Interconstruct srl [307716]

CAPITOLUL 1 – Noțiuni de fotogrammetrie

Definiție. Generalități.

[anonimizat] a unor informații sigure despre obiecte sau despre mediul ȋ[anonimizat], prelucrarea măsurătorilor și interpretarea unor imagini ale acestora sau a [anonimizat], fără contact fizic cu obiectele. (Societatea Americana de Fotogrametrie si Teledetectie- 1980)

Obiectul fotogrammetriei constă ȋn [anonimizat] ȋn cuple stereoscopice (stereograme).

Scopul fotogrammetriei este realizarea determinărilor metrice riguroase, ȋn [anonimizat]: [anonimizat], o [anonimizat], o plantă, [anonimizat] ȋnregistrările acestora. Fotogrammetria a apărut datorită necesității de obținere rapidă și precisă, a [anonimizat].

Fiind o disciplină a [anonimizat], tehnologii și tehnici de utilizare ȋn domeniul măsurătorilor terestre. Exceptând aplicațiile ȋn [anonimizat] ȋn alte domenii: arhitectură, geologie, geofizică, agricultură, meteorologie, ȋ[anonimizat], transporturi.

O aplicație a [anonimizat].

Denumirea de „fotogrammetrie” a fost preluată din limba franceză „photogrammétrie” și derivă din cuvintele grecești „photos”- lumină, „gramma”- înregistrare și „metron”- a măsura. (Lucian L. Turdeanu –1997)

În cadrul acestui proces tehnologic este urmărit atât aspectul metric(cantitativ) cât si cel calitativ. [anonimizat] a obiectelor din mediul înconjurător sau în raport cu un sistem de referință.

[anonimizat].

Dezvoltarea fotogrammetriei a [anonimizat], [anonimizat] o [anonimizat]. Toate aceste progrese au făcut posibilă perfecționarea sistemelor de înregistrare care s-[anonimizat].

[anonimizat] a cunoscut următoarele etape de dezvoltare:

[anonimizat] o dată cu apariția avionului. [anonimizat] 1913 [anonimizat]tografice.

Fotogrammetria analogică a fost utilizată între anii 1900-1960, perioadă în care au fost dezvoltate metode și instrumente de prelucrarea analogică.

Acest al doilea stadiu a fost inițiat de două invenții: stereoscopia inclusă la sfârșitul secolului al 18-lea ca principiu de măsurare al stereofotogramelor, și introducerea unor platforme adecvate pentru transportul senzorilor, cum au fost Zepelinul ȋn Germania (1900), și avionul cu motor ȋn SUA (1903).

Pe la ȋnceputul anilor 1900, aparatele de zbor mai grele ca aerul trecuseră de faza experimentală și asigurau platforme potrivite pentru montarea camerelor fotoeariene. Până la sfârșitul anilor 1930, fotogrammetria devenise o tehnologie avansată și practicată ȋn ȋntreaga lume. Ea era utilizată și ȋn alte scopuri decât măsurători cadastrale și cartografie, de exemplu ȋn monitorizarea construcțiilor, exploatarea unor regiuni ȋncă necartate din diferite zone ale lumii.

Ȋnregistrările se realizau cu camere clasice analogice și se obțineau fotograme pe film de 19 sau 24 cm, care se prelucrau la aparatele de stereorestituție optică analogică, generând hărțile pe mese de desen ȋn format analogic, pe foi de hartă, suport plastic.

Fotogrammetria analitică a fost folosită in perioada 1960-1990 și a fost marcată de perfecționarea calculatorului electronic, a circuitelor integrate și a cipurilor miniaturizate.

Modelele matematice ȋncorporate ȋn dispozitivele de cartare și comparatoarele au ȋmbunătățit acuratețea, viteza și eficiența producției fotogrammetrice și au permis exploatarea imaginilor provenite de la o gamă largă de tipuri de senzori. Aceste modele au la bază formularea ȋn expresie analitică a relațiilor geometrice dintre puncte ȋn spațiul obiect, centrul de perspectivă și imaginile fotografice, pe baza principiilor matematice ale geometriei proiective. Fotogrammetria analitică (1960), se utilizează ȋn prezent și reprezintă o componentă de bază a fotogrammetriei care se referă la modelele matematice.

Acest al treilea stadiu al evolutiei tehnologice a fost inițiat de către inventarea calculatorului electronic ȋn Germania (1941), și independent ȋn SUA (1949), echipament ce a fost esențial pentru aplicarea practică a teoriilor deja verificate de Finsterwkalder ȋn Germania, 1899.

Fotogrammetria digitală începe să-șifacă apariția la începutul anilor `90 și constituie un pas hotărâtor pe calea automatizării și a introducerii informațiilor în componența spațială a Sistemului Informațional Geografic (SIG).

Tranziția de la fotogrammetria analogică la cea analitică s-a realizat printr-o evoluție, iar trecerea la cea digitală a avut la bază, în primul rând, revoluționarea componentelor hardware și software ale fotogrammetriei analogice și analitice.

Principala caracteristică a fotogrammetriei digitale este reprezentată de operarea cu imagini înregistrate prin mijloace electronice și informatice.Astfel, fotogramele analogice, ce constituie suportul informației din fotogrammetria clasică au fost înlocuite cu fotogramele digitale care sunt obținute fie prin digitizarea înregistrărilor fotografice, fie prin preluarea directă a imaginilor cu ajutorul camerelor digitale. Acestea reprezintă sisteme de înregistrare specializate având rolul de a achiziționa, stoca, prelucra și analiza imaginile digitale utilizând informații geometrice și radiometrice ale spațiului obiect.

Figura 1.1 – Etapele dezvoltării fotogrammetriei

Sistemele digitale au fost pentru prima dată introduse în mediul de producție digital, la începutul anilor ‘90. După o perioadă de verificare a preciziei și câștigarea acceptanței operaționale, ele au început să înlocuiască masiv, echipamentele (aparatele) analitice.

Prelucrarea imaginilor digitale se efectuează cu ajutorul stațiilor fotogrammetrice digitale sau a calculatoarelor electronice pe care sunt instalate programe fotogrammetrice specializate, care le înlocuiesc cu succes pe acestea.

Fotogrammetria digitală utilizează imagini digitale cu geometrie dinamică preluate cu senzori optico-mecanici sau optico-electronici, precum și imagini analogice digitizate. Volumul datelor de prelucrat este foarte mare în aceste condiții. Metodele de prelucrare geometrică și radiometrică a imaginilor sunt specifice prelucrării automate. Datorită dezvoltării rapide a tehnicilor de calcul (scanare cu rezoluție foarte mare, prelucrarea imaginii, etc), fotogrammetria digitală beneficiază de tehnici noi: prelucrare geometrică și radiometrică. Imaginile prelucrate pot fi obținute printr-un sistem de baleiere a spațiului obiect sau prin scanarea fotogramei analogice. (Cornel Păunescu, Ileana Spiroiu, Marian Popescu, Vlad Păunescu -2010)

Avantaje și dezavantaje ale fotogrammetriei digitale:

Larga utilizare a fotogrammetriei ȋn diversele domenii se datorează ȋn principal avantajelor pe care le oferă:

Prin utilizarea fotogrammetriei digitale sunt acoperite zone mai întinse, iar realizarea produselor fotogrammetrice durează mult mai puțin în comparație cu tehnicile clasice de ridicare topografică.

Randamentul este mai ridicat atât în lucrările de birou cât și cele de teren. Fotogrammetria reduce cheltuielile, micșorează termenul de realizare a planurilor și a hărților. De asemenea, oferăposibilitatea ca acestea să fie actualizate.

Datele fotogrammetrice ale obiectelor sunt obținute fără contact direct cu acestea.

Culegerea rapidă a datelor.Colectarea datelor se efectuează pe parcursul a câtorva zile, reducându-se astfel la minim pierderile economice și de timp, cauzate din pricina vremii nefavorabile. Odată colectate, prelucrarea datelor nu mai depinde de starea vremii, această etapă efectuându-se la birou.

Fotogrammetria asigură un grad foarte ȋnalt de precizie, având ȋn vedere faptul că măsurătorile se efectuează pe imagini preluate cu echipamente speciale sau camere fotogrammetrice ȋn care senzorii de imagine sunt amplasați, iar prelucrarea măsurătorilor este efectuată cu echipamente speciale care ȋn prezent includ ȋn structura lor sisteme de calcul electronice. Echipamentul de bază folosit ȋn prezent la prelucrarea măsurătorilor și datelor fotogrammetrice este reprezentat de un calculator foarte performant, denumit stație de lucru fotogrammetrică digitală;

Rezultatele sunt precise si fiabile.

Prelucrări radiometriece și geometrice ale imaginii.

O imagine care este preluatăși memorată poate fi consultată și remăsurată în viitor.

Fotogrammetria asigură un avantaj deosebit, prin faptul că extrage informațiile fără contact fizic cu fenomenele și obiectele investigate;

De multe ori, metodele și tehnicile de prelucrare fotogrammetrică constituie de fapt mijloace unice de efectuare a unor aplicații ȋn acest sens, aplicațiile efectuate ȋn domeniul nuclear, unde ȋn multe situații fotogrammetria poate să constituie calea unică de efectuare a aplicațiilor.

Facilitează reconstruirea obiectelor și determinarea unora dintre caracteristicile lor fără a veni în contact direct cu ele.

Fotogrammetria modernă, digitală furnizează o cantitate mare de date și informații precise, georeferențiate, sub formă de vectori și date referitoare la textura obiectelor și fenomenelor studiate, rezultate prin culegerea lor din imagini stereoscopice, utilizănd metoda fotointerpretări.

Fotogrammetria digitală permite și obținerea de informații de tipul metadatelor.

Fotogrammetria digitală se bazează pe soluțiile hardware (calculatoare) și software (aplicații informatice specializate) în preluarea și prelucrarea imaginilor digitale pentru a culege informații și date și pentru a obține produsele cartografice de tip: plan digital, model digital al terenului, model digital al suprafeței, ortoimagini, etc.

Ca oricare tehnică de măsurare, fotogrammetria are si ea unele aspecte limitative:

Este vorba în primul rând de tehnica mai ridicată cu care se lucrează, care implică costuri mai mari pentru a se obține o precizie mai ridicată.

În același timp este nevoie de o rețea de puncte de sprijin, dacă aceasta nu există în zona de lucru.

Condițiile de sezon, inclusiv vreme, vegetație și umbre pot afecta atât preluarea de imagini cât și calitatea de măsurare rezultată. Dacă terenul nu este vizibil în fotogramă, acesta nu poate fi mapat.

Unghiurile de elevație sunt mai puțin exacte, în comparație cu metodele convenționale de observație a terenului, utilizând proceduri adecvate.

Identificarea caracteristicilor planimetrice poate fi dificilă sau imposibilă (ex.: tip de bordură și jgheab, dimensiunea de podețe, tip de garduri).

Utilitățile subterane nu pot fi localizate, măsurate sau identificate.

Consolele de construcții vor duce la măsurători de construcții incorecte și de pământ.

Acoperirea cu nori ar putea afecta capacitatea de a îndeplini misiunea.

Condițiile solare, cum ar fi unghiuri de soare mai puțin de 25° deasupra orizontului vor arunca umbre lungi. Unghiuri solare mai mari de 45° vor produce pete solare pe imagine.

Figura 1.2 – Variația unghiului de elevație al Soarelui

Poate fi dificil sau imposibil, pentru a colecta măsurătorile în care pot exista umbre întunecate, vegetație deasă, zăpadă, console și apă.

Precizia obținută în urma exploatării fotogrammetrice este mult mai mică decât cea obținută în cazul măsurătorilor topografice;

Ȋn general zborurile fotogrammetrice sunt efectuate toamna sau primăvara, când elementele de vegetație nu influențează foarte mult. Totuși există elemente care nu pot fi cartate, identificate sau observate din cauza anumitor obstacole;

Sunt necesare soft-uri specializate de prelucrare, precum și personal capabil să le folosească.

CAPITOLUL 2 – Echipamente de tip UAV necesare in ridicari topografice

2.1 Generalității

Evoluția semnificativă din domeniile fotogrammetriei și teledetecției, creșterea rezoluțiilor spațiale, radiometrice și spectrale, utilizarea unui flux de preluare și prelucrare în întregime digital, implementarea și integrarea unor tehnici specifice (INS, platformă giro-stabilizatoare, IMU) sau conexe (GPS, LIDAR) au condus în ultimul deceniu la creșterea spectaculoasă a aplicațiilor bazate pe tehnologii. Programele de cercetare și dezvoltare au vizat toate segmentele fluxului tehnologic și anume platforme aeriene și satelitare, senzori, echipamente și programe specializate pentru preluarea, prelucrarea, analiza și interpretarea datelor spațiale.

Figura 2.1 – UAV de tip quadcopter

Segmentul platformelor aeriene a fost suplimentat cu platformele UAV, preluate pentru utilizarea în sectorul civil din panoplia tehnologiilor militare de vârf. Progresele spectaculoase realizate în ultimele decenii, în acest domeniu, permit în prezent construcția a peste 300 de modele de UAV-uri în peste 57 de țări.

Termenul UAV (Unmanned Aerial Vehicle), a apărut în domeniul tehnicii militare încă din timpul Primului Război Mondial. Experimentele sistematice în această direcție au fost demarate abia la sfârșitul anilor ’50. Generic, conceptual, UAV desemnează un vehicul aerian propulsat, fără operator uman la bord, care folosește forțele aerodinamice pentru decolare, poate zbura autonom sau poate fi pilotat de la distanța, de unică folosință sau recuperabil și care poate transporta la bord o sarcină utilă. De multe ori este folosit sinonimul UAS (Unmanned Aerial Systems) sau termenul RPAS (Remotely Piloted Aircraft Systems).

2.1.1 Avantaje și dezavantaje ale UAV

Principalele avantaje și dezavantaje ale utilizării în domeniul civil a UAV-urilor sunt prezentate în cele ce urmează:

Avantaje:

Cele mai multe nu necesită aeroporturi pentru decolare și recuperare;

Reducerea costurilor cu pregatirea personalului calificat și pilotajul mai ales în misiuni științifice unde există bugete reduse;

Pilotare relativ simplă, cu viteză de reacție superioară; Operatorul nu trebuie să fie supercalificat în pilotaj sau aerodinamică, putând realiza misiuni foarte precise și complexe;

Rezistență la suprasolicitări mari, datorită materialelor composite utilizate la construcție;

Costuri mult reduse pentru combustibil și întreținere, poluare redusă, având în vedere greutatea redusă;

Nu necesită condiții speciale de zbor, putând evolua în condiții și în medii periculoase pentru viața umană;

Precizie înaltă de pozitionare și control în zbor cu ajutorul sistemelor moderne de navigație INS/IMU/GPS;

Sarcina utilă modernă, miniaturizată și versatile: cameră multispectrală în domeniul optic, IR, radar SAR, sistem LIDAR;

Plafon de zbor variat, de la joasă altitudine – 2.000 m la altitudine înaltă – 30.000 m. La altitudini de peste 15.000 m nu deranjează traficul aerian;

Rezoluție mare la sol (GSD 3-15 cm);

Zbor autonom, programat, atunci când a ieșit din raza de acțiune a stației de control la sol. Programare pentru ocolirea obstacolelor sau evitarea culoarelor aeriene comerciale.

Dezavantaje:

Unul dintre primele dezavantaje este legat de trioul siguranță/costuri/erori. Orice echipament automat se poate defecta. Unele erori în funcționarea calculatorului și echipamentelor de control de la bord, dacă nu ar fi unele fiabile, de ultimă generație, ar conduce la accidente. Un pilot uman ar evalua situația și ar lua hotărârile necesare pentru evitarea accidentelor în zone populate, astfel încât raportul accident/fatalitate ar putea fi redus;

Tandemul viteză și durată induce alți factori de risc. Defectarea calculatorului duce la scurtarea duratei de zbor. Cu cât autonomia este mai mare, cantitatea de combustibil de la bord este mai mare. În cazul unui accident în zone populate pagubele sunt mai mari. Viteza mare provoacă de asemenea pagube la fel de mari;

Capacitatea de percepție a fiabilității în funcție de rata de uzură a vehiculului, față de aeronavele cu pilot;

Pentru mini-UAV, datorită dimensiunilor și greutății reduse există probleme la zborul în condiții de vânt foarte puternic;

Lipsa de reglementare a spațiului aerian, care se referă la toate tipurile de sisteme UAV;

Lipsa reglementărilor în ceea ce privește răspunderea civilă pentru proasta lor funcționare;

Lipsa unor frecvențe sigure ne-militare pentru funcționarea UAV civile.

După cum se poate remarca, avantajele utilizării UAV sunt mult mai numeroase. Având în vedere progresul fulminant al tehnologiilor informatice, din ce în ce mai fiabile, este foarte posibil ca în scurt timp rezervele sau limitările legate de acestea să dispară;

Autonomie redusă de zbor.

2.2 Sistemul UAV FAE 1115

FAE 1115 este un sistem UAV de tip hexacopter ce dispune de următoarele facilități:

Navigare autonomă cu traseu predefinit, având funcția de întoarcere la punctul de plecare în cazul pierderii legăturii radio;

Navigare autonomă către un număr nelimitat de puncte alese pe harta în timp real, în timpul zborului, cu ajutorul unui PC;

Receptor GNSS Ublox Neo 8 îmbunătățit, având precizia absolută mai bună de 1 m;

Georeferentiază fotografiile executate în mod semi-automat, necesită o sincronizare inițială a timpului;

Stabilizator integrat de cameră, cu posibilitatea de control al unghiului camerei de către operator;

Logarea automată a tuturor parametrilor de zbor, generează automat fișiere KLM;

Menținerea automată a plafonului de zbor;

Controlul automat al altitudinii de zbor în funcție de poziția manșei de accelerație: mijloc, păstrează altitudinea, orice deviatie față de mijloc se traduce într-o viteză de coborâre-urcare proporțională și constantă în timp făcând aterizările foarte facile;

Figura 2.2 – Sistemul UAV FAE 1115

alarmă de baterie scazută;

poate zbura doar în 7 motoare – siguranță sporită;

telemetrie, navigare pe harta și configurare wireless printr-un sistem PC;

drona are cadru pliabil cu elice ușor de demontat prin șurub cu pas invers sensului de rotire;

Specificații tehnice:

Precizia maximă a GPS-ului: mai bună de 1 m ca poziționare absolută;

Timp de zbor maxim: 35 min (fară sarcină);

Distanța maximă de control: 2 Km (fară obstacole, zi senină);

Sarcina utilă recomandată: 1 Kg;

Masa totală în zbor fără sarcină: 2,6 Kg;

Lungime elice: 38,1 cm;

Timp de zbor cu sarcina recomandată: 18 min;

Diametru între motoare: 1115 mm;

Putere motor: 360 W.

Pe acest sistem a fost montat aparatul foto Sony Alpha A7R. Acesta are o rezoluție de 36 megapixeli (7360 x 4912 pixeli), obiective interschimbabile, distanța focala de 50 mm și deschidere maximă a diafragmei de f/2 – 8.

Figura 2.3 – Sony Alpha A7R

2.3 Anexele sistemul UAV FAE 1115

Una dintre condițiile reușitei unei misiuni de aerofotografiere este obținerea unor imagini de cea mai bună calitate. Pentru aceasta au fost dezvoltate și implementate o serie de echpamente anexă integrate într-un sistem unitar care asigură respectarea cu strictețe a parametrilor planificați ai zborului de aerofotografiere.

2.3.1 Radiocomanda

Operatorul controlează sistemului UAV prin intermediul radiocomenzii. Navigarea hexacopter-ului se realizează prin intermediul stick-urilor. Stick-ul drept permite controlul mișcării pe orizontală: pitch (prin ridicare stick-ului sus-jos) și roll (prin mișcarea stick-ului stânga-dreapta) iar stick-ul stâng permite controlul altitudinii: throttle (sus-jos) și a rotației în plan: yaw (stânga-dreapta).

Figura 2.4 – Radiocomanda 9XR

Radiocomanda 9XR funcționează în banda de frecvență de 2,4 GHz și permite realizarea legături cu controller-ul hexacopter-ului pe o distanță de maxim 2 km.

Caracteristici:

Display LCD 127×64;

Memorarea a 16 configurații;

4 tipuri de intrări: cele 2 stick-uri principale, 3 potențiometre variabile, 6 întrerupătoare cu 2 poziții, un întrerupător cu 3 poziții, trim-urile digitale;

Canale: 1 – roll, 2 – pitch, 3 – throttle, 4 – yaw, 5 – modurile de zbor, 6 – gimbal, 7 – declansator, 8 – auto.

Pe canalul 5 sunt mixate două întrerupătoare, unul cu 3 poziții iar celălat cu 2, pentru modurile de zbor și RTL (Return To Launch).

Cele două stick-uri care controlează canalele 1,2,3 și 4 au funcții exponențiale, lucru care permite controlul fin al comenzilor în zona pozițiilor centrale.

Modurile de zbor:

Modul „Stabil”, operatorul menține controlul altitudinii, vitezei și orientării (roll, pitch, throttle și yaw).

Modul „Altitude hold”, pe baza datelor furnizate de către barometru hexacopter-ul își menține altitudinea constantă atunci când throttle-ul este lăsat liber.

Modul „Loiter”, hexacopter-ul își menține automat poziția curentă atunci când stick-urile sunt lăsate libere. Pentru o performanță bună de zbor în acest mod este necesară recepționarea unui număr mare de sateliți de către receptorul GNSS aeropurtat, fără interferențe magnetice și cu vibrații reduse. Altitudinea este determinată barometric.

Modurile de zbor automate de siguranță:

Modul „RTL” (Return To Launch), constă în ridicarea sau coborârea hexacopter-ului la o altitudine predefinită, aducerea acestuia deasupra locului decolării și aterizarea automată.

Modul „Fail Safe”, în cazul pierderii legăturii radio hexacopter-ul intră în modul „RTL”

Modul „GeoFence”, stabilește un perimetru de zbor, definirea acestuia făcându-se prin intemediul unui program de planificare a zborului (ex.: Mission Planner).

2.3.2 Telemetria

Funcționează în banda de 433 MHz și realizează legătura wireless dintre controller-ul UAV-ului și stația de la sol. Prin această legătură se poate configura hexacopter-ul, poate fi încărcată misiunea de aerofotografiere și pot fi introduse comenzi suplimentare in timpul zborului.

Banda de frecvență de 433 MHz este o bandă liberă, din acest motiv fiind foarte aglomerată legătura este slabă, mai ales în mediile urbane, unde poate scade până la câtiva metri. Ȋn mod normal, legătura poate fi stabilită până la o distanță de câteva sute de metri, depinzând de sursele de zgomot și de antena folosită.

Figura 2.5 – Telemetrie

2.3.3 OSD (On Screen Display)

Funcționează în banda de 5,8 GHz. Realizează legătura între camera de pe hexacopter și monitorul video de la sol (OSD).

Figura 2.6 – OSD (On Screen Display)

Peste imaginea redată sunt suprapuse informațiile legate de zbor, cum ar fi: numărul de sateliți recepționați, modul de zbor, timpul de zbor, viteza de zbor, direcția spre punctul de lansare, înălțimea de zbor, puterea motoarelor, tensiunea, etc. Prin intermediul programelor de specialitate putem stabili informațiile ce dorim să fie afișate pe display-ul monitorului video.

Antena prin care se transmite semnalul video este omnidirecțională iar antena de recepție, a monitorului video, poate fi omnidirecțională sau unidirecțională

2.3.4 Gimbal

Gimbal-ul este un sistem de cadrane pivotante în una, două sau trei axe, care poate izola mișcările unui obiect față de suportul pe care gimbal-ul este atașat. El este prevăzut cu o placă de bază, ce formează componenta efectivă de conexiune cu cadrul hexacopterului, iar placa este echipată la rândul său cu patru amortizoare, care au rolul de a elimina vibrațiile. Amortizoarele sunt dispuse în același plan cu centrul de greutate al camerei, astfel că deplasarea translațională nu va produce rotații.

Figura 2.7 – Gimbal

Mișcările de rotație φ, ω, k din timpul zborului se măsoară prin intermediul a trei dispozitive giroscopice aferente sistemului inerțial de măsurare (IMU). După înregistrare, valorile lor se transmit sub formă de corecții unor sisteme care controlează cele trei rotații compensând înclinările UAV-ului, stabilizând camera în poziție orizontală, iar axul de fotografiere va fi adus în poziție nadirală.

CAPITOLUL 3 – Prelucrarea datelor fotogrammetrice

3.1. Statii fotogrammetrice digitale

Dezvoltarea rapidă a tehnicii de calcul a condus la apariția stațiilor fotogrammetrice digitale.

Stațiile fotogrammetrice reprezintă un comprex de software-uri și hardware-uri, ce trebuie să asigure prelucrarea geometrică și radiometrică automată a fotogramelor digitale în toate etapele procesului fotogrammetric.

Figura 3.1 – Stația fotogrammetrică digitală

Acestea exploatează imaginile digitale sau digitizate prin scanare și produc atât produse raster cat și vectoriale. Pentru asigurarea unui format unic de intrare a datelor de bază în sistemul de prelucrare trebuie asigurată digitizarea sau scanarea acestora cu dispozitive performante care să asigure formatul, precizia și randamentul optim.

Stațiile fotogrammetrice digitale prezintă următoare avantaje față de tehnologiile analogice și analitice:

– randament și precizie ridicată;

– un cost mai redus al echipamentelor de observare stereoscopică;

– se poate efectua analiza imaginii precum și clasificări multispectrale dacă preluarea fotogramelor s-a realizat cu camere digitale în modul multispectral;

– principalele etape ale procesului de exploatare stereofotogrammetrică: orientarea interioară, orientarea exterioară, măsurarea coordonatelor – imagine ale punctelor de aerotriangulație, calculul și compensarea aerotriangulației, etc. se realizează automat sau semiautomat;

– realizarea automată a ortofotoplanurilor, ortofotohărților, a reprezentărilor perspective 3D, etc.;

– generarea automată a modelului digital altimetric al terenului

– afișarea datelor în proiecție plană, perspectivă tridimensională, animație 3D;

3.1.1 Componentele unei stații digitale fotogrammetrice

Stația digitalǎ fotogrammetricǎ reprezentată în figura 3.2, este alcătuită din următoarele componente:

Figura 3.2 – Componente ale stației digitale fotogrammetrice

1. Un scaner fotogrammetric de mare rezoluție (1) pentru digitizarea prin scanare a imaginii digitale. În locul acestuia se poate utiliza o unitate de bandǎ pentru citirea imaginilor digitale obținute prin baleiaj ȋn spațiul obiect.

2. O stație pentru exploatarea stereoscopicǎ alcătuită din douǎ monitoare. La unul dintre monitoare se efectuează, cu ajutorul ochelarilor (d), observarea stereoscopicǎ, în timp ce la celǎlalt display se realizează operații GIS/CAD.

3. Un display color (2) ce are rolul de a afișa și controla în timp real imaginea scanată.

4. Un plotter performant necesar pentru vizualizarea rezultatelor.

5. Un soft-mouse (c), ce dispune de toate funcțiile necesare exploatării.

Opțional,se poate atașa un disc de picior ce are rolul de a controla deplasarea mǎrcii de mǎsurare ȋn direcția z sau deplasarea modelului fațǎ de marcǎ ȋn aceeași direcție.

6. Tastaturi(a)

7. O planșetă de digitizare(b)

8. Ochelari pentru observarea stereoscopică.

Toate aceste componente sunt legate printr-un server de rețea și operează sub controlul unui sistem software puternic și performant.

La exploatarea stereofotogrammetricǎ a imaginii digitale sunt utilizate următoarele tipuri de date de intrare:

datele raster care pot fi :

date digitale precum: imagini digitale obținute cu ajutorul dispozitivelor optico-mecanice de baleiaj, a senzorilor opto-electronici;

date digitizate obținute prin scanarea documentelor analogice prezentate sub formǎ de fotograme aeriene, satelitare sau fotografii preluate cu ajutorul camerelor nemetrice;

date vectoriale care se pot prezenta sub urmǎtoarele forme:

date vectorizate obținute prin digitizarea planurilor, hǎrților sau altor documente analogice;

date numerice care pot fi: cadastrale, obținute din mǎsurǎtori de teren din diverse sisteme SIG sau SIT;

date tematice care se pot prezenta sub diverse forme mai sus amintite.

Pentru asigurarea unui format unic de intrare a datelor de bazǎ ȋn sistemul de prelucrare trebuie asiguratǎ digitizarea sau scanarea acestora cu dispozitive performante care sǎ asigure formatul, precizia și randamentul optim.

Pentru stocarea, arhivarea și organizarea datelor de bazǎ ȋn vederea prelucrǎrilor ulterioare se organizeazǎ baze de date ce pot fi: raster, vectoriale, hibride sau tematice.

3.1.2. Funcții fotogrammetrice de bază

Este necesar ca funcțiile unei stații sǎ acopere urmǎtoarele domenii și operații fotogrammetrice de bazǎ:

exploatarea stereofotogrammetricǎ a imaginii digitale sau digitizate;

generarea modelului altimetric al terenului (MDAT) ȋn mod automat;

ȋntocmirea ortofotohǎrților ȋn mod automat;

efectuarea aerotriangulației ȋn mod automat;

exploatarea fotogrammetricǎ monoscopicǎ (exploatarea fotogramei independente).

O serie de funcții se pot efectua ȋn mod manual, semiautomat sau complet automat curs

– Funcții generale, precum: funcția ZOOM, rotația imaginii, întărirea contrastului, histograma, filtrarea trece sus și trece jos, analiza interactivă, registrația absolută, crearea vederilor perspective, vizualizări 3D, întocmirea hărților topografice.-Funcții fotogrammetrice de bază, precum: orientarea interioară, orientarea relativă și cea absolută, realizarea modelului altimetric al terenului (MDAT) și ortofotoredresarea

O altă funcție a unei stații fotogrammetrice digitale este afișarea, pentru observarea stereoscopică, stocarea și organizarea imaginii pentru prelucrarea imaginilor. Separarea imaginilor pentru observarea stereoscopică se realizează respenctând prima condiție a vederii stereoscopice indirecte. Se deosebesc mai multe metode folosite pentru separarea imaginilor digitale sau digitizate.

Separarea imaginilor cu ajutorul stereoscopului. Această metodă este utilizată de stația Digital Video Plotter (DVP) comercializată de Leica. În cadrul acestei metode pentru separare este folosit un stereoscop montat pe un suport reglabil în fața ecranului. Cele două imagini sunt afișate pe câte o jumătate de ecran.

Folosirea filtrelor de polarizare pentru separarea imaginilor. Acest procedeu este utilizat de stația Stereodigit Plotter. Cele două imagini sunt proiectate pe două ecrane dispuse la 90o unul față de altul, folosind polarizarea liniară verticală și orizontală, cu ajutorul unor filtre de polarizare așezate în fața ecranelor. Cele două imagini se suprapun pe un filtru fixat în fața operatorului.

Separarea imaginilor prin procedeul filtreor de polarizare, utilizată de stația digitală Intergraf. In cadrul acestei metode separarea imaginilor se realizează prin proiectarea alternativă, pe același monitor, cu o frecvență de 50-60 cicli/s, a celor două imagini folosind principiul sclipirilor. Cele două imagini se suprapun pe un obturator cu cristale lichide ce este sincronizat cu sistemul de afișare.

Figura 3.3 – Funcțiile stației fotogrammetrice digitale

-Orientarea interioară poate fi realizată interactiv, în mod semiautomat sau automat.

-Funcția de orientare relativă presupune afișarea imaginilor de orientat, identificarea interactivă sau automată a punctelor corespondente, determinarea parametrilor transformării și generarea stereomodelului.

-Funcția de orientare absolută are rolul de a identifica în mod interactiv și automat punctele de sprijin, de a realiza calculul parametrilor transformării absolute și de a analiza rezultatele.

-Exploatarea stereomodelului permite colectarea formelor liniare, a coordonatelor, definirea și realizarea semnelor cartografice, suprainserția în stereomodel a elementelor extrase în etapa de exploatare a acestuia.

-Funcția MDAT pesupune efectuarea calculelor statistice, definirea punctelor de bază a linilor de ruptură, ce se vor rezolva manual, editarea MDA al terenului.

-Funcția ortofoto are rolul de a genera modelul digital altimetric al terenului (MDAT), de a importa fișierele imagine, precum și de a realiza asamblarea mai multor fotograme ortofotoredresate.

-Funcții de import/export de date imagine IMAGINE, TIFF, etc. sau date vectoriale ASCII, DFX, DGN, etc.

-Funcția de exploatare a stereomodelului. Unele stații fotogrammetrice digitale sunt dotate cu facilitățile aparatelor clasice din stereofotogrammetrie, dar și cu un soft-mouse.

Figura 3.4 – Soft-Mouse utilizat de statia fotogrammetrică digitala ERDAS

1-deplasare stânga;

2,12, 5, 6-funcții cheie;

3-buton înregistrare spate stânga

4-buton de înregistrare spate dreapta;

5-buton de înregistrare spate dreapta;

7-deplasare dreapta;

8-buton de înregistrare față dreapta;

9-moletă de control a mărcii în direcția Z;

10-buton de înregistrare față stânga.

Funcțiile cheie: 2, 12, 5 și 6 permit startul. Acestea se acționează prin rotație în sensul acelor ceasornicului. Butoanele 3, 4, 10 și 8 sunt folosite pentru înregistrarea datelor punctiforme.

Toate funcțiile unei stații fotogrammetrice digitale sunt susținute de un sistem software foarte sofisticat și performant ce are rolul de a asigura efectuarea ȋn mod automat a acestor operații prin exploatarea imaginii digitale sau digitizate.

Inserția elementelor vectoriale extrase din stereogramǎ ȋn stereomodel cu o culoare distinct reprezintă o funcție ce se bazeazǎ pe transformarea inversǎ fotogrammetricǎ. Aceasta a fost dezvoltatǎ ȋn cadrul exploatǎrii analitice a fotogramei ȋn mod independent și nu prezintǎ probleme deosebite pentru implementare, însǎ este foarte utilǎ și optimizeazǎ exploatarea stereoscopicǎ a stereogramei digitale.

Cu ajutorul stațiilor fotogrammetrice digitale sunt obținute,sub formă digitală, produse precum: coordonate, suprafețe, volume, date statice, reprezentări perspective, modele ale obiectului, modele digitale ale terenului, hărți, etc. Utilizând instrumente periferice de iesire precum imprimantă, plotter, scanner, aceste produse pot fi obținute sub formă tradițională de hărți, fotograme, imagini, etc

3.2. Aerotriangulația spațială

3.2.1 Definiții. Noțiuni de bază

Aerotriangulația este un procedeu de îndesire a rețelei de sprijin (altimetrică și planimetică) pe baza relațiilor rezultate din dubla și tripla acoperire a fotogramelor succesive.

Acest procedeu înlocuiește cu succes îndesirea pe cale geodezică, dovedindu-se soluția cea mai optimă pentru îndesirea rețelei de sprijin în cazul unor zone greu accesibile sau inaccesibile (Delta Dunării, zone muntoase).

Aerotriangulația permite georeferențierea simultană a tuturor imaginilor unui bloc de fotograme, folosind pe cât este posibil suprapunerile dintre imagini și benzi, cu un număr minim de puncte de referință. Această operație presupune în primă fază măsurarea unui anumit număr de puncte pe cât mai multe imagini, după care calcularea în întreg blocul, permite determinarea unui set de parametri fotogrammetrici. Anumite module de calcul ale aerotriangulației din sistemul fotogrammetriei digitale folosesc aceleași formule de la fotogrammetria analitică.

Măsurarea punctelor de referință se face cu ajutorul ferestrelor multiple. Odată ce un punct a fost măsurat într-o imagine, sistemul poate afișa în ferestre mici toate imaginile care ar putea conține punctele respetive. Singurul lucru pe care operatorul rămâne să-l facă este de a măsura poziția punctului în fereastra în care este prezent, monoscopic sau stereoscopic. Pe de altă parte măsurarea punctelor de legătură este automat.

Punctele de legură între stereomodele trebuie măsurate și folosite pentru evaluarea preciziei finale a aerotriangulației, modelului digital al terenului, precum și a ortofotoplanurilor finale. Punctele de verificare trebuie să fie puncte bine definite la nivelul solului, cu coordonatele X, Y și Z.

Trebuie să existe cel puțin un punct de verificare la 20 de imagini aeriene. Trebuie întocmit un plan care să arate numărul și distribuția punctelor rețelei geodezice de sprijin din zonă.

Punctele de verificare trebuiesc localizate, bine distribuite în cadrul blocului fotogrammetric, precum și pe imagini (nu doar în apropierea centrului de proiecție). Punctele de verificare trebuie măsurate în timpul procesului de aerotriangulație ca orice alt punct, dar ele nu trebuie tratate asemeni reperilor fotogrametrici în procesul de compensare al aerotriangulației. Pentru o identificare corectă a punctelor de verificare se vor întocmi descrieri topografice clare.

Pentru executarea aerotriangulației digitale, trebuiesc executate măsurători asupra punctelor de legură în mod automat sau manual. Când punctele măsurate automat nu sunt suficiente pentru orientarea relativă a stereomodelelor, operatorul este obligat să execute măsurători ale punctelor de legătură în mod manual.

Prestatorul va decide asupra numărului optim de puncte de legătură pentru asigurarea unei bune orientări relative a stereomodelelor. Dacă blocul de aerotriangulație este împărțit în subblocuri, vor fi folosite cel puțin două imagini adiacente la calcularea celui de-al doilea bloc. Punctele de legătură sau centrul de proiecție cel mai apropiat de noul bloc trebuie să fie considerat ca liber și sa fie compensat din nou. Pentru racordarea blocurilor fotogrammetrice adiacente se va folosi metoda clasică, adică: măsurarea la capătul fiecărei benzi a trei puncte de legătură care să fie aceleași și în blocul fotogrammetric vecin. Evaluarea calității recordii se face prin compararea valorilor coordonatelor X, Z, Y, obținute din compensarea celor două blocuri vecine. Compensarea aerotriangulației digitale trebuie executată prin metode riguroase c evidențierea preciziei obținute. Imaginile adiționale trebuie incluse în aerotriangulație pentru a asigura consistența geometrică între zonele adiacente de proiect.

Scopul aerotriangulației este de a furniza punctele de sprijin necesare penreu orientarea absolută a modeleloe stereofotogrammetrice și de asemenea să asigure îndesirea rețelei de sprijin, cea ce diminuează volumul măsurătorilor la teren. Din acestmotiv, punctele de legură măsurate în mod manual trebuie să reprezinte detalii punctiforme vizibile pe fotogramă, identificabile ușor la teren, ca și reperii permanenți de la sol sau ca reperii noi, stabiliți cu acest scop.

Trebuie să se pună accent pe măsurarea punctelor de legătură identificate în cât mai multe imagini fotogrammetrice posibile, minim 4 în cadrul blocului. Punctele măsurate în doar două fotograme trebuie să apară numai la capetele benzilor de zbor. Punctele măsurate în 3 fotograme trebuie să apară obligatoriu pe direcția centrelor de proiecție ale imaginilor precum și la marginile de nord și sud ale blocului fotogrametric.

Compensarea aerotriangulației digitale trebuie astfel realizată încât erorile grosolane să fie eliminate complet. Erorile reziduale cele mai mari obținute în timpul procesului de aerotriangulație nu trebuie să fie mai mari de 0,8 din mărimea pixelului.

Domeniile de utilizare a punctelor determinate prin aerotriangulație sunt: redresarea analogică și sau analitică a fotogramelor; stereorestituția analogică, analitică sau digitală a stereogramei; ortofotoredresarea optică sau digitală a fotogramelor, diferite lucrări inginerești cu aplicații militare și economice.

Clasificarea metodelor de aerotriangulație

În funcție de unitatea de lucru folosită deosebim:

aerotriangulația prin incluziune, care reprezintă problema de bază a aerotriangulației și constă în utilizare fotogramelor la scară mică pentru determinarea punctelor de îndesire necesare exploatării fotogramelor la scară mare;

aerotriangulația pe benzi, care constă în legarea modelelor adiacente prin asigurarea transferului elementelor de orientare în scopul formării benzii de aerotriangulație; transferarea acesteia în sistemul teren și compensarea se efectuează pe baza punctelor de sprijin și de control pe cale analitică;

aerotriangulația în bloc, care constă în formarea blocului de aerotriangulație din modele independente, triplete, benzi sau secțiuni de bandă, fiecare constituind unitatea de lucru în cadrul compensării.

În acest caz deosebim două variante:

aerotriangulația în bloc pe benzi, caz în care benzile se formează așa cum s-a arătat mai sus, transformarea și compensarea se efectuează în bloc pe benzi;

aerotraingulația în bloc cu modele independente, caz în care transformarea și compensarea se efectuează pe modele independente în bloc, simultan sau secvențial.

Figura 3.5 – Clasificarea metodelor de aerotriangulatie

În funcție de modul de culegere și prelucrare a datelor deosebim:

aerotriangulația analogică, care utilizează aparatele de stereorestituție pentru etapele de reconstituire a fasciculelor fotogrammetrice, formarea stereomodelului, legarea modelelor alăturate și pentru formarea benzilor de aerotriangulație; metoda a avut o largă întrebuințare în perioada de apariție a aerotriangulației;

aerotriangulația analitică, care utilizează fotogramele independente sau stereogramele ca unitate de lucru. După măsurarea fotogramelor sau stereogramelor toate etapele procesului de aerotriangulație se desfășoară analitic. În acest scop sunt utilizați algoritmi bazați pe condițiile de coliniaritate, colpanaritate sau coangularitate.

În funcție de modul de utilizare a datelor auxiliare se deosebesc metodele:

aerotriangulație cu date auxiliare;

aerotriangulație fără date auxiliare.

Metoda de aerotriangulație cu date auxiliare este o metodă de actualitate ce presupune utilizarea la preluare a unor aparate de determinare a coordonatelor stației de preluare cu aparate de tipul GPS a unor platforme de navigație de tipul INS (Inertial Navigation Systems) sau a unor sisteme de navigație de tip Doppler, Omega, Loran etc., sisteme ce furnizează date ce pot fi utilizate în calculul parametrilor transformării și compensării aerotriangulației.

Referitor la clasificarea metodelor de aerotriangulație, o reprezentare sugestivă a fost dată de Ackermann (figura 4.1). În cele 3 variante prezentate se observă cum faza instrumentală se reduce în favoarea operațiilor analitice, permițând astfel limitarea propagării erorilor de măsurare și, în consecință, mărirea preciziei rezultatelor finale.

Aceasta a fost de altfel și evoluția metodelor de aerotriangulație, care au beneficiat treptat de mijloace de calcul tot mai performante

Aerotriangulația digitală. Urmează pașii specifici fotogrammetriei analitice. Separarea orientării interioare și a celei exterioare, în funcție de modelul utilizat, este posibilă folosind programe bazate pe ajustarea în bloc. Aerotriangulația digitală este folosită cu o mare eficiență datorită creșterii automatizării.

Etapele aerotriangulației digitale:

Posibilitatea automatizării aerotriangulației derivă din selectarea punctelor, măsurarea și transferul lor prin tehnicile de unire a imaginilor și compensarea în bloc. Ținând seama că aerotriangulația digitală este un proces de producție automat, aceasta este împărțită pe etape care includ pregătirea datelor (fotograme și puncte de control), importul automat de date, micșorarea imaginii, orientarea interioară automată, măsurători specifice aerotriangulației automate, compensarea în bloc și controlul calității procesului.

Pregătirea datelor include configurarea blocului fotogrammetric, încărcarea imaginilor de pe bandă și asigurarea controlului datelor punct. Punctele de reper pot fi colectate în fotogrammetria digitală din fișierele vector existente (de exemplu, intersecția de drumuri), imagini ortorectificate, după modelele digitale ale terenului și planuri topografice scanate și georeferențiate. De asemenea, în această etapă sunt necesari parametrii calibrării camerei.

Importul automat de date și micșorarea imaginii este etapa premergătoare începerii măsurătorilor, imaginile digitale fiind importate în statia fotogrammetrică digitală și construind automat piramida imaginii pentru măsurători, afișare, mărire sau micșorare. În cazul în care se dispune de coordonatele centrului de perspectivă a fiecărei imagini, acestea sunt importate pentru asigurarea valorilor aproximative de pornire în vederea suprapunerii imaginilor în cadrul blocului. În plus pregătirea fișierelor aerotriangulației care conțin toți parametrii pentru realizarea măsurătorilor automate, poate fi asigurată prin intermediul unui anumit număr de interfețe.

Orientarea interioară automată a imaginilor digitizate după film este de importanță fundamentală. În această etapă este necesară gasirea automată a coordonatelor pixelului (în rânduri și coloane) ale punctelor de referință. Aceasta poate fi realizată prin corelarea indicilor de referință de pe imaginile digitale cu imaginile corespondente ale acestora pe fotogramele scanate și digitizate. Aceste coordonate pot fi folosite, împreună cu coordonatele calibrate ale punctelor de referință, pentru transformarea coordonatelor pixel în coordonate imagine. Măsurarea automată a punctelor este posibilă după măsurarea manuală a primilor doi reperi de referință.

În cazul camerelor aerofotogrammetrice digitale relațiile de transformare între pixeli și coordonatele imagine se determină în timpul calibrării camerei în completarea parametrilor de orientare interioară ce au fost obținuți prin calibrare. Dacă se folosesc imagini digitizate, obținute prin scanare, această transformare trebuie determinată separat pentru fiecare imagine.

Realizarea automată a orientării interioare necesită cunoașterea pentru fiecare imagine a datelor de calibrare ale camerei aerofotogrammetrice, coordonatele imagine ale indicilor de referință, dimensiunile pixelului și curba de distorsiune. Atingerea unei precizii ridicate necesită poziționarea aproximativă a indicilor de referință, poziționarea precisă a centrelor indicilor de referință, determinarea precisă a parametrilor transformării între sistemul de coordonate imagine și cel al pixelilor.

Colectarea automată a punctelor de legătură se realizează cu diferite module destinate să lucreze cu imagini diferite cum sunt cele aeriene, satelitare și alte tipuri de imagini digitale. Colectarea automată cu ajutorul unui astfel de modul constă în:

configurarea automată a blocului, ceea ce presupune că prin acest modul se detectează automat relația blocului cu imaginile adiacente;

extragerea automată a punctelor de legătură, care presupune folosirea unor algoritmi de extragere;

transferul punctelor, care implică faptul că punctele ce apar pe mai multe imagini sunt automat identificate și unite;

detectarea erorilor prin care punctele determinate eronat sunt identificate automat și înlăturate din cadrul soluției;

selectarea punctelor.

Măsurătorile automate în aerotriangulația digitală presupun existența a patru pași ce includ măsurarea automată a punctelor, măsurarea interactivă a punctelor, salvarea și evidențierea greșelilor.

În timpul determinărilor operatorul trebuie să măsoare punctele de referință terestre în cel puțin o imagine, iar celelalte procese sunt realizate în mod automat.

Automatizarea, în cazul procesului de aerotriangulație, constă în selectarea și măsurarea coordonatelor imagine ale punctelor de legătură și ale punctelor de referință. Măsurătorile interactive ale punctelor sunt folosite pentru determinarea punctelor de referință, terestre și coordonatele imagine ale punctelor de referință și a celor de legătură. În urma acestui proces sunt afișate automat punctele de legătură necorespunzătoare și imaginea necesară pentru remăsurare fără ca operatorul să intervină. De asemenea, unele programe au posibilitatea de a îndepărta automat punctele de legătură necorespunzătoare în timpul procesului.

Compensarea în bloc este esențială pentru determinarea informației necesare realizării ortofotoplanurilor, modelului digital al terenului și modelului stereoscopic digital. Sistemele evidențiază punctele de legătură necorespunzătoare și afișează imaginile pentru măsurare. În această situație, operatorul trebuie să efectueze remăsurarea acestor puncte necorespunzătoare prin mișcarea mărcii pe locația proprie a acestora, dacă este necesar. După ce au fost alese punctele de control și cele de legătură poate începe procesul compensării în bloc. Rezultatele compensării includ informații despre senzorul model intern sau extern, coordonatele 3D ale punctelor de legătură și parametrii suplimentari care caracterizează modelul senzorului.

Precizia aerotriangulației digitale depinde de calitatea metrică a imaginilor, de precizia de identificare, numărul, dispunerea și precizia de determinare a punctelor de legătură pe imaginile digitale și de metoda de aerotriangulație utilizată.

În urma aplicării procesului de aerotriangulație se obțin coordonatele punctelor de legătură distribuite pe întreg blocul și care folosesc în continuare la obținerea diferitelor produse fotogrammetrice.

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

mR = , mL = , mC = …….(3.1)

unde: , , și reprezintă numărul total de apariții ale punctelor de reper, de legătură și de control (de verificare) în toate unitățile de compensare ale blocului fotogrametric. Prin urmare, numărul de la numitor va fi egal cu numărul termenilor de la numărător.

3.3. Modelul digital al terenului

Modelul digital al terenului (MDT) sau altimetric (MDA) este o reprezentare numerică a suprafeței terenului. Dacă se consideră și acoperirile terenului (vegetație, construcții, etc.) modelul corespunzător se numește model digital al suprafeței de reflectanță (MDSR).

Figura 3.6 – Reprezentarea terenului prin modelul digital de tip grid

Structurile de date cele mai populare ale MDT sunt grid-ul și rețeaua neregulată de triunghiuri. Alegerea modelului depinde de disponibilitatea datelor, natura suprafeței, aplicație, scara și rezoluția datelor.

Rețeaua de tip grid reprezintă o structură pe care se realizează modelul digital al terenului ce conține date punct legate în patrulatere mai mari sau mai mici în funcție de caracteristicile terenului.

Rețeaua de triunghiuri neuniforme TIN (Triangulated Irregular Network) conține date punct legate în fațete triunghiulare, aceasta necesită un număr mare de puncte pentru generarea unui model valid al suprafeței.

Figura 3.7 – Reprezentarea terenului prin modelul digital de tip TIN

Modelul digital altimetrice se realizează, în general,pe o stație fotogrammetrică digitală. Acesta poate fi obținut pe baza unei hărți cu curbe de nivel și puncte cotate scanată, pe baza modelelor stereoscopice realizate pe cale fotogrammetrică sau prin utilizarea sistemului LiDAR, care poate fi folosit fie individual, integrat cu o cameră video, fie în combinație cu o cameră fotogrammetrică digitală (ca anexă a acesteia).

Pentru realizarea modelului digital sunt necesare și datele auxiliare caracteristice (metadatele), care însoțesc fiecare fotogramă digitală și care oferă datele necesare orientăreii exterioare și prelucrării ulterioare a acesteia. Etapele parcurse în realizarea MDA sunt:

Aplicarea unor corecții radiometrice și geometrice imaginii brute (datorate calibrării senzorilor, deformațiilor datorate reliefului, poziției pixelului față de traseul nadiral al avionului, mișcării platformei aeriene, etc.).

Alegerea și identificarea sau măsurarea unor puncte de sprijin care trebuie repartizate cât mai uniform pe suprafața care va fi reprezentată, punctele trebuie să poată fi identificate ușor atât pe imagine cât și în teren. Coordonatele punctelor noi sunt măsurate în cursul lucrărilor de teren de reperaj.

Orientarea imaginilor, pentru orientarea imaginii se utilizează un model riguros, caracteristic senzorului, care trebuie să includă parametri orientării interioare și exterioare. Se pot utiliza și modele alternative, care realizează o transformare generală folosind funcții polinomiale care descriu relațiile de legătură între coordonatele teren și coordonatele imagine ale punctelor de sprijin utilizate.

Colectarea datelor (X, Y, Z) se face prin generarea automată a unei grile rectangulare de puncte (GRID) cu un anume pas al grilei (pentru scara 1:5000 pasul este de 15 m), folosind tehnici de corelare automată a fotogramelor. Se pot utiliza și tehnici de culegere neuniformă a datelor (TIN), sub forma unor rețele de triunghiuri, La acestea pot adăuga puncte caracteristice, dispuse în poziții alese pe baza fotointerpretării reliefului din stereomodel (firul văii, linii de schimbare de pantă, delimitarea suprafețelor de apă – lacuri, linii de creastă, etc.). Acestea constituie linii sau puncte de constrângere, impuse.

Datele „brute" astfel obținute sunt corectate de erorile sistematice, sunt eliminate greșelile, se conexează subseturile de date, etc.

Conversia datelor în modele digitale (prelucrarea de bază a datelor). Procesul de conversie se realizează în principal prin interpolare;

Volumul de date obținut face obiectul de studiu amănunțit pe modele stereoscopice pentru: marcarea elementelor speciale, pentru care modelul digital nu se poate genera automat (râuri, lacuri, etc); îmbunătățirea MDA în zonele în care s-a depășit valoarea erorilor admisibile. În unele areale cu păduri, punctele se determină la vârfurile arborilor și sunt reduse la nivelul solului pe baza măsurătorilor din zonele cu vizibilitate la sol.

Se realizează generarea MDSR/MDA, operație pentru care au fost dezvoltați algoritmi și pachete de programe automate. Exemple de pachete de programe automate: 3DX produs de Algeo/Compass, ImageStation Stereo Display produs de ZI Imaging, MATCH-T, GVE, DTMaster Stereo si SCOP++ produse de compania INPHO GmBH Stuttgard Germania.

Filtrarea modelului digital al suprafeței de reflectanță (MDSR) și obținerea modelului digital altimetric (MDA):

Îmbinarea filtrării cu a interpolării punctelor se numește predicție liniară robustă. Algoritmii de filtrare constau în folosirea unei ferestre de analiză ce se deplasează prin baza de date a punctelor în scopul selectării punctelor necesare. În acest fel se determină automat punctele care au atins terenul și punctele care au atins diferite detalii cum ar fi vegetația și clădirile.

Se utilizează inițial o fereastră de analiză largă ce are rolul de a determina punctele cu cota cea mai mică pentru calcularea unui model digital brut al terenului. Dacă distanța dintre punct și suprafața modelului depășește o anumită valoare punctul este clasificat ca fiind în afara suprafeței și eliminat. Pe baza punctelor rămase se calculează un nou MDA mult mai precis. Procesul este unul iterativ, cu mărimea ferestrei de analiză redusă până la realizarea modelului final.

Figura 3.8 – Filtrarea MDSR și obținerea MDA

În final MDA este editat stereoscopic (prin reunirea tuturor modelelor MDA în unul singur) și vizualizat.

Se verifică din punct de vedere calitativ MDA. Scopul acestei verificări este de a elimina următoarele defecte: elemente dublate, intersecții de linii fără joncțiune comună, elemente care au aceleași coordonate X și Y dar Z diferit. Sunt utilizate funcții speciale de verificare cum sunt: reprezentarea punctului prin valoarea coordonatei Z, generarea și suprapunerea curbelor de nivel, profile și vedere în perspectivă. Verificarea preciziei MDA se bazează pe un număr suficient de puncte de verificare măsurate în teren, repartizate uniform în zona reprezentată în stereomodel. Diferențele pe cele trei coordonate trebuie sa fie mai mici decât anumite precizii impuse.

Punctele de control folosite pentru evaluare trebuie sa aibe aceeași precizie. Este util să se folosescă punctele de control de la aerotriangulație, puncte din măsurători terestre sau puncte cotate de pe hărțile topografice.

Punctele de control folosite la aerotriangulație și punctele geodezice de control nu trebuie incluse în generarea modelului digital al terenului.

Cea mai bună evaluare a modelului digital al terenului se realizează folosind punctele independente de verificare măsurate cu precizie ridicată. Dacă nu există astfel de puncte se folosesc punctele de control de la aerotriangulație. În acest caz nu vor mai exista indicații cu privire la erorile introduse la legarea aerotriangulației de teren.

……………………………………………………..(3.2)

unde: RMSE – abaterea medie pătratică;

ZMDT – valoarea lui Z interpolată din modelul digital al terenului;

ZVERIF – valoarea Z a punctului de verificare;

n – numărul de observații.

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

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

Abaterea standard trebuie calculată dacă modelul digital al terenului este, de exemplu, comparat cu punctele cotate de pe planurile topografice și se constată o diferență constantă de o mărime necunoscută. Formula deviației standard este:

………………………………………………………………….(3.3)

unde:

X – abaterea medie între altitudinea modelului digital al terenului și punctele de verificare;

XDIF – diferența pe coordonata Z între modelul digital al terenului și punctele de verificare;

n – numărul de observații.

Modelul digital al terenului poate fi utilizat pentru diverse scopuri: realizarea de ortofotoplanuri, constituie componenta de bază a unui Sistem Informațional Geografic, proiectare în construcții de căi de comunicații, baraje, etc.

Aplicații ale Modelului Digital al Terenului

Domeniile în care Modelul Digital al Terenului poate fi aplicat sunt:

realizarea de ortofotoplanuri și ortofotohărți;

analiza sistemelor de telecomunicații (realizarea de profile ale terenului, rețele de transmisie, analize de propagare și alte aplicații specifice);

proiectarea în domeniul rețelelor de conducte;

comanda și controlul diverselor sisteme;

domenii în care este necesară cunoașterea altitudinii în diferite puncte ale unei suprafețe;

proiectare în construcții de căi de comunicații;

constituie componenta principală a unui sistem informatic geografic;

suport al trasării curbelor de nivel topografice;

vizualizarea terenului;

reducerea măsurătorilor de gravitate;

analiza terenului în Cartografie și Morfologie;

rectificarea fotografiilor aeriene sau satelitare;

extragerea parametrilor terenului.

3.4. Realizarea ortofotoplanului digital

Ortofotoplanul este o imagine sau o serie de imagini aeriene în care deplasările cauzate de înclinarea axelor camerei aerofotogrammetrice și relieful terenului au fost eliminate, imaginile au fost georeferențiate iar asupra lor s-au aplicat o serie de corecții radiometrice în scopul uniformizării și îmbunătățirii aspectului lor din punct de vedere radiometric, în final acestea sunt legate între ele prin aplicarea unor metode speciale de unire a imaginilor.

Ortofotoplanul conține o bogată informație vizuală, are calitățile geometrice ale unui plan și poate fi utilizat în numeroase aplicații cartografice sau SIG.

Întregul proces de realizare a ortofotoplanului poate fi împărțit în două etape: ortorectificarea imaginilor digitale și mozaicarea ortoimaginilor.

3.4.1. Ortorectificarea imaginilor aerofotogrammetrice digitale

Ortorectificarea este procesul de transformare a imaginilor dintr-o proiecție centrală într-o proiecție ortogonală, precisă, înlăturând efectele distorsiunilor datorate mișcării senzorului și pe cele provocate de diferențele de nivel ale terenului.

Imaginea punctelor pe fotogramă este influențată de diferența de nivel din spațiul obiect. Punctului teren A’ din Fig. 4.7 îi corespunde în planul mediu de referință Pm punctul A a cărui imagine pe fotogramă este a. În realitate, prin procesul de aerofotografiere punctul A’ este reprezentat prin imaginea sa în poziție eronată a’ pe fotogramă.

Figura 3.9 – Proiecția centrală (stânga) și proiecția ortogonală (dreapta)

Segmentul aa’ (Δr) reprezintă mărimea corecției ce trebuie aplicată punctului a’ pentru a veni în poziția sa corectă a. Din asemănarea triunghiurilor obținem relația de calcul pentru Δr:

Δr/r = dR/R = Δh/H ………………………………………………………………….(3.4)

Δr = r*Δh/H …………………………………………………………………………….(3.5)

Figura 3.10 – Deformația datorată diferenței de nivel din spațiul obiect

În urma ortorectificării, scara se menține constantă pe tot cuprinsul imaginii, astfel pot fi realizate măsurători metrice ale diferitelor elemente (distanțe, unghiuri, suprafețe).

Figura 3.11 – Diferența dintre imaginea originală (stânga) și imaginea ortorectificată (dreapta)

Tehnici de ortorectificare a imaginilor aeriene digitale:

Tehnica ortorectificării unei singure imagini permite ortorectificarea unei imagini preluate la un moment dat folosind tehnica cunoscută sub numele de intersecție în spațiu utilizând 3 puncte de reper pentru fiecare imagine. Aceasta include identificarea manuală și măsurarea pe rând a punctelor după care se calculează poziția camerei și orientarea din momentul expunerii. Aceste informații, împreună cu modelul digital al terenului, sunt folosite la înlăturarea efectelor negative provocate de erorile apărute.

Această tehnică nu folosește legăturile dintre imaginile adiacente, considerate în bloc, în vederea minimizării și distribuirii erorilor ce însoțesc determinarea punctelor de reper, determinările din imagine, pe cele ale modelului digital al terenului și informațiile specifice senzorului. Din această cauză, în timpul procesului de mozaicare, apare nealinierea dintre imaginile adiacente atât timp cât efectul erorilor nu a fost micșorat și repartizat în întregul bloc.

Ortorectificarea polinomială reprezintă cea mai simplă tehnică de ortorectificare a imaginilor digitale ce constă în aplicarea unei funcții polinomiale asupra suprafeței și a unui anumit număr de puncte de reper în vederea verificării. Procesul permite înlăturarea efectului înclinării camerei din momentul expunerii. Alegerea ordinului polinoamelor se face în funcție de precizia urmărită și de numărul punctelor de reper disponibile.

Ortorectificarea proiectivă folosește transformarea geometrică dintre imaginea plană și planul de proiecție și necesită cel puțin patru puncte de reper în planul obiect pentru calcularea celor 8 coeficienți necunoscuți ai transformării proiective. Această tehnică se aplică în procesul de ortorectificare a imaginilor aeriene preluate în teren plan sau rectificarea fațadelor clădirilor, atât timp cât nu este necesară corectarea efectelor datorate reliefului.

Ortorectificarea diferențială are ca obiectiv atribuirea valorilor de gri din imaginea aeriană fiecărei celule din cadrul ortofotoplanului, folosind pentru georeferențierea imaginii câteva puncte de reper, de coordonate și cote cunoscute (X,Y,Z). Ortorectificarea diferențială corectează distorsiunile provocate de înclinările camerei cât și deplasările datorate reliefului.

Suprapunerea imaginii peste modelul digital al terenului este operația prin care imaginea plană, adusă într-o proiecție ortogonală din cea perspectivă, este așezată peste modelul digital al terenului. În acest sens, se folosesc algoritmi de ortorectificare legați de procedura de reproiectare, unde razele provenind de la imagine sunt reproiectate pe modelul digital al terenului realizat în 3D.

Operația poate fi realizată prin:

proiecția înainte sau metoda directă;

proiecția înapoi sau metoda indirectă.

În cazul proiecției înainte, pixelii din imaginea originală sunt proiectați pe MDT, se calculează coordonatele pixelilor din spațiul obiect după care punctele din spațiul obiect sunt proiectate pe ortoimagine.

În cazul proiecției înapoi sunt determinate coordonatele X,Y ale detaliilor din teren în funcție de coordonatele fiecărui pixel al ortofotoimaginii finale. Cota Z specifică unui punct de coordonate X,Y este calculată după modelul digital al terenului realizat în 3D iar coordonatele obiect X,Y sunt proiectate în imaginea originală în ordinea dobândirii valorilor de gri pentru pixelii ortoimaginii.

Figura 3.12 – Aspectul unei fotograme clasice scanată și ortorectificată

3.4.2. Mozaicarea ortoimaginilor digitale

Mozaicarea ortoimaginilor digitale este operația prin care imaginile ortorectificate sunt legate, în vederea obținerii ortofotoplanului. Această operație este condiționată de obținerea unor valori radiometrice apropiate privind culoarea, strălucirea și contrastul între imaginile adiacente astfel încât să se ajungă la un ton continuu pe tot cuprinsul ortofotoplanului.

În situația ideală, cu suprafață mică, pentru realizarea întregului ortofotoplan, poate fi utilizată o singură imagine, suprafața ce urmează a se folosi este porțiunea centrală a imaginii originale pentru minimizarea erorilor. În cele mai multe situații suprafețele sunt mari, fapt ce implică utilizarea mai multor imagini.

În obținerea ortofotoplanurilor digitale principala atenție trebuie îndreptată spre mozaicare și, în special, asupra radiometriei.

Producerea ortofotoplanurilor este însoțită de efectele inerente fotogramelor aeriene, cum sunt: reducerea intensității la marginile acestora, punctul luminos (hot spot) și strălucirea. Pierderea intensității la marginile imaginii și schimbările cromatice sunt datorate caracteristicilor sistemelor optice, de exemplu, densității diferite a materialelor din care sunt realizate lentilele dar și condițiile externe cum ar fi existența ceții. Punctul luminos și strălucirea depind de unghiul de elevație al Soarelui și de proprietățile de reflectanță ale suprafeței, mai ales în cazul celor care conduc la reflexii directe.

Corecțiile radiometrice sunt necesare pentru netezirea tonului sau a diferențelor de culoare din cadrul ortoimaginilor, avându-se în vedere îmbunătățirea calității și uniformizării tonalității grupului de imagini. Aceste corecții sunt necesare în special când imaginile digitale au fost preluate și/sau scanate în condiții diferite.

Unele efecte pot fi modelate ușor, de exemplu pierderea intensității la marginile imaginilor iar altele interferează făcând dificilă modelarea. Există situații în care analizele nu dau rezultate deoarece conținutul imaginii este variabil în privința efectelor radiometrice, de exemplu o imagine cu obiecte strălucitoare la o margine și întunecate la cealaltă margine. Asemenea probleme pot fi depăsite prin implicarea operatorului în procesul de prelucrare prin care se exclud suprafețele ce pot cauza probleme.

Îmbinarea ortoimaginilor se realizează în urma efectuării ajustărilor radiometrice asupra lor. Liniile de mozaicare descriu traseul de tăiere al ortoimaginilor adiacente în zona de suprapunere dintre acestea. Aceste linii pot fi generate în mod automat, cu ajutorul programelor specializate, sau pot fi definite manual. În cazul în care se realizează o generare automată a liniilor de mozaicare, este necesar ca ulterior să se efectueze editarea acestora pentru a corecta erorile produse de traseele incorect generate, de exemplu tăierea clădirilor de către linia de mozaicare.

Figura 3.13 – Modificarea traseului liniei de mozaicare în scopul reducerii erorilor

Datorită erorilor modelului digital al terenului utilizat pot apărea diferențe, de ordinul a câtiva pixeli, la mozaicarea ortoimaginilor. Aceste erori pot fi diminuate prin modificarea traseului liniei de mozaicare, astfel încât eroarea să fie repartizată pe un interval mai mare, de exemplu linia de mozaicare să taie în diagonală drumurile și nu transversal.

Ortofotoplanul final va fi împărțit în foi de ortofotoplan, acest lucru ușurează stocarea datelor, localizarea unei anumite zone și realizarea operațiilor ce au loc doar pe o porțiune a acestuia, astfel se evită încărcarea unui volum mare de date în programul utilizat la prelucrare.

3.4.3. Verificarea ortofotoplanului digital

Verificarea calitativă a ortofotoplanului vizează radiometria, geometria și precizia acestuia.

Verificările radiometrice și geometrice urmăresc eliminarea următoarelor defecte vizuale:

diferențe geometrice și tonale la limita între foile de ortofotoplan;

diferențe geometrice și tonale pe liniile de mozaicare;

distorsiuni ale unor elemente planimetrice, aflate la înălțime față de nivelul solului.

Verificarea preciziei trebuie să se bazeze pe puncte de verificare diferite de punctele de sprijin folosite la orientarea exterioară a fotogramelor.

Precizia spațială este dată de poziția detaliilor înregistrate în imagine comparativ cu poziția acestora din teren. Deși procesul de ortorectificare are în vedere înlăturarea distorsiunilor prezente în imaginea aeriană originală, precizia spațială a produsului final este afectată de circumstanțele sub care a fost obținut. Un element esențial care afectează precizia spațială este MDT folosit pentru corectarea distorsiunilor datorate reliefului terenului.

Figura 3.14 – Distorsiunea mozaicului datorată erorilor MDT

Evaluarea preciziei spațiale a ortofotoplanului digital poate fi realizată prin mai multe modalități, cerința principală fiind ca ortofotoplanul și datele utilizate în verificare să fie în același sistem de proiecție. Una dintre modalități constă în suprapunerea peste ortofotoplan a altui strat, cu informație cunoscută și de precizie ridicată, cum ar fi stratul drumurilor, pentru a compara pozițiile aceluiași detaliu în cele două produse. O altă modalitate este utilizarea tehnologiei GNSS pentru determinarea, în teren, a poziției anumitor detalii ușor identificabile pe ortofotoplan.

Ortofotoplanul trebuie să redea fidel detaliile planimetrice ale ortofotoimaginilor. Drumurile în linie dreaptă trebuie să apară tot linii drepte, rambleurile și zonele de teren deluros nu trebuie să aibă umbre, etc.

Traseul liniilor de mozaicare din zonele urbane nu trebuie să secționeze clădiri sau alte obiecte. Atunci când liniile de mozaicare sunt vizibile, ele nu trebuie să creeze interpretări eronate ale ortofotoplanului.

3.4.4. Flux tehnologic în fotogrammetria digitală

CAPITOLUL 4 – REALIZAREA ORTOFOTOPLANULUI DIGITAL PE BAZA IMAGINILOR PRELUATE CU SISTEMUL UAV FAE 1115

Zona de test aleasă se întinde pe o suprafață de aproximativ 56 Ha și reprezinta intravilanul satului Satul Nou, sat ce aparține de com. Tulca, județul Bihor.

Figura 4.1 – Zona de test

4.1 Planificarea zborului de aerofotografiere utilizând programul Mission Planner

Mission Planner este un program prin intermediul căruia putem realiza planificarea misiunilor de aerofotografiere, putând fi folosit și pentru calibrarea radio a radiocomenzii, configurarea sistemului UAV sau ca mod de control dinamic suplimentar în timp zborului.

Pentru planificarea zborului conectăm telemetria la sistemul UAV și la calculatorul pe care avem instalat programul Mission Planner, deschidem programul și accesăm meniul Flight Plan.

Ne vom conecta la hexacopter-ul FAE 1115 prin selectarea metodei de conectare (USB, Telemetrie radio, etc) și rata de transfer, din cele două casete din colțul dreapta-sus. Rata de transfer pentru conexiunea USB este de 115200 iar pentru telemetrie radio este de 57600, unitatea de măsură pentru rata de transfer este baudul, acesta se referă la numărul de simboluri transmise pe secundă. Conexiunea nu poate fi realizată dacă metoda și rata de transfer nu sunt corecte. Ȋn urma realizării setărilor vom apăsa butonul Connect.

Figura 4.2 – Conectarea la sistemul UAV

Conexiunea între sistemul UAV și calculator (stația de la sol) fiind realizată vom defini perimetrul zonei de interes, pentru aceasta vom apăsa click dreapta și vom selecta din lista afișată Draw Polygon -> Add Polygon Point iar apoi prin punctare stabilim perimetrul zonei de zbor.

Figura 4.3 – Perimetrul de zbor

Selectăm apoi Auto WP -> Survey (Grid) pentru a defini benzile de zbor cu centrele de perspectivă (expunere).

Figura 4.4 – Modul de generare al benzilor de aerofotografiere

Ȋn fereastra Survey (Grid) vom stabili parametrii referitori la:

Tipul camerei, dacă modelul de cameră nu se regăsește în lista derulantă vom selecta un model asemănător și vom introduce parametrii camerei noastre în fereastra Camera Config;

Figura 4.5 – Configurarea camerei

Ȋnălțimea de zbor;

Orientarea benzilor de zbor;

Viteza de zbor;

Introducere unor puncte pentru decolare și aterizare;

Utilizarea funcției RTL (Return To Launch);

Afișarea informațiilor referitoare la: perimetru de zbor, benzile de aerofotografiere, punctele de expunere, amprenta imaginilor la sol și a opțiunile avansate de configurare.

Figura 4.6 – Configurarea misiunii de aerofotografiere

Stabilirea suprapunerilor longitudinale și transversale dintre imagini se realizează în meniul Grid Options.

Figura 4.7 – Stabilirea suprapuneriilor longitudinale și transversale

După ce am setat parametrii de zbor apăsăm butonul Accept, revenim la fereastra Flight Plan și selectăm butonul Write WPs pentru a încărca misiunea în controller-ul hexacopterului.

Figura 4.8 – Ȋncărcarea misiunii

Având misiunea încărcată putem efectua zborul în vederea preluării imaginilor, însă inainte vom realiza premarcajul a 6 puncte de reper dispuse cât mai uniform în cadrul zonei de lucru. Marcajul reperilor s-a realizat utilizând vopsea portocalie rezistentă la intemperii iar poziția acestora a fost determinată utilizând un receptor GNSSLeica Viva.

Figura 4.9 – Premarcajul unui reper

Ȋn urma zborului au fost preluate 176 de imagini cu aparatul foto Sony Alpha A6000. Camera fiind fixată pe un stabilizator magnetic pe trei axe, atașat ulterior la sistemul UAV FAE 1115.

4.2 Realizarea ortofotoplanului digital utilizând programul Agisoft PhotoScan Pro

Programul Agisoft PhotoScan Pro reprezintă o soluție în modelarea 3D bazată pe imagini și permite realizarea produselor fotogrammetrice de tip:

ortofotoplan;

model digital al suprafeței de reflectanță;

model digital al terenului;

puncte de legătură (corespondente) dintre imagini;

date cu privire la parametrii de calibrare ai camerei sau referitoare la parametrii orientării.

Ȋn vederea realizării ortofotoplanului vom parcurge următoarele etape:

încărcarea imaginilor;

alinierea imaginilor (orientarea interioară și relativă);

introducerea punctelor de reper, marcarea și stabilirea punctelor de control și verificare;

optimizarea alinierii imaginilor (georeferențierea stereomodelului și analiza parametrilor transformării);

generarea norului dens de puncte;

generarea modelului digital al suprafeței;

editarea geometriei;

generarea texturii;

generarea și exportul ortofotoplanului.

Figura 4.10– Fereastra principală a programului Agisoft PhotoScan Pro

4.2.1 Ȋncărcarea imaginilor

Pentru încărcarea datelor imagine vom selecta din meniul Workflow opțiunea Add Photos, iar în fereastra nou afișată urmând să selectăm imaginile dorite iar apoi să apăsăm click stânga pe butonul Open.

Figura 4.11 – Ȋncărcarea imaginilor în programul Agisoft PhotoScan

Cu ajutorul datelor provenite de la receptorul GNSS aeropurtat determinăm cu o precizie slabă (<1 m) coordonatele centrului de perspectivă din momentul preluării.

Imaginile încărcate sunt insoțite de informații referitoare la poziția camerei din momentul preluării, realizând trecerea din panoul Workspace către panoul Reference putem observa denumirea imaginilor alături de coordonatele centrului de perspectivă. Dacă nu suntem în această situație, nu avem imagini cu geotag, atunci putem încărca fișierul ce conține coordonatele centrului de perspectivă al fiecărei imagini utilizând butonul Import.

Figura 4.12 – Panoul Workspace (stânga) și panoul Reference (dreapta)

Pentru stabilirea sistemul de coordonate în care se lucrează vom apăsa butonul Settings din panoul Reference și vom alege din lista derulantă opțiunea dorită.

Figura 4.14 – Stabilirea sistemului de coordonate

4.2.2 Alinierea imaginilor

Procesul de aliniere a imaginilor constă în realizarea orientării interioare și relative, compensarea pozițiilor camerei și generarea norului rar de puncte de legătură dintre imagini.

Pentru a realiza această operație vom selecta din meniul Workflow opțiunea Align Photos iar în fereastra afișată vom seta parametrii Accuracy, Pair preselection, Key point limit și Tie point limit.

Figura 4.15 – Alinierea imaginilor

Parametrii generali:

Accuracy: opțiunea High permite o estimare precisă cu privire la poziția centrelor de perspectivă, în timp ce opțiunea Low duce la o estimare robustă dar scade considerabil timpul de procesare. Ȋn cazul opțiunii High procesarea se realizează cu dimensiunea originală a imaginii, opțiunea Medium duce la reducerea dimensiunii imaginii cu un factor de 4 iar Low cu 16 față de dimensiunea originală.

Pair preselection:

Generic, perechile de imagini suprapuse sunt selectate cu o precizie scăzută;

Reference, perechile de imagini ce se suprapun sunt selectate pe baza coordonatelor centrelor de perspectivă.

Parametrii avansați:

Key point limit, indică limita superioară a punctelor cheie din fiecare imagine.

Tie point limit, indică limita superioară a numărului punctelor de legătură pentru fiecare imagine.

Ȋn urma stabilirii parametrilor apăsăm butonul OK pentru pornirea procesului.

Figura 4.16 – Dispunerea imaginilor

După finalizarea procesării am obținut un nor al punctelor de legătură (corespondență) dintre imagini alcătuit din 39.981 puncte.

Figura 4.17 – Norul punctelor de legătură

4.2.3 Introducerea punctelor de reper, marcarea și stabilirea punctelor de control și de verificare

Pentru a încărca fișierul ce conține coordonatele punctelor de reper vom selecta din panoul Reference butonul Import iar din noua fereastră deschisă vom alege fișierul dorit și apăsăm click stânga pe butonul OK.

Figura 4.18 – Ȋncărcarea fișierului ce conține coordonatele punctelor de reper

Se va deschide o nouă fereastră, în care alegem sistemul de coordonate corespunzător, stabilim modul de delimitare al valorilor din fișierul respectiv și stabilim coloana corespondentă fiecărei coordonate.

Figura 4.19 – Stabilirea datelor pentru punctele de reper

După selectarea butonului OK se va deschide o nouă fereastră în care se indică faptul că nu se găsește punctul de reper „1” (cât și restul de 5 puncte) în model, cauza fiind nemarcarea punctelor înainte de încărcarea fișierului.

Figura 4.20 – Informare cu privire la nepredefinirea marcajelor

Apăsăm click stânga pe butonul Yes to All și vor fi generate automat marcajele pentru cele 6 puncte de reper.

Figura 4.21 – Marcajele punctelor de reper generate automat

Avantajul încărcării fișierului ce conține coordonatele reperilor înainte de marcarea acestora îl constituie faptul că marcajele sunt generate în apropierea poziției corecte, fapt ce ajută la o identificare mai rapidă.

Ȋn panoul Photos ne sunt indicate imaginile ce conțin marcaje ale punctelor de reper nepunctate prin următorul simbol:

Figura 4.22 – Indicarea imaginilor ce conțin marcaje nepunctate

Pentru o punctare corectă a reperilor de la sol vom deschide imaginile ce conțin marcajele acestora și vom redefini poziția marcajelor, dacă este cazul, prin deplasarea lor cu ajutorul cursorului.

Figura 4.23 – Punctarea reperului 05

Imaginile în cadrul cărora s-a realizat punctarea corectă a reperilor sunt evidențiate prin simbolul:

Pentru o punctare mai eficientă putem filtra imaginile în funcție de un anumit reper, aceasta se realizează în panoul Reference prin apăsarea butonului click dreapta deasupra reperului față de care dorim filtrare imaginilor și selectarea cu click stânga a opțiunii Filter Photos by Markers.

Figura 4.24 – Filtrarea imaginilor în funcție de marcaje

Ȋn urma punctării unui reper pe toate imaginile corespunzătoare acestuia vom putea verifica dacă marcajele lui au fost poziționate corespunzător prin consultarea coloanei Error (pix) din panoul Reference. Dacă suntem în situația în care eroarea de punctare pentru un anumit reper are o valoare ridicată trebuie să determinăm imaginea în cadrul căreia această eroare este mai mare și să refacem punctarea.

Pentru a afișa eroarea de punctare a unui reper pentru fiecare imagine corespondentă în parte vom apăsa click dreapta deasupra reperului respectiv iar din lista afișată selectăm opțiunea Show Info. Se va deschide o nouă fereastră în care sunt afișate valorile erorii de punctare în pixeli pentru fiecare imagine.

Figura 4.25 – Afișarea erorii de punctare pentru fiecare imagine în parte

După marcarea celor 6 puncte de reper, în panoul Reference vom stabili punctele de control și de verificare. Punctele de verificare se stabilesc prin debifarea căsuței din dreptul denumirii reperului iar punctele rămase bifate sunt puncte de control.

Figura 4.26 – Stabilirea punctelor de control și de verificare

4.2.4 Optimizarea alinierii imaginilor

Ȋn cadrul acestei etape se realizează georeferențierea stereomodelului (orientarea exterioară) și analiza parametrilor transformării. Din panoul Reference vom debifa toate imaginile, astfel încât se vor lua în calcul doar punctele de control, ele fiind determinate cu o precizie mult mai mare decât coordonatele centrelor de perspectivă. Vom selecta apoi butonul Optimize Cameras și în urma bifării parametrilor doriți apăsăm OK pentru începerea procesului.

Figura 4.27 – Optimizarea alinierii imaginilor

Ȋn fereasta Optimize Camera Alignment avem următorii parametrii:

f – distanța focală;

cx, cy – coordonatele punctului principal;

k1, k2, k3 – parametrii distorsiunii radiale (curbura lentilelor);

p1, p2 – parametrii distorsiunii tangențiale (nealinierea centrelor de curbură a lentilelor).

Figura 4.28 – Rezultatele obținute în urma optimizării

4.2.5 Generarea norului dens de puncte

Pentru generarea unui nor dens de puncte vom selecta opțiunea Build Dense Cloud din meniul Workflow.

Figura 4.29 – Generarea norului dens de puncte

Selectarea unei valori crescute a calității ajută la obținerea unei geometri precise și detaliate, dar în schimb crește semnificativ timpul de procesare. Opțiunea Ultra high permite procesarea datelor păstrând dimensiunea originală a imaginii, opțiunea High conduce la procesara datelor imagine având dimensiunea redusă cu un factor de 4 față de dimensiunea inițială, Medium cu 16, Low cu 64 iar Lowest cu dimensiunea redusă cu un factor de 256 față de cea originală.

Ȋn ceea ce privește parametrul Depth filtering acesta are 3 opțiuni:

Mild, pentru o geometrie complexă a suprafeței și un număr semnificativ de detalii;

Aggresive, pentru o geometrie simplă și un număr redus de detalii;

Moderate, opțiune ce permite obținerea unor rezultate medii fața de cele 2 soluții enumerate anterior.

Figura 4.30 – Norul dens de puncte

După finalizarea procesării am obținut un nor dens alcătuit din 238.156.750 de puncte. Nor ce poate fi clasificat selectând comanda Classify Ground Point din submeniul Dense Cloud a meniului Tools.

Figura 4.31 – Clasificarea norului dens de puncte

Realizarea clasificării nesupervizate (automate) constă în 2 etape principale, în prima etapă norul dens de puncte este împărțit în celule de o anumită dimensiune. Ȋn fiecare celulă punctul cu altitudinea cea mai mică este determinat iar prin triangulație se obține o primă aproximare a modelului digital al terenului. A doua etapă constă în adaugarea a noi puncte în cadrul clasei teren și sunt respectate două condiții: noul punct se află la o anumită distanță față de modelul digital al terenului iar unghiul format de modelul terenului și linia ce unește un nou punct cu unul vechi din clasa teren este mai mic decât un unghi ales ca referință. Unghiul maxim, distanța față de modelul inițial al terenului și dimensiunea celulei pot fi setate în fereastra Classify Ground Point.

Figura 4.32 – Clasificarea terenului

4.2.6 Generarea modelului digital al suprafeței de reflectanță

Generarea modelului digital al suprafeței de reflectanță se realizează prin selectarea opțiunii Build Mesh din meniul Workflow.

Figura 4.33 – Generarea modelului digital al suprafeței de reflectanță

Parametrii generali:

Surface type: opțiunea Arbitrary este utilizată pentru modelare 3D a oricărui tip de obiecte (statui, clădiri, etc.), în timp ce Height field este optimizată pentru modelare suprafețelor de teren plane sau accidentate și se recomandă utilizare ei pentru procesarea înregistrărilor aerofotogrammetrice digitale deoarece necesită o cantitate mai mică de memorie și permite prelucrarea unor seturi mari de date.

Source data: specifică data sursă pentru generare modelului digital al suprafeței. Drept sursă avem norul rar de puncte (Sparse cloud) sau norul dens de puncte (Dense cloud).

Face count: stabilește numărul de poligoane din modelul final.

Parametrii avansați:

Interpolation: dacă alegem opțiunea Disabled vom obține rezultate precise datorită faptului că doar punctele din norul dens sunt utilizate în calcul. Prin interpolare programul generează noi suprafețe pe baza punctele din norul dens sau rar, se recomandă selectarea acestei opțiuni dacă utilizăm norul rar de puncte ca dată sursă. Ȋn ceea ce privește extrapolarea, vom obține un model lipsit de spații libere dar mai puțin precis.

Point classes: permite alegerea claselor ce vor fi utilizate în generarea modelului digital, spre exemplu, dacă selectăm doar clasa ce aparține entității teren (Ground points) vom obține modelul digital al terenului prin filtrarea modelului digital al suprafeței.

Pentru a vizualiza modelul generat vom selecta din meniul View opțiunea Solid.

Figura 4.34 – Vizualizarea modelului digital al suprafeței

Pentru a edita geometria modelului digital al suprafeței procedăm astfel:

apăsăm click stânga pe butonul Free-Form Selection și selectăm zona ce vrem să o edităm

Figura 4.35 – Selectarea unei regiuni

apăsăm click stânga pe butonul Delete Selection iar regiunea selectată va fi ștearsă, rămânând un gol în model.

Figura 4.36 – Ștererea unei regiuni

Ȋnchiderea golurior se efectuază cu ajutorul opțiunii Close Holes din meniul Tools \ Dense Coud.

Figura 4.37 – Ȋnchiderea golurilor

Ȋn fereastra Close Holes stabilim dimensiunea golului în raport cu dimensiunea întregului model.

Figura 4.38 – Suprafața remodelată

4.2.7 Generarea texturii

Pentru generarea texturii vom selecta opțiunea Build Texture din meniul Workflow, iar în fereastra Build Texture vom selecta parametrii necesari.

Figura 4.39 – Generarea texturii

Mapping mode:

Generic, programul va genera o textură cât mai uniformă;

Adaptive orthophoto, în cadrul acesteia suprafața de lucru este împărțită în două, zona plată și regiunile verticale. Programul va produce o textură compactă pentru regiunile aproximativ plane și va păstra o bună textură pentru regiunile verticale;

Orthophoto, duce la realizarea unei texturi mult mai compacte ca în cazul opțiunii anterioare în ceea ce privește regiunile plane, dar mai slabă în cadrul regiunilor verticale;

Spherical, este recomandată pentru o anumită clasă de obiecte, cele ce au formă sferică;

Single camera, permite generarea texturii de la o singură imagine.

Blending mode: stabilește modul în care valorile pixelilor din diferite imagini vor fi combinate în textura finală.

Mosaic, este recomandată pentru obținerea ortofotoplanului deoarece nu combină detaliile imagine dintre imaginile suprapuse ci utilizează imaginea cea mai apropiată, aceea față de care pixelul respectiv se află la cea mai mică distanță în raport cu centrul ei.

Average, utilizează valoarea medie a tuturor pixelilor din imaginile individuale;

Max intensity, este aleasă imaginea care are intensitatea pixelului corespondent cea mai mare;

Min intensity, este aleasă imaginea care are intensitatea pixelului corespondent cea mai mică;

Texture size/count: specifică dimensiunea atlasului texturii în pixeli și determină numărul de fișiere în care textura să fie exportată.

Enable color correction: permite realizarea corectării radiometrice, fiind recomandată în special pentru datele imagine cu variații mari ale luminozității.

Figura 4.40 – Textura

4.2.8 Generarea și exportul ortofotoplanului

Pentru obținerea ortofotoplanului vom selecta opțiunea Export Orthophoto din meniul File și vom alege apoi formatul dorit.

Figura 4.41 – Accesarea ferestrei Export Orthophoto

Ȋn fereastra Export Orthophoto vom stabili datumul, dimensiunea pixelului la nivelul terenului, regiunea ce va fi exportată și scrierea fișierului ce conține datele necesare georeferențierii ortofotoplanului.

Figura 4.42 – Exportul ortofotoplanului

După selectarea butonului Export vom defini locația în care produsul final va fi salvat iar în urma apăsării butonului Save programul va genera ortofotoplanul.

Figura 3.128 – Ortofotoplanul realizat pe baza imaginilor preluate cu sistemul UAV FAE 1115

CONCLUZII:

Utilizarea sistemelor UAV în realizarea ortofotoplanurilor duce la obținerea unor rezultate precise, putând fi utilizate în special pentru zonele cu variații mici ale accidentării reliefului;

Sistemul UAV FAE 1115 este ușor de controlat, el beneficiind de diverse funcții ce ușurează pilotarea: posibilitatea programării traseului de aerofotografiere, menținerea automată a plafonului de zbor, întoarcerea la punctul de plecare în cazul întreruperii legăturii radio;

Condițiile meteo au o influență mai mare asupra sistemelor UAV decât în cazul sensorilor fotogrammetrici montați la bordul avioanelor;

Aerofotografierea utilizând sistemul UAV implică un cost scăzut, dar un timp mai îndelungat necesar preluării datelor fotogrammetrice;

Programele de specialitate necesare prelucrării datelor preluate cu sistemul UAV pot fi achiziționate la un preț mic și au un grad mare de automatizare;

Ortofotoplanul prezintă informații planimetrice și altimetrice georeferențiate, complete. Pentru scopuri de documentare acesta poate fi integrat cu ușurință în sistemele informatice geografice;

Ortofotoplanul trebuie să redea fidel detaliile planimetrice. Drumurile în linie dreaptă trebuie să apară tot linii drepte, rambleurile și zonele de teren deluros nu trebuie să aibă umbre, etc;

Ortofotoplanul este utilizat ca sursă primară de informații pentru producerea de planuri digitale sau pentru reactualizarea celor existente;

Aducerea la zi a ortofotoplanurilor poate fi aplicată pentru cazuri de urgență, timp în care elaborarea unor planuri, prin alte metode, este o operație de durată;

BIBLIOGRAFIE

1. Cornel Păunescu, Ileana Spiroiu, Marian Popescu, Vlad Păunescu (2010) – Curs de Geodezie – Topografie. București : Editura Universității din București,

2. Albotă M., Atudorei M., Năstase A., Neamțu M., Ulea E., Zegheru M. (2009) – Dicționar enciclopedic de Geodezie, Topografie, Fotogrammetrie, Teledetecție, Cartografiei, Cadastru. Editura Nemira.

3. Ionescu I. (2005) – Fotogrammetrie inginerească. Modelarea digitală altimetrică a terenului. Editura Matrix Rox, București

4. Răducanu N., Răducanu D. (2004) – Fotogrammetrie 3D, Editura Academiei Tehnice Militare, București.

5. Stoian I., Bârbiba L. (2009) – Elemente de fotogrammetrie, Editura EUROBIT, Timișoara.

6. Turdeanu L. (1997) – Fotogrammetrie analitică, editura Academiei Române, București.

7. Vorovencii I. (2010) – Fotogrammetrie, Editura Matrix Rom, București.

8. Zăvoianu F. (1999) – Fotogrammetria, Editura Tehnică, București.

9. Zăvoianu F. –(2013) Fotogrammetrie digitală, note de curs.

10. Agisoft PhotoScan User Manual, Professional Edition, Version 1.1.

11. Buletinul de Fotogrammetrie și Teledetecție Nr. 37-38, 2009.

12. Lucian L. Turdeanu –(1997) Fotogrammetrie analitică,Editura Academiei Române

13. Societatea Americana de Fotogrametrie si Teledetectie (1980)-Manualul American de Fotogrammetrie, Ed. IV

Adrese web accesate:

http://www.agisoft.com/

http://www.ashgps.com/bbsa/

http://fae-drones.com/ro/

http://geospatial.intergraph.com/Homepage.aspx

http://www.isprs.org/proceedings/XXXVi/part6/229_XXXVi-part6.pdf

http://www.isprs.org/proceedings/XXXVII/congress/1_pdf/91.pdf

http://www.ifp.uni-stuttgart.de/publications/phowo07/160Gruber.pdf

http://www.ifp.uni-stuttgart.de/publications/phowo11/110Gruber.pdf

Acasă

http://www.premiergeospatial.com/home/imagepro.shtml

http://www.sovzond.ru/en/software/4061/

http://www.trimble.com/imaging/inpho.aspx