul Instantaneu de Vedere, numit și IFOV (Instantaneus Field Of View) influențează rezoluția spațială a unui senzor pasiv instalat pe o platformă aeriană sau satelitară, adică e în strânsă dependență cu aceasta. IFOV este conul unghiular de vizibilitate a senzorului sau suprafața de pe suprafața Pământului care se vede la un moment dat. IFOV depinde de altitudinea senzorului deasupra nivelul solului și unghiul de vizualizare al senzorului. Un unghi îngust de vizualizare produce un IFOV mai mic.
O altă noțiune ce trebuie amintită în studiul rezoluției spațiale este Câmpul Instantaneu de vedere proiectat la teren (GIFOV – Ground-projected Instantaneous Field of View), care așa cum sugerează numele este acel eșantion din teren ce poate fi reprezentat pe imagine de un singur pixel. Ambele concepte sunt explicate pe cale grafică în figura următoare:
Fig. . Descriere geometrică a unui senzor optic
În figura de mai sus, distanța focală f și lățimea detectorului w au fost exagerate relativ cu înălțimea H pentru a garanta claritatea. Parametrul unghiular IFOV are dimensiuni proporționale cu scara celor două spații, obiect și imagine, egală cu f/H (mărire geometrică). Parametrul GIFOV este fluctuant în timpul înregistrării, așa încât dacă se înregistrează la o distanță mai mare față de nadir cu atunci GIFOV crește, noțiunea fiind numită și creștere a pixelului (engl. pixel growth). IFOV este independent de altitudinea de operare (H) și menține o valoare constantă atât în spațiu imagine cât și spațiul obiect. Se determină pentru un singur element detector cu relația de mai jos:
(1.1)
Parametrul GIFOV depinde de valorile altitudinii, distanței focale și lățimii elementului detector. Relația de calcul pentru GIFOV este dată de formula următoare:
(1.2)
Relația dintre cei doi parametri se poate vedea și în figura de mai jos :
Fig. . Relația dintre IFOV și GIFOV
În cazul fotogramei analogice se utilizează ca unitate de măsură metri pe perechea de linii, putându-se exprima o relație între cele două tipuri de rezoluție.
(1.3)
Rezoluția spațială se exprimă în numărul de puncte pe unitatea de lungime sau în dots per inch(DPI).
Fiecare înregistrare are o anumită rezoluție spațială, după cum urmează:
SPOT4- pentru o suprafață de 10 m x 10 m, rezoluția spațială este de 10m/pixel.
IFOV- rezoluția spațială este de 79 m x 79m.
LANDSAT MSS-rezoluția spațială este de 57 m x 79 m.
Pe baza rezoluției spațiale, sistemele prin satelit pot fi clasificate după cum urmează.
Sisteme de rezoluție redusă;
Sisteme de rezoluție medie;
Sisteme de înaltă rezoluție;
Sisteme de rezoluție foarte înaltă.
Sistemele de teledetecție cu rezoluție spațială mai mare de 1 km sunt în general considerate sisteme cu rezoluție scăzută. MODIS și AVHRR sunt unii dintre senzorii cu rezoluție foarte scăzută utilizați în teledetecția prin satelit.
Atunci când rezoluția spațială este între 100 m – 1 km, sistemele sunt considerate sisteme de rezoluție moderate. IRS WiFS (188 m), banda 6, adică termică infraroșu din Landsat TM (120m) și benzile 1-7 din MODIS având rezoluția 250- 500 de metri se află sub această clasă.
Sisteme de teledetecție cu rezoluție spațială aproximativă în gama 5-100 m sunt clasificate ca sisteme de înaltă rezoluție. Landsat ETM + (30 m), IRS LISSIII (23 m MSS și 6 m Pancromatic) și AWiFS (56-70 m), SPOT 5 (2,5-5 m Pancromatic) sunt unii dintre senzorii de înaltă rezoluție.
Sistemele cu rezoluție foarte ridicată sunt cele care oferă o rezoluție spațială mai mică de 5 m. GeoEye (0,45 m pentru Panchromatic și 1,65 m pentru MSS), IKONOS (0,8-1 m Panchromatic) sunt exemple de sisteme de înaltă rezoluție.
O altă clasificare a rezoluției spațiale se stabilește în funcție de sateliții utilizați:
sateliți militari: au o rezoluție extrem de ridicată deoarece oferă foarte multe detalii. Se estimeaza că acești sateliți au o rezoluție mai mică de 0.1 m.
Programul spațial militar este un aspect important, dar în mare parte nevăzut al operațiunilor spațiale, acesta fiind reprezentat de Corona, Keyhole, Lacrosse, GeoEye-1;
Fig. . Imagini surprinse cu satelitul GeoEye-1
Sursă:https://media.defenseromania.ro/image/201809/w670/vostok_satelit_2_80183400.jpg
sateliți civili comerciali: nu au rezoluția foarte fină, dar se apropie de rezoluția sateliților militari. Acești sateliți sunt produși de diverse firme civile și furnizeaza publicului înregistrări ale suprafeței Pământului.
Rezoluția spectrală
Rezoluția spectrală descrie capacitatea unui senzor de a defini intervale de lungimi de undă fine. Cu cât este mai bună rezoluția spectrală, cu atât este mai mică intervalul de lungime de undă pentru un anumit canal sau bandă.
Filmul alb-negru(pancromatic) înregistrează lungimi de undă care se extind asupra multor părți ale spectrului electromagnetic sau asupra întregii părți vizibile. Rezoluția sa spectrală este destul de grosieră, deoarece diferitele lungimi de undă ale spectrului vizibil nu sunt distinse individual și se reprezintă reflectanța globală în întreaga porțiune vizibilă. Filmul color este, de asemenea, sensibil la energia reflectată peste partea vizibilă a spectrului, dar are o rezoluție spectrală mai mare, deoarece este individual sensibilă la energia reflectată la lungimile de undă albastru, verde și roșu ale spectrului. Astfel, ea poate reprezenta caracteristici de diferite culori bazate pe reflexia lor în fiecare din aceste intervale distincte de lungimi de undă.
Multe sisteme de detectare la distanță înregistrează energie pe mai multe intervale separate de lungimi de undă la diferite rezoluții spectrale. Acestea sunt numite senzori multispectral și vor fi descrise în detaliu în secțiunile următoare. Senzorii multispectral avansați, numiți senzori hiperspectrali, detectează sute de benzi spectrale foarte înguste în porțiunile vizibile, în infraroșu și în mijlocul infraroșilor din spectrul electromagnetic. Rezoluția spectrală foarte ridicată facilitează o discriminare fină între diferite ținte pe baza răspunsului lor spectral în fiecare dintre benzile înguste.
Rezoluția spectrală este sensibilitatea unui senzor de a răspunde la un anumit interval de frecvență ( în special pentru senzori prin satelit și în aer). Intervalele de frecvență acoperite adesea includ nu numai lumina vizibilă, ci și lumina non-vizibilă și radiația electromagnetică. Obiectele din teren pot fi identificate prin diferite lungimi de undă reflectate ( interpretate ca diferite culori), dar senzorul utilizat trebuie să poată detecta aceste lungimi de undă pentru a vedea aceste caracteristici.
Rezoluția spectrală a unui senzor specifică numărul de benzi spectrale în care senzorul poate colecta strălucirea reflectată. Alegerea sau numărul de benzi spectrale necesare va depinde de aplicarea utilizării. Curbele de reflexie spectrală sau semnăturile spectrale ale diferitelor tipuri de ținte de la sol furnizează baza de cunoștințe pentru extragerea informației. Măsurătorile de reflexie pot contribui la descoperirea conținutului mineral al rocilor, a umidității solului, a sănătății vegetației, a compoziției fizice a clădirilor și a mii de alte detalii invizibile.
Fig. . Diferențierea pe benzi a fiecărui tip de senzor
Sursă:https://gisgeography.com/multispectral-vs-hyperspectral-imagery-explained/
După cum se remarcă în figura anterioară, nu există limite între regiunile spectrului, delimitările fiind doar aproximative. Totuși, există câteva regiuni importante ale spectrului:
Razele gamma: se folosesc pentru tratarea cancerului;
Ultraviolet (UV): lungimea de undă este cuprinsă între 3 și 400 nm, fiind utilizat în situația spectometrelor de observare solară;
Razele X: sunt utilizate în medicină;
Infraroșu (IR) : lungimea de unda, l, este cuprinsă între 0.7 și 300 mm și este reprezentat de radiația corpului uman, putând să detecteze organismele vii atunci când nu există vizibilitate.
Microunde: l are valori cuprinse între 1 mm și 1 m;
Radar: lungimea de undă are valori între 10 cm și 1 km și se folosește pentru preluarea imaginilor SAR.
Rezoluția radiometrică
Pentru a putea defini rezoluția radiometrică, trebuie să se clarifice conceptul de nivel de culoare sau de gri.
Nivelul de gri reprezintă energia radiantă a unui domeniu spectral electromagnetic, fiind măsurată de un senzor de teledetecție pentru un element imagine, numit și pixel. Acesta se folosește pentru a vizualiza o întregistrare de teledetecție, deoarece se poate determina datorită valorii acestuia, nivelul de gri.
Rezoluția radiometrică se referă la cea mai mică variație a nivelului de intensitate care poate fi detectată de sistemul de detectare. Rezoluția radiometrică intrinsecă a unui sistem de detectare depinde de raportul semnal / zgomot al detectorului. Într-o imagine digitală, rezoluția radiometrică este limitată de numărul de niveluri de cuantizare discrete utilizate pentru a digitiza valoarea intensității continue.
Signatura color la nivel de pixel se formează prin combinarea a trei niveluri de gri în sistemul RGB. Prin conversia valorii tentei de gri la nivel de pixel se poate calibra și eșantiona o imagine. Se pot separa nivelurile de gri prin aplicarea corecțiilor radiometrice, precum modificarea contrastului, alterarea luminozității și saturației. Un sistem de coordonate (x, y) care stabilește locația pixelilor și o funcție g în care este stocată valoarea nivelului de gri pentru pixelii respectivi descriu numeric o imagine. Rezoluția radiometrică a imaginii influențează numărul nivelelor de gri și se definește ca abilitatea unui senzor de a evidenția variații foarte mici în energia electromagnetică provenită de la un corp. Dacă senzorul este mai sensibil în a găsi deosebiri din energia electromagnetică emisă de obiectele situate pe suprafața Pământului atunci rezoluția radiometrică este mai fină.
Pentru o imagine pancromatică se memorează valori cuprinse între 0 (negru) și 255 (alb), datele imagistice fiind înregistrate în format binar, numărul de biți fiind egal cu nivelele de gri care sunt cuprinse între 0 și o putere a lui 2 minus o unitate. Valoarea maximă de 255 se determină folosind relația 28 -1=255.
Pentru a găsi numărul maxim de nivele de strălucire trebuie să se știe numărul de biți utilizați pentru a înregistra energia spectrală. Pentru a afla numărul de biți trebuie să se folosească relația [Răducanu, Răducanu, 2004]:
(1.4)
unde: k=numărul de biți;
N=lungimea domeniului ( numărul treptelor de afișare).
Rezoluția radiometrică este adesea numită contrast. Aceasta descrie capacitatea senzorului de a măsura intensitatea semnalului ( reflectanță acustică) sau luminozitatea obiectelor. Senzorul este sensibil la reflexia unui obiect în comparație cu împrejurimile acestuia, cu cât un obiect mai mic poate fi detectat și identificat.
Rezoluția temporală
În plus față de rezoluția spațială, spectrală și radiometrică, conceptul de rezoluție temporală este, de asemenea, important de luat în considerare într-un sistem de teledetecție.
Abilitatea de a colecta imaginile din aceeași zonă a suprafeței Pământului la diferite perioade de timp este unul dintre cele mai importante elemente pentru aplicarea datelor de la distanță.
Caracteristicile spectrale ale obiectelor și fenomenelor se pot modifica în timp, aceste schimbări pot fi detectate prin colectarea și compararea imaginilor multitemporale. De exemplu, în timpul sezonului de vegetație, cele mai multe specii se află într-o stare continuă de schimbare, iar capacitatea de a monitoriza aceste schimbări subtile folosind teledetecția depinde de momentul și frecvența colectării de imagini. Prin imagistica pe o bază continuă în timpuri diferite, există capabilitatea de a monitoriza schimbările care au loc pe suprafața Pământului, indiferent dacă acestea apar în mod natural (cum ar fi schimbări în vegetația vegetală sau inundații) sau induse de oameni (cum ar fi dezvoltarea urbană sau despăduriri).
Factorul temporal este important atunci când:
plafonul noros oferă vedere limitată a suprafeței Pământului (adesea în tropice);
fenomenele de scurtă durată (inundații, alunecări de teren, defrișări etc.) trebuie să fie înregistrate;
sunt necesare comparații multitemporale (răspândirea unei boli de pădure de la un an la altul, studii despre retragerea ghețarilor an de an);
schimbarea, în timp, a aspectului unei caracteristici poate fi utilizată pentru a o deosebi de caracteristicile apropiate (grâu / porumb).
Rezoluția temporală depinde de câțiva factori: cât timp este nevoie ca un satelit să se întoarcă la (aproximativ) aceeași locație în spațiu, banda senzorului (legată de amprenta sa) și dacă senzorul poate fi sau nu îndreptat spre nadir. Aceasta este mai formal cunoscută sub numele de "perioada de revizie".
Rezoluția temporală absolută a unui sistem de teledetecție pentru a vizualiza aceeași zonă la același unghi de vizionare pentru a doua oară este egal cu ciclul de repetare al unui satelit. Ciclul de repetare a unui satelit cu orbită aproape polară este, de obicei, de mai multe zile, de exemplu, pentru IRS-1C și Resourcesat-2 este de 24 de zile, iar pentru Landsat este de 18 zile.
Datele imagine sunt valorile pixelilor care reprezintă o matrice , iar fiecare element se indexeaza linie cu linie, acesta având o poziție unică în imagine. Dimensiunea reprezintă numărul de pixeli și numărul de biti stabilit pentru valoarea fiecărui pixel. De exemplu, pentru o imagine cu dimensiunea de 1000×1000 de pixeli, fiecare pixel având alocat un octet pentru reprezentarea culorii, sunt necesari 1.000.000 octeți pentru stocarea pe suport fizic, fără a comprima datele. Prin compresia datelor se poate reduce spațiul necesar pentru memorarea imaginilor, cu posibilitatea de a nu pierde informații.
Imaginile digitale au câteva caracteristici de bază. Cea mai importantă caracteristică a imaginii digitale o reprezintă tipul acesteia. De exemplu, o imagine alb-negru înregistrează numai intensitatea luminii care se încadrează pe pixeli.
O imagine color poate avea trei culori, în mod normal RGB (roșu, verde, albastru) sau patru culori, CMYK (cyan, magenta, galben, blacK). Imaginile RGB sunt de obicei utilizate în monitoarele de calculator și scanere, în timp ce imaginile CMYK sunt utilizate în imprimante color.
Pentru a reprezenta o imagine pe calculator avem următoarele metode [Nițu,1995]:
pentru imaginile monocrome în care avem doar o singură bandă dintr-o imagine multispectrală utilizăm nuanțele de gri;
pentru imaginile care au cele trei benzi spectrale( roșu,verde și albastru) folosim color sau fals – color.
pentru stabilirea valorilor fiecărui pixel sub forma unui index într-un tabel cu valorile RGB folosim paleta de culori.
METODE ȘI SISTEME DE ÎNREGISTRARE DIGITALĂ
Date fotogrammetrice digitale
Datele fotogrammetrice digitale sunt alcătuite din imagini digitale realizate prin intermediul senzorilor de teledetecție sau a camerelor fotogrammetrice aeriene, cât și prin alte date folosite pentru prelucrarea imaginilor ( puncte de control la teren , informații despre orientarea senzorilor în momentul fotografierii).
Pentru a se obține imagini fotogrammetrice și de teledetecție se folosesc sisteme de captare digitale ce nu intră în contact direct cu zona cercetată. Imaginile digitale se pot clasifica în funcție de tehnica de obținere a imaginilor [ Porumb, 2010]:
tehnici active, prin intermediul cărora undele electromagnetice trimise de sistemul de captare sunt trimise către suprafața terestră, unele dintre ele fiind retrodifuzate și captate de antenă.
tehnici pasive, în cadrul cărora radiația emisă de către Pământ și radiația solară reflectată de către suprafața terestră se captează și se înregistrează.
După gradul de prelucrarea ale imaginilor digitale avem două tipuri de imagini:
imagini inițiale (brute, neprelucrate), dau informații primare despre starea din momentul observării unui obiect și reies prin înregistrarea rezultatului legăturii materie-radiație pe un dispozitiv de stocare;
imagini prelucrate preliminar, care trec prin transformări de corectare radiometrică și geometrică, imaginile obținute nefiind interpretate. Aceste operații sunt indispensabile și comune tuturor senzorilor, simultan cu datele brute înregistrate la bordul avionului sau comunicate de satelit.
Luând în considerare caracteristicile de bază ale senzorilor și parametrii orbitali specifici mișcării platformelor pe care acestea sunt situate, datele digitale ale teledetecției trebuie să treacă printr-o prelucrare primară specifică, care face parte din categoria calibrărilor geometrice și radiometrice (datorită influenței atmosferice). Aceste procese preliminare realizate la sol după primirea datelor au drept scop corectarea erorilor sistematice din lanțul de achiziții. Pentru a explica aceste operațiuni, setul de procese poate fi organizat după cum urmează:
transformări radiometrice – necesare pentru corecțiile de eroare datorate măsurătorilor și variabilității caracteristicilor de mediu, precum și pentru calibrarea absolută a datelor cu scopul de a restabili echilibrul energetic așa cum a fost măsurat la începutul sezonului;
transformări geometrice – obligatorii pentru corecțiile distorsiunilor geometrice introduse de sistemul de colectare a datelor sau pentru cerințele specifice utilizatorului.
În corecțiile radiometrice și geometrice, distingem următoarele elemente: forma și rotația Pământului, dinamica captorului, înălțimea și azimutul Soarelui . Imaginile prelucrate preliminar sunt valorificate pentru a fi prezentate cu intervenția analistului. Prelucrarea datelor face parte dintr-un proces interactiv între analist și calculator, fiind necesar utilizarea unui software specializat și a unui calculator puternic.
Aceste operațiuni sunt obligatorii pentru a putea corecta erorile și limitările specifice sistemului senzorial, pentru a diminua efectele atmosferice, dar și pentru a corecta și adapta geometria imaginilor astfel încât, ulterior, în faza de utilizare, acestea să poată fi integrate într-un sistem informațional prin utilizarea mai multor parametri geografici compatibili cu sistemul de cartografiere stabilit de utilizator. Cu alte cuvinte, atât fotogrammetria cât și teledetecția permit o analiză generală pe suprafețe mari ale terenului și o evidențiere în comparație cu imaginile anterioare ale schimbărilor care au avut loc în topografia zonelor de interes.
Cel mai important avantaj al datelor fotogrammetrice digitale este că pentru o zonă accesibilă zborului se pot colecta imagini de la diferite înălțimi, putându-se urmări obiecte și fenomene la scară globală [Alniței, 2011].
Există o serie de factori importanți care au determinat obținerea destul de rapidă a datelor digitale în cazul fotogrammetriei și a teledetecției. Unii dintre acești factori pot fi rezumați după cum urmează:
Disponibilitatea unor cantități tot mai mari de imagini digitale de la senzori prin satelit, camere CCD și scanere.
Disponibilitatea unor stații de lucru rapide și puternice / calculatoare cu multe periferice hightech inovatoare și de încredere, cum ar fi dispozitive de stocare, monitoare de culoare reale, transfer rapid de date și tehnici de compresie / decompresie.
Integrarea tuturor tipurilor de date într-un sistem informațional unificat și cuprinzător, cum ar fi GIS.
Aplicații în timp real, cum ar fi controlul calității și robotică.
Proiectarea asistată de calculator (CAD) și aplicațiile industriale.
Metode de obținere a fotogramelor digitale
Senzori utilizați pentru obținerea datelor
O fotogramă digitală se poate obține prin scanarea fotogramelor analogice ( metoda indirectă) sau cu ajutorul sistemelor digitale de captare ( metoda directă).
Din punct de vedere fizic imaginea digitală a unei fotograme poate fi considerată ca o suprafață bidimensională descompusă în elemente de imagini (pixeli), fiecare element fiind caracterizat de un anumit nivel de gri sau densitate optică [Răducanu, Răducanu, 2004].
Procesul prin care se obține fotograma digitală este ilustrat în schema din Fig. 2.1.
Fig. . Conversia semnalului analogic în semnal digital la formarea fotogramelor digitale
Aceste fotograme se împart în două categorii: fotograme cu geometrie constantă și fotograme cu geometrie variabilă. Fotogramele cu geometrie constantă se obțin cu ajutorul fototeodolitelor sau camerelor aerofotogrammetrice, fiind realizate dintr-o unică expunere. Fotogramele cu geometrie variabilă se realizează prin metoda de baleiere folosind senzori optico-mecanici sau opto-electronici.
Imaginile sunt principala sursă de procesare a datelor fotogrammetrice. Prin urmare, senzorii folosiți pentru obținerea datelor reprezintă o parte elementară a lanțului fotogrammetric de procesare. În general, imaginile sunt preluate de senzori prin satelit, în aer sau terestru pentru aplicații fotogrametrice, cum ar fi modelarea terenului și achiziționarea de date topografice. Aceștia indică stadiul actual al tehnicii și se concentrează pe tendința puternică de înregistrare digitală a imaginilor.
Un senzor este definit ca un dispozitiv sau un modul care ajută la detectarea oricăror modificări ale cantității fizice, cum ar fi presiunea, forța sau cantitatea electrică, curentul sau orice altă formă de energie. După observarea modificărilor, senzorul trimite intrarea detectată către un microcontroler sau microprocesor.
În funcție de tipul de energie pe care o detectează, senzorii se pot clasifica după cum se poate vedea în figura următoare:
Fig. . Tipuri de senzori existenți
Senzorii activi oferă surse proprii de energie pentru a ilumina obiectele pe care le observă. Un senzor activ emite radiații în direcția țintă care trebuie investigată. Senzorul detectează și măsoară radiația care este reflectată sau retroscrisă de la țintă. Avantajele senzorilor activi includ abilitatea de a obtine masuratori oricand, indiferent de ora din zi sau de sezon. Senzorii activi pot fi utilizați pentru examinarea lungimilor de undă care nu sunt suficient furnizate de soare, cum ar fi microundele, sau pentru a controla mai bine modul în care o țintă este iluminată. Cu toate acestea, sistemele active necesită generarea unei cantități destul de mari de energie pentru iluminarea adecvată a țintelor.
Fig. . Senzor activ
Sursă: https://i1.wp.com/grindgis.com/wp-content/uploads/2017/05/image-15.png
Senzorii pasivi, pe de altă parte, detectează energia naturală (radiația) care este emisă sau reflectată de obiectul observat. Lumina reflectată a Soarelui este cea mai obișnuită sursă de radiație măsurată de senzorii pasivi. Majoritatea senzorilor activi funcționează în porțiunea cu microunde a spectrului electromagnetic, ceea ce le face capabili să pătrundă în atmosferă în majoritatea condițiilor. Senzorii pasivi includ diferite tipuri de radiometre și spectrometre. Majoritatea sistemelor pasive utilizate în aplicațiile de teledetecție funcționează în porțiunile vizibile, în infraroșu, în infraroșu termic și microunde ale spectrului electromagnetic. Nu există energie reflectată de soare disponibilă noaptea. Energia care este emisă în mod natural (cum ar fi infraroșu termic) poate fi detectată zi sau noapte, atâta timp cât cantitatea de energie este suficient de mare pentru a fi înregistrată.
Fig. . Senzor pasiv
Sursă: https://i2.wp.com/grindgis.com/wp-content/uploads/2017/05/image-14.png
Înregistrarea imaginilor digitale se realizează în funcție de următorii senzori [Răducanu, Răducanu, 2004]:
senzori optico- mecanici de baleiaj unde imaginea se alcătuiește în spațiul obiect , pixel cu pixel , baleiajul realizându-se în mod liniar, circular sau eliptic, redând o înregistrare cu geometrie variabilă;
senzori opto-electronici liniari , în care imaginea se formează prin baleiaj linie cu linie, denumindu-se și senzori de tip CCD ( Charge Coupled Device-dispozitiv cu cuplare prin sarcină);
senzori opto-electronici CCD bidimensionali care produc imagini de suprafață.
Sisteme pasive de detectare la distanță
În funcție de numărul dispozitivelor videocaptoare din sistemele digitale de captare a imaginilor fotogrammetrice există trei tipuri de captori pasivi.
Scanner-ul e un radiometru de scanare care, atunci când este operat de o platformă aeriană sau spațială, imaginea din teren fiind în una sau mai multe benzi spectrale. Scanerele mecanice sunt senzori optico-mecanici care folosesc o oglindă sau o prismă pentru a focaliza radiațiile ultraviolete, vizibile sau infraroșii, de lungime de undă sau combinații ale acestor lungimi de undă, de la sol la unul sau mai multe detectoare. Oglinda sau prisma se rotește sau oscilează, scanarea unei linii de radiații fiind, de obicei, perpendiculară pe direcția de zbor . Noile linii adiacente sunt scanate pe măsură ce platforma se înaintează. Fiecare linie este de obicei înregistrată digital și uneori afișată direct pe un monitor.
Fig. . Formatul de colectare a datelor pentru un scaner mecanic (whiskbroom).
Sursă:http://ceeserver.cee.cornell.edu/wdp2/cee6100/6100_monograph/mono_08_F15_scanners%20&%20orbital%20mech.jpeg
Scannerul de tip pushbroom (detectori în linie), cunoscut și sub numele de senzor de matrice liniară, este un scanner fără o oglindă mecanică de scanare sau chiar orice piese în mișcare. În schimb, acesta dispune de o gamă liniară de senzori, având câte unul pentru fiecare zonă prelevată la sol. Dispozitivele cuplate cu încărcare (CCD) sunt de obicei utilizate pentru senzori. Acest lucru permite scanner-ului cu pulverizare să înregistreze simultan o linie a imaginii, această linie fiind perpendiculară pe direcția de zbor. În același mod ca și scannerele mecanice, mișcarea înainte este realizată prin direcția de zbor a platformei [Porumb, 2010].
Avantajul acestui tip de scanner îl constituie calitatea geometrică rezultată , care este mai bună decât în cazul scannerului de tip „whiskbroom”, iar dezavantajul principal îl reprezintă faptul că sistemul optic este mai complex, existând probleme la egalizarea radiometrică. Tehnica pushbroom este utilizată atât în cazul sateliților cu senzori pasivi, cât și în cazul camerelor aerofotogrammetrice digitale (Leica ADS80).
Fig. . Scanner de tip „pushbroom”
Sursă: http://web.pdx.edu/~nauna/resources/15-sensors.jpeg
În tabelul de mai jos se compară senzorul de tip whiskbroom și senzorul de tip pushbroom.
Tabel Comparațiile între scanner-ele „pushbroom” și „whiskbroom”
Matricea de detectori este un senzor care se folosește la camerele fotogrammetrice digitale aeropurtate, putându-se achiziționa dintr-o singură prezentare, fiecare pixel având un detector. Calitatea imaginilor obținute este mai bună, dar etalonarea radiometrică a senzorului la teren este mai greu de realizat.
Fig. . Principiul de achiziție al captorilor cu matrice de detector
Pentru a obține imagini color rezultate de la matricea de detectori trebuie să folosim următoarele metode [Porumb, 2010] :
pentru camerele fotogrammetrice digitale cu filtru Bayer se folosește expunerea pe o singură matrice CCD, unde fiecare element al acestui senzor colectează informația pentru o unică culoare, celelalte două culori, având valori obținute pe baza pixelilor vecini, adică prin interpolare.
pentru camerele fotogrammetrice digitale cu filtru roată se utilizează o singură matrice de tip CCD, având trei expuneri, iar imaginea color fiind rezultată prin combinarea celor trei expuneri succesive cu ajutorul filtrelor de culoare roșu, verde și albastru.
pentru camerele fotogrammetrice digitale cu prisme optice se folosește o singură expunere pe trei matrici CCD, în care fiecare culoare este proiectată pe o singură matrice, acestea având rolul de a separa lumina care trece prin obiectiv, transformându-o în cele trei culori : roșu, verde și albastru.
Un exemplu de cameră fotogrammetrică care folosește acest tip de senzor este Vexcel UltraCam Eagle Mark 3. Aceasta este produsă de compania Vexcel Imaging .
Fig. . UltraCam Eagle M3
Sursă: https://www.vexcel-imaging.com/wp-content/uploads/2017/10/2017-10-03_UCEM3_v2-1114×668.jpg
UltraCam Eagle M3 este singurul senzor care oferă posibilitatea de a captura imagini de 10 cm la 5000 m deasupra solului. Ultimele tehnologii CCD care utilizează o dimensiune a pixelilor de 4,0 μm conduc la o amprentă mai mare și la zboruri mai eficiente. Zgomotul nedorit în zonele umbroase ale imaginii este semnificativ redus printr-un raport de semnal-zgomot fără egal, făcut posibil prin intermediul senzorilor de imagine personalizați. Aceasta are o eficiență mai mare, cuprinzând mai multe domenii: de la aplicații de inginerie la altitudini joase la proiecte de ortofotogrammetrie de înaltă altitudine. Clienții pot schimba sistemele de lentile pe baza nevoilor lor de misiune.
Sistemul cu lentile schimbabile cu patru lungimi focale – 80mm, 100mm, 120mm, 210mm, permite utilizatorului să selecteze obiectivul potrivit pentru fiecare lucrare. Pentru proiectele care necesită o rezoluție ridicată peste zonele cu restricții de altitudine, obiectivul de 210 mm este ideal pentru colecția de ortofotografie la mare altitudine, în timp ce obiectivul de 80 mm este foarte potrivit pentru aplicații fotogrametrice cu colectare la altitudini joase.
Specificații tehnice:
Tabel Specificațiile tehnice ale camerei UltraCam Eagle M3
Camera preia imagini de o calitate superioară, fiind foarte flexibilă și productivă în cadrul înregistrării aeriene și având o precizie geometrica mai bună ca ± 2 μm.
Sisteme active de detectare la distanță
Sistemele active de detectare la distanță nu depind de proprietățile termice ale Pământului. Senzorii își creează propria energie electromagnetică care:
este transmisă de la senzor spre teren;
interacționează cu terenul, producând un backscatter de energie;
este înregistrat de receptorul senzorului la distanță.
Cele mai utilizate sisteme de detectare la distanță activă includ:
RADAR (Detectarea și Raza de Detectare Radio) care se bazează pe transmiterea lungimii de undă lungă (de exemplu, 3-25 cm) prin atmosferă și apoi înregistrarea cantității de energie din teren. Începutul tehnologiei RADAR folosea unde radio. Deși sistemele radar utilizează acum microunde de energie în loc de undă radio, acronimul nu a fost niciodată schimbat. Exemplu: Radarul cu apertură sintetică (SAR).
LIDAR (Detectarea și măsurarea luminii), care se bazează pe transmisia unei lămpi laser cu lungime relativ redusă (de exemplu, 0,90 μm) și apoi înregistrarea cantității de lumină din teren.
SONAR (Zona de navigație sonoră), care se bazează pe transmiterea undelor sonore printr-o coloană de apă și apoi determinarea de la suprafață a poziției obiectelor aflate sub apă.
Radarul cu apertură sintetică
Un radar cu apertură sintetică (SAR) scanează suprafața Pământului prin radiații cu microunde. Antena SAR transmite impulsuri cu microunde și primește ecou de la suprafață. Pe baza acestui ecou, pot fi produse date de imagine de înaltă rezoluție și produse de date.
Fig. . SAR orientat perpendicular pe direcția de zbor
Sursă:https://media.asf.alaska.edu/uploads/about%20sar%20and%20insar/nasa_illustration_basic_sar_look_angle_more.jpg
Tehnologia SAR are câteva caracteristici speciale în comparație cu alte metode de detectare prin teledetecție. Pe de o parte, este posibilă observarea suprafeței Pământului chiar și în zilele noroase și în timpul nopții. Pe de altă parte, pot fi derivate variabilele fizice, cum ar fi diferențele de lungime a traseului, în direcția de vizualizare a antenei SAR. Proprietățile principale sunt rugozitatea suprafeței, proprietățile geometrice și dielectrice, afectate în principal de umiditatea suprafeței.
Radarele cu apertură sintetică au și urmatoarele proprietăți:
au capacitate de înaltă rezoluție (independent de altitudinea de zbor);
dau independența meteorologică prin selectarea unui interval de frecvență adecvat;
posedă capacitatea de imagistică zi / noapte datorată iluminării proprii;
sunt complementare sistemelor optice;
semnătura de polarizare poate fi exploatată (structura fizică, constanta dielectrică);
Tehnicile coerente de imagistică pentru formarea imaginii SAR au implicat împărțirea datelor (în domeniul timpului) în subfișiere. Datele din fiecare subdiviziune sunt folosite pentru a forma imagini cu rezoluție scăzută care sunt combinate coerent pentru a forma imaginea finală de înaltă rezoluție. Tehnica de imagistică a cărei implementare este prezentată este denumită transformarea pasului.
Imaginile SAR sunt realizate printr-un sistem activ care trimite un semnal de microunde de la o platformă a senzorului la sol și detectează undele care se reflectă direct înapoi către un receptor de pe aceeași platformă și poate fi suportat de către oricare dintre avioane sau sateliți. Când sursa și receptorul se află pe aceeași platformă, se spune că radarul este monostatic. Dacă sursa și receptorul se află pe diferite platforme, se spune că radarul este bistatic.
SAR a fost mult timp dedicata aplicațiilor din domeniul militar. În ultimii ani tehnologia radar a început să se utilizeze și în domeniu comercial datorită aplicațiilor in telecomunicatii, exploatării petrolului si agriculturii. Aceste aplicatii se extind aproape zilnic pe masură ce se dezvoltă noi tehnologii și apar idei inovatoare. SAR s-a dezvoltat în numeroase domenii precum :
Topografie (generare DEM cu interferometrie)
Oceanografie (spectrul valurilor, viteza vântului, curenții oceanici)
Glaciologie (umiditate în zăpadă, echivalentul apei de zăpadă, monitorizarea ghețarului)
Agricultura (clasificarea culturilor, umiditatea solului).
Geologie (datare geologică, imagistică subterană). Unele caracteristici geologice sau geomorfologice sunt îmbunătățite în imaginile radar datorită vizibilității oblice a senzorului și capacității sale de a penetra (într-o anumită măsură) acoperirea vegetației.
Silvicultura (înălțimea pădurii, biomasa, defrișarea)
Mutarea indicării țintă (MTI)
Monitorizarea vulcanului și a cutremurului (interferometrie)
Monitorizarea mediului (deversări de petrol, inundații, creștere urbană, schimbare globală). Deversările de petrol pot fi detectate ușor deoarece schimbă caracteristicile de dispersie ale oceanului, apărând ca pete negre in imaginile SAR.
Supravegherea și recunoașterea militară ( politică strategică, evaluare tactică)
Interferometrie (3-D SAR). SAR-ul interferometric (IFSAR) este o tehnică inovativă care utilizează imagini SAR de la două aperturi separate spațial și masoară diferența de fază între pixelii corespondenți din cele două imagini pentru a aprecia diferența de drum.
Sistemele comerciale SAR sunt monostatice și colectează întotdeauna imagini pe marginea traseului de zbor al platformei senzorilor, spre deosebire de cele mai multe sisteme de imagistică multispectrală, care sunt pasive (constând numai din receptoare de lumină reflectată și radiații termice infraroșii emise).
Deși sateliții SAR comerciali disponibili în prezent, ERS-1 și Radarsat, trimit și recepționează doar o singură frecvență de microunde, este posibil să se construiască sisteme SAR multifrecvente care trimit și recepționează simultan mai multe intervale de frecvențe ale semnalelor radar, similare cu modul în care se colectează scanerele multispectrale mai multe benzi spectrale de lungimi de undă vizibile, reflectorizante în infraroșu și termice cu infraroșu simultan. SAR care trimit atât microundele polarizate pe orizontală cât și pe verticală și primesc atât componentele reflectate orizontale cât și pe verticală ale fiecărui tip de semnal incident pe sol se numesc radare multipolare. Cele mai multe sisteme multispectrale ignoră măsurătorile de polarizare a luminii solare reflectate și a radiației infraroșii termice emise, deși ambele sunt prezente în semnalele pasive provenite de la sol.
Imaginea SAR este un proces de cartografiere cu rezoluție ridicată a reflexiei obiectelor sau a mediilor, pe baza utilizării unui senzor activ, a unui radar care transmite și primește semnale de bandă largă de-a lungul unei traiectorii de măsurare. Aplicarea unui filtru bidimensional adaptat pe semnalul radar măsurat permite ca imaginile SAR să fie focalizate cu o rezoluție semnificativ mai bună oferită de o diversitate spectrală în varietatea spațială și spațială în azimut, crește. Procesul de focalizare 2D folosind proiecția înapoi constă în operațiuni FFT și o sumare iterativă a semnalelor măsurate și compensate.
Radiometria imaginilor SAR poate fi utilizată pentru a măsura numeroase obiecte și parametri de mediu și pentru a cuantifica evoluția temporală a acestora. Cu toate acestea, manipularea imaginilor SAR necesită contabilizarea distorsiunilor geometrice și a efectului de speckle, ambele fiind inerente acestui mod de măsurare. Importanța efectului speckle poate fi redusă prin însumarea realizărilor independente ale reflexiei unui mediu selectat într-un mediu spațial care este mai mult sau mai puțin vast.
Principalele caracteristici ale unei imagini SAR sunt rezoluția și acoperirea sa spațială, pe lângă banda de frecvență, unghiul de incidență și polarizarea emisiei/ recepției a semnalului achiziționat. Utilizarea imaginilor SAR în teledetecție necesită în general calibrări geometrice și radiometrice care pot fi efectuate în conformitate cu procedurile definite de agențiile care furnizează datele.
LIDAR
LIDAR se referă la detectarea și măsurarea luminii și este un sistem activ de detectare la distanță care utilizează lumină sub formă de laser pulsator pentru a măsura intervalele (distanțe variabile) față de Pământ. Aceste impulsuri luminoase, combinate cu alte date înregistrate de sistemul aerian, generează informații precise și tridimensionale despre forma suprafeței terestre și caracteristicile sale de suprafață. Detectarea la distanță este utilizată pentru a structura harta, inclusiv înălțimea vegetației, densitatea și alte caracteristici dintr-o regiune. Lidar măsoară direct înălțimea și densitatea vegetației (precum și a clădirilor și a altor obiecte) pe teren, făcându-l un instrument ideal pentru oamenii de știință care studiază vegetația pe suprafețe mari.
Un sistem Lidar măsoară timpul necesar ca lumina emisă să se deplaseze la sol și înapoi. Acest timp este folosit pentru a calcula distanța parcursă. Distanța parcursă este apoi convertită la altitudine. Aceste măsurători se fac folosind componentele cheie ale unui sistem lidar care include un GPS care identifică locația energiei luminoase X, Y, Z și o unitate de măsură internă (IMU) care oferă orientarea planului pe cer.
Principiul de funcționare al sistemului de detectare și măsurare a luminii este într-adevăr foarte simplu. Avioanele și elicopterele sunt cele mai frecvent utilizate platforme pentru achiziționarea datelor LIDAR pe zone largi. Un senzor LIDAR montat pe un avion sau elicopter generează traiectoria pulsului laser, care a fost trimis la suprafață / ținta pentru a măsura timpul și este nevoie să se întoarcă la sursa sa. Calculul real pentru măsurarea gradului de deplasare a unui foton luminos de întoarcere către și de la un obiect se calculează prin relația:
(2.1)
Distanțele precise se calculează apoi la punctele de pe sol, iar altitudinile pot fi determinate împreună cu clădirile de pe suprafața solului, drumurile și vegetația pot fi înregistrate. Aceste niveluri sunt combinate cu fotografierea aeriană digitală pentru a produce un model digital al terenului.
Un instrument LIDAR constă, în principal, dintr-un laser, un scaner și un receptor GPS specializat. Există două tipuri de sisteme LIDAR: topografice și batimetrice. Topografia LIDAR utilizează în mod obișnuit un laser cu infraroșu apropiat pentru a cartografia terenul, în timp ce LIDARUL batimetric folosește o lungime de undă verde de 532 nm pentru a pătrunde în coloana de apă pentru a măsura elementele de pe fundul apelor și ale albiei.
Fig. . Componente ale sistemelor de detectare și măsurare a luminii
Sistemele LIDAR permit oamenilor de știință și profesioniștilor în cartografie să examineze atât mediile naturale, cât și cele realizate de om cu precizie, precizie și flexibilitate. Oamenii de știință folosesc LIDAR pentru a produce hărți de coastă mai precise, pentru a face modele digitale de cote pentru utilizarea în sistemele informatice geografice, pentru a asista la operațiile de intervenție în caz de urgență și în multe alte aplicații.
LIDAR a dezvoltat aplicații în numeroase domenii:
oceanografie – LIDAR este utilizat pentru calcularea fluorescenței fitoplanctonului și a biomasei în suprafața oceanului. Este, de asemenea, folosit pentru a măsura adâncimea oceanului (batimetrie).
DEM (Model de înălțime digitală) – are coordonatele x, y, z. Valorile de înălțime pot fi utilizate oriunde, în drumuri, clădiri, poduri și altele. Se pot capta ușor înălțimea, lungimea și lățimea suprafeței.
fizica atmosferei – LIDAR este utilizat pentru a măsura densitatea noriilor și concentrația de oxigen, Co2, azot, sulf și alte particule de gaze în atmosfera superioară și mijlocie.
militar – LIDAR a fost întotdeauna folosit de militari pentru a înțelege granița din jurul Pământului. Creează o hartă cu rezoluție înaltă pentru scop militar.
meteorologie – LIDAR a fost folosit pentru studiul norului și a comportamentului acestuia și utilizează lungimea de undă pentru a lovi particule mici în nor cu scopul de a afla densitatea norilor.
evaluarea fluviului folosind LIDAR – lungimea de undă verde a senzorului LIDAR este folosită pentru a măsura informația subacvatică necesară pentru a afla adâncimea, lățimea râului, puterea debitului și multe altele. Pentru ingineria râurilor, datele secțiunii transversale sunt extrase din datele de detectare și măsurare a luminii (DEM) pentru a crea un model de râu, care va realiza o hartă a flăcărilor de inundații.
micro-topografie – detectarea și măsurarea luminii este o tehnologie foarte precisă și clară, care utilizează pulsul laser pentru a lovi obiectul. Fotogrammetria obișnuită sau altă tehnologie a anchetei nu poate da valoarea de înălțime a suprafeței de acoperire a pădurii, dar LIDAR poate pătrunde prin obiect și poate detecta valoarea suprafeței.
SONAR
SONAR este un sistem care trimite unde sonore pentru a localiza obiecte sub suprafața apei.
În majoritatea aplicațiilor, se folosește lumina ca mijloc de transmitere a informațiilor de la un loc la altul, deoarece călătorește la distanță mare la viteză mare. Cu toate acestea, lumina nu putea călători adânc în ocean. Lumina soarelui intrată în apă poate călători numai la 200 de metri în ocean.
Undele sonore traversează în apă distanțe mai mari decât undele luminoase. Prin urmare, undele sonore sunt folosite pentru a detecta obiectele din ocean. Oceanul este împărțit în trei zone pe baza nivelului de lumină și a zonei de adâncime-lumină solară, a zonei de amurg și a zonei de miez de noapte.
Zona luminoasă a soarelui:
Cei 200 de metri de la suprafața oceanului se numesc zone cu lumină solară. Lumina Soarelui pătrunde până în această zonă. Această zonă găzduiește broaște țestoase marine și mamifere marine. Zona luminoasă a Soarelui este, de asemenea, cunoscută sub denumirea de zonă eufotică. Lumina rareori penetrează dincolo de această zonă.
Zona Amurgului:
Zona cuprinsă între 200 de metri și 1000 de metri este numită zonă de amurg. În această zonă, intensitatea luminii scade rapid, pe măsură ce crește adâncimea. Această zonă este, de asemenea, cunoscută ca zona disfotică.
Zona de noapte:
Zona de sub 1000 de metri este numită zonă de miez de noapte. După cum sugerează și numele, această zonă este foarte întunecată. Nu este introdusă nicio lumină în această zonă. Zona de miezul nopții este, de asemenea, cunoscută sub numele de zona afotică.
Sistemul sonar transmite undele sonore și măsoară timpul necesar undelor sonore pentru a reflecta un obiect îndepărtat și pentru a reveni la sursă. Prin utilizarea acestei tehnici, localizarea obiectului poate fi determinată și mișcarea sa urmărită.
Sistemul sonar este utilizat pe scară largă în aplicațiile maritime. Sistemul sonar este conceput și dezvoltat în primul rând pentru a urmări submarinele inamice ( nave de război) și pentru a localiza mine explozive sub suprafața apei în timpul celui de-al Doilea Război Mondial.
Cu toate acestea, se folosesc sistemele sonar moderne pentru mai multe scopuri, cum ar fi detectarea, identificarea și localizarea submarinelor, pentru a căuta și a cartona obiecte precum naufragiul (distrugerea unei nave), găsirea și cartografierea fundului mării.
Oamenii de știință NOAA (Administrația Națională Oceanică și Atmosferică) folosesc sonarul pentru a dezvolta diagrame nautice, pentru a localiza pericolele subacvatice pentru navigație, pentru a căuta și a cartografia obiecte de pe podeaua mării, cum ar fi naufragiul (distrugerea unei nave).
Frecvențele utilizate în SONAR variază de la frecvențe foarte scăzute (infrasonice) la frecvențe extrem de ridicate (ultrasonice). Senzorii SONAR cu frecvență joasă pot transmite unde sonore la distanțe lungi cu rezoluție redusă, în timp ce senzorii SONAR de înaltă frecvență pot transmite undele sonore la distanțe scurte cu rezoluție înaltă. Sistemele Sonar sunt de două tipuri active și pasive.
Sonarul activ constă în principal din transmițător și receptor. Transmițătorul este utilizat pentru a genera și a trimite unde sonore și pentru a recepționa undele sonore care se întorc înapoi de la obiect. Atunci când transmițătorul și receptorul sunt în același loc, este o operație monostatică. Când transmițătorul și receptorul sunt amplasate separat, este o operație bistatică.
Fig. . Sonar activ
Majoritatea sonarelor utilizează o operație monostatică. Transmițătorul Sonarului activ generează unde sonore sub formă de semnal electric. Traductorul transformă acest semnal electric într-un val de sunet și apoi este trimis în apă. Când acest val de sunet lovește orice obiect din apă, acesta se întoarce. Semnalul care revine din obiect se numește ecou. Când ecoul lovește transductorul de la receptor, acesta convertește acest undă sonoră în semnal electric. Acest semnal electric este amplificat de către receptor și trimis pe ecran.
Sunetul se deplasează cu o viteză constantă în apă. Prin urmare, timpul necesar pentru ca semnalul transmis să lovească obiectul și timpul necesar pentru ecou sau pentru semnalul de întoarcere pentru a lovi receptorul este același.
Distanța față de obiect poate fi calculată prin măsurarea intervalului dintre expunerea undei sonore și atunci când se recepționează undă sonoră reflectată sau ecou. De exemplu, dacă durează 10 secunde pentru a primi semnalul transmis, undele sonore au timp 5 secunde pentru a ajunge la obiect și 5 secunde pentru a reveni la receptor. Viteza medie a undelor sonore în apă este de 1.500 de metri pe secundă. Deci, dacă va dura 5 secunde ca unda sonoră să ajungă la obiect,se presupune că obiectul se află la o distanță de (5 sec x 1500 m / s = 7.500 metri) de 7.500 de metri. În acest fel, sunt capabile să determine direcția spre obiect, precum și distanța.
Unda sonoră sau ecoul reflectat în sistemul sonar activ este foarte distinctă pe baza obiectului. Unele animale din ocean au propriul sistem sonar natural. Delfinii și balenele folosesc sonarul pentru a identifica obiectele subacvatice.
Spre deosebire de sonarul activ, sonarul pasiv nu conține un emițător, acesta conține doar un receptor care recepționează undele sonore. Sonarele pasive nu transmit undele sonore, ci detectează undele sonore care vin spre el. Submarinele, navele și mamiferele marine fac zgomot sau produc unde sonore. Sonarul pasiv va analiza undele sonore recepționate pentru a identifica tipul de navă și pentru a determina direcția, viteza și distanța.
Sonarul este folosit în numeroase aplicații.
Sonarul este utilizat pentru găsirea unui grup de pește (grupul de pești rămâne împreună);
Armata utilizează un număr mare de sisteme solare pentru a detecta, identifica și localiza submarine (nave de război);
Sonarul este utilizat în diverse aplicații științifice, cum ar fi gestionarea vitezei apei, măsurarea undelor și estimarea biomasei;
Scopuri de navigare;
Monitorizarea recifurilor.
BAZA MATEMATICĂ A FOTOGRAMEI
Fotograma este o fotografie specială care îndeplinește condiția (luată din avion sau din puncte înalte), care îndeplinește condiția de a oferi o perspectivă centrală, pe baza căreia se pot face măsurători precise asupra obiectului reprodus și care se folosește mai ales în topografie și în cartografie [Florea Zăvoianu, 1999].
Fotogrammetria este arta, știința și tehnologia de obținere a unor informații fiabile despre obiectele fizice și mediul prin procesele de înregistrare, măsurare și interpretare a imaginilor fotografice și modelelor de energie electromagnetică radiată înregistrată și alte fenomene [Wolf și Dewitt, 2000; McGlone, 2004 ].
Înregistrarea aeriană este sursa de date de bază pentru realizarea hărților prinmijloace fotogrammetrice. Produsele rezultate din misiunile fotogrammetrice sunt fotograme negative. De primă importanță pentru măsurare și interpretare sunt reproducerile pozitive din negative, numite diapozitive.
Mulți factori determină calitatea fotografiei aeriene, cum ar fi:
designul și calitatea sistemului de lentile;
fabricarea camerei;
material fotografic;
proces de dezvoltare;
condițiile meteorologice și unghiurile solare din timpul zborului foto.
Sistemele de coordonate ale fotogramei
Poziția relativă a punctelor în spațiu este definită de un sistem de coordonate de referință. Sistemele de referință utilizate frecvent sunt:
sistemul de coordonate polare (r,Θ , într-un spațiu bidimensional);
sistem geodezic (geografic) de coordonate (latitudine f, longitudine l și înălțimea elipsoidul h);
sistemul de coordonate cartezian (dreptunghiular) (x, y, z).
Cele mai multe operații fotogrammetrice sunt efectuate într-un sistem de coordonate carteziene drepte.
Sistemul de coordonate al fotogramei
Sistemul de coordonate imagine este definit de indicii de referință ai fotogramei. Se consideră că punctul principal H’ coincide cu punctul mijlociu al fotogramei.
Fig. . Sisteme de coordonate ale fotogramei
Există trei tipuri de sisteme de coordonate în care se pot reprezenta coordonatele unui punct pe fotogramă:
coordonate imagine plane, p’(x’,y’) cu originea în punctul principal H’;
coordonate imagine spațiale, p’(x’,y’,z’=-f), originea fiind în centrul de perspectivă O;
coordonate fotogrammetrice, P’(X’,Y’, Z’), cu originea în centrul de perspectivă O, paralel cu sistemul geodezic.
Pentru a putea transforma sistemul spațial (O,x’, y’, -f) în sistemul (O,X,Y,Z) sunt necesare trei rotații spațiale, care conțin elemente unghiulare ale orientării exterioare. Pentru a orienta fotograma, axa Z se presupune a fi paralelă cu verticala locului, iar pentru a studia din punct de vedere matematic fotograma se consideră că centrul de perspectivă este și originea sistemului de coordonate.
Sisteme de coordonate geodezice folosite in fotogrammetrie
În fotogrametrie se folosesc următoarele sisteme:
sistemul de coordonate rectangular local;
sistemul de coordonate geocentric.
Cel mai des este utilizat sistemul de coordonate geocentric, regăsindu-se în numeroase aplicații precum prelucrarea fotogramelor cosmice. Acest sistem este unul cartezian tridimensional cu coordonatele X, Y, Z, oferind o poziționare centrată în mijlocul Pământului și fiind independentă.
Fig. . Sisteme de coordonate geocentric
În fotogrammetria analitică este nevoie de un sistem de coordonate carteziene sau rectangulare care este incompatibil cu coordonatele ortogonale f , l, h care oferă o poziționare tridimensională a punctelor pe suprafața terestră.
Dacă se consideră un punct P de coordonate (XG, YG, ZG) care este corespunzător latitudinii f, longitudinii l și înălțimii h. Pentru a transforma coordonatele geografice în coordonate geocentrice se utilizează următoarele relații [Răducanu, 1993]:
XG=(N+h)cosfcosl
YG=(N+h)cosfsinl (3.1)
ZG=[N(1+e2)+h]sinf
unde a-semiaxa mare;
e-excentricitatea elipsoidului de referință;
N-lungimea normalei la elipsoid:
N=a(1-e2sin2f)-1/2 (3.2)
Aceste coordonate geocentrice se pot transforma mai departe în coordonate topogentrice cu ajutorul relațiilor:
(3.3)
unde NN-punctul nadiral
– transpusa matricei de rotație R=RfRlRA
Elementele de orientare ale fotogramei
Problema fundamentală fotogrammetrică se referă la determinarea parametrilor de orientare interioară și exterioară ai camerei și la coordonatele centrului de perspectivă față de planul fotogramei [McGlone, 1989]. Pentru orientarea interioară, trebuie luate în considerare două seturi de parametri. Primul conține parametrii geometrici ai camerei: distanța principală și coordonatele punctului principal. Al doilea set include parametrii care descriu erorile sistematice (cum ar fi distorsiunile sau deformările filmului). Orientarea exterioară urmărește să definească poziția și rotirea camerei la momentul expunerii.
Elementele de orientare interioară
Scopul principal al orientării interioare este de a defini poziția centrului de perspectivă și curba de distorsiune radială.
Se pot aplica mai multe metode pentru a determina parametrii orientării uneia sau a mai multor fotograme. Orientarea poate fi procesată în pași (orientare relativă și absolută), dar metode simultane (ca ajustări de pachete) sunt acum disponibile în majoritatea pachetelor software. În acest pas, coordonatele punctelor sunt determinate într-un sistem arbitrar de coordonate al stereomodelului. Determinarea punctelor în sistemul de coordonate al obiectului se face într-o a doua etapă, cunoscută ca orientare absolută, prin aplicarea unei transformări tridimensionale de similitudine.
Sistemul de coordonate imagine M(x’, y’) al fotogramei este definit de indicii de referință ai camerei aerofotogrammetrice care sunt înregistrați în același timp cu imaginile zonei de fotografiat. Acest sistem de coordonate conține poziția punctului principal Hʼ(xHʼ, yHʼ) și coordonatele imagine xʼ și yʼ ale punctelor imagine pʼ din cuprinsul fotogramei.
Fig. . Elementele de orientare interioară ale fotogramei
Elementele de orientare interioară sunt [Răducanu, 1993]::
f – distanța focală calibrată a camerei, care produce o distorsiune radială simetrică medie;
, – coordonatele punctului principal H’ în sistemul de coordonate al fotogramei;
curba de distorsiune a camerei aerofotogrammetrice [Răducanu, 1993].
Cele două puncte importante ale unei fotograme: punctul mijlociu, respectiv punctul principal H’ trebuie să coincidă, dar acest lucru nu se întâmplă, deoarece poziția lor diferă cu 0,1÷0.01 mm.
În cazul în care poziția celor două puncte diferă, vectorul care determină poziția punctului p’, numit și vector imagine , are următoarele componente:
(3.4)
Dacă cele două puncte se suprapun , atunci componentele lui sunt:
(3.5)
Elementele de orientare exterioară
Mărimile care determină poziția fotogramei în momentul înregistrării față de terenul fotografiat se numesc elemente de orientare exterioară [Răducanu, Răducanu, 2004].
În fotogrammetrie, trei condiții fundamentale sunt frecvent utilizate pentru a calcula parametrii de orientare exterioară. Aceste condiții sunt cunoscute sub denumirea de colinearitate, coplanaritate și coangularitate. Toate soluțiile bazate pe condițiile menționate până acum utilizează coordonatele punctelor ca date de intrare (acest lucru este valabil chiar și pentru soluțiile liniare bazate pe extracția liniilor fotogrammetrice). Dar, în multe cazuri, informațiile de control disponibile au o altă formă dată ca scenă și / sau constrângeri ale camerei. Utilizarea acestui tip de informație de control caracterizează în general aplicațiile fotogrammetriei non-topografice în care constrângerile geometrice ale camerei, constrângerile geometrice și topologice ale obiectului sunt utilizate ca date de intrare. Problema determinării parametrilor de orientare exterioară în viziunea calculatorului este cunoscută ca o problemă de estimare. Cercetarea în acest domeniu vizează soluții directe la problema estimării posibile prin utilizarea unei cantități minime de informații despre obiect.
În fotogrammetria aeriană, combinația de înregistrări aeriene cu informații existente din bazele de date cadastrale sau GIS este din ce în ce mai utilizată pentru automatizarea orientării exterioare a acestor înregistrări.
Există o tehnică bazată pe extracția și potrivirea automată a caracteristicilor liniare pentru a determina parametrii de orientare absolută și relativă a înregistrărilor aeriene. Această tehnică este interesantă deoarece entitățile liniare sunt caracteristici dominante în fotografiile aeriene (cum ar fi drumurile ) și pot fi extrase automat din fotografii digitale. Entitățile liniare, date într-un cadru geometric 3D de referință, înlocuiesc punctele tradiționale de control. Corespondența trăsăturii liniare omoloage se face automat prin aplicarea unei transformări brute, urmată de o ajustare iterativă, al cărei scop este să obțină cea mai bună potrivire. Parametrii orientării absolute sunt apoi calculați folosind o transformare 3D. Calculul parametrilor de orientare exterior se bazează pe o transformare de perspectivă.
Orientarea exterioară automată poate fi realizată prin combinarea înregistrărilor aeriene cu bazele de date topografice existente [Höhle, Potuckova, 2001]. Coordonatele (X, Y) ale acestor puncte sunt extrase automat dintr-o hartă topografică. În ceea ce privește coordonata (Z), aceasta este extrasă din informațiile de înălțime înregistrate în baza de date topografică. Etapa anterioară este urmată de o extragere automată și de potrivire a punctelor în ambele ortofotografii și fotografii aeriene.
Fig. . Elementele de orientare exterioară ale fotogramei
Coordonatele tridimensionale X,Y,Z dau poziția spațială a fotogramei. Coordonata Z’ coincide cu direcția verticalei locului,iar axele X’ și Y’ definesc un plan orizontal, orientarea acestora coincizând cu axele de coordonate ale sistemului geodezic sau ale unui aparat fotogrammetric de restituție.
Spre deosebire de elementele de orientare interioară, acestea sunt în număr de 6, trei dintre acestea fiind liniare ( X0, Y0, Z0), iar celelate fiind unghiulare (φ,ω,κ).
Din punct de vedere geometric, elementele liniare reprezintă coordonatele spațiale ale centrului de perspectivă O, față de originea sistemului de coordonate geodezice, iar elementele φ și ω reprezintă unghiul de înclinare logitudinală a fotogramei format de axa Z’ cu proiecția axei optice în planul X’, O’, Z’, respectiv unghiul de înclinare transversală a fotogramei format de axa optică cu proiecția acesteia în planul X’, O’, Z’. Elementul κ reprezintă unghiul de rotire a fotogramei în jurul axei optice [Răducanu, 1993].
Ecuațiile de bază ale fotogramei
Pe baza elementelor de orientare interioară și exterioară se poate exprima legătura între coordonatele spațiale X, Y, Z ale unui punct oarecare P din teren și coordonatele xʼ,yʼ ale punctului imagine pʼ în planul fotogramei . Această legătură se exprimă cu ajutorul unor ecuații.
Relațiile de legătură dintre coordonatele plane și spațiale ale fotogramei
Pentru a putea obține coordonate geodezice ale unui punct trebuie să se transforme coordonatele plane ale fotogramei în coordonate spațiale fotogrammetrice.
Din figura de mai jos, care reprezintă grafic relația între sistemele de coordonate, se pot deduce coordonatele punctului p’ în sistemul (O, x’, y’ z’) , respective în sistemul (O, X’, Y’ Z’). Acestă deducere se poate face datorită vectorului de poziție , care are originea în O.
Fig. . Relații între sistemele de coordonate
Dacă se va proiecta vectorul pe axele xʼ,yʼ,zʼ și Xʼ,Yʼ,Zʼ se va obține:
(3.6)
Proiecția vectorului pe axele respective se poate scrie atât sub formă analitică, cât și sub formă matriceală.
(3.7)
unde: R – matricea de rotație;
-f = zʼ.
Pentru a putea obține relațiile inverse se înmulțește relația anterioară la stânga cu inversa matricii R, care este și transpusa acesteia datorită ortogonalității matricei. Relațiile de transformare inversă sunt:
(3.8)
Elementele matricei R , ai, bi, ci (i=1,2,3) sunt cosinusurile directoare ale elementelor de orientare φ, ω, k, astfel [Răducanu, 1993].:
a1, a2, a3 – cosinusurile directoare ale axei OXʼ în raport cu (O,xʼ,yʼ,zʼ);
b1, b2, b3 – cosinusurile directoare ale axei OYʼ în raport cu (O,xʼ,yʼ,zʼ);
c1, c2, c3 – cosinusurile directoare ale axei OZʼ în raport cu (O,xʼ,yʼ,zʼ).
Acestea se calculează folosind relațiile:
a1 = cos(x’,X’); a2 = cos(y’,X’); a3 = cos(z’,X’) ;
b1 = cos(x’,Y’); b2 = cos(y’,Y’); b3 = cos(z’,Y’) ; (3.9)
c1 = cos(x’,Z’); c2 = cos(y’,Z’); c3 = cos(z’,Z’.
Matricea de rotație R
Matricea de rotație, R depinde de trei parametri independenți, putând fi apreciați ca elemente unghiulare ale fotogramei φ, ω, k, constituind cele trei rotații plane în jurul axelor OX’,OY’ și OZ’. Rotațiile se exprimă prin matricile de rotație Rφ, Rω, Rk care produce paralelism între sistemele (X’,Y’,Z’) și (xʼ,yʼ,zʼ).
Forma matricilor parțiale de rotație se regăsește în formulele de mai jos :
(3.10)
(3.11)
(3.12)
Cele trei matrici reies din rotațiile φ, ω, κ în sens pozitiv în planurile Y’Z’, Z’X’ și X’Y’, putându-se forma relațiile dintre coordonatele unui punct P în sistemul de referință (O,X’,Y’,Z’) și în sistemul rotit (O,xʼ,yʼ,zʼ) . Prin „regula șurubului” se indică sensul pozitiv al unei rotații.
Rotația φ
Rotația φ se face în jurul axei OY’ prin suprapunerea axei OZ’ peste Oz’.
Fig. . Rotația φ
Relațiile de legătură între coordonate se pot scrie sub următoarea formă :
(3.13)
O altă formă de scriere a relațiilor este cea matriceală restrânsă:
(3.14)
Rotația ω
Această rotație se face în jurul axei OX’, așa cum se poate observa și în figura de mai jos.
Fig. . Rotația ω
Relațiile între coordonate sunt:
(3.15)
O altă formă de scriere a relațiilor este cea matriceală restrânsă:
(3.16)
Rotația k
Rotația k se face în jurul axei OZʼ, suprapunându-se axele OXʼ și OY’ peste axele Oxʼ respectiv Oy’.
Fig. . Rotația k
Relațiile între coordonate sunt :
(3.17)
sau sub formă restrânsă:
(3.18)
Matricea R se obține ca produsul dintre matricile corespunzătoare celor trei rotații plane, ordinea acestora fiind foarte importantă deoarece înmulțirea matricelor nu este comutativă. Dacă rotațiile se efectuează în ordinea φ,ω,κ , atunci matricea are forma:
R = Rφ·Rω·Rk (3.19)
Matricea R are următoarele elemente:
(3.20)
Elementele acestei matrice de rotații se calculează cu expresiile:
(3.21)
Aceeași rotație spațială poate fi reprodusă în 6 moduri diferite, în funcție de 3 rotații plane. Mărimile acestor rotații diferă în toate cazurile, deși rotația totală va fi aceeași.
Ecuațiile generale ale fotogramei
Poziția unui punct pʼ pe fotogramă se află cu ajutorul coordonatele xʼ,yʼ,-f , față de sistemul (O,xʼ,yʼ,zʼ) sau prin coordonatele X’,Y’,Z’ , dedusă față de sistemul (O,X’,Y’,Z’).
Potrivit relațiilor generale de transformare a coordonatelor între cele două sisteme se poate scrie relația[Răducanu,1993]:
X = λ· R· xʼ + X0 (3.22)
unde R este matricea de rotație.
Descompuse pe axele de coordonate rezultă o matrice de forma:
(3.23)
unde: λ – factorul de scară ;
rij – elementele matricei de rotație R (i = 1, 2, 3 ; j = 1, 2, 3);
x’,y’,z’ – coordonatele imagine;
X0,Y0,Z0 – coordonatele centrului de perspectivă.
Fig. . Relațiile dintre coordonatele fotogrammetrice și geodezice
Potrivit relației (3.7), formula (3.23) devine:
(3.24)
Utilizând relația anterioară și relația (3.7) rezultă următoarea formă:
(3.25)
Coordonatele imagine se obțin cu relația:
(3.26)
Matricea inversă R-1 este egală cu datorită proprietății acesteia, ortogonalitatea.
(3.27)
În ecuația anterioară sunt reprezentate relațiile de transformare inversă, descompuse pe axele de coordonate.
Relația (2.26) se poate scrie sub forma:
(3.28)
Prin înmulțirea elementelor celor două matrice se obțin următoarele relații:
(3.29)
Dacă se înlătură factorul de scară l din relația anterioară, prin împărțirea primelor două ecuații la ultima și se substituie z’=-f , se obțin ecuațiile [Răducanu, 1993]:
(3.30)
Datorită relațiilor inverse se obțin:
(3.31)
Conform relațiilor anterioare cu ajutorul elementelor de orientare ale fotogramei și a coordonatelor geodezice X, Y, Z ale punctului din teren, se determină coordonatele imagine x’,y’ ale punctului p’. Transformarea inversă, adică determinarea coordonatelor spațiale X, Y, Z pe baza coordonatelor imagine și a elementelor de orientare a fotogramei, nu este posibilă.
Scara fotogramei
Scara hărții se referă la relația (sau raportul) dintre distanța pe o hartă și distanța corespunzătoare de la sol. Similar cu scara hărții este și scara fotogramei care se referă la raportul dintre distanța de pe fotogramă și corespondenta acesteia pe teren. Scara fotogramei diferă în funcție de altitudinea terenului, deoarece fotograma este o proiecție centrală.
Scara se reprezintă prin:
unități echivalente (1 cm = 1000 m),
unități fracționare (1 cm/ 1000 m),
fracții adimensionale (1/1000)
fracții dimensionale (1:1000).
Cea mai des întalnită este scara fotogramei nadirale care se regăsește în două cazuri:
peste un teren fără denivelări
În acest caz, fotograma este paralelă cu o suprafață fără denivelări.
Fig. . Scara fotogramei nadirale în cazul terenului plan
Din figură, se poate determina scara fotogramei:
(3.32)
unde:
– scara fotogramei;
ab, AB – distanța pe fotogramă, respectiv pe teren;
f – distanța focală a obiectivului camerei fotogrammetrice;
H – înălțimea de fotografiere.
Scara fotogramei nadirale în cazul terenului plan este constantă pe toată suprafața fotogramei și se numește scară principală. După cum se observă și în relația anterioară, scara fotogramei este direct proporțională cu distanța focală și invers proporțională cu înălțimea de zbor [Răducanu, 1993].
peste un teren accidentat
Fotograma se realizează peste o suprafață accidentată, planul acesteia fiind paralel cu planul mediu al terenului, acest aspect putându-se observa în următoarea figură:
Fig. . Scara fotogramei nadirale în cazul terenului cu denivelări
În acest caz, scara fotogramei se exprimă prin relația:
(3.33)
în care:
M – scara fotogramei;
ab, AB – distanța pe fotogramă, respectiv pe teren;
La, LA – exprimarea scării funcție de triunghiurile asemenea Lab și LAB.
Acestă relație se poate scrie și funcție de f, care reprezintă distanța focală, H și h care reprezintă înălțimea de zbor a camerei aerofotogrammetrice, respectiv altitudinea punctelor A și B, rezultând următoarea formulă[Răducanu, 1993]:
(3.34)
Numitorul H-h reprezintă distanța obiect. Dacă această distanță este mai mică, atunci scara fotogramei este mai mare.
PRELUCRAREA RADIOMETRICĂ ȘI GEOMETRICĂ A ÎNREGISTRĂRILOR DIGITALE
Datorită avantajelor oferite de exploatarea numerică a datelor digitale, este de preferat ca datele analogice să fie transformate în înregistrări numerice prin intermediul echipamentelor de digitizare. Din punct de vedere spațial, înregistrările numerice sunt alcătuite din elemente discrete de imagine numite pixeli, iar din punct de vedere radiometric, datele sunt cuantificate în nivele discrete de strălucire.
În timpul culegerii datelor teren cu ajutorul sistemelor de teledetecție pot apărea erori care afectează atât geometria cât și în valorile de strălucire ale pixelilor, rezultând două tipuri de erori: radiometrice și geometrice. Pentru a îmbunătăți imaginile, aceste erori sunt eliminate sau suprimate prin aplicarea corecțiilor geometrice și radiometrice.
După efectuarea etapelor de prelucrare a datelor brute, sau de corectare a datelor, se pot realiza prelucrările tehnologice, care cuprind [Stamin, 2008] :
prelucrări radiometrice:
procese de întărire și filtrare a imaginii;
realizarea histogramelor și transformarea histogramelor;
prelucrarea pseudocolor;
prelucrări geometrice:
georeferențierea;
registrația;
reeșantionarea;
rectificarea: geocodarea și georeferențierea.
Prelucrarea radiometrică
Prelucrarea radiometrică a imaginii ajută la îmbunătățirea calității imaginii astfel încât rezultatul obținut să se poată utiliza în cât mai multe aplicații.
Pentru a realiza o prelucrare precisă și corectă este necesar să se efectueze o serie de analize cantitative și calitative asupra elementelor din imagine, cea din urmă realizându-se prin calibrarea, respectiv prelucrarea radiometrică a înregistrărilor.
Valoarea înregistrată pentru un pixel dat nu include doar radiațiile reflectate sau emise de la suprafață, ci și radiația împrăștiată și emisă de atmosferă. În cele mai multe cazuri se studiază valorile reale ale suprafeței. Pentru a atinge aceste valori trebuie să se aplice calibrarea și corecția radiometrică.
Corecția radiometrică se face pentru a reduce sau a corecta erorile sistematice în radiometria imaginilor. Calibrarea și corecția radiometrică sunt deosebit de importante atunci când se compară seturi de date pe perioade multiple de timp. Energia cu care senzorii aflați la bordul aeronavelor sau sateliții înregistrează, poate să difere de energia reală emisă sau reflectată de la o suprafață la sol. Acest lucru se datorează azimutului și altitudinii Soarelui și condițiilor atmosferice care pot influența energia observată. Prin urmare, pentru a obține o iradiere reală sau o reflectanță reală, erorile radiometrice trebuie corectate.
Prelucrarea radiometrică se face după ce senzorii și înregistrările au fost corectate radiometric. Prin corectare radiometrică se elimină disfuncționalitățile de înregistrare cauzate de efectele atmosferice și de erorile senzorilor.
Problemele principale ale prelucrării radiometrice sunt reprezentate de întărirea înregistrării și filtrarea acesteia. Întărirea și filtrarea rezultă prin prelucrarea semnalului în domeniul frecvenței, prin modificarea transformatei Fourier, respectiv în domeniul spațial, prin modificarea nivelului de gri sau culoare cu ajutorul histogramei sau a unor operatori utilizați în filtrare.
Operatori folosiți în prelucrarea imaginii digitale
Prelucrarea imaginilor digitale pe baza nivelului de gri se face cu ajutorul unor operatori specifici folosiți în filtrarea semnalelor[Ebner,1991]. Dintre operatorii specifici fac parte:
operatorii de punct – utilizați pentru detectarea joncțiunilor de diverse tipuri;
operatorii de detectare a conturului – sunt operatori cu rol de filtru utilizați pentru detectarea contururilor obiectelor în imagini digitale.
Acești operatori pot fi de mai multe tipuri:
filtre de detectare a contururilor (Sobel, Kirsch);
operatori de derivare de ord. I și ord. II;
operatori de convoluție (operatorul LOG);
operatori ce utilizează metoda gradientului (operatorul Canuz și Gabor);
operatori de intersecții zero (Marr, Grimson) [Răducanu,Răducanu, 2004].
Operatori de derivare de ordin I
Acești operatori se alcătuiesc cu ajutorul derivatelor de ordinul I ale funcției imagine f = F(x, y), fiind operatori liniari care identifică pixelii omologi din două imagini digitale.
Operatori de derivare de ordin II
Acești operatori sunt obținuți prin folosirea succesivă a operatorilor de ordin I, cei mai cunoscuți fiind operatorii: Laplace, Robert și Sobel.
Operatorul Laplace
Operatorul Laplace este un operator de convoluție care folosește derivatele de ordin II ale funcției f=F(x, y) [Vlaicu ,1997].
Operatorul LOG
Acest operator se mai numește și Laplacian Gausian și detectează contururi în imagini digitale corespondente. Aceasta înseamnă că în zonele în care imaginea are o intensitate constantă (adică unde gradientul de intensitate este zero), răspunsul LOG va fi zero. În apropierea unei modificări a intensității, răspunsul LOG va fi pozitiv pe partea mai închisă și negativ pe partea mai deschisă.
Operatorul Roberts
Operatorul Roberts este un operator de derivare care detectează contururile pe baza valorii maxime a derivatei, care reprezintă gradientul funcției imagine.
Operatorul Sobel
Operatorul Sobel calculează gradientul discret și permite detectarea contururilor pe direcțiile verticale și orizontale.
Metode și algoritmi pentru îmbunătățirea radiometrică a înregistrărilor digitale
Analiza imaginilor prin fotointerpretare este adesea facilitată atunci când natura radiometrică a imaginii este îmbunătățită pentru a mări impactul vizual. Diferențele specifice în ceea ce privește vegetația și tipurile de sol, de exemplu, pot fi scoase prin creșterea contrastului unei imagini. În mod similar, diferențele subtile ale valorii luminozității pot fi evidențiate fie prin modificarea contrastului, fie prin atribuirea unor culori destul de diferite acelor niveluri.
Din punctul de vedere al algoritmilor utilizați pentru îmbunătățirea imaginii se disting patru categorii mari de tehnici de îmbunătățire[ Răducanu, Răducanu, 2004]:
operațiuni punctuale care cuprind: mărimea contrastului, atenuarea zgomotului, operațiuni de tip fereastră și modelarea imaginii cu ajutorul histogramei;
operațiuni spațiale dintre care menționăm: eliminarea zgomotului, filtrarea mediană, filtrarea trece-jos, trece-sus, trece-bandă și tehnica de „zooming” a imaginii;
operațiuni de transformare care cuprind: filtrarea liniară, filtrarea de tip radical și filtrarea homomorfică;
operațiuni de pseudocolorare, în care se disting tehnicile fals-color și compus-color.
Operații punctuale
Tehnicile de îmbunătățire a imaginii repară calitatea imaginii percepute de un om. Aceste tehnici sunt cele mai utile deoarece multe imagini satelitare, atunci când sunt examinate pe un afișaj color, oferă informații inadecvate pentru interpretarea imaginilor. Nu există un efort conștient de a îmbunătăți fidelitatea imaginii cu privire la o formă ideală. Există o mare varietate de tehnici pentru îmbunătățirea calității imaginii. Metodele de îmbunătățire a imaginii sunt aplicate separat pe fiecare bandă a unei imagini multispectrale.
Îmbunătățirea contrastului
Se aplică în cazul imaginilor cu contrast mic, provenit din cauza unei iluminări slabe.
Funcția matematică utilizată pentru îmbunătățirea contrastului este q=f(g), unde
(4.1)
Parametrii a și b provin din histograma imaginii digitale ce se prelucrează.
Dynamic Range Adjust
Domeniul dinamic al unui filtru este scris ca raportul dintre nivelurile maxime și minime ale semnalului pe care le poate procesa. Nivelul maxim al semnalului este determinat de distorsiunea din filtru; nivelul minim al semnalului este determinat de cantitatea de zgomot produsă de filtru.
Filtrul Gauss
Operatorul de netezire Gaussian este un operator de convoluție 2-D care este utilizat pentru a "blur" imaginile și a elimina detaliile și zgomotul. În acest sens, este similar cu filtrul mediu, însă utilizează un kernel diferit, care reprezintă forma unei găuri gaussiene ("în formă de clopot").
Inversarea luminozității
Funcțiile de inversare a luminozității produc imagini care au contrastul opus cu cel al imaginii originale. Detaliile întunecate devin luminoase și invers. Acest filtru poate fi, de asemenea, utilizat pentru a inversa o imagine negativă scanată cu scopul de a produce o imagine pozitivă.
Limitarea și binarizarea imaginilor
Limitarea este cazul particular al îmbunătățirii contrastului având m=p=0 și se folosește atunci când domeniul aparține intervalului [ab], rezultând:
(4.3)
Binarizarea este un caz particular al limitării atunci când a=b=t, imaginea de ieșire fiind binară,alb și negru.
Operațiuni de tip fereastră
Aceste operațiuni permit scoaterea din imagine a anumitor niveluri de gri, fiind utilizate atunci când diferite proprietăți ale imaginii se află în zone cu diferite niveluri de gri.
Modelarea imaginii cu ajutorul histogramelor
Histograma este reprezentarea frecvenței de apariție a diferitelor niveluri de gri dintr-o imagine. Modelarea histogramei înseamnă modificarea imaginii, așa încât să rezulte o imagine cu histogramă dorită [Răducanu, 2004].
Histograma reprezintă o reprezentare grafică a distribuției intensității unei imagini. În termeni simpli, reprezintă numărul de pixeli pentru fiecare valoare de intensitate considerată.
Se consideră că g este nivelul de gri din imaginea originală, iar q nivelul de gri din imaginea care trebuie să se obțină, legătura dintre cele două fiind dată de formula:
Q=T(g) (4.4)
Egalizarea histogramei este o tehnică de procesare a imaginilor pe calculator, fiind utilizată pentru a îmbunătăți contrastul unei imagini. Aceasta se realizează prin răspândirea efectivă a celor mai frecvente valori ale intensității, adică întinderea domeniului intensității imaginii. Această metodă crește, de obicei, contrastul global al imaginilor atunci când datele utilizabile sunt reprezentate de valori de contrast apropiate. Acest lucru permite ca zonele cu un contrast local mai scăzut să obțină un contrast mai ridicat.
Fig. . Imaginea originală ( stânga), imaginea egalizată ( dreapta)
Adaptarea histogramei diferă de egalizarea histogramei obișnuite, în sensul că metoda adaptivă calculează mai multe histograme, fiecare corespunzând unei secțiuni distincte a imaginii, și le folosește pentru a redistribui valorile de luminozitate ale imaginii. Prin urmare, este potrivită pentru îmbunătățirea contrastului local și pentru îmbunătățirea definițiilor marginilor din fiecare regiune a imaginii.
Operații spațiale
Filtrarea spațială este procesul de împărțire a imaginii în frecvențe spațiale și de modificare selectivă a anumitor frecvențe spațiale, subliniind anumite caracteristici ale imaginii. Această tehnică mărește capacitatea analistului pentru a diferenția detaliile. Cele trei tipuri de filtre spațiale utilizate în prelucrarea datelor sunt:
filtrarea trece-jos spațială;
filtrarea trece- sus spațială;
filtrarea trece bandă.
Filtrarea trece-jos spațială;
Îmbunătățirile imaginilor care scot în evidență sau blochează detaliile de frecvență înaltă sunt filtrele de joasă frecvență sau cu trecere joasă. Cel mai simplu filtru de joasă frecvență evaluează o anumită valoare de luminozitate a pixelului de intrare și afișează o nouă valoare a luminozității.
Mărimea măștii sau kernelului (n) pentru convoluție este de obicei 3×3, 5×5, 7×7 sau 9×9. Simpla operație de netezire va bloca însă imaginea, mai ales la marginile obiectelor. Blurring-ul devine mai accentuat, cu cât mărimea kernel-ului crește.
Fig. . Aplicarea filtrului trece jos cu nucleu 3×3 (stânga), 5×5 (centru), 7×7 (dreapta)
Filtrarea trece-sus spațială
Filtrul trece-sus este aplicat imaginilor pentru a elimina componentele care variază lent și pentru a spori variațiile locale de înaltă frecvență. Valorile luminozității tind să fie foarte corelate într-o fereastră cu nouă elemente. Astfel, imaginea filtrată cu frecvență înaltă va avea o histogramă de intensitate relativ îngustă. Acest filtru este complementar filtrului trece-jos , iar prin combinarea celor două rezultă imaginea originală.
Fig. . Aplicarea filtrului trece-sus cu nucleu 3×3 (stânga), 5×5 (centru), 7×7 (dreapta)
Filtrul trece bandă
Acest filtru se folosește pentru prelucrarea unei înregistrări cu zgomot considerabil și contururi aproximative, fiind definit ca diferența dintre două filtre trece-jos și rezultând o atenuare a semnalelor din exteriorul intervalului definit de cele două frecvențe.
Prelucrarea geometrică a înregistrărilor digitale
Transformarea geometrică a imaginii digitale
Prelucrarea geometrică a înregistrărilor digitale se referă doar la modificarea poziției, mărimii sau formei fotogramei digitale, prin reașezarea pixelilor pe noi poziții. O prelucrare geometrică pură nu schimbă valorile nivelelor de gri ale pixelilor, ci numai poziția acestora.
Transformarea geometrică a imaginii digitale este operația de bază în multe tipuri de lucrări [Răducanu, Răducanu, 2004] cum sunt:
registrația relativă, care constă din aducerea în corespondență geometrică a imaginii de prelucrat, cu o imagine de referință;
registrația absolută a imaginilor la scară mică ce presupune aducerea în corespondență a imaginilor de prelucrat cu harta;
ortofotoredresarea digitală pe baza modelului digital altimetric al terenului;
asamblarea ortofotogramelor în scopul întocmirii ortofotohărților;
crearea bazei geometrice a sistemelor informaționale bazate pe imagini, care constă în aducerea imaginilor în același sistem de referință.
Imaginile digitale care provin de la senzori conțin deformări produse de următorii factori:
efectul de perspectivă al sistemului optic;
deplasarea sistemului de baleiaj;
evoluția și stabilitatea platformei;
cota, viteza și comportamentul platformei;
relieful zonei;
curbura și rotația Pământului.
Transformările geometrice sunt adesea folosite pentru aducerea în scară a imaginilor și pentru modificarea rezoluției geometrice a imaginii de prelucrat.
Etapele transformării diferă în funcție de tipul imaginii, scopul urmărit prin prelucrare și tipul de exploatare al imaginilor aeriene și satelitare. În cadrul acestor etape se deosebesc următoarele operații [Răducanu, Răducanu, 2004]:
stabilirea modelului transformării în funcție de tipul imaginii și scopul prelucrării, care se poate realiza prin metode parametrice sau metode neparametrice;
calculul parametrilor transformării;
transformarea imaginii de prelucrat în sistemul de referință.
Metoda parametrică se folosește atunci când se cunoaște modelul de formare a imaginii, iar metoda neparametrică atunci când nu se ține cont de modelul analitic de formare a imaginii. Metodele neparametrice realizează transformarea imaginii cu ajutorul punctelor de sprijin marcate și uniform distribuite pe imagine și în teren.
Exploatarea fotogramelor independente se face în următoarele etape [Răducanu, Răducanu, 2004]:
aflarea elementelor de orientare interioare și aplicarea corecțiilor preliminare a datelor imagine;
descoperirea elementelor de orientare exterioare a fotogramelor în mod independent;
transformarea imaginii pe baza modelului numeric al terenului pentru realizarea ortofotoredresării digitale.
Transformarea imaginii prin exploatarea stereoscopică se efectuează în următoarele etape [Răducanu, Răducanu, 2004]:
aplicarea orientării interioare cu realizarea corecțiilor datelor;
realizarea orientării exterioare a fotogramelor, independent sau în serie, cu orientarea absolută a stereomodelului;
a imaginilor în vederea obținerii imaginilor normale, spre a fi folosite în exploatarea stereoscopică;
exploatarea stereoscopică a stereomodelului.
Fig. . Principiul transformării geometrice
Din figura anterioară se poate scrie forma transformării geometrice:
Geometria fotogramei digitale se modifică după formula:
unde: x’, y’ reprezintă coordonatele pixelilor după transformarea geometrică,
Tx, Ty reprezintă funcțiile de transformare geometrică a coordonatelor pixelilor,
x și y sunt coordonatele pixelilor înainte de transformarea geometrică.
Pentru a prelucra din punct de vedere geometric o imagine se utilizează transformarea directă din sistemul imaginii de prelucrat în cel al imaginii de referință și transformarea inversă acesteia. Valorile coordonatelor pixelilor ca urmare a repoziționării sunt numere reale și se folosește metoda de interpolare pentru a le transforma în valori întregi.
Prin urmare, orice prelucrare geometrică presupune o transformare spațială, adică repoziționarea pixelilor în planul imaginii, urmată de interpolarea nivelelor de gri ce constă în alocarea unor noi nivele de gri pixelilor repoziționați din noua grilă de eșantionare funcție de valorile de gri ale pixelilor corespondenți din grila de eșantionare a imaginii sursă după una din următoarele metode: cel mai apropiat vecin, interpolarea biliniară, convoluția cubică.
Prin principiul transformării directe se realizează transformarea imaginii în sistemul de referință folosind parametrii transformării directe. Alocarea valorii de gri a pixelilor se face prin metoda celui mai apropiat vecin. Prin folosirea acestei metode de alocare a pixelilor se produce o eroare maximă de o jumătate de pixel, unele valori fiind alocate de două ori, iar altele deloc.
Fig. . Metoda directă de transformare:
a) înregistrarea originală; b) înregistrarea transformată
Principiul transformării inverse (indirecte) folosește parametrii transformării directe și indirecte între planele celor două imagini. Alocarea nivelului de gri a pixelului se face prin una din tehnicile de interpolare: cel mai apropiat vecin, interpolarea biliniară și convoluția cubică.
Fig. . Metoda indirectă de transformare:
a) înregistrarea originală; b) înregistrarea transformată
Metode geometrice de prelucrare
Georeferențierea
Georeferențierea înseamnă că sistemul de coordonate al unei hărți sau a unei înregistrări digitale poate fi legat de un sistem coordonate geodezice. Acest proces este completat prin selectarea pixelilor din imaginea digitală și atribuirea coordonatelor geografice.
În timpul georeferențierii, imaginile nu au primit niciun tip de corecție asupra deformărilor cauzate de senzor și nici de deformările introduse de relief.
Algoritmul de georeferențiere
Alegerea tipului de transformare – alegerea numărului minim de puncte, după formula:
Stabilirea perechilor de puncte corespondente;
Aplicarea relațiilor directe de transformare, pentru determinarea dimensiunile imaginii create:
Aplicarea relațiilor inverse de transformare din imaginea creată în imaginea inițială pentru a reeșantiona imaginea printr-una din metodele cunoscute:
Imaginile georeferențiate permit măsurarea coordonatelor geografice sau a coordonatelor în sistemul unei proiecții cartografice ale elementelor de conținut.
Registrația
Procesul de fuziune a datelor multisenzor începe cu registrația într-un cadru de referință comun, fiind prima etapă în care se găsește corelația între două imagini, respectiv funcția prin care se transformă o imagine observată într-o imagine de referință.
Cele două imagini înglobează mai multe puncte de control, care sunt suprapuse. Suprapunerea se folosește pentru a determina relațiile de interpolare a tuturor punctelor din noua imagine astfel încât să corespundă cu punctele din imaginea de referință.
Registrația imaginilor este adesea folosită în imaginile medicale și satelit pentru a alinia imaginile din diferite surse de cameră. Camerele digitale utilizează înregistrarea imaginilor pentru alinierea și conectarea imaginilor adiacente într-o singură imagine panoramică.
Fig. . Înregistrarea fotografiilor aeriene prin maparea punctelor
Ortofotoredresarea
Principala metodă de prelucrare geometrică a unei fotograme digitale are denumirea de redresare și reprezintă un proces de proiectivă a fotogramei înclinate în fotogramă nadirală, eliminându-se astfel deformările de perspectivă.
În cazul în care eliminarea deformărilor de perspectivă se face concomitent cu eliminarea deformărilor datorite reliefului, metoda folosită este denumită ortofotoredresare (redresare diferențială), obținându-se ortofotograma. Acest concept care în fotogrammetrie poartă numele de ortofotoredresare, în teledetecție are denumirea de geocodare [Stamin, 2008].
Avantajul ortofotoredresării este că înlătură erorile datorate reliefului, printr-o mișcare diferențială a punctelor imagine, în funcție de cotele acestora, obținându-se în final o înregistrare digitală ortogonală, care se poate folosi în vederea recunoașterii formei și interpretării.
Redresarea diferențială digitală punct cu punct a înregistrărilor fotogrammetrice digitale presupune că fiecare pixel va fi redresat funcție de cota sa, care va fi obținută din modelul numeric al terenului. Această acțiune care ca ipoteze două situații practice: fotograma digitală care se ortofotoredresează provine dintr-o stereogramă, sau fotograma este independentă.
Reeșantionarea
Reeșantionarea este o operație de transformare a imaginilor care se realizează prin modificarea dimensiunii pixelului imagine și rezultă noile valori ale strălucirii pentru pixelii cu dimensiunea schimbată .
Pentru a dermina strălucirea pixelilor dintr-o imagine reeșantionată cu ajutorul strălucirii pixelilor din imaginea originală se folosesc trei tehnici:
reeșantionarea din valorile de strălucire ale celor mai apropiați vecini;
interpolarea biliniară;
interpolarea prin convoluție cubică.
Avantajul principal al reeșantionării din valorile celor mai apropiați vecini este acela că valorile de ieșire sunt egale cu valorile de intrare, adică valorile de intrare nu sunt modificate.
ORTOFOTOREDRESAREA
Aerotriangulația
Orientarea precisă a fotogramelor se poate face atunci când se cunoaște un număr de puncte de reper care au coordonate bine cunoscute în teren.
Există două metode de determinare a punctelor de reper pe cale fotogrammetrică:
fototriangulația plană;
fototriangulația spațială sau aerotriangulația.
Aerotriangulația reprezintă procesul de determinare a poziției și orientării corecte a fiecărei imagini într-o serie de imagini aeriene, astfel încât acestea să poată fi compilate într-o hartă.
Se poate face o clasificare a metodelor de aerotriangulație în funcție de unitatea de lucru utilizată, rezultând trei categorii [Răducanu, Răducanu, 2004]:
aerotriangulația prin incluziune folosește fotograme la scară mică pentru găsirea punctelor de îndesire utile exploatării fotogramelor cu o scară mare;
aerotriangulația pe benzi pentru îmbinarea modelelor adiacente prin garantarea transformărilor elementelor de orientare pentru a forma benzile de aerotriangulație;
aerotriangulația în bloc în care se formează blocul de aerotriangulație din modele independente, triplete sau benzi. Acest tip de aerotriangulație se împarte în:
aerotriangulație în bloc pe benzi;
aerotriangulație în bloc cu modele independente.
Etapele procesului tehnologic de aerotriangulație
Acest proces de aerotriangulație se face în câteva etape importante:
pregătirea lucrărilor și proiectarea rețelei de aerotriangulație;
marcarea și numerotarea punctelor de aerotriangulație, de legătură și de sprijin;
măsurarea și înregistrarea datelor, prelucrarea preliminară a acestora;
transformarea în sistemul teren și compensarea aerotriangulației [ Răducanu, Răducanu, 2004].
Prima etapă, cea de pregătire a lucrărilor de aerotriangulație, pornește în același timp cu precizarea temei ridicărilor fotogrammetrice. În această etapă se stabilesc punctele de reper ce trebuie premarcate, inclusiv tipul premarcajelor, punctele premarcate având o dimensiune echivalentă cu a mărcii de măsurare.
Pe fotogramele pozitive se descoperă punctele de sprijin existente și proiectează rețeaua punctelor de îndesire ce trebuie determinate prin reperaj fotogrammetric la teren. Identificarea punctelor de sprijin se face în teren, iar marcarea acestora pe fotograme.
În cea de-a doua etapă se întocmește proiectul de aerotriangulație, se marchează și se numerotează punctele. Proiectul de aerotriangulație asigură numărul optim de puncte pentru fiecare fotogramă, completându-le prin aerotriangulație.
Identificarea punctelor de aerotriangulație se referă la punctele premarcate, la punctele de detaliu alese drept puncte de îndesire și la punctele de legătură între modele sau benzi pentru formarea blocului de aerotriangulație [Răducanu, Răducanu, 2004]. Punctele de detaliu se stabilesc prin observare stereoscopică, iar cele de legătură asigură legătura benzilor adiacente.
Cea de-a treia etapă este reprezentată de măsurarea și înregistrarea coordonatelor , iar în această etapă se culeg datele de pe stereograme.
Punctele corespondente folosite în realizarea orientării relative se determină, în cazul sistemelor digitale fotogrammetrice, prin:
metoda corelației plane, pentru terenul plan
metoda LSM (Least Squares Matching), pentru terenul accidentat.
Ultima etapă a acestui proces este reprezentată de prelucrarea datelor pentru aerotriangulație. Culegerea datelor se face interactiv, etapele de bază validându-se după efectuarea lor. Se obțin coordonatele model prin formarea blocului de aerotriangulație, acestea transformându-se aproximativ în sistemul-teren.
Tot în această etapă se face și compensarea coordonatelor, aceasta fiind realizată automat în cazul sistemelor fotogrammetrice digitale, urmând ca mai apoi să se finalizeze procesul de aerotriangulație, oferindu-se astfel lista coordonatelelor punctelor de îndesire.
Compensarea aerotriangulației în bloc
Un avantaj al acestei metode îl reprezintă faptul că se folosesc relațiile dintre fotograme alăturate obținute atât din acoperirile transversale, cât și din cele logitudinale. Blocul fotogrammetric de aerotriangulație se obține din benzi adiacente care au acoperire transversală și longitudinală corespunzătoare.
Compensarea în bloc se realizează prin următoarele metode:
compensarea în bloc pe benzi: compensarea fiecărei benzi se face independent, iar nepotrivirea între coordonatele rezultate pentru punctele de legătură din benzile alăturate se compensează în bloc;
compensarea simultană în bloc pe benzi: fiecare bandă are coordonatele punctelor în sistem propriu. Pentru a realiza compensarea trebuie ca coordonatele benzilor să se afle într-un sistem comun, iar coordonatele ulterior obținute se transformă în sistemul geodezic. Se face în 3 etape:
Transformarea benzilor blocului de aerotriangulație în sistemul primei benzi;
Compensarea simultană în bloc a benzilor;
Analiza preciziei compensării.
compensarea simultană în bloc pe modele independente: se face în trei etape,scara și orientarea fiecărei benzi în raport cu coordonatele teren nefiind cunoscute:
Transformarea aproximativă;
Compensarea în bloc în mod simultan a modelelor independente;
Analiza mărimii și distribuția erorilor reziduale.
compensarea în bloc cu fascicule fotogrammetrice: este cea mai generală și riguroasă metodă de compensare, principalul avantaj fiind dat de operarea cu date primare provenite direct de la instrumentul de măsurat.
Erorile și precizia aerotriangulației
Erorile aerotriangulației
Datorită modului de prelucrare a datelor , există erori care se propagă în mod sistematic sau aleator în formarea blocului de aerotriangulație.
Tipuri de erori
Erorile care apar în procesul de efectuare a observațiilor și ale măsurătorilor afectează: orientarea interioară, orientarea relativă, înregistrarea coordonatelor pentru punctele de control, legătură și sprijin.
Datorită faptului că aerotriangulația este un proces care se realizează în mai multe etape, rezultă faptul că se introduc neintenționat erori de diferite tipuri:
erori sistematice: ale aparatului de măsurare, ale primului stereomodel transmise în banda de aerotriangulație (erori de scară, de translație a coordonatelor );
erorile independente întâmplătoare: erorile accidentale de identificare a punctelor;
erori sistematice de influență locală: deformarea filmului;
erori cvasi-sistematice: erori întâmplătoare.
Surse de erori
Principalale surse de erori ale procesului de aerotriangulație sunt [ Krauss, 1993]:
camera de aerofotografiere care deformează fasciculul de raze cu ajutorul erorii de determinare ale elementelor de orientare sau cu ajutorul erorilor de neperpendicularitate a planului focal cu axa camerei aerofotogrammetrice;
fotograma poate fi afectată de următoarele erori: contracția filmului, condiții atmosferice, rezoluția imaginii;
erorile instrumentale care pot altera orientarea interioară și exterioară;
erorile personale provin din operarea aparatului sau din modul de interpretare;
erorile aferente etapei de calcul precum erorile de curbură sau erorile datorate sistemului de proiecție ales.
Precizia aerotriangulației
Precizia de determinare a punctelor de aerotriangulație este afectată de anumiți factori:
calitatea metrică si fotografică a fotogramelor;
precizia de identificare a punctelor de sprijin pe fotograme;
precizia de marcare si transpunere a punctelor de aerotriangulatie;
numărul si dispunerea punctelor de reper;
precizia de determinare a punctelor de sprijin în teren;
metoda de compensare utilizată;
precizia elementelor de orientare.
Aerotriangulația digitală
Aerotriangulația convențională constă în pregătirea, măsurarea și crearea blocului de aerotriangulație. Această schemă este valabilă și în cazul aerotriangulației automate (AAT). Cu toate acestea, AAT se bazează pe imagini digitale, tehnici automate de măsurare și o procedură aproape automatizată.
Designul și dezvoltarea sa au fost făcute pentru a îndeplini eventual toate cerințele din practica fotogrammetrică. O bază de date relațională are grijă de comunicarea dintre componentele individuale. Determinarea automată a punctelor de legătură joacă un rol-cheie în întregul sistem. Realizarea sa urmărește principiul conectării imaginii și, astfel, epuizează potențialul tehnic pentru atingerea celui mai înalt nivel de automatizare.
AAT este folosită pentru a îmbina toate benzile unui bloc de imagini aeriene utilizând automat tehnicile de măsurare într-un mod controlat. Sunt disponibile următoarele date de intrare:
informatii despre zbor;
protocoale de zbor;
elementele de orientare și piramidele imagine ale imaginii digitale;
informații privind punctele de la fața locului, inclusiv schița punctului de control;
date despre camerele aerofotogrammetrice;
hărți, dacă sunt disponibile.
Modelarea numerică a terenului pentru realizarea procesului de ortofotoredresare
Generalități
Termenul de „model numeric al terenului” (engl. Digital Terrain Model – DTM ) s-a utilizat prima dată de către Miller și Laflamme, în 1958, fiind definit ca un suport pentru diverse simulări care se desfășurau practic în lumea reală. Pentru analiza modelării numerice trebuie să se facă diferența între modelele numerice ale suprafeței ( engl. Digital Surface Models – DSMs) și modelele digitale ale suprafeței( engl. Digital Elevation Models – DEMs) .
Un model digital ale suprafeței (DEM) reprezintă altitudinea suprafeței Pământului, inclusiv caracteristici (vegetație, clădiri etc.). Un model digital de teren (DTM) oferă o reprezentare a suprafeței Pământului, fără elemente artificiale create de om (poduri, clădiri), precum și fără stratul de vegetație. Ambele sunt seturi de date extrem de utile pentru vizualizarea planetei noastre, pentru studiul științific și comercial. Cu fiecare avansare tehnologică, modelele și-au îmbunătățit precizia, rezultând un model mult mai util al Pământului.
Un model digital de teren (DTM) este un DEM în care datele terenului au fost îmbunătățite în continuare cu linii de distanțare, creând o precizie mai mare, deoarece conține informații suplimentare care definesc terenul în zone în care datele de la Lidar nu pot să-și facă treaba eficient.
Modelul digital de teren (DTM) este diferit de un model digital de elevație (DEM), primul reprezentând o suprafață continuă ca și cum toate obiectele sunt îndepărtate – o suprafață goală. Alternativ, un DEM reprezintă o suprafață în care obiectele sunt incluse în măsurarea suprafeței.
Suprafețele sunt de obicei interpolate, după principiul potrivit căruia nu toate punctele de pe suprafața Pământului sunt măsurate și determinate în mod activ, deci trebuie calculate (interpolare).
Deoarece fișierele MNT sunt mari, prelucrarea acestora și manipularea lor este o sarcină critică. Începând de la acest punct, MNT-ul trebuie să fie disponibil rapid utilizatorilor, acesta incluzând de obicei fișiere descărcate de pe Internet, care ar trebui să fie georeferențiate pentru utilizare imediată.
Pentru a crea un model numeric al terenului și pentru a-l utilize trebuie să se parcurgă următoarele etape:
construirea MNT : achiziția datelor și construirea modelului;
manipularea MNT : remedierea erorilor și actualizarea modelului, operațiuni de filtrare, transformarea structurii modelului (TIN –raster șau invers);
interpretarea MNT : extragerea informațiilor necesare;
vizualizarea MNT : reproducerea grafică a MNT (reprezentări 2D, 3D);
exploatarea MNT : extinderea aplicațiilor caracteristice domeniului dorit.
Fig. . Flux de generare MNT
Toate aceste etape sunt obligatorii pentru realizarea unui model numeric al terenului, așa încât rezultatul obținut într-o etapă putând fi utilizat ca un feed-back pentru etapa anterioară.
Surse de date
Datele se pot prelua din diferite surse, precum:
ridicări topografice
Acestea se folosesc doarece au o precizie foarte bună, implică costuri ridicate. Se aplică pentru scări foarte mici, necesitând un timp îndelungat de elaborare a MNT-ului.
Aerofotograme ( cuple stereoscopice)
Principalele modalități de culegere a datelor altimetrice pentru generarea MNT-ului sunt fotogrammetria și teledetecția, deoarece se folosesc atât aerofotograme, cât și imagini satelitare obținute cu ajutorul senzorilor pasivi.
Se aplică pentru scări mari și medie, având o durată mai redusă de elaborare, iar costurile sunt mai reduse.
Exemple de MNT realizate prin teledetecție:
ASTER ( Advance Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) – rezoluția MNT-ului este între 15 și 90 m.
SRTM ( Shuttle Radar Tophography Mission) – rezoluția MNT-ului este de 90 m.
RADAR ( Radio Detecting And Ranging)
LIDAR ( Light Detection And Ranging)
Imagini satelitare (cuple stereoscopice)
SPOT
ASTER
Rezoluția MNT-ului este de 15 m.
Digitizarea curbelor de nivel de pe hărțile și planurile topografice
Cea mai utilizată sursă de extragere a datelor o reprezintă hărțile topografice, această extragere făcându-se prin digitizare manuală, automată sau semiautomată a curbelor de nivel, care reprezintă valori interpolate deja. Pentru a obține un MNT se utilizează încă o interpolare, ceea ce semnifică o acuratețe redusă a modelului. Pentru culegerea datelor cartografice se folosesc două metode principale:
digitizarea hărților în format analogic folosind o tabletă de digitizare;
digitizarea hărților în format raster, obținute în urma procesului de scanare.
Digitizarea raster-vector manuală presupune redesenarea hărții folosind imaginea raster afișată pe ecran și este considerată una din cele mai importante metode de culegere a datelor cartografice, folosită și în cazul digitizării elementelor.
Metode de interpolare folosite pentru realizarea modelului numeric al terenului
Interpolarea spațială este procesul de utilizare a punctelor cu valori cunoscute pentru estimarea valorilor la alte puncte necunoscute.
Din cauza costurilor ridicate și a resurselor limitate, colectarea datelor este efectuată, de obicei, numai într-un număr limitat de puncte selectate. În GIS, interpolarea spațială a acestor puncte poate fi aplicată pentru a crea o suprafață raster cu estimări făcute pentru toate celulele raster.
Pentru a genera o hartă continuă, de exemplu, o hartă digitală de altitudine măsurată cu un dispozitiv GPS, trebuie utilizată o metodă de interpolare adecvată pentru estimarea optimă a valorilor la acele puncte în care nu s-au efectuat măsurători. Rezultatele analizei de interpolare pot fi folosite pentru analize care acoperă întreaga zonă și pentru modelare.
Există multe metode de interpolare interpolare utilizate pe scară largă numite Inverse Distance Weighting (IDW) și Triangulate Networks Irregular (TIN).
Metoda de interpolare a rețelei triunghiulare neregulate– TIN.
Este una dintre cele mai utilizate metode pentru modelarea suprafețelor continue folosind un set de date vectoriale. Se utilizează pentru crearea unui MNT. Terenul este aproximat de structura poliedrală a fețelor triunghiulare. În interiorul feței, suprafața se consideră a fi plană. Pentru a realiza o structură de tip TIN punctele originale trebuiesc conectate prin muchii obținându-se astfel fețele triunghiulare. Acest lucru se realizează incremental prin introducerea punct cu punct [Alexei, A., 2005].
Fig. . Triangulația Delaunay ( stânga), suprafața TIN interpolată (dreapta)
Principalul dezavantaj al interpolării TIN este că suprafețele nu sunt netede și pot da un aspect rugos. Acest lucru este cauzat de pantele discontinue la marginile triunghiului și punctele de probă. În plus, triangularea în general nu este adecvată pentru extrapolarea dincolo de zona cu punctele de date colectate.
Vizualizarea MNT
Vizualizarea MNT-ului joacă un rol vital în modelare digitală a terenurilor. Ea are o relație strânsă cu interpolarea, deoarece rezultatele obținute în etapele de interpolare trebuie să fie afișate, operația de interpolare poate, de asemenea, să se facă îmbunătățiri în vizualizare.
Vizualizarea se clasifică în două categorii:
vizualizarea interactivă, care îi ajută pe cercetători să exploreze modelele și să îmbunătățească ipotezele;
vizualizarea statică, care este folosită pentru a compara rezultatele și conceptele.
Mai jos sunt prezentate câteva forme de vizualizare modelului:
Contururi
Liniile de contur (curbele de nivel) sunt folosite pentru a reprezenta înălțimea suprafețelor de teren, așa cum se arată în figura de mai jos. În prezent, este una dintre cele mai utilizate tehnici de afișare a reliefului. Cu toate acestea, dezavantajul major al contururilor este că nu pot arăta în mod direct formele topografice.
Fig. . Vizualizarea liniilor de contur(curbelor de nivel)
Umbrirea
Afișează iluminarea ipotetică a unei suprafețe de teren, în conformitate cu a azimutului specificat și a altitudinii și conferă hărților un aspect bine texturat. Acesta oferă o modalitate convenabilă de a descrie relieful cartografic calitativ. Aplicarea acestei metode în scopuri cartografice a fost prima dată automatizată de Yoeli și din acel moment a devenit o tehnică standard de afișare a terenului.
Fig. . Vizualizarea umbririi
Perspective de vizualizare
Datorită avantajului umbririi și a contururilor, toate zonele suprafeței terestre sunt vizibile. Pe de altă parte, perspectivele de vizualizare pot oferi mai multe tipuri de vizualizare imediată. Principalele probleme care trebuie efectuate în afișarea în perspectivă reprezintă proiecția suprafeței 3-D pe un mediu 2-D și eliminarea secțiunilor ascunse de pe afișaj.
Fig. . Vizualizarea vederilor de perspectivă
Precizia modelului digital
Calitatea modelului digital se caracterizează printr-o varietate de aspecte, cum ar fi rugozitatea terenului, densitatea de prelevare a probelor și metoda de interpolare.
Pentru a obține un DTM bun, trebuie să se trateze cu mare atenție cele două faze. Prima fază se referă la tehnologia folosită pentru obținerea punctelor de prelevare. În prezent, există mai multe surse de date utilizate pentru modelare digitală de teren:
contururile digitizate din hărțile topografice reprezintă o sursă de date relativ ieftină;
fotogrammetria analitică este o altă tehnologie care permite măsurarea punctelor selectate dintr-o serie de imagini aeriene. Cu toate acestea, nu poate fi aplicată în zonele împădurite din cauza faptului că vizibilitatea suprafeței terenului este slabă.
fotogrametria digitală realizează o rețea obișnuită de tip GRID care constă din puncte selectate automat.
scanarea cu laser este o tehnică relativ nouă, care poate colecta o cantitate mare de date, și poate fi de asemenea utilizată în zonele împădurite.
Bazele matematice ale redresării și ale ortofotoredresării
Generalități. Clasificare.
Înregistrările aeriene și imaginile satelitare nu prezintă poziționarea corectă a acestora din cauza deplasărilor cauzate de înclinarea senzorului și de relieful din zona respectivă.
De aceea, principalul procedeu de prelucrare geometrică a unei înregistrări poartă denumirea în fotogrammetrie de redresare și reprezintă un proces de transformare proiectivă a fotogramei înclinate în fotogramă nadirală, realizându-se astfel eliminarea deformărilor de perspectivă. Dacă în timpul eliminării deformărilor de perspectivă se elimină și deformărilor datorite reliefului, atunci metoda se numește ortofotoredresare sau redresare diferențială, obținându-se ortofotograma. Deși în fotogrammetrie acest concept poartă numele de ortofotoredresare, în teledetecție poartă numele de geocodare.
Ortofotoredresarea este procesul de transformare a imaginii brute într-o proiecție ortogonală precisă, față de proiecția perspectivă a imaginii brute. Fără ortorectificare, scara nu este constantă în imagine și nu se pot efectua măsurători exacte ale distanței și direcției.
Fig. . Procesul de ortofotoredresare
Proiecție ortogonală Perspectivă centrală
Scară uniformă Scară neuniformă
Pentru a ortorectifica imaginile, este necesar un model de transformare care ia în considerare diversele surse de distorsiune a imaginii generate în momentul achiziției imaginii. Acestea includ:
orientarea senzorului;
relieful zonei;
forma și rotația pământului;
variațiile orbitelor senzorilor și ale atitudinilor;
eroarea sistematică asociată cu senzorul;
Datorită dezvoltării tehnologiilor de ortofotoredresare , acest procedeu a trecut printr-un progres, la început făcându-se doar prelucrări manuale, iar în prezent ajungându-se la automatizarea prelucrărilor. Metodele de ortofotoredresare se clasifică după următoarele principii:
forma și dimensiunile elementelor de transfer a informației;
realizarea tehnică a fotoredresării;
funcție de fascicolele fotogrammetrice folosite la redresare.
În funcție de primul criteriu, adică de forma și dimensiunile elementelor de transfer a informației, se poate arăta că există trei tipuri de metode de transfer:
metode și aparate fundamentate pe transferul imaginii, punct cu punct;
metode și aparate aparate fundamentate pe transferul imaginii cu ajutorul liniilor;
metode și aparate aparate fundamentate pe transferul imaginii folosind elementele de suprafață.
În funcție de realizarea tehnică a transferului imaginii se clasifică următoarele:
ortofotoredresarea optică – bazată pe metoda optică;
ortofotoredresarea electronică – bazată pe metoda electronică.
În funcție de cel de-al treilea criteriu enuntat, adică în funcție de fascicolele fotogrammetrice folosite la redresare ortofotoredresarea optică, rezultă următoarea clasificare:
ortofotoredresare cu fascicole congruente;
ortofotoredresarea cu fascicole transformate proiectiv sau afin.
O altă clasificare a ortofotoredresării este realizată funcție de tipul metodei :
metoda directă, în care redresarea se face în timpul determinării cotelor;
metoda indirectă, în care baza planimetrică și cea altimetrică se calculează separat.
Ortofotoredresarea digitală punct cu punct a înregistrărilor fotogrammetrice presupune că fiecare pixel va fi redresat funcție de cota sa, care va fi obținută din modelul numeric al terenului – MNT. Această operațiune presupune două situații practice: fotograma digitală care se ortofotoredresează provine dintr-o stereogramă, sau fotograma este independentă.
Ortofotoredresarea fotogramei digitale care provine de la stereogramă
Procesul tehnologic constă în următoarele etape [Răducanu, Răducanu, 2004]:
orientarea interioară;
orientarea exterioară relativă și absolută;
formarea stereomodelului;
ortofotoredresarea.
Orientarea interioară se realizează prin identificarea și măsurarea coordonatelor indicilor de referință, putându-se face semiautomat pentru un indice de referință, iar pentru ceilalți realizându-se automat sau semiautomat. Aceasta se realizează prin procesul de punere a imaginii în sistemul de coordonate al camerei aerofotogrammetrice. În timpul efectuării orientării relative se elimină erorile sistematice ale fotogramelor.
Pentru a suprima deformațiile reziduale se aplică o transformare afină, care se realizează prin următoarele formule:
unde: x, y – coordonatele imaginii digitale,
xʼ,yʼ – coordonatele imaginii analogice.
Principiul ortofotoredresării fotogramei digitale provenite de la stereogramă se exemplifică în formula de mai jos.
Fig. . Sistemele de coordonate utilizate la ortofotoredresare
Orientarea exterioară se efectuează la stația digitală fotogrammetrică, determinându-se parametrii de orientare, parcurgând fazele de orientare relativă și absolută.
Modelul digital al terenului poate fi obținut din exploatările anterioare sau chiar pentru stereograma în cauză, fiind obținut dintr-o mulțime de puncte de coordonate cunoscute X,Y,Z, dispuse într-o rețea al cărei pas pe ambele direcții este stabilit în funcție de diferențele de nivel. În final pe baza modelului numeric se execută operația de ortofotoredresare digitală.
Prelucrarea fotogramei digitale prin ortofotoredresare parcurge următorii pași [Răducanu, Răducanu, 2004]:
fixarea poziției unui pixel P(x, y) în cadrul rețelei de ortofotoredresare;
pe baza poziției pixelului P(x, y) se interpolează cu ajutorul MNT-ului, cota pixelului, rezultând P (x, y, z);
pe baza relațiilor de coliniaritate folosite în metoda VLL (Vertical Line Locus) se stabilesc coordonatele imagine ale pixelului P, care va fi transformat în planul hărții;
(5.2)
unde:
x, y – coordonatele imagine în sistemul indicilor;
X, Y, Z – coordonatele la teren ale punctului;
X0, Y0, Z0 – coordonatele centrului de pespectivă în sistemul terenului;
rij – elementele matricei de rotație, i = 1, 2, 3; j = 1, 2, 3;
f – distanța focală a camerei (constantă).
reeșantionarea valorii intensității pixelului ( nivelurile de gri).
Prin inserarea cotei z se suprimă deformările datorate reliefului asupra punctelor, transformarea realizându-se pixel cu pixel pe baza parametrilor obținuți datorită punctelor de reper.
Ortofotoredresarea fotogramelor independente
Pentru obținerea ortofotohărții cu scara 1:5000 s-au folosit fotograme independente. În cazul fotogramelor independente, orientarea fotogramelor este cunoscută, precum și elementele de orientare determinate cu ajutorul punctelor de sprijin găsite în planul imagine și în MNT.
Transformarea imaginii se face în două etape deoarece există rotații mari între sistemul de coordonate al fotogramei și al modelului numeric al terenului.
Etapele transformării sunt:
transformarea aproximativă unde se face corespondența geometrică între imagine și sistemul hărții, operație care, în cazul rotațiilor mari, să fie urmată de o supraeșantionare;
transformarea de precizie, care garantează o corespondență cu o precizie de cel puțin 0,5 pixeli.
Urmează să se prezinte algoritmul ortofotoredresării unei fotograme, care se realizează în câteva etape [Răducanu, Răducanu, 2004]:
aflarea elementelor de orientare exterioară ale fotogramei;
supraeșantionarea imaginii, doar dacă există rotații mai mari de 10°- 15°; prin această operație se evită apariția golurilor în imaginea transformată;
transformarea coordonatelor colțurilor imaginii în planul de ortofotoredresare pe baza modelului numeric;
precizare coordonatelor imaginii de transformat și a cotei medii Z a planului de referință, care vor fi introduse în relațiile de coliniaritate;
calculul coordonatelor x, y în planul de ortofotoredresare, într-o primă aproximare;
recunoașterea punctelor care conturează pixelul care are coordonatele calculate;
interpolarea cotei Z în pozițiile calculate și identificate;
recalcularea coordonatelor X, Y în funcție de noua valoare a lui Z, utilizând relațiile de coliniaritate;
reluarea procesului până se obține precizia impusă;
utilizarea coordonatelor celor patru colțuri ale imaginii pentru generarea unei rețele imaginare aferentă ortofotohărții care va fi creată. Mărimea pixelului se stabilește în funcție de scara imaginii, scara de ortofotoredresare și diferențele de nivel.
După crearea acestei rețele se reia principiul metodei, pentru reeșantionarea imaginii. Operația pornește din planul ortofotogramei și se interpolează cotele în MNT după care, prin relațiile de coliniaritate, se găsește poziția pixelului care va fi reeșantionat cu una din metodele de transfer.
Baza matematică a metodelor de ortofotoredresare
Pentru a realiza transferul de la fotogramă la ortofotogramă trebuie să se efectueze transformări geometrice, precum: translația, rotația, curbura, schimbarea de scară.
Corespondentul elementului de suprafață plan și orizontal al terenului pe fotogramă reprezintă o proiecție centrală, fiind numită și transformarea fundamentală.
Din clasificarea de la punctul anterior rezultă că există trei tipuri de metode de transfer:
Transfer punct cu punct
Cea mai precisă metodă de redresare este cea punct cu punct, care folosește date preluate de la fotogramele stereogramei, putându-se determina poziția spațială a fiecărui punct redresat.
Relațiile matematice utilizate pentru această metodă se regăsesc și în ecuațiile de bază ale stereogramei, unde se stabilește legătura ăntre sistemele de coodonate geodezice, respectiv fotogrammetrice, având forma:
(5.3)
unde: XG, YG, ZG – coordonatele geodezice ale punctului redresat;
XO, YO, ZO – elementele liniare ale orientării exterioare;
λ – coeficient de scară, între model și ortofotogramă;
R – matricea de transformare ale cărei elemente se calculează cu ajutorul elementelor de orientare absolută;
X, Y, Z – coordonatele modelului redresat.
Cele două variante prin care se poate realiza această metodă sunt:
redresarea punct cu punct în mod analogic prin exploatarea celor două fotograme a modelului și calcularea înălțimii punctului printr-o metodă de corelație optică;
redresare punct cu punct în mod digital, pe baza unei singure fotograme, măsurându-se permanent coordonatele imagine, cota fiecărui punct redresat obținându-se dintr-un model nimeric al terenului.
Metoda transferului punct cu punct nu este avantajoasă datorită costului ridicat al sistemelor automate de calcul.
Transfer prin element de linie
Această metodă este cea mai avantajoasă din punct de vedere al preciziei, deoarece rezultatele obținute sunt cele mai bune, considerând-se că transferul s-a realizat prin linie dreaptă înclinată.
În figura de mai jos se prezintă principiul de transfer prin elementul de linie dreaptă.
Fig. . Transfer prin element din linie dreaptă
unde ΔSʼ – element de redresare pe fotogramă;
ΔS – element de redresare pe stereomodel;
Δs – element de redresare pe ortofotogramă.
Ecuațiile de reprezentare pentru punctele de pe s și sʼ rezultă din ecuațiile proiecției unui plan pe alt plan,când se pune condiția y = yʼ = 0 și are forma:
(5.4)
unde: a,b,c,d – coeficienții transformării;
xʼ,yʼ – coordonatele imagine;
x, y – poziția punctului în planul de redresare.
Ecuația anterioară reprezintă o transformare combinată între două drepte, dar datorită faptului că pentru această transformare sunt necesare trei puncte, aceasta nu se poate realiza deoarece metoda nu dispune de acestea.
Transfer prin element de suprafață
Transferul prin element de suprafață se bazează pe aceleași considerente ca în cazul transferului prin element de linie. Condițiile geometrice pentru un transfer cu element de suprafață plan se pot observa în figura de mai jos.
Fig. . Transfer prin element de suprafață plană
unde Δaʼ – element de suprafață pe fotogramă, este un patrulater oarecare;
Δa – element de suprafață pe ortofotogramă, este un dreptunghi;
ΔA – element de suprafață pe stereomodel, este un paralelogram.
Transformarea lui Δaʼ în Δa se face printr-o omografie plană de forma:
(5.5)
Ortofotoredresarea digitală și precizia ortofotoredresării
Ortofotoredresarea digitală
Procesul care elimină efectele deplasării reliefului, distorsiunile senzorilor optici și efectele perspectivei geometrice dintr-o imagine inițială, se numește ortofotoredresare sau redresare diferențială. În fotografiile obișnuite, obiectele mai apropiate de cameră apar mai mari decât obiectele de dimensiune egală, care se află în depărtare. Acest lucru creează o complexitate evidentă în măsurarea precisă a obiectelor sau determinarea localizării lor precise, într-un sistem de coordonate de referință. Pentru realizarea procesului de ortofotoredresare, distorsiunile geometrice trebuie corectate. Imaginea rezultată se numește ortofotohartă.
Ortofotoredresarea este procesul optic, electronic sau digital de transformare a unei imagini înclinate utilizând elemente imagine punctiforme, liniare sau de suprafață într-o proiecție ortogonală, prin suprimarea deformațiilor datorate influenței unghiurilor de înclinare, diferențelor de nivel din spațiul obiect, variațiilor de scară din cuprinsul fotogramei.
Ortofotoharta poate fi generată din orice imagine în perspectivă (indiferent de sursă), atâta timp cât sunt cunoscute trei lucruri principale:
orientarea interioară (descriind geometria internă a sistemului de camere)
orientarea exterioară (descriind relația geometrică între imagine și sol)
DTM (Digital Terrain Model) furnizat ca date de intrare în procesul de ortorectificare, în plus față de geometria senzorului intern și extern descris mai sus.
Calitatea ortofotografiilor digitale este asigurată prin respectarea a trei niveluri de calitate:
fidelitatea geometrică
Fidelitatea geometrică este corectitudinea trăsăturilor din ortofotoredresare comparată cu formele și aliniamentele obiectelor lumii reale pe care le reprezintă.
acuratețe absolută
Precizia absolută reprezintă o măsură care indică cât de apropiate sunt coordonatele unui punct din ortofotogramă cu coordonatele reale ale aceluiași punct de pe sol într-un sistem de coordonate de referință. Toate punctele de control la sol folosite anterior în aerotriangulație sau dintr-o altă sursă sunt amplasate și măsurate pe ortofotogramă pentru a asigura precizia cerută.
precizia radiometrică
Precizia radiometrică este o măsură a echilibrului culorilor, luminozității și contrastului imaginii. Proprietățile radiometrice ale ortofotografiilor variază în funcție de natura topografiei.
O imagine ortorectificată are o scară constantă, astfel încât trăsăturile sunt reprezentate în pozițiile lor reale în raport cu poziția lor la sol. Aceasta permite măsurarea exactă a distanțelor, unghiurilor și a zonelor din imaginea ortoimagică. Generarea ortoimaginii implică deformarea imaginii sursă astfel încât distanța și suprafața să fie uniforme în raport cu măsurătorile din lumea reală. Acest lucru se realizează prin stabilirea relației coordonatelor imaginii x și y cu GCP din lumea reală pentru a determina algoritmul pentru reeșantionarea imaginii.
Precizia ortofotoredresării
Pentru a avea o precizie garantată pentru imaginile ortorectificate, sunt necesare punctele de control la sol (GCP). Atunci când un model de altitudine, un model de cameră / RPC-uri și controlul la sol sunt luate împreună, datele orto-rectificate pot fi extrem de precise. Cu cât este mai bună calitatea MNT-ului și a GCP-urilor care se utilizează, cu atât mai exact poate fi produsul final.
Precizia finală a ortofotohărții depinde de diferiți parametri, dintre care se remarcă:
precizia modelului numeric al terenului
calitatea traiectoriei
dimensiunea pixelului de achiziție
În cazul ortofotoredresării, precizia este dată de valorile următoarelor erori:
eroarea medie pătratica;
eroarea reziduală pentru fiecare punct;
eroarea totală.
Eroarea medie pătratică este dată de diferența între coordonatele inițiale ale punctelor de control la teren și coordonatele redresate ale acestora, putând fi calculată cu formula :
(5.6)
unde:
xi, yi – coordonate inițiale;
xr, yr – coordonate redresate.
Eroarea reziduală reprezintă deplasarea pe X și pe Y a unui punct de control la teren, original și redresat.
Eroarea medie pătratică a coordonatelor unui punct de control exprimă în funcție de erorile reziduale ale acestuia:
(5.7)
unde:
Ri – eroarea medie pătratică pentru punctul de control i;
XRi – eroarea reziduală pe direcția X pentru punctul de control la teren i;
YRi – eroarea reziduală pe direcția Y pentru punctul de control la teren i.
Erorile reziduale totale, respectiv eroarea medie pătratică totală sunt deosebit de importante pentru realizarea procesului de ortofotoredresare, fiind date de următoarele formule:
(5.7)
unde: Rx- eroare reziduală totală pe direcția X;
Ry- eroare reziduală totală pe direcția Y;
T – eroarea medie pătratică a redresării;
XRi- eroarea reziduală a punctului de control i, pe direcția X;
YRi- eroarea reziduală a punctului de control i, pe direcția Y.
Eroarea medie pătratică totală a redresării se poate scrie și în funcție de aportul fiecărui punct de sprijin, fiind dată de relația:
(5.8)
în care : Ei- eroare relativă
Toleranța erorii medii pătratice a redresării
De cele mai multe ori, pentru a simplifica procesul de ortofotoredresare și pentru a nu aplica transformări mai complexe, se introduce o toleranță a erorii medii pătratice.
Toleranța erorii medii pătratice (RMS) este dată în funcție de destinația bazei de date, de tipul de date utilizate și de precizia coordonatelor punctelor de control folosite, fiind exprimată în pixeli.
Mozaicarea
Mozaicarea ortofotoimaginilor presupune asamblarea acestora și decuparea în secțiuni, astfel încât să se obțină o imagine continuă a terenului și omogenă din punct de vedere radiometric. În urma acestei operațiuni rezultă ortofotoplanul digital, căruia dacă i se atribuie elemente de planimetrie și altimetrie face posibilă realizarea unei ortofotohărți.
Fig. . Alipirea imaginilor pentru realizarea mozaicului și a liniei de tăiere
Fotogramele adiacente sunt alipite prin liniile de decupare, rezultând mozaicul, fiind trei etape propriu-zise:
mozaicarea – lipirea mai multor imagini ortorectificate;
rectificarea ortoplanului – rezultă imaginile rectificate ale modelului stereoscopic;
realizarea mozaicului – se generează mozaicul, rezultând produsele finale numite ortofotoplan, respective ortofotohartă.
Domenii de utilizare a ortofotohărții și ortofotoplanului
Domeniile de utilizare a ortofotohărții și a ortofotoplanului sunt multiple. Printre cele mai importante se numără:
Domeniul agricol:
repartizarea pe domenii; adică utilizarea curentă a terenului, capacitatea sa de utilizare, tipurile de sol etc.;
planificarea lucrărilor de irigare;
planificarea sistemelor de comunicare.
Domeniul forestier:
planificarea drumurilor (studiul drumurilor);
studierea prevenirii incendiilor forestiere.
Geologie:
realizarea bazei de date cartografice pentru studiului anumitor zone, ortofotograma în culoarea infraroșu fiind de uz special în geologie.
Hidrologie:
folosirea ca fundal pentru planificarea utilizării sistemelor de apă și a construcțiilor.
Lucrări civile:
înlocuirea, cu anumite limitări, a planurilor topografice în realizarea lucrărilor civile, cum ar fi construcția de drumuri, căi ferate, aeroporturi etc.
Minerit
utilizarea în faza de explorare a depozitelor miniere, profitând în mod special ortofotogramele în infraroșu.
Turism
În turism, ortofotoplanul este deosebit de util, în special în orașele mari care au o infrastructură atractivă pentru vizitatori. Pentru îndeplinirea acestei funcții, ortofotoplanul trebuie să aibă informațiile necesare despre punctele de interes turistice mai mare, cum ar fi parcuri, hoteluri, restaurante, muzee, locuri de recreere, sisteme de mobilizare etc.
APLICAȚIE PRACTICĂ PRIVIND OBȚINEREA ORTOFOTOHĂRȚII LA SCARA 1:5000, PRIN ORTOFOTOREDRESARE DIGITALĂ
Programe utilizate
În acest subcapitol se vor descrie aplicațiile folosite în procesul de obținere a ortofotohărți. Datele fotogrammetrice utilizate în acest proiect, precum și soft-urile de prelucrare au fost puse la dispoziție de către Agenției de Informații Geospațiale a Apărării.
Sistemul Leica ADS 80 este sistemul fotogrammetric digital care aparține de Leica Geosystems AG, fiind folosit pe teritoriul național pentru zboruri fotogrammetrice în domeniul militar.
Un sistem de înregistrare este alcătuit din patru componente principale, enumerate mai jos:
Sateliți GNSS
Antena GNSS aeropurtată
Sistemul Leica ADS80
Stația GNSS de referință la sol
Sistemul Leica ADS80 oferă performanțe în achiziționarea și prelucrarea datelor, fiind superioar oricărui alt senzor digital de dimensiuni mari. În figura de mai jos se poate observa modul de amenajare a camerei la bordul avionului.
Fig. . Dispunerea camerei la bordul unui avion
Senzorul camerei SH82 ;
Girostabilizator PAV80;
Unitatea de comandă și control CU80 și memoria de stocare a înregistrărilor MM80 ( mass memory – unitatea de memorie);
Suportul pentru interfața operatorului IS40;
Interfață pentru operatorul camerei OI40;
Controlerul pilotului OC50;
Indicatorul de ghidaj GI40;
Cutia de distribuție a energiei electrice PD56.
Camera înregistrează benzi fotogrametrice, linie cu linie. Senzorul are capacitatea de a prelua imaginea în trei moduri: nadiral, înainte și înapoi.
În acest subcapitol se vor descrie aplicațiile folosite în procesul de obținere a ortofotohărți. Datele fotogrammetrice utilizate în acest proiect, precum și soft-urile de prelucrare au fost puse la dispoziție de către Agenției de Informații Geospațiale a Apărării.
Sistemul fotogrammetric digital ADS80 următoarele caracteristici tehnice:
domeniul de sensibilitate al senzorului CCD: 12 biți;
canalul de transfer al datelor: 16 biți;
modul de înregistrare al datelor: format ADS80 cu compresie joasă pentru datele brute;
banda de înregistrare spectrală: pancromatic, RGB, infraroșu apropiat;
factorul de compresie: cuprins între 2.5x și 3.6x;
normalizarea datelor: neliniară;
rezoluția radiometrică a datelor comprimate: 10 și 12 biți;
capacitatea de memorare este de 384 GB(192 GB x 2) și 768GB (384 GB x 2) în 3 benzi pancromatice și 4 benzi spectrale;
Softurile Leica Xpro și OrthoVista au fost achiziționate alături de sistemul ADS 80, de la firma Leica Geosystems AG. Pe lângă aceste softuri, s-au utilizat și programele ArcGIS și ERDAS. Fiecare soft are rolul de a rezolva o etapă din fluxul ortofotoredresării.
Leica Xpro este o aplicație formată din mai multe module, fiind utilizată pentru a obține benzile fotogrammetrice ortorectificate. Cele mai importante module ale aplicației se vor descrie mai jos.
Fig. . Meniul Leica Xpro
Modulul Downloader permite descărcarea datelor brute pe memoriile avionului MM80, fiind singurul modul care nu are nevoie de o licență.
Modulul Data Preparation georeferențiază fiecare bandă fotogrammetrică zburată cu ajutorul elementelor de orientare exterioară.
Modulul QC Viewer permite realizarea profilelor radiometrice folosite pentru a elimina efectele atmosferice din cadrul imaginilor.
Modulul Triangulation realizează aerotriangulația cu ajutorul relațiilor de la compensararea în bloc a aerotriangulației.
Modulul Rectifier realizează procesul propriu-zis de ortofotoredresare a benzilor fotogrammetrice.
Aplicația OrthoVista este folosită pentru a realiza liniile de mozaicare a benzilor fotogrammetrice ortofotoredresate, fiind dezvoltată de firma Inpho. Aplicația oferă trei modalități de mozaicare a benzilor fotogrammetrice, prin opțiunea Mosaic Adjustment:
Plain Mosaic: realizează mozaicarea benzilor “arbitrar”, liniile de mozaicare fiind contrânse la extremitatea benzilor, iar îmbinarea imaginilor este una brută;
Feature Detection: se folosește în special pentru zonele urbane;
Adaptive Feathering: se folosește pentru realizarea ortofotoplanului real deoarece permite ca golurile produse de modelul numeric să fie completate cu pixeli din „fundal”;
Seam Aplicator: se folosește pentru a face mozaicarea imaginilor în zona în care liniile de mozaicare s-au editat manual, cu ajutorul modulului OrthoVista Seam Editor.
ERDAS 2014 este o aplicație de detecție la distanță cu abilități de editare grafică raster produsă de ERDAS Inc. pentru aplicații geospațiale. Obiectivul esențial al aplicației îl reprezintă prelucrarea datelor geospațiale, în special date raster, pentru îmbunătățirea imaginilor digitale. Aplicația este un set de instrumente care permite utilizatorului să efectueze o multitudine de operații pe o imagine și de generare a unui răspuns la întrebările specifice.
ArcGIS este un pachet de programe produs de compania ESRI care oferă avantaje precum crearea, prelucrarea, integrarea, analiza si afișarea datelor geografice la diferite niveluri. Principalele componente ale ArcGIS Desktop sunt: ArcView, ArcEditor și ArcInfo.
ArcView este o componentă GIS care permite vizualizarea, interogarea, analiza și realizarea hărților. Oferă instrumente pentru explorare, selectare, editare, afișare, analiză, simbolizare și clasificarea datelor, precum și pentru actualizarea metadatelor.
ArcEditor este o aplicație intermediară ArcGIS, care oferă mai multe funcții decât ArcView, dar mai putine decât ArcInfo
ArcInfo este componenta cea mai complexă ArcGIS. În plus față de funcțiile de afișare și interogare incluse de ArcView și de funcțiile de editare incluse de ArcEditor, ArcInfo oferă funcții de geoprocesare și conversie a datelor, necesare pentru obținerea unor soluții complete GIS.
Aceste versiuni includ în meniul lor și aplicațiile ArcCatalog, ArcMap (fiecare aplicație incluzând propria aplicație ArcToolbox.
Descrierea datelor utilizate
În cadrul acestei lucrări, se va exemplifica modul de obținere a unei ortofotohărți plecând de la benzile fotogrammetrice, cu acoperirea transversală de 30 %, care compun blocul B11.
Datele necesare realizării acestei lucrări au fost puse la dispoziție de către Agenția de Informații Geospațiale a Apărării „General de divizie Constantin Barozzi”. Benzile fotogrammetrice sunt din zona Almașu Mare, județul Alba, localitatea fiind situată la periferia sudică a Munților Apuseni, în subunitatea Munților Metaliferi, iar cele două înregistrări 10*10 km sunt denumite „35_51.sid”, respectiv „35_52.sid”. Localizarea înregistrărilor în cadrul României se poate vedea în anexa 1.
Pentru realizarea lucrării practice, zona a fost aerofotografiată în decursul a două zile ( 28.09.2018, respectiv 05.10.2018), la moment diferite din zi, după cum se poate observa în tabelul de mai jos.
Tabel Data și ora la care au fost aerofotografiate benzile fotogrametrice
Benzile fotogrammetrice studiate sunt în proiecția Stereografică 1970, în sistemul de coordonate Pulkovo 1942. Harta topografică corespunzătoare celor două înregistrări, pe baza căreia s-au vectorizat curbele de nivel, râuri, drumuri și s-a realizat modelul numeric al terenului, are nomenclatura L-35-060, fiind observabilă în anexa 2, iar harta întregului bloc fotogrammetric se regăsește în anexa 3.
Pentru a realiza o ortofotohartă prin ortofotorederesare digitală trebuie să se parcurgă câteva etape importante în acest proces.
Fig. . Etapele necesare obținerii unei ortofotohărți
Etapele necesare obținerii unei ortofotohărți se realizează cu ajutorul pachetelor software puse la dispoziție de către Agenția de Informații Geospațiale a Apărării „General de divizie Constantin Barozzi”:
Leica Xpro , versiunile 5.2, respectiv 6.4;
Orthovista;
ArcGIS 10.2.2;
Erdas Imagine 2014.
Verificarea benzilor și realizarea profilelor radiometrice
Benzile fotogrammetrice care intră în componența blocului trebuie să fie verificate prin afișarea fiecărei benzi zburate și analizarea vizuală a conținutului imaginilor înregistrate pentru a recunoaște zonele acoperite de nori, umbre, zăpadă și a celor alterate de fenomenul de reflexie cauzat de ape sau de suprafețele luminoase.
În cazul în care sunt recunoscute astfel de fenomene, se vor transmite operatorilor foto, zonele sau benzile afectate pentru a fi rezburate. Benzile fotogrammetrice care respect condițiile cerute de calitate, sunt cuprinse în blocul fotogrammetric corespunzător zonei înregistrate. Benzile care au probleme sunt rezburate, iar după reverificarea acestora, dacă îndeplinesc condițiile calitative, vor fi include în blocul fotogrammetric.
Deoarece benzile fotogrammetrice sunt zburate în zile diferite, la diverse ore din zi sau în diferite condiții atmosferice (dacă zborurile sunt executate după o perioadă ploioasă, se constată că atmosfera este mai curată), ele variază din punct de vedere radiometric.
Totuși, ținând cont de cele precizate anterior, pentru micșorarea diferenței radiometrice dintre benzile blocului, precum și pentru eliminarea efectelor atmosferice din cadrul acestora a existat necesitatea realizării profilelor radiometrice pentru fiecare bandă în parte.
Există câteva etape care necesită a fi parcurse pentru a micșora diferențele radiometrice, iar acestea vor fi realizate cu aplicația Leica Xpro, pusă la dispoziție de Agenția de Informații Geospațiale ale Apărării.
Prima etapă este reprezentată de pornirea modulului QC Viewer din aplicația Leica XPro. Pentru deschiderea aplicației se execută click pe pictograma QC Viewer și se deschide fereastra QC Viewer.
Fig. . Pornirea modului QC Viewer
Pentru a încărca una sau mai multe benzi dintr-o sesiune de zbor se execută clic pe butonul Add Image și se selectează directorul în care sunt stocate datele de la zbor. În interiorul acestuia sunt stocate informații privind zilele de zbor, structurate pe directoare. Se alege directorul corespunzător zilei de zbor dorite, după care se selectează directorul session . În acest director sunt stocate sesiunile de zbor din ziua respectivă. După selectarea sesiunii dorite, se aleg benzile pentru verificare (fișierele cu extensia *.stp), după care se execută clic pe butonul OK. Benzile selectate vor apărea în partea din stânga a ferestrei QC Viewer.
Fig. . Fereastra QC Viewer
O etapă importantă în prelucrarea radiometrică a benzilor o reprezintă setarea parametrilor aplicației. În fereastra QC Viewer se vor seta trei parametri:
Nivelul imaginilor de prelucrat: din lista aferentă etichetei Level se selectează opțiunea L1 ( – stânga);
tipul de produs: din lista aferentă etichetei Product se selectează opțiunea NRGB ( – centru);
tipul de corecție care va fi aplicată: din lista aferentă etichetei Apply Correction se selectează opțiunea dorită( – dreapta);
Fig. . Setarea parametrilor aplicației QC Viewer
Afișarea unei benzi presupune selectarea benzii dorite din caseta listă a fereastrei QC Viewer, verificarea corectitudinii parametrilor setați anterior și apăsarea butonului Load Image. Banda selectată va fi afișată în partea dreaptă a ferestrei QC Viewer.
Fig. . Fereastra QC Viewer cu o bandă afișată
Pentru ca blocul fotogrammetric să fie aprobat și prelucrat în următoarea etapă a procesului de aerotriangulație, benzile blocului trebuie să fie fără umbre, nori sau zăpadă. Pentru a realiza această condiție fiecare bandă trebuie baleiată și verificată. Pentru a fi aprobată, banda trebuie să se încadreze în cerințele de calitate impuse. În caz contrar, funcție de porțiunea cu probleme, aceasta va trebui re-zburată complet sau parțial, după care va fi reverificată, urmând a fi acceptată în momentul în care va îndeplini condițiile de calitate cerute.
Se va prelucra radiometric o singură bandă fotogrammetrică, urmând ca cea mai bună corecție să se aplice pentru întreg blocul fotogrammetric. Pentru realizareaa profilul radiometric al unei benzi se utilizează unealta Image Adjustment. Prin realizarea profilelor radiometrice se urmăreste două aspecte: egalizarea histogramei imaginii pe tot intervalul de niveluri de gri posibile și ajustarea luminozității benzii (corectarea erorilor atmosferice).
Pentru a porni unealta se execută clic pe butonul Image Adjustment din QC Viewer. Toate prelucrările se vor face pe o bandă fotogrammetrică zburată în data de 28.09.2018 la ora 13:05.
Corecția „None”
Fig. . Aplicarea parametrului „None”
Se deschide fereastra Image Adjustment și se setează parametrului Bit Depth Scale la valoarea 13 pentru a vizualiza întreaga histogramă a imaginii și pentru a elimina valorile nule ale histogramei.
Fig. . Fereastra Image Adjustement pentru corecția „None”
Dacă coeficientul Gamma este egal cu 0.5 și lungimea benzii de 6435, profilul radiometric va arăta conform anexei 4.1.
Corecția „Calibrated”
Fig. . Aplicarea parametrului „Calibrated”
În fereastra Image Adjustment și se setează parametrului Bit Depth Scale la valoarea 12, eliminând astfel valorile nule . Utilizând indicatorul din miljoc se ajustează luminozitatea imaginii, astfel încât aceasta să aibă aspectul asemănător cu cel al benzii anterioare.
Fig. . Fereastra Image Adjustement pentru corecția „Calibrated”
Datorită eliminării valorilor nule, dimensiunea profilului este de 4096.
Corecția „Dark pixel”
Fig. . Aplicarea parametrului „Dark pixel”
În fereastra Image Adjustment , valoarea parametrului Bit Depth Scale este 12.
Fig. . Fereastra Image Adjustement pentru corecția „Dark pixel”
Lungimea acestei benzi este de 4096, iar cea mai bună luminozitate a rezultat la un coeficient Gamma de 0.50.
Corecția „Modified Chavez”
Fig. . Aplicarea parametrului „Modified Chavez”
Lungimea acestei benzi este de asemenea 4096, iar cea mai bună luminozitate a rezultat la un coeficient Gamma de 0.50.
Corecția „Atmospheric”
Fig. . Aplicarea parametrului „Atmospheric”
Corecția atmosferică este procesul de eliminare a efectelor atmosferei pentru a produce valori de reflexie a suprafeței. Corecția atmosferică poate îmbunătăți semnificativ interpretabilitatea și utilizarea unei imagini. Pentru realizarea acestui profil radiometric, prin mutarea cursorului s-a stabilit un coeficient de luminozitate de 0,5.
Următoarele profile radiometrice se realizează prin combinarea corecțiilor aplicate anterior cu corecția Lambert.
Corecția „Calibrated + Lambert”
Fig. . Aplicarea parametrului „Calibrated + Lambert”
Profilul radiometric rezultat se poate vedea în anexa 4.f.
Corecția „Dark Pixel + Lambert”
Fig. . Aplicarea parametrului „Dark Pixel + Lambert”
După schimbarea luminozității histogramei, rezultă profilul radiometric.
Corecția „Modified Chavez + Lambert”
Fig. . Aplicarea parametrului „Modified Chavez + Lambert”
Ca și la celelalte profile, se ajustează luminozitatea histogramei, rezultând un nou profil radiometric.
Corecția „Atmospheric + Lambert”
Fig. . Aplicarea parametrului „Atmospheric + Lambert”
Acest profil a rezultat în urma combinării corecției Atmospheric cu corecției Lambert.
Ultimul profil radiometric realizat în această lucrare combină corecția Calibrated cu BRDF.
Corecția „Calibrated + BRDF”
Fig. . Aplicarea parametrului „Calibrated + BRDF”
Profilul radiometric rezultat se observă în anexa 4.j.
Pentru această corecție s-a realizat și un profil radiometric infraroșu,prezentat în anexa 4.k.
Profilele radiometrice create s-au salvat într-un folder , având extensia *.xml.
S-au studiat toate profilele și se consideră că cel mai bun este cel rezultat în urma aplicării corecției „Calibrated + BRDF”, urmând ca acesta să se aplice tuturor benzilor care formează blocul fotogrammetric. Pentru realizarea profilelor radiometrice ale benzilor din care este alcătuit blocul, se va schimba luminozitatea histogramei, cea mai bună fiind variantă în care coeficientul de luminozitate Gamma este egal cu 0,44.
Fig. . Fereastra Image Adjustement
Pentru versiunea XPro 6.4 pentru a obține un aspect cât mai uniform din punct de vedere radiometric al blocului fotogrammetric, după ce s-a încărcat banda curentă, se execută clic dreapta pe banda precedentă și se alege opțiunea Load in right view with Profile se alege fișierul *.xml aferent benzii precedente, apoi se execută click pe pictograma Open. Banda precedentă cu profilul încărcat se încarcă în partea dreaptă a ferestrei QC Viewer și va fi de referință pentru actuala bandă .
Fig. . Butonul Load in right view with Profile
Prelucrarea radiometrică a înregistrărilor 10x10km
Cele două înregistrări sunt formate din benzile fotogrammetrice cu acoperire de aproximativ 30 %.
Pentru prelucrarea radiometrică a acestora se va folosi softul ERDAS Imagine 2014, în care se vor încărca înregistrările digitale, denumite 35_51.sid și 35_52.sid în format RGB și CIR. Astfel, din meniul File, selectăm Open Raster Layer și navigăm către folderul unde imaginea e salvată. Fișierul se poate vizualiza în Viewer în mod full extent prin comanda Fit to Frame. Următorul pas va fi trecerea la meniul Raster de unde se începe procesul propriu-zis de prelucrare.
Această etapă este necesară pentru a observa dacă corecțiile aplicate în programul Leica s-au efectuat corespunzător și pentru a studia diferența dintre acestea.
Operații punctuale
Mărirea contrastului
Se deschide fereastra Contrast Adjust,de unde se selectează diferite metode de mărire a contrastului,precum metoda Dynamic Range Adjust, filtrul Gamma, filtrul Gauss, metoda Invert, metoda lineară, metoda Percentage LUT și metoda deviației standard.
Se vor aplica pe rând aceste metode imaginii inițiale pentru a vedea modificările care i se aduc.
Fig. . Tool-ul General Contrast din cadrul ERDAS Imagine
Unealta permite alegerea metodei de ajustare a contrastului, iar la fiecare se pot ajusta diverși parametri detaliați mai jos.
Se va prezenta fiecare metodă, iar rezultatele se vor găsi în anexe :
Metoda Dynamic Range Adjust
Se poate selecta sursa histogramei (întreaga imagine, o porțiune a imaginii sau doar ce se vizualizează în acel moment în Viewer) și cui i se aplică metoda (întreaga imagine, o porțiune a imaginii sau tabelului de atribute);
În figura de mai jos, s-a selectat intervalul de ajustare 30-200 pentru pancromatic și 20-178 pentru fiecare culoare RGB, folosindu-se întreaga imagine. Imaginea prelucrată e vizibilă în partea dreaptă a ferestrei.
Fig. . Ajustare contrast folosind metoda Dynamic Range Adjust
Filtrul Gamma
Acest filtru permite selectarea valorii parametrului gamma (valoarea implicită 2.20) și selectarea scării (valoarea implicită 19,42); se poate selecta sursa histogramei și cui i se aplică metoda.
În figura următoare, s-a folosit o valoare gamma de 2.20, împreună cu o scară de 10.42. Imaginea prelucrată e vizibilă în partea dreaptă a ferestrei.
Fig. . Ajustare contrast folosind metoda Gamma
Filtrul Gauss
permite introducerea valorilor minime și maxime în cazul aplicării algoritmului;
se poate selecta sursa histogramei și cui i se aplică metoda.
Se modifică valorile de gri ale pixelilor, introducând minimul cuprins între 0-100 și maximul între 200-256, fără a face excluderea niciunei valori din intervalul 0-256.
Fig. . Ajustare contrast folosind metoda Gaussian
Metoda Invert
inversează valorile de gri, negrul devenind alb și invers;
se poate selecta sursa histogramei și cui i se aplică metoda.
Fig. . Ajustare contrast folosind metoda Invert
Metoda lineară
transformă imaginea pe baza valorii pantei și deplasării lineare;
se poate selecta sursa histogramei și cui i se aplică metoda.
Imaginii i s-a aplicat o pantă cu valoarea 1.0 și deplasarea liniară de 0.0, detaliile fiind mult mai întărite.
Fig. . Ajustare contrast folosind metoda lineară
Metoda Percentage LUT
se referă la decuparea procentuală a marginilor histogramei, astfel se va obține o imagine întărită radiometric;
se poate selecta sursa histogramei și cui i se aplică metoda.
Fig. . Ajustare contrast folosind metoda Percentage LUT
Metoda deviației standard
introducând valoarea dorită a deviației standard, se aplică imaginii o filtrare de netezire. Cu cât crește valoarea deviației standard, cu atât valorile de gri vor fi mai apropiate de valoarea medie a intervalului 0-256;
se poate selecta sursa histogramei și cui i se aplică metoda.
Se poate observa în figura de mai jos cum valorile de capăt ale intervalului de gri au fost modificate pentru a crea un aspect unitar de netezire.
Fig. . Ajustare contrast folosind metoda deviației standard
Comparativ, cele 8 metode de ajustare a constrastului dau următoarele rezultate, unele transformări fiind mai discrete, altele modificându-se considerabil.
Fig. . Rezultatele comparative ale metodelor de ajustare a constrastului
Filtrarea zgomotului
Operațiunea este realizată de unealta Filtering, aflată în secțiunea Raster/Sharpness. Filtrele folosite sunt matrici de 3×3, 5×5, 7×7 până la 11×11, care parcurg imaginea și modifică valorile de gri ale pixelului central după o relație specifică fiecărui algoritm.
Dintre filtrele ce se pot aplica unei imagini, amintim cele mai importante:
Detectarea conturului;
Întărirea conturului;
Filtru orizontal/vertical;
Reducerea efectului de ceață (Haze);
Detectarea conturului prin filtru Laplacian;
Filtru de detectare a conturului
se pot folosi măști de 3×3, 5×5 sau 7×7 în funcție de caracteristicile pixelilor, într-un algoritm de convoluție și se poate stabili cui i se aplică algoritmul.
Fig. . Filtru detectare contur
Filtru de întărire a conturului
Algoritmul realizează o modificare spațială a imaginii, astfel încât contururile sunt mai proeminente. Parcurgând imaginea cu o matrice 3×3, rezultatul va arăta ca în figura de mai jos:
Fig. . Filtru întărire contur
Filtru de sumarizare
Simplifică imaginea prin filtrarea valorilor pixelilor și întărirea elementelor considerate importante.
Fig. . Filtru de sumarizare
Filtru de reducere a zgomotului
Modifică valorile de gri ale pixelilor, realizând o mai bună vizibilitate a detaliilor planimetrice ale imaginii.
Fig. . Filtru de reducere a zgomotului
Filtru Laplacian de detectare a conturului
Aplică relațiile Laplace ce detectează contururile prin parcurgerea imaginii cu o matrice de 3×3;
Fig. . Filtru Laplacian
Modelarea imaginii cu ajutorul histogramei
Modificând histograma se obține întărirea contrastului. În continuare se arată cum se efectuează modificarea histogramei unei imagini.
Din bara de instrumente se alege Raster → Radiometric → Histogram Equalization. Se va deschide fereastra Histogram Equalization, în care la Input File alegem imaginea căreia dorim să îi aplicăm egalizarea histogramei, iar la Output File alegem locația și denumirea pe care dorim să o atribuim noii imagini, după care click Ok.
Fig. . Ajustarea contrastului folosind metoda egalizării histogramei
Comparativ, mai jos sunt prezentate histogramele corespunzătoare imaginii originale, respectiv celei egalizate:
Fig. . Histogramele imaginii originale corespunzătoare celor trei straturi: roșu (stânga), verde (centru), albastru ( dreapta)
După aplicarea acestui filtru, se vor afișa histogramele imaginii rezultate.
Fig. . Histogramele imaginii egalizate corespunzătoare celor trei straturi: roșu (stânga), verde (centru), albastru ( dreapta)
Operații spațiale
Filtrarea „trece-jos”
Este utilizată pentru operații de netezire și/sau filtrare a zgomotelor. Prezintă următoarele caracteristici :
permite trecerea neatenuată a frecvențelor spațiale joase;
atenuează sau blochează trecerea frecvențelor înalte.
Mai jos, se pot urmări diferențele de netezire între aceeași imagine filtrată „trece-jos” cu nucleu de 3×3, 5×5, respectiv 7×7.
Fig. . Imaginea filtrată cu nucleu 3×3 (stânga), 5×5 (centru), 7×7 (dreapta)
Se observă că imaginea filtrată cu nucleu 3×3 este mai clară ca cea filtrată cu nucleu 7×7.
Filtrarea „trece-sus”
Filtrarea trece-sus se folosește pentru extragerea sau accentuarea contururilor.
Fig. . Imaginea filtrată cu nucleu 3×3 (stânga), 5×5 (centru), 7×7 (dreapta)
Ca și în cazul filtrării „trece-jos” , se observă că imaginea filtrată cu nucleu 3×3 este mai clară , iar imaginea filtrată cu nucleu 7×7 extrage cel mai bine contururile.
Se poate observa că cel mai bun filtru este obținut prin metoda Dynamic Range Adjust, acesta putând fi folosit pentru realizarea ortofotohărții. Acest filtru se aseamănă cu cel utilizat pentru realizarea profilelor radiometrice a întregului bloc.
Din figurile de mai sus se observă că toate benzile au fost prelucrate radiometric. După ce s-au îndeplinit condițiile acestei etape, verificarea benzilor și realizarea profilelor radiometrice, se ajunge la următoarea etapă, aceea de creare a blocului fotogrammetric pentru aerotriangulație.
Crearea blocului fotogrammetric
Pe baza blocului fotogrammetric se vor realiza profilele radiometrice și aerotriangulația. Pentru a realiza un bloc fotogrammetric se parcurg câteva etape de bază.
Fig. . Etapele creării unui bloc fotogrammetric
Pornire modul Block Preparation din aplicația Leica Xpro
Pentru a crea un bloc fotogrammetric se pornește modul Block Preparation din aplicația Leica Xpro, versiunea 6.4.
Fig. . Modul Block Preparation
Crearea unui bloc fotogrammetric nou
În această etapă de creere a unui bloc se deschide meniul File și se alege butonul New Block, deschizându-se o fereastră New Block Model în care se introduc următorii parametri:
Name: numele noului bloc (B11_b_studenți)(1) ;
Location: locația de salvare a blocului (2);
Se bifează opțiunea Create Folder for Block (pentru a crea un director nou dedicat blocului) (3);
Coordinate System: se alege Projection System (5);
În fereastra care se deschide se alege Category: Romania (6) și System: Romania_Stereo70 (7);
Datum: se alege Romania Pulkovo 1942 (7 Param) (9);
Vertical Reference: Romania_2010 (Geoid03) Ro (10);
Horizontal Units: meters (11);
Vertical Units: meters (12);
Fig. . Fereastra New Block Model
După introducerea acestor parametri se apasă pe butonul Finish , obținându-se astfel noul bloc în locația aleasă. Câmpurile care se găsesc în fereastra aplicației Block Preparation devin active și vor fi indexate cu elementele care construiesc blocul fotogrammetric (benzi fotogrammetrice, modelul numeric al terenului și puncte de reper).
Adaugarea benzilor fotogrammetrice aferente blocului creat și a modelului numeric corespunzător blocului .
Se indexează toate benzile care formează un bloc fotogrammetric dând click pe meniul Block->Add Take, urmând mai apoi să se deschidă fereastra Select Takes to Add. Benzile fotogrammetrice au acoperire transversală de 30 %.
Fig. . Adăugare benzi
Fig. . Fereastra Takes to Add
După alegerea benzilor din sesiunea de zbor dorită se apasă click pe Open și se afișează benzile încărcate în secțiunea Takes a blocului, operațiunea realizându-se pentru fiecare sesiune de zbor.
Fig. . Fereastra Block Preparation
Benzile care intră în componența blocului fotogrammetric sunt realizate în două perioade diferite (în data de 28.09.2018, respectiv 10.05.2018)
Adăugarea datelor de reperaj în bloc
Datele de reperaj ale blocului sunt create deja într-un fișier text de personalul de la Agenția de Informații Geospațiale a Apărării. Pentru adăugarea datelor de reperaj în bloc este necesar să se dea click pe meniul Edit Ground Control din meniul Block.
Fig. . Meniul Block
Se va deschide fereastra Edit Ground Control în care se va da click pe Import Control Points from a file…
Fig. . Fereastra Edit Ground Control cu punctele încărcate
Editarea datelor de reperaj
În această etapă se stabilesc punctele de control(Full) si punctele de verificare(Check-Full), modificarea deviației standard pe axele OX și OY de la valoarea 0.0 la 0.05 și modificarea deviației standard pe OZ de la valoarea 0.0 la 0.08. Aplicația Leica Xpro 6.4 permite selectarea tuturor punctelor și modificarea proprietăților acestora într-o singură etapă.
Fig. . Editarea datelor de la reperaj
După realizarea tuturor modificărilor se apasă click pe butonul Save and Close.
Salvarea blocului fotogrammetric creat
Din meniul File a task-ului deschis se execută click pe Save Block, apoi pe Close Block.
Fig. . Save Block (stânga), Close Block (dreapta)
După crearea blocului fotogrammetric se trece la următoarea etapă, adică cea de realizare a aerotriangulației pentru blocul acesta.
Aerotriangulația blocului fotogrammetric
Aerotriangulația reprezintă procesul de stabilire a relației matematice dintre sistemul de coordonate al imaginilor, sistemul de coordonate al senzorului și sistemul de coordonate teren. Realizarea aerotringulației urmărește setarea și ajustarea parametrilor de orientare exterioară (EOP) a blocului fotogrammetric.
Pentru realizarea acestei etape s-a folosit pachetul software Leica XPro 6.4.
Fig. . Modulul Triangulation din pachetul software Leica Xpro
Procesul de aerotriangulație de desfășoară în mai multe etape, după cum este arătat și în figura următoare.
Fig. . Etapele de lucru în realizarea aerotriangulației pentru un bloc fotogrammetric
Pornirea modului Triangulation din aplicația Leica XPro
Pentru realizarea acestei etape se accesează iconița Triangulation din aplicația Leica Xpro, urmând ca mai apoi să se deschidă fereastra de mai jos.
Fig. . Fereastra modulului Triangulation
Încărcarea blocului fotogrammetric
În această etapă se accesează meniul File , iar apoi se execută click pe Open Block, deschizându-se o fereastră numită Block Selection. Din această fereastră se poate căuta blocul fotogrammetric creat anterior accesând butonul Browse.
Fig. . Deschiderea blocului fotogrammetric
Fig. . Selectarea blocului fotogrammetric
Se va deschide o fereastră Choose a Block de unde se permite încărcarea blocului fotogrammetric dorit, în cazul de față, a blocului B11_b_studenți. Blocul încărcat va arăta ca în figura de mai jos.
Fig. . Afișarea blocului fotogrammetric
În blocul de mai sus s-au introdus și punctele de reperaj marcate cu galben și care au fost încărcate în momentul în care s-a creat blocul fotogrammetric.
Măsurarea automată a punctelor de legătură (APM=Automated Point Matching)
Pentru a măsura automat punctele de legătură s-a folosit modul Triangulation, netrecându-se la modul Adjustment Scenario. Deși durează aproximativ 10 minute, măsurarea se face automat, concept care nu se găsește la alte pachete software, precum INFO.
Pentru a realiza acest lucru se accesează fereastra Measurement din meniul Window.
Fig. . Activarea ferestrei Measurement
După deschiderea acestei ferestre se accesează butonul Run APM, care se poate vedea în figura de mai jos.
Fig. . Măsurarea automată a punctelor de legatură
Se deschide fereastra de dialog Run APM și se dă click pe butonul OK. Benzile imagine cele mai potrivite pentru rularea uneltei APM sunt detectate automat de către soft.
Fig. . Rularea uneltei APM
Dacă se dorește înlocuirea benzilor care se utilizează pentru măsurarea automată a punctelor de legătură, se execută clic pe butonul Band Selection din fereastra Measurement, selecționându-se benzile dorite, după care se execută clic pe butonul OK .
Fig. . Alegerea benzilor care se folosesc la măsurarea automată a punctelor de legatură
În imaginea de mai joi se poate vedea dispunerea punctelor de legătură între benzile fotogrammetrice, fiind necesar un număr relativ mare de puncte pentru a le uni.
Fig. . Punctele de legătură măsurate automat
Măsurarea punctelor de control și a celor de verificare
Punctele de reper care nu au fost măsurate sunt simbolizate prin culoarea galben , iar cele care au fost măsurate sunt simbolizate astfel .
Fig. . Puncte de reper nemăsurate
Pentru a măsura punctele de reper se efectuează clic dreapta pe punctul respectiv, se selectează opțiunea Measurement, alegându-se apoi punctul care se dorește a se măsura.
Fig. . Măsurarea unui punct de reper
Pentru punctarea reperilor, în fereastra Measurement, se alege opțiunea Zoom 8X, opțiune valabilă doar pentru versiunea în care s-a lucrat acest proiect. Ajustarea radiometrică a benzilor imagine se face prin activarea butonul Global Correction și prin glisarea celor două bare de activare a contrastului. Se activează butonul Measure-M pentru o punctare cât mai precisă a punctelor de reper sau butonul Measure and Auto-Correlate A, care permite măsurarea automată a punctului și în celelalte imagini (este necesară verificarea punctării automate).
În această lucrare, s-a folosit cu precădere opțiunea de măsurare manuală, pentru că este cea mai sigură, folosindu-se 20 de reperi fotogrammetrici, dintre care 5 de control, iar restul de verificare.
Fig. . Fereastra Measurement
Pentru o măsurare corectă se poate vizualiza în paralel schița și fotografia punctului de reper respectiv.
Fig. . Schița punctului de reper 1454
Fig. . Fotografia punctului de reper 1454
În cazul în care se dorește eliminarea unui punct se activează butonul Edit Ground Control , se alege punctul care trebuie eliminat și se apasă click pe pictograma Delete the currently selected points, urmând ca mai apoi să se salveze modificarea.
Fig. . Eliminarea unui punct de reper
După ce s-au măsurat cele 20 de puncte, se trece la următoarea etapă și anume stabilirea punctelor de control și a celor de verificare. Pentru a avea un rezultat corect în urma procesului de aerotriangulație este necesar să se stabilească minim cinci puncte de control, care sunt situate în colțurile și centrul blocului. Punctele de control constrâng blocul fotogrammetric, iar cele de verificare indică dacă precizia de prelucrare este corectă.
Pentru a modifica tipul punctului se accesează din meniul aplicației butonul Edit Ground Control , deschizându-se fereastra cu același nume, pentru ca mai apoi din căsuța Type a punctului de reper dorit se alege tipul acestuia.
Full – se folosește pentru punctele de control;
Check-Full – se utilizează pentru punctele de verificare.
După selectarea tipului fiecărui punct de reper se salvează modificările făcute executând click pe butonul Save and Close.
Fig. . Stabilirea tipului de reper fotogrammetric
Crearea unui nou scenariu
După măsurarea tuturor punctelor de reper și stabilirea tipului acestora este necesar să se elaboreze un nou scenariu de compensare a parametrilor necesari aerotriangulației. Pentru aceasta se execută click pe Create a New Adjustment Scenario for the current block, se introduce numele ales pentru scenariul creat, după care se execută click pe butonul OK .
Fig. . Crearea unui nou scenariu
Orice operațiune de măsurare a punctelor de reper se face în afara scenariului pentru a se evita ștergerea datelor. Într-un scenariu nu se adaugă/sterge puncte de reper, deoarece acest scenariu nu va mai putea fi reîncărcat, aplicația dând eroare. Dacă se dorește încărcarea unui scenariu creat anterior , în care punctele au fost doar remăsurate, nu și scoase , atunci se va da click pe Load a previously created Scenario. Se selectează scenariul dorit din fereastra Avaible Scenario si se dă Load.
Fig. . Încărcarea unui scenariu anterior creat
Fereastra Basics conține o serie de parametri care trebuie să îi avem în vedere la aerotriangulație.
sigma0 (a priori) – se alege astfel încât să aibă o valoare apropiată de valoarea rezultată în urma compensării (de obicei 3.5μm);
GPS Parametrization – se alege Datum, deoarece se folosesc puncte de control pentru a defini datumul necesar aerotriangulației;
IMU Parametrization – se alege Sensor, deoarece blocul fotogrammetric conține observații IMU de la cel puțin două benzi zburate în sens opus;
Lock Datum, Lock Rotation, Lock Scale – se debifează pentru a nu constrânge definirea datumului.
Fig. . Fereastra Basics
În ultima fază se apasă butonul Run Adjustement-Yes.
Vizualizarea rezultatelor și statisticilor obținute în urma rulării scenariului de compensare
Scenariul de compensare se deschide împreună cu diferite ferestre care oferă informații despre precizia obținută în urma aerotriangulației. Acestea sunt:
Layer Display,
Statistics,
Basics,
Advanced.
Ultimele două ferestre permit modificarea anumitor parametri care pot îmbunătăți precizia și calitatea scenarului de compensare a aerotriangulației.
Fig. . Scenariul creat
În fereastra Advanced se indică numărul maxim de iterații necesare pentru aflarea elementelor de orientare, valorilor componentelor varianței GPS și IMU. Dintre acestea, singurele valori care pot fi modificate sunt cele de la varianța IMU (X, Y, Z). Pentru scenariul creat s-au folosit valori diferite de cele standard, fiind doar o singură componentă a varianției IMU, Z, pentru care nu s-a modificat valoarea. Valorile varianței pe X și pe Y s-au modificat, ajungându-se iterativ la valorile cele mai optime pentru acest scenariu, respectiv 1.25 și 1.2.
Fig. . Fereastra Advanced
Fereastra Layer Display permite bifarea diferiților parametri care pot fi afișați în fereastra de vizualizare a scenariului (puncte de legătură, puncte de reper, orientarea).
Fig. . Fereastra Layer Display
În funcție de parametrii afișați, aplicația permite vizualizarea rezultatelor aerotriangulației pe cale grafică. Clic dreapta pe Residuals din Check Points, clic pe Analysis, se deschide fereastra Analysis Tool, se trage cursorul de la Position Factor spre dreapta până când graficul Position Residuals are valoarea de 1m. Rularea scenariului permite afișarea pozițiilor senzorului la anumite momente, precum și a erorilor grosolane (blunders) ale punctelor de legătură și de control care nu pot fi eliminate.
Această aplicație poate să facă o analiza rapidă a preciziei aerotriangulației pe baza unui cod de două culori (verde reprezintă o precizie acceptabilă, iar roșu arată că valoarea prag impusă a fost depășită). Această reprezentare este una de ansamblu a erorilor (sistematice) date de măsurarea punctelor de sprijin, a punctelor de legătură și a traiectoriei GNSS/IMU.
Se poate impune o toleranță de 1 GSD pentru culoarea verde (1 GSD=0.3m), iar culoarea roșie trebuie să fie vizibilă doar în anumite zone izolate. Dacă se mărește toleranța la 1.5 GSD, culoarea roșie trebuie să dispară, ceea ce înseamnă că precizia de determinare chiar și în aceste zone pe X, Y, Z este mai mică decât valorile maxime acceptate pentru valorile reziduale (1m).
Fig. . Vizualizarea rezultatelor pe culori
În acest caz, blocul prelucrat va arăta ca în imaginea de mai jos.
Fig. . Blocul fotogrammetric prelucrat
Această reprezentare grafică indică precizia pe verticală, existând și zone în care precizia nu se află în limita impusă, figura putându-se realiza prin bifarea căsuței corespunzătoare Quality – Vertical din submeniul Cell-based Analysis.
Pentru a obține precizia datorată poziției senzorului pe orizontală, bazată pe codul culorilor se va bifa căsuța Quality – Horizontal.
Fig. . Precizia Quality- Horizontal
În acest caz, se poate spune că există o precizie foarte bună, neexistând zone colorate cu rosu, ceea ce înseamnă că precizia este sub 1 m.
Comparând cele două rezultate, se poate exprima că toleranța este depășită doar în cazul în care poziția senzorului este pe verticală.
În aplicație se pot vizualiza valorile reziduale ale punctelor de reper (control points) și a celor de verificare (check points).
Valorile reziduale reprezintă diferențele dintre coordonatele punctelor măsurate la teren și cele rezultate în urma aerotriangulației. Acestea sunt reprezentate prin vectori cu lungimea direct proporțională cu valorile reziduale și sunt un indicator preliminar al acurateții soluției rezultate prin aerotriangulație.
Fig. . RMS orizontal
Fig. . RMS vertical
Și în acest caz, se poate observa că eroarea medie pătratică se încadrează în limita de 1 m , lungimea vectorilor fiind mai mică ca 1 m.
Totodată, este posibilă vizualizarea valorilor reziduale pentru pozițiile senzorului la un anumit moment (orientation fixes). În cadrul blocului fotogrammetric se dorește ca valorile reziduale axe să fie sub 30 cm pentru punctele de sprijin, iar pentru punctele de verificare, pe axele X, Y să fie mai mici de 1 m (abaterea medie pătratică pe cele două direcții mai mică de 1m), iar pe axa Z mai mici de 1.5 m.
Fig. . Valorile reziduale ale reperilor fotogrammetrici
Cu ajutorul ferestrei Statistics se obține analiza rezultatelor aerotriangulației prin valori numerice. Astfel, fereastra oferă o analiză a valorilor statistice obținute în urma procesului de compensare prin afișarea lor în partea dreaptă a ferestrei scenariului. Totodată, se pot vizualiza valorile reziduale corespunzătoare fiecărui reper, prin plasarea cursorului mouse-ului deasupra acestora. Acceptarea scenariului se face analizând erorile medii pătratice ale valorilor reziduale, care nu trebuie să depășească 1.2 din mărimea pixelului.
Fig. . Fereastra Statistics
Pentru a avea o reprezentare grafică a varianței corectă, trebuie ca zona de culoare roșie să fie în interiorul hexagonul de culoare verde , format de axele X, Y, Z, O, P, K, acest lucru arătând că elementele de orientare au fost calculate cu o precizie bună, de sub un 1 m.
Variația componentelor este reprezentată de cele 6 elemente de orientare exterioară: 3 elemente liniare( X, Y, Z), respectiv 3 elemente unghiulare (Ω, Φ, Κ) a căror valori trebuie să oscileze în jurul valorii 1. Pe baza testelor și a calculelor efectuate, au rezultat următoarele concluzii: valorile unghiurilor Ω, Φ, Κ sunt egale cu: 1,08ș pentru unghiul Ω (Omega), 1,02ș pentru Φ (Phi) , 1,03° pentru unghiul Κ ( Kappa).
Exportarea coordonatelor compensate
Verificarea coordonatelor compensate a punctelor de control și de verificare este necesară și se realizează înainte de compensarea blocului fotogrammetric, existând posibilitatea ca rezultatele obținute în urma procesului de aerotriangulație să nu corespundă preciziei.
Pentru a rezolva această etapă, se activează meniul Scenario, se selectează opțiunea Export Ground Points, aplicația creând fișierele adjustedGroundControlPoints.txt și adjustedGroundTiePoints.txt care se salvează în folder-ul corespunzător scenariului și în care se găsesc coordonatele compensate ale punctelor de legătură și ale punctelor de reper.
Fig. . Exportul coordonatelor compensate
Fig. . Coordonatele teren ale punctelor de reper
Fig. . Coordonatele compensate ale punctelor de reper
Fig. . Coordonatele teren ale punctelor de legătură
Fig. . Coordonatele compensate ale punctelor de legătură
În figurile de mai sus se pot observa diferențe foarte mici între coordonatele teren ale punctelor de reper, respectiv de legătură și coordonatele compensate ale acestora. În acest caz, se poate spune că procesul de aerotriangulație s-a realizat cu succes.
Verificarea rezultatelor aerotriangulației pentru scenariul curent
Show Protocol Window este o metodă potrivită pentru vizualizarea valorilor rezultate în urma procesului de aerotriangulație.
Precizia aerotriangulației este îndeplinită dacă:
erorile grosolane determinate sunt eliminate;
erorile medii pătratice ale valorilor reziduale obținute sunt mai mici de 1.2 din mărimea pixelului;
erorile medii pătratice (Sigma 0) sunt mai mici de 0.8 din mărimea pixelului;
unghiul de derivă k nu depășește 5° atunci când este măsurat între linia de bază și o paralelă cu cadrul imaginii;
înclinările (φ,ω) nu depășesc în mod normal 2°, iar la expunerile izolate 4°.
Rezultatele obținute pentru aerotriangulația blocului fotogrammetric se pot vedea și în fișierul denumit printout.0 sau Show Protocol Window.
Fig. . Afișarea fișierului printout.0
Fig. . Fereastra Printout
Deoarece elementele de orientare exterioară se determină iterativ, valorile unghiurilor de rotație vor fi diferite de la iterație la iterație, la fel fiind și în cazul celorlalți parametri (erorile medii pătratice ale coordonatelor, respectiv ale valorilor reziduale, sigma 0).
În acest caz, se realizează 30 de iterații, urmând a fi prezentate doar primele două iterații. În figura 6.91 se prezintă rezultatele pentru prima iterație.
Fig. . Iterația 1
Pentru prima iterație, erorile medii pătratice ale valorilor reziduale sunt egale cu 0, ceea ce e și normal datorită faptului că aceasta indică gradul de afectare cu erori a valorilor obtinute din masuratori. Pentru ca un șir de măsurători să fie cât mai bine efectuat este necesar ca eroarea medie patratică a acelui șir să fie cât mai mică.
Fig. . Iterația 2
Prin analiza celor două iterații se poate spune că valorile erorilor medii pătratice variază, iar sigma 0 are valoarea maximă la prima iterație, urmând ca mai apoi să scadă.
Aplicarea valorii orientării compensate blocului fotogrammetric
În această etapă se aplică valorile corecțiilor rezultate în urma procesului de aerotriangulație, compensarea coordonatelor punctelor de control și a punctelor de verificare, precum și transformarea coordonatelor imagine ale punctelor de legătură în coordonate teren pentru întregul bloc fotogrammetric
Aplicarea acestor corecții se face doar după ce s-au verificat dacă toți parametrii necesari compensării aerotriangulației sunt în conformitate cu cerințele enunțațe anterior. Write to Block este opțiunea folosită pentru a scrie blocul fotogrammetric.
Fig. . Scrierea blocului fotogrammetric
Pentru elaborarea documentației este necesar să se prezinte erorile reziduale planimetrice () și altimetrice ().
Fig. . Erorile reziduale planimetrice
Fig. . Erorile reziduale altimetrice
Închiderea scenariului
Ultima etapă a aerotriangulației o reprezintă închiderea scenariului care se face după realizarea compensării aerotriangulației și după salvarea tuturor datelor necesare pentru elaborarea documentației.
Pentru aceasta se execută clic pe butonul Close the current Scenario, apoi se trece la următoarea etapă, cea de ortorectificare a benzilor fotogrammetrice.
Fig. . Închiderea scenariului
Modelul numeric al terenului
Înainte de a trece la următoarea etapă, cea de ortofotoredresare, va trebui să se creeze modelul numeric al terenului.
În această fază, softul utilizat este ArcGIS, deoarece permite utilizarea mai multor tool-uri pentru crearea și reprezentarea în mai multe variante a MNT-ului.
Datorită faptului că există un MNT creat de personalul de la AIGA, iar un alt model se va realiza pe baza curbelor de nivel, s-a decis să se efectueze o comparație între cele două modele numerice ale terenului.
Modelul numeric al terenului existent
Acest model a fost creat pentru întreg blocul fotogrammetric, fiind realizat pe baza punctelor cotate și a curbelor de nivel.
Pentru a folosi modelul numeric al terenului aferent celor două înregistrări digitale este necesar să se taie din MNT-ul original zona de lucru corespunzătoare acestora. Se va crea un shapefile de tip poligon cu care se va face delimitarea zonei, iar apoi din meniul ArcToolbox, se va executa Clip. La Input Raster se va trece MNT-ul existent, iar la Output Extend se va trece conturul.
Fig. . Fereastra Clip
Modelul numeric al terenului, recent creat se va regăsi în anexa . Altitudinea minimă a zonei este de 280.41, fiind reprezentată prin nuanța negru, iar altitudinea maximă este de 1116.56, corespunzătoare culorii alb.
Fig. . Valorile modelului numeric al terenului
Modelul numeric al terenului creat pe baza curbelor de nivel
Acest MNT se realizează pe baza curbelor de nivel corespunzătoare zonei de lucru .
Pentru surprinderea formei tridimensionale a unei imagini este necesară crearea unui model altimetric al terenului, folosind 3 tipuri de informații de pe hartă: înălțimile curbelor de nivel, cotele punctelor importante și hidrografia. Cele 3 categorii de elemente se vor vectoriza direct de pe hartă, iar informațiile stocate în fișiere de tip „shapefile”.
Crearea modelului numeric al terenului parcurge următoarele etape:
În directorul propriu de lucru, se creează o bază de date personală, iar în aceasta un Feature Dataset. În cadrul acestuia, se realizează un Feature Class de tip Polyline pentru curbele de nivel și hidrografie.
În tabela de atribute a fiecărui fișier creat shapefile, se va crea un nou câmp numit „Cotă” , de tip float, care se va completa cu înălțimile fiecărei entități;
Activând unealta Editor , se va vectoriza fiecare element în funcție de tipul acestuia de pe cuprinsul hărții, completând câmpul „Cotă” cu înălțimile corespunzătoare;
Se salvează modificările folosind butonul Editor;
Se închide editarea folosind butonul Editor
Fig. . Curbele de nivel pe baza cărora se crează MNT
Se folosește tool-ul Create Tin din meniul ArcToolbox.
Fig. . Fereastra Create Tin
Altitudinea maximă a zonei(alb) rezultată din acest MNT este de 1110 m, iar cea minimă ( negru) este de 280 m ,fiind diferențe între acestea și cele ale MNT-ului existent.
Fig. . Valorile MNT-ul creat
Modelul numeric se poate reprezenta atât în ArcMap, cât și în ArcScene, putându-se modifica culoarea de reprezentare a MNT-ului. Pentru acest proiect, s-a folosit „rampa de culoare” Surface.
Pentru a vedea care dintre MNT-uri este mai bun pentru a fi folosit în procesul de ortofotoredresare se vor suprapune modelele numerice ale terenului în ArcScene, reprezentându-se 3D având fiecare un grad de amplificare egal cu 5.
Fig. . Diferența între cele două MNT-uri
MNT-ul care intră în procesul de ortorectificare este cel creat de AIGA, deoarece este creat pe baza curbelor de nivel și a punctelor cotate, având o precizie mai bună fiind realizat pe o zonă mai mare.
Ortorectificarea și generarea benzilor
Fig. . Etapele procesului de ortofotoredresare
Generarea benzilor fotogrammetrice în format L2 (ortorectificarea), studiază repararea erorilor datorate perspectivei (transformarea din proiecție centrală în proiecție normală) și cele datorate reliefului (prin utilizarea modelului numeric al terenului). Pentru realizarea procesului de ortofotorectificare se folosește pachetul software Leica Xpro, versiunea 5.2, spre deosebire de celelalte etape, în care s-a folosit Leica Xpro 6.4.
Pornirea modulului Rectifier din pachetul software Leica Xpro
Modulul Rectifier se pornește executând click pe butonul Rectifier din fereastra aplicației.
Fig. . Pornirea modulului Rectifier din pachetul Leica XPro
Selectarea unui bloc fotogrammetric
Pentru a realiza ortorectificarea benzilor ce aparțin unui bloc fotogrammetric, se încarcă acesta, deschizând opțiunea New din meniul File. Ulterior, se dă click pe Browse , din fereastra Block Selection, alegându-se blocul dorit, care are extensia *.blf.
Fig. . Fereastra Block Selection
În continuare, se dă click pe OK, deschizându-se fereastra Rectifier.
Fig. . Fereastra modulului Rectifier dupa selectarea blocului de rectificat
Definirea produsului de ortorectificare (nivel L2)
Produsul de ortoredresare este definit prin operațiunile de ortorectificare a altor blocuri, dar dacă aplicația a fost recent instalată, va trebui să se redefinească produsul. Pentru a se realiza această etapă se apasă pe orice produs din caseta Product, iar apoi pe butonul Edit Product .
Fig. . Deschiderea ferestrei de editare a produsului de ortorectificare
Pentru a determina produsul de ortorectificare trebuie să se aibă în vedere:
stabilirea denumirii produsului (în conformitate cu principalii parametri precizați pentru acesta),
tipul de produs (de ortorectificare pentru obținerea benzilor ortoredresate nivel L2 sau doar redresate nivel L1 pentru generarea MNT din date fotogrammetrice),
dimensiunea pixelului la sol (30cm),
formatul fișierului de ieșire a benzilor rezultate (*.tif) și dimensiunea maximă a acestuia,
dimensiunea pe fiecare zonă în care este împărțit fișierul *.tif (tile),
metoda de reeșantionare (metoda celui mai apropiat vecin),
modul de generare a benzilor (pe 4 canale – NRGB).
Acest tip de produs este cel mai folosit la ortorectificare, deoarece permite realizarea imaginilor atât în format RGB cât și FCIR. Acești parametri se stabilesc în fereastra Product Manager.
Fig. . Definirea produsului de ortoredresare
Selectarea produsului de ortorectificare dorit
Din caseta Product se poate selecta produsul dorit. Pentru aceasta se folosește una din variantele:
L2_RGB_30cm_Nadir_NN_8b (pentru a obtine benzi ortoredresate RGB),
L2_FCIR_30cm_Nadir_NN_8b (pentru a obtine benzi ortoredresate FCIR)
L2_NRGB_30cm_Nadir_NN_8b (pentru a obtine benzi ortoredresate NRGB).
În acest caz, se va selecta ultima variantă, cea cu NRGB deoarece profilele radiometrice au fost realizate cu ajutorul acestui parametru.
Fig. . Selectarea produsului dorit
În urma selectării produsului de ortofotoredresare ales, celelalte opțiuni devin active pentru a putea selecționa parametrii necesari procedeului.
Selectarea parametrilor ortorectificării
Parametrii ortorectificării care trebuie aleși sunt următorii :
Output folder: se alege, de obicei, S:\L2_NRGB\nume_bloc
Output Image Prefix: se alege, de obicei, L2_;
Se bifează căsuța Preserve File Names;
Coordinate System: se alege Projection System, după care se va deschide fereastra Choose Coordinate System, unde se va alege Romania la Category și Romania_Stereo_70 la System, după care se va executa clic pe OK;
Fig. . Fereastra Choose Coordinate System
Datum: se alege Romania Pulkovo 1942 (7 Param);
Vertical Reference: se selectează Romania_2010 (Geoid03) Ro;
Horizontal Units: se selectează meters;
Vertical Units: se optează pentru meters;
DSM: se alege unul dintre MNT-urile care au fost adăugate în cadrul blocului la crearea acestuia;
Se debifează căsuța de selecție Image Clipping;
Se bifează căsuța de selecție Corrections;
Mode: se alege opțiunea RadiometricProfile;
Radiometric Profile: se execută clic pe Select Profile și se selectează profilele radiometrice aferente produsului ales (profile RGB pentru benzi RGB, profile FCIR pentru benzi FCIR sau profile NRGB pentru benzi NRGB) ;
Se bifează căsuța de selecție Create Minification Levels;
Se bifează căsuța de selecție Overwrite the existing images.
Calitatea MNT-ului influențează produsul final al ortorectificării, astfel că este necesar ca acesta să se afle în aceeași proiecție cu blocul fotogrammetric, să nu existe goluri, iar rezoluția lui trebuie să fie potrivită pentru a atinge precizia aspirată a produsului final. În această lucrare se utilizează un model numeric al terenului cu rezoluția spațială de 10m.
Un principal avantaj al folosirii uneltei Rectifier a fost datorat folosirii celor 4 canale (NRGB) pentru realizarea benzilor fotogrammetrice. Acest lucru a dus la obținerea ortofotohărții (elaborată ulterior în Orthovista) atât în color (RGB), cât și în infraroșu (NIR).
După selectarea parametrilor, fereastra modulului Rectifier va arăta astfel:
Fig. . Fereastra modulului Rectifier după selectarea parametrilor ortorectificării
Se selectează apoi toate benzile fotogrammetrice care trebuie să fie ortorectificate.
Pornirea procesului de ortorectificare
În ultima etapă a procesului de ortorectificare a benzilor fotogrammetrice se salvează modificările efectuate și se realizează procesarea datelor, dând clic pe butonul Save Job, Save Project și clic apoi pe butonul Generate, astfel:
Fig. . Pornirea procesului de ortorectificare
După apăsarea butonului Generate, se deschide o nouă fereastră în care se selectează modul de rulare a procesului. Apoi se va da click pe butonul Local, astfel începând procesul de ortorectificare.
Fig. . Pornirea locala a procesului de ortorectificare
Pentru a finaliza operațiunea de rectificare este necesar să se dispună de un timp îndelungat pentru procesare, astfel că trebuie să existe din partea operatorului o atenție sporită în elaborarea profilelor radiometrice și a selectării benzilor de rectificat, pentru a nu se relua procesul de ortorectificare.
Dacă procesul de ortorectificare s-a încheiat cu success, atunci se trece la etapa de mozaicare.
Precizia ortofotoredresarii
Pentru studierea preciziei procesului de ortofotoredresare se vor determina coordonatele tuturor reperilor.
Coordonatele punctelor de reper se regăsesc mai jos.
Coordonatele sunt blurate deoarece acestea sunt date clasificate.
Mozaicarea benzilor folosind OrthoVista
Un bloc fotogrammetric necesită mozaicarea benzilor fotogrammetrice pentru a forma o imagine omogenă din punct de vedere radiometric, numită și mozaic. În urma realizării acestei etape, mozaicul se va decupa în secțiuni numite tile-uri, care se vor prelucra radiometric, aplicându-se diferite filtre.
Îmbinarea benzilor fotogrammetrice s-a realizat în zona comună a două sau mai multe benzi, după liniile de mozaicare (seamline). Pentru realizarea acestui proiect, pentru mozaicarea benzilor zburate cu sistemul fotogrammetric digital ADS80 s-a folosit aplicația ApplicationsMaster 8.0 (OrthoVista) astfel:
Încărcarea benzilor ortofotoredresate din bloc
Pentru a realiza acest lucru este necesar să se deschidă ApplicationsMaster 8.0 și se alege modulul OrthoVista .
Pentru a încărca benzile fotogrammetrice ortorectificate (cu profilele radiometrice realizate în QC Viewer) în fereastra cu interfața softului, se execută secvența Setup → Add directory.
Fig. . Încărcarea benzilor unui bloc în Orthovista
După încărcarea benzilor, în fereastră vor apărea doar contururile. Pentru a afișa benzile fotogrammetrice, se dă click pe pictograma Image Display și din meniul Setup Preferences, se setează canalele corespunzătoare RGB.
Se va deschide fereastra Global Options.
Fig. . Vizualizarea contururilor benzilor/imaginilor dintr-un bloc
Fig. . Asignarea canalelor RGB
Contururile secțiunilor cu ajutorul cărora se decupează blocul fotogrammetric se salvează într-un fișier numit Tileuri_[bloc].tsp, în care se definesc: punctul de inserție al primei secțiuni (TileCorner), dimensiunea secțiunilor (TileSize), numărul de secțiuni către vest (TilesToWest), numărul de secțiuni către est (TilesToEast), numărul de secțiuni către nord (TilesToNorth), numărul de secțiuni către sud (TilesToSouth) și denumirea secțiunilor (TileNameFormat).
Se încarcă secțiunile definite anterior prin executarea secvenței Setup → Add tile definition sau prin apăsarea pictogramei și selecționarea fișierului creat anterior. Odată încărcate secțiunile, contururile acestora se pot vizualiza prin activarea pictogramei din bara de meniuri verticală.
Fig. . Vizualizarea contururilor benzilor și al secțiunilor dintr-un bloc
Următoarea etapă de realizare a procesului de mozaicare o reprezintă verificarea numărului de piramide, activitate care se face din secvența Tools → Image Commander, urmând ca mai apoi să se salveze proiectul și să se treacă la egalizarea radiometrică a benzilor/imaginilor.
Ajustarea radiometrică a benzilor
După definirea proiectului se vizualizează benzile/ imaginile executând clic pe pictograma Image Display din bara de meniuri verticală .
Fig. . Vizualizarea benzilor/imaginilor dintr-un bloc
În imaginea de mai sus se observă că o bandă prezintă diferențe radiometrice mari, care necesită să fie corectate. Pentru corectarea acestora se procedează astfel:
Se inițializează editorul de radiometrie Radiometrix prin executarea secvenței Tools → Radiometric Color Editor sau prin apăsarea pictogramei .
Fig. . Inițializarea editorului de radiometrie
Se selectează una sau mai multe benzi spectrale. Selecția se poate face în două moduri:
prin executarea unui clic în suprafața activă a benzii.
Fig. . Selectarea benzilor spectrale
prin activarea ferestrei Project Dialog (Setup → Project Dialog) și selectarea benzii și activarea acesteia prin apăsarea pictogramei .
Fig. . Selectarea unei benzi în vederea editării radiometrice în fereastra Project Dialog
Se trece la egalizarea radiometrică a întregului bloc, pentru îmbunătățirea calității imaginilor. Aceasta se face în trei etape.
Prima dată se ajustează parametrii de Intensitate/Contrast ( Intensity/Contrast) prin activarea pictogramei cu același nume .
Se vor executa următorii pași:
Se bifează modul Zoom, apoi se desenează un dreptunghi în jurul norului de puncte afișat în interfață. Fiecare punct reprezintă o bandă fotogrametrică. Pentru un rezultat cât mai corect din punct de vedere radiometric, norul de puncte ar trebui să aibă o distribuție cât mai compactă, într-unul sau maxim 2-3 grupuri de puncte.
Fig. . Ajustarea parametrilor de Intensitate/Contrast
Selectarea unei benzi se poate face în două moduri:
se bifează modul Select și se alege un punct din interfața modulului de Intensity/Contrast;
se bifează modul Select și selectează banda dorită direct din interfața Orthovista, prin click pe conturul benzii. Se pot selecta două sau mai multe benzi, dacă se dorește ajustarea radiometriei concomitent.
După selectare, se bifează modul Modify și se deplasează banda selectată ( în fereastră apare sub formă de punct) așa încât punctele să fie mai puțin dispersate. Concomitent cu deplasarea punctului, se urmărește și radiometria benzii selectate în fereastra principală a softului. Nu există un procedeu standard de egalizare a radiometriei. Punctul se va deplasa până se ajunge la o radiometrie apropiatp de cea a blocului fotogrammetric. În acest proces intervine și experiența operatorului și capacitatea acestuia de a observa diferențele radiometrice dintre benzi.
Dacă se consideră că rezultatul este cel dorit, se deselectează banda fotogrametrică sau benzile prin acționarea opțiunii Unselect All. Pentru salvarea ajustărilor făcute se dă click pe OK. Fereastra RadioMetrix se va închide în mod automat.
În cazul în care rezultatul obținut nu este cel dorit, se anulează modificările radiometrice prin acționarea comenzii Undo, ce șterge ultima comandă executată, sau a opțiunii Reset to Source, ce anulează toate modificările aduse benzii și resetează radiometria acesteia la cea inițială.
Fig. . Salvarea sau anularea ajustărilor radiometrice
În urma aplicării acestei egalizări se va obține un bloc fotogrammetric omogen din punct de vedere radiometric, eliminându-se astfel umbrele.
Fig. . Vizualizarea benzilor prelucrate radiometric dintr-un bloc
Setarea parametrilor de configurare și a preferințelor în Orthovista pentru generarea liniilor de mozaicare se realizează în două etape:
Setarea parametrilor de configurare constă din efectuarea următoarelor operații:
Importarea unui fișier de configurare în care s-a efectuat modificarea;
Setarea preferințelor prin executarea secvenței Setup → Preferences sau apăsarea pictogramei ;
Setarea parametrilor de procesare în Orthovista pentru generarea liniilor de mozaicare
Înainte de setarea propriu-zisă a parametrilor de procesare în Orthovista se procedează la selectarea porțiunii de procesare prin executarea secvenței Process → Select Tiles… sau apăsarea pictogramei si se selecteaza Images in loc de Output Tiles. În fereastra care apare se alege Select Area, se selecționează secțiunile care participă la procesul de mozaicare cu ajutorul unui dreptunghi de selecție făcut cu mouse-ul, apoi se apasă butonul Close. Secțiunile selectate apar în culoarea verde deschis .
Fig. . Instrumentul pentru selectarea imaginilor în Orthovist
Fig. . Vizualizarea imaginilor selectate în Orthovista
Setarea parametrilor de procesare în Orthovista se face activând secvența Process → Begin Processing… . Valorile recomandate pentru acestea sunt:
Fig. . Setarea parametrilor de procesare în Orthovista
La final se apasă butonul Close And Process.
Dacă procesul de mozaicare se derulează fără mesaje de eroare, la terminarea acestuia se obțin următoarele rezultate:
în directorul 01_PROIECT_MOZAICARE– liniile de mozaicare, în format dxf;
în directorul 02_PROIECT_MOZAICARE– secțiunile, în format tiff.
Editarea liniilor de mozaicare se realizeză cu modului SeamAplicator din aplicația OrthoVista. Dacă procesul a ajuns la final fără nicio eroare atunci se închide softul OrthoVista și se deschide aplicația SeamEditor pentru începerea procesului de editare a liniilor de mozaicare.
Se deschide proiectul salvat anterior din File Open Project. Se vor afișa benzile și grila de tile-uri. Pentru a se putea afișa imaginile și liniile de mozaicare generate, trebuie ca statusul benzilor să fie “Activ”. Acest lucru se face prin deschiderea ferestrei Project Dialog și selectarea tuturor benzilor afișate în tabul Images. După procesare, în dreptul câmpului Useable ar trebui să fie afișată valoarea yes, iar liniile de mozaicare generate vor fi afișate după închiderea ferestrei Project Dialog.
Fig. . Activarea benzilor pentru afișare
Se închide fereastra Project Dialog, se salvează proiectul și apoi se închide aplicația SeamEditor. Urmează setarea parametrilor pentru scrierea liniilor de mozaicare și generarea tile-urilor în softul OrthoVista.
Pentru a seta parametrii de procesare în Orthovista pentru scrierea liniilor de mozaicare, se redeschide proiectul și se selectează zona de procesare prin executarea secvenței Process → Select Tiles… sau apăsarea pictogramei . În fereastra care se deschide se alege Select Area, se selectează secțiunile cu ajutorul cărora se realizează procesul de mozaicare și apoi se apasă butonul Close.
Fig. . Selectarea secțiunilor în Orthovista
Se verifică setările parametrilor de procesare din fereastra Processing Options (Process-Begin Processing), iar la modul de detectare a elementelor pentru calculul liniilor de mozaicare ( Mozaic Adjustement) se selectează SeamEditor, spre deosebire de selecția anterioara Feature Dectection. După efectuarea acestei modificări se încheie procesul de mozaicare.
În cadrul acestui proiect s-au obținut secțiuni mozaicate de 10x10km atât în RGB, cât și în infraroșu (NIR) și liniile de mozaicare în format .*dxf.
Fig. . Vizualizarea de aproape a liniilor de mozaicare
Mozaicarea unui bloc fotogrammetric necesită foarte mult timp , pentru acest proces fiind necesare aproximativ 18 ore, în condițiile în care s-a folosit un calculator cu 2 procesoare a câte 12 nuclee fiecare.
Aplicația prezintă avantajul de a genera atât ortofotoplanuri color (RGB), cât și în infraroșu (NIR) din imagini pe 4 canale (NRGB). Acest lucru a înjumătățit timpul de realizarea a profilelor în modulul QC Viewer, deoarece acestea s-au realizat o singură dată (simultan pentru toate cele 4 canale). Din ortofotoplanul rezultat se poate crea o ortofotohartă.
Pentru a realiza ortofotoharta s-au utilizat două înregistrări, acestea fiind preluate din blocul fotogrammetric care a trecut prin procesul de prelucrare ( realizarea profilelor radiometrice, aerotriangulație, ortorectificare, mozaicare).
În aplicația ArcMap, în Layout View se realizează ortofotoharta. Ortofotoharta din zona de lucru se obține prin suprapunerea peste imaginea redresată a curbelor de nivel pe baza cărora s-a obținut modelul numeric al terenului. De asemenea pe o ortofotohartă se pot trece și alte elemente planimetrice și altimetrice, precum: râuri, drumuri principale, puncte cotate, sau orice alt element important care nu se poate distinge pe ortofotogramă, rețeaua de caroiaj. Echidistanța curbelor de nivel este 10 m.
Pentru ca o ortofotohartă să fie completă este necesar să existe și elementele din exteriorul cadrului hărții (titlu, scara, date despre proiecția cartografică utilizată, legendă, nordul geografic).
În acest proiect trebuie să se realizeze o ortofotohartă 1:5000 care trebuie să cuprindă cele două înregistrări. Din cauza dimensiunii înregistrărilor acest lucru nu este posibil, fiind necesar să se realizeze două ortofotohărți. Una dintre acestea este la scara 1:5000, fiind reprezentată doar o porțiune din aceste înregistrări, care conține localitate Almașu Mare. Cealaltă ortofotohartă este realizată la scara 1: 25000 și cuprinde ambele înregistrări.
CONCLUZII PRIVIND PRECIZIA ȘI RANDAMENTUL METODEI
Realizarea ortofotohărților și ortofotoplanurilor reprezintă o temă de actualitate și de viitor, atât în domeniul civil, cât și în cel militar, datorită substituirii hărților topografice tradiționale, a actualizării, respectiv a completării datelor și informațiilor actuale despre zona respectivă. Această abordare utilizează resurse financiare și umane rezistente noilor tendințe de obținere a informațiilor într-un timp cât mai scurt și cu resurse umane și financiare minime.
Analizând produsele și tehnologiile fotogrammetrice folosite în România, metodologia expusă în cadrul acestei lucrări descrie o tehnologie de vârf la nivel național și chiar european. Pentru a prezenta această metodologie în cadrul capitolului care conține aplicația practică, a fost necesară definirea în prealabil a principalelor aspecte teoretice din fotogrammetria digitală referitoare la realizarea ortofotohărții.
Actualizarea informației spațiale se poate realiza prin intermediul ortofotohărților rezultate prin procedeele fotogrammetriei digitale, utilizând înregistrări aeriene prin costuri relativ scăzute și randament ridicat. Precizia și calitatea acestora este furnizată de caracteristicile și calibrarea echipamentului utilizat, punctele de reper, aerotriangulația, modelul numeric al terenului, programele și metodele ortofotoredresării.
Pentru realizarea proiectului de diplomă s-au parcurs următoarele etape:
Profilele radiometrice pentru fiecare bandă s-au realizat în cadrul modulului QC Viewer, având ca principal avantaj, capacitatea de aplicare a mai multor metode de prelucrare radiometrică. Metoda se alege în funcție de efectele atmosferice care se identifică în cadrul unei benzi .
Modelul matematic folosit de modulul Triangulation utilizat în procesul de aerotriangulație este cel de la compensarea în bloc cu fascicule fotogrammetrie, doar că are anumite particularități.
Modulul Rectifier a fost folosit pentru generarea benzilor ortofotoredresate, permițând astfel, folosirea unor metode de interpolare a valorilor pixelilor, care se utilizează în funcție de acuratețea necesară obținerii pixelul interpolat sau în funcție de timpul alocat procesării benzilor.
Precizia modelului numeric al terenului și a datelor acestuia, reprezintă componenta esențială care afectează precizia ortofotohărții. Creșterea rezoluției modelului numeric și a densității punctelor, permite observarea ușoară a detaliilor înregistrate, ceea ce presupune o bună culegere a datelor calitative și cantitative de pe ortofotohartă.
Următoarea etapă este reprezentată de mozaicarea imaginilor,realizată cu aplicația OrthoVista, având ca avantaj multitudinea de metode de îmbunătățire radiometrică, atât interactive cât și automate. Acest avantaj permite reducerea semnificativă a diferențelor radiometrice din jurul liniei de mozaicare, implicit și a calității produsului final.
Înainte de a crea în blocul fotogrammetric, s-a făcut o verificare vizuală a benzilor care intră în componența acestuia (soft-ul permite afișarea benzilor „on-the-fly”). Realizarea profilelor radiometrice specific fiecărei benzi a pretins o atenție suplimentară și un timp de aproximativ 5 ore de lucru pentru întregul bloc. Avantajul acestui program a fost reprezentat de posibilitatea variată de a selecta una din metodele radiometrice de prelucrare. Pentru blocul fotogrammetric din cadrul acestui proiect s-a utilizat metoda Calibrated BRDF, datorită rezultatelor foarte bune obținute în ajustarea iluminării bidirecționale transversale ivite de-a lungul benzii (acest efect a fost important a se elimina pentru a nu influența rezultatele în etapa de mozaicare).
În cadrul acestui bloc, aerotriangulația s-a realizat cu aplicația Triangulation, pe baza a 20 de reperi fotogrammetrici (dintre care 5 s-au folosit ca puncte de control) și pe baza datelor GNSS/IMU, avantajul softului fiind dat de modul de interpretare a rezultatelor obținute în cadrul aerotriangulației: pe cale grafică și numerică. Pe baza acestor rezultate s-a făcut validarea scenariului de aerotriangulației.
Valorile corecțiilor pentru fiecare punct de control nu sunt mai mari de 30cm pe cele 3 axe (dacă ar fi existat erori mai mari, atunci aceste puncte se clasificau automat ca erori grosolane). Valorile corecțiilor pe axele X și Y ale fiecărui punct de verificare au fost mai mici de 1m (abaterea medie pătratică a acestor corecții a fost sub 1m), iar pe axa Z au fost sub de 1.5m. De asemenea, erorile medii pătratice de aflare a corecțiilor elementelor de orientare au fost sub 1.2 din mărimea pixelului.
Realizarea ortofotoredresării pentru suprafața corespunzătoare zonei de lucru, cu dimensiunea pixelului de 50cm, folosind metoda de interpolare a valorilor pixelilor „cel mai apropiat vecin” și o stație de lucru performantă (12 Gb RAM și 12 core-uri) a durat aproximativ 10 ore.
Verificarea calității ortofotohărții a constat în verificarea vizuală produsului final, a coordonatelor punctelor de verificare obținute în urma procesului de aerotriangulație și a celor măsurate la teren prin măsurători GPS în mod static.. Conform criteriilor impuse pentru obținerea produsului final, în urma acestei etape, otofotoharta care este realizată cu respectarea normelor de realizare prevăzute în instrucțiunile de lucru și atlasul de semne convenționale, a fost acceptată fiind clasificată ca un produs final bun.
LISTĂ ACRONIME
BIBLIOGRAFIE
Alexei, A.M., (2005) – Contribuții privind culegerea semiautomată a datelor cartografice digitale, Teză de doctorat, Academia Tehnică Militară;
Alexei, A., Tomoiagă, T., (2003) – Digital Terrain Modeling, The 34-th International Scientific Symposium Of METRA, Vol. II, București;
ESRI, (1999) – Introducing of GeoDatabase [online], ArcNews, fall 2012, disponibil la <http://www.esri.com/news/arcnews/fall99articles/13-introducing.html>, [10.02.2016]. ;
Zăvoianu, F., (1999) – Fotogrammetria, Editura Tehnică, București;
Madani, M., (2001) – Importance of Digital Photogrammetry for a complete GIS;
Nițu, C., (1997) – Culegerea datelor cartografice prin digitizare, Revista ATM, Editura Academiei Tehnice Militare, București, mai 1997;
Nitu, C., (1995) – Curs de Proiectare asistată de calculator a hărților, A.T.M., București;
Paul R.Wolf, Bon A. Dewitt, (2000) – Elements of Photogrammetry with Applications in GIS, Editura Mc Graw Hill;
Răducanu, D., (2009) – Modelarea fotogrammetrică 3D, Editura Academia Tehnică Militară, București;
Răducanu, N, Răducanu, D., (2004) – Fotogrammetrie 3D, Editura Academia Tehnică Militară, București ;
Răducanu, N, Spătaru, A., (1993) – Fotogrammetrie, partea I (Fotogrammetrie planimetrică) Editura Academia Tehnică Militară, București;
Stamin, D., C., Buciu, C., (2008) – Metode relațiole de corelare a imaginilor, ACTTM a XXXVIII-a sesiune de comunicări științifice cu participare internațională, București;
Vlaicu, V. (1997) – Prelucrarea digitala a imaginilor, Ed. Albastra, Cluj Napoca;
Zegheru, N., Mrton, G, (1972) – Fotogrammetrie, Editura Cess, București;
Zhilin Li, Qing Zhu and Christopher Gold (2005) – Digital Terrain Modeling, Principles And Methodology, CRC Press, USA;
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Fig. 1.1 Etapele de dezvoltare ale fotogrammetriei 10 Fig. 1.2 Surse de date geospațiale 16 Fig. 1.4 Modul de reprezentare a datelor vectoriale de… [303847] (ID: 303847)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.