Transformacja rzutowa to ośmioparametrowe przekształcenie płaszczyzny zdjęcia na powierzchnię terenu. W parametrach transformacji zawarte są elementy orientacji zewnętrznej i wewnętrznej za wyjątkiem dystorsji. Proces transformacji polega na tym iż najpierw definiujemy punkt główny, poprawiamy piksele o współczynniki radialne i obraz skorygowany o dystorsję radialną przekształcamy rzutowo. Po transformacji zmienia się poziom szarości pikseli. W resamplingu szukamy nowych poziomów szarości.
Ogólne wzory transformacji rzutowej:
XG , YG - współrzędne geodezyjne
x, y – współrzędne w układzie zdjęcia
Podczas zajęć dydaktycznych korzystano zdjęć archiwalnych z 1978 r. zrobionych przez PPGK W-wa dla obiektu Ciechanów. Pracowano na prawym zdjęciu.
Przebieg pracy:
1. Założenie folderu 2D
2. Stworzenie pliku z rozszerzeniem *pkt zawierającego punkty osnowy fotogrametrycznej
3. Uruchomienie programu VSD
- nazwa zadania taka jak numer prawego zdjęcia
- wpisanie ścieżki dostępu do obrazu zdjęcia
- stworzenie pliku z obrazem piramidalnym
- pomiar fotopunktów klawiszem „i” – podpięcie z pliku *pkt
- orientacja wewnętrzna zdjęcia, określenie transformacji – F5
- pomiar narożników użytków klawiszem ”j”
4. Opracowanie wyników pomiarów
Stereodigitalizacja to proces pozyskiwania danych geometrycznych o obiektach. Dla wykonania stereodigitalizacji wykonuje się rekonstrukcję modelu przestrzennego terenu na podstawie pary zdjęć na autografie analogowym, analitycznym lub cyfrowym, a następnie poprzez interpretację i pomiar określa się lokalizacje wybranych obiektów w zewnętrznym układzie odniesienia. Technika pomiaru sprowadza się do pomiarów punktów i linii. pomiar punktowy to pomiar punktów dyskretnych a pomiar liniowy to pomiar ciągły. Tryb pomiarów punktowych to tryb statyczny.
Tego typu pomiar prowadzi do prezentacji każdego mierzonego obiektu w zapisie numerycznym przyporządkowując go do jednego z podstawowych typów czyli:
- obiektu punktowego – prezentacja symboliczna z prawidłową lokalizacją centrum zastosowanego symbolu,
- obiektu liniowego – prezentacja ciągiem poli-linii otwartej lub zamkniętej kartometrycznie lokalizującej prezentowany obiekt,
- obiektu powierzchniowego – obszar zamknięty ciągiem liniowym z przyporządkowanym sposobem użytkowania wydzielonego obszaru.
Grupy obiektów na etapie mapy numerycznej metodą stereodigitalizacji:
1. Pomiar punktów
2. Pomiar linii przestrzennych w sposób dynamiczny; zmieniają się współrzędne X, Y, Z
3. pomiar linii wysokości(warstwic); zmienia się X, Y a współrzędna Z musi być przez operatora utrzymywana na stałej wysokości
4. Dynamiczny sposób pomiaru profilami; dla dowolnie zorientowanego profilu ΔX ≠ΔY , współrzędna Z jest zmienna.
W przypadku pomiarów statycznych może zaistnieć sytuacja gdy stosujemy metodę siatki kwadratów ze względu na bezproblemowe zdefiniowanie punktów węzłowych siatki. Taki pomiar rastra jest alternatywą dla pomiarów warstwami i pozwala uzyskać większą dokładność. Dla niewielkich obszarów DGM –u stosujemy metodę punktów rozproszonych
Stosowane oprogramowanie pozwala w procesie pomiaru nadawanie dodatkowo automatycznie poszczególnym obiektom oryginalnych kodów gwarantując w ten sposób niezbędną niezawodność pomiaru, a następnie efektywne tworzenie lub aktualizację baz danych systemu GIS.
Do wykonania stereodigitalizacji zdjęć lotniczych na instrumentach fotogrametrycznych można wykorzystywać bezpośrednio oprogramowanie, w którym docelowo będzie prowadzony system informacji przestrzennej ( np. MICROSTATION, ARC-INFO) co znacznie ułatwia transfer danych i zakładanie lub aktualizację bazy danych w systemie.
Proces stereodigitalizacji prowadzony nawet w najnowszych instrumentach typu autograf cyfrowy jest zawsze realizowany przez operatora(obserwatora) i w najbliższym czasie nie będzie zautomatyzowany( w przyszłości obserwatora zastąpi pakiet programowy do komputerowego rozpoznawania obiektów).
Efektywne wykonanie procesu aktualizacji wymaga nakładania istniejącej zawartości bazy geometrycznej(mapy numerycznej) na modele fotogrametryczne utworzone z aktualnych zdjęć lotniczych. Taka superimpozycja obrazów pozwala na jednoznaczne wykrywanie zmian oraz kompleksowe prowadzenie procesu aktualizacji. Realizacja nakładania różnej treści danych numerycznych i cyfrowych odbywa się automatycznie jedynie w systemach cyfrowych. To zadanie w autografach analitycznych jest wykonywane sprzętowo( np. w autografach firmy Zeiss przy pomocy Videomapu) i wymaga dodatkowych zakupów i konfigurowania sprzętu.
Końcowym wynikiem stereodigitalizacji jest mapa wektorowa a jej ostateczna redakcja jest uzależniona od skali mapy, która analogowo będzie dostępna.
Podczas zajęć dydaktycznych dokonano stereodigitalizacji w VSD w trybie punktowym, statycznym. Ustawiano znaczek pomiarowy na wybranych punktach modelu i dokonano pomiar obiektu. W przypadku pomiaru punktowego rejestrowano współrzędne klawiszem „j”. Ruch wysokościowy znaczka uzyskiwano dzięki klawiszom F1 i F2 natomiast ruch w płaszczyźnie XY za pomocą myszy. Pomiar wektora za pomocą klawisza „P”. Zdefiniowano trzy warstwy na których pracowano:
1. budynki
2. drogi
3. użytki
Wyniki stereodigitalizacji ,uzyskane dokładności oraz mapę sytuacyjną przedstawiono na kolejnych stronach sprawozdania.
METODA WIĄZEK
Podstawą metody wiązek jest warunek kolinearności. W metodzie tej wszystkie równania kolinearności możliwe do ułożenia dla całego bloku zdjąć układane są i rozwiązywane równocześnie. W metodzie tej elementy orientacji wszystkich zdjęć bloku oraz nieznane współrzędne wyznaczonych punktów terenowych oblicza się równocześnie ze wszystkich dających się wykorzystać danych i nie dzieli się procesu aerotriangulacji na etapy. Warunkiem przecięć promieni homologicznych jest uzupełniony warunkiem przejścia promieni przez punkt o danych współrzędnych terenowych.
Współrzędne fotopunktów (Xw, Yw, Zw) traktowane są jako znane i bezbłędne lub jako dane obarczone błędami. Niewiadomymi są wszystkie parametry zdjęć bloku oraz współrzędne fotopunktów, np. współrzędne Z, kiedy znane są Xw, Yw lub współrzędne X i Y, kiedy znana jest wysokość Zw). Liczbę wszystkich niewiadomych dla danego bloku można określić mnożąc liczbę zdjęć przez liczbę parametrów każdego zdjęcia. Jeśli przyjmie się stałość elementów orientacji wewnętrznej kamery, to wyznaczane parametry będą związane tylko z elementami orientacji zewnętrznej stanowisk kamer, a więc liczba przez którą należy pomnożyć liczbę zdjęć wynosi 6. Obliczoną w taki sposób liczbę niewiadomych należy powiększyć o potrójną wartość punktów aerotriangulacyjnych, dla których wyznacza się współrzędne terenowe.
Wyrównanie metodą wiązek:
Standardowe wyrównanie metodą wiązek sieci zdjęć cyfrowych stanowi kombinowane wyrównanie obserwacji fotogrametrycznych i geodezyjnych. Wyznacza elementy orientacji przestrzennej zdjęć i współrzędne X,Y,Z punktów obiektu. W przypadku niedostatecznej dokładności wyznaczenia fotopunktów i innych obserwacji geodezyjnych lub ich braku stosuje się technikę swobodnego wyrównania sieci. Przy korzystnej konfiguracji zdjęć i dobrym uwarunkowaniu układu równań możliwe jest również jednoczesne określenie parametrów kalibracji kamery. Opcjonalna kalibracja zawiera wyznaczenie podstawowych elementów orientacji wewnętrznej cK, x¢0, y¢0 kamery oraz dodatkowe parametry, które opisują błędy systematyczne obrazu. Ocenę wyników wyrównania przeprowadza się na podstawie analizy błędów i kryteriów dokładności. Typowa analiza obejmuje odchylenie standardowe Sigma 0, parametry wewnętrznej i zewnętrznej dokładności, parametry wewnętrznej i zewnętrznej wiarygodności. Szczególnie ważny jest test wykrywania i eliminacji błędów grubych obserwacji fotogrametrycznych, które spowodowane są najczęściej błędną identyfikacją punktów lub niedokładnością wyznaczenia punktów homologicznych na obrazach epipolarnych.
Dodatkowe punkty i zdefiniowane obiekty graficzne mogą być określone metodą fotogrametrycznego przestrzennego wcięcia w przód w oparciu o obliczone elementy orientacji zdjęć.
Program AeroSys
AeroSys służy do rozwiązania i wyrównania aerotriangulacji metodą wiązek. Parametry wejściowe to:
• pomierzone znaczki tłowe
• pomierzone punkty Grubera
• pomierzone fotopunkty
• pomierzone punkty nowo wyznaczane Na początku przygotowujemy pliki
• basename.txt - ze współrzędnymi Iłowymi w układzie pikselowym;
• basename.cal - zawierający dane o liczbie znaczków Iłowych , Ck, skalibrowane współrzędne punktu głównego, współrzędne dla określenia dystorsji radialnej i tangencjalnej;
• basename.bld - zawierający dane o liczbie zdjęć w szeregu, ilości kamer, Cp, ilości znaczków tłowych
• basename.ctl - zawierający współrzędne fotopunktów oraz ich dokładności. Wynikiem aerotriangulacji są:
• współrzędne geodezyjne wyrównane nowo wyznaczanych punktów
• oceny dokładności wyznaczenia tych punktów
• elementy orientacji zewnętrznej
• poprawki do obserwacji
Video Stereo Digitizer AGH (VSD) jest analitycznym autografem cyfrowym przeznaczonym do opracowywania czarno białych lub kolorowych par cyfrowych obrazów fotogrametrycznych (stereogramów lub stereofotogramów).
VSD akceptuje skanowane obrazy lotnicze, naziemne jak i satelitarne, obrazy skanerowe, obrazy pochodzące z kamer CCD.
VSD może być używany do tworzenia lub aktualizacji numerycznych map topograficznych, tematycznych itp. Jak również do sporządzania wektorowej dokumentacji architektonicznej, konserwatorskiej lub archeologicznej.
Pary obrazów cyfrowych wyświetlonych na ekranie SVGA komputera typu PC obserwowane są przy pomocy stereoskopu zwierciadlanego. Szczegóły wybierane są przez operatora przy użyciu pary kursorów (znaczków pomiarowych) animowanych myszą. Wskazywane homologiczne punkty obu obrazów mogą być łączone linią łamaną. Nieregularne krzywe są wykreślane przez rejestrowanie trajektorii kursora. Linie łamane i trajektorie nakładane są na półtonalne obrazy cyfrowe na ekranie PC w wybranym kolorze. Każdy kolor linii lub trajektorii stanowi oddzielną warstwę w kodzie DXF lub kodzie binarnym programu VSD. Obserwowane pojedyncze punkty mogą być również zapisywane w plikach tekstowych lub w kodzie DXF dla potrzeb np. DTM lub tworzonej mapy numerycznej.
Z wykorzystaniem VSD możliwe jest opracowywanie wektorowe pojedynczych fotogramów cyfrowych obiektów płaskich (przetwarzanie analityczne).
VSD pracuje również w trybie mono lub stereokomparatora wykonując pomiar obrazów cyfrowych z dokładnością odpowiadającą ułamkom piksela zależną od skali powiększenia obrazu cyfrowego.
W miarę potrzeb VSD może być zatem: autografem, przetwornikiem analitycznym zwektoryzowanych obrazów, monokomparatorem lub stereokomparatorem.
Program VSD akceptuje następujące formaty obrazów cyfrowych:
a) TIFF monochromatyczny (maks.256 półtonów),
b) TIFF kolorowy, indeksowany, z paletą o 256 kolorach.
W trakcie wizualizacji pary barwnych obrazów w programie VSD palety obrazów zostają zsumowane a następnie zredukowane do 248 pozycji. Pozostałe 8 kolorów jest zarezerwowanych dla numerycznej mapy wektorowej wyświetlanej na ekranie oraz dla napisów pomocniczych. Pliki kolorowe RGB (True Color) muszą być przed wprowadzeniem do VSD przetworzone do formatu indeksowanego lub monochromatycznego, Odpowiednią konwersję można zrealizować przy użyciu dołączonego programu RGB_VSD.
Zarówno VSD, jak i wyżej wymienione programy narzędziowe do konwersji, obecnie nie akceptują obrazów, przy zapisie których zastosowano kompresję, natomiast obsługują zarówno obrazy zapisane tradycyjnie wierszami pikseli jak i obrazy zapisywane w formacie mozaiki prostokątów (tzw. Opcja Tiled, stosowana dla dużych plików obrazowych).
Po zgłoszeniu plików obrazowych do zadania VSD, program proponuje utworzenie plików z tzw. piramidami obrazów. W razie akceptacji tej propozycji powstają wieloobrazowe pliki formatu TIFF zawierające szeregi obrazów o rozdzielczościach redukowanych dwukrotnie względem poprzednika w szeregu. Ostatni obraz szeregu umieści się w całości na połowie ekranu. Pliki te umożliwiają opracowanie obrazów pomniejszonych na ekranie w stosunku do skali obrazów pierwotnych i wymagają dodatkowo pamięci dyskowej o rozmiarze ok.33% rozmiaru obrazów pierwotnych.
Organizacja pamięci dyskowej
Przed uruchomieniem programu należy utworzyć katalog dyskowy, zwany katalogiem roboczym VSD, któremu można nadać dowolną nazwę. W razie potrzeby obrazy cyfrowe mogą być umieszczone w dowolnych katalogach, a także na innych napędach dyskowych niż napęd katalogu roboczego. Pliki tekstowe przygotowane dla VSD, opisane poniżej, należy umieszczać w katalogu roboczym. W katalogu roboczym może być ulokowane jedno lub więcej tzw. zadań (projektów). Wszystkie pliki tworzące zadanie (poza plikami wynikowymi, plikami importowanymi oraz plikami zawierającymi wyniki orientacji) mają wspólną nazwę zgodną z nazwą zadania, uzupełnioną trzyliterowym rozszerzeniem określającym typ pliku.
Istniejące mapy wektorowe 2D i 3D w formacie DXF mogą być włączane do zadania po transformacji do formatu ABS, właściwego dla VSD. Taką transformację realizuje dołączony program narzędziowy DXF_ABS.EXE umożliwiając ponadto selekcję i modyfikację ich kolorów.
Elementy orientacji wewnętrznej pozwalają na odtworzenie wiązki promieni rzucających. Są to elementy liniowe określające położenie środka rzutów S w stosunku do płaszczyzny obrazowej.
Elementami orientacji wewnętrznej zdjęcia są:
- odległość obrazowa kamery fotogrametrycznej oznaczona symbolem f lub Ck ( f = Ck ),
- współrzędne punktu głównego zdjęcia o (x, y) stanowiącego rzut prostokątny środka rzutów S na płaszczyznę obrazową.
Punkt główny zdjęcia O jest punktem wyznaczonym przez przecięcie łącznic łączących przeciwległe znaczki tłowe zdjęcia fotogrametrycznego. Płaszczyzna obrazowa zwana jest również płaszczyzną tłową, a układ współrzędnych – prostokątnym. Zdjęcia układem współrzędnych tłowych.
Rzut środkowy zmienia się ze zmianą położenia środka rzutów S i przedmiotów względem płaszczyzny tłowej. To właśnie położenie środka rzutów S względem płaszczyzny tłowej określają elementy orientacji wewnętrznej zdjęcia. Dla zdjęć fotogrametrycznych, gdy odległość fotografowana jest na tyle duża, że obraz powstaje w płaszczyźnie ogniskowej, odległość środka rzutów od płaszczyzny tłowej jest równa ogniskowej kamery. Położenie punktu głównego określone jest w lokalnym systemie współrzędnych zdjęcia, zwanym współrzędnych tłowych, które wyznaczają znaczki tłowe umieszczone w płaszczyźnie tłowej kamery pomiarowej. Znaczki tłowe są umieszczone zazwyczaj pośrodku na przeciwległych bokach zdjęcia i odwzorowując się na każdym zdjęciu wyznaczają w ten sposób osie układu współrzędnych tłowych.
W fotogrametrii analitycznej każde opracowanie rozpoczyna się od pomiaru na zdjęciach współrzędnych tłowych odpowiednich punktów. Pomiar ten pozwala zorientować osie tłowe zdjęcia równolegle do prostopadłych względem siebie osi układu pikselowego.
Proces obliczeniowy wymaga znajomości współrzędnych w układzie tłowym, którego początek znajduje się w punkcie głównym każdego zdjęcia. Dlatego pomiar na każdym zdjęciu wykonany na stereokomparatorze rozpoczyna się od pomiaru współrzędnych czterech znaczków tłowych.
Pomiar znaczków tłowych:
W autografie VSD AGH znaczki tłowe mierzy się następująco:
1. Manualnie – za pomocą znaczka pomiarowego ustawianego ręcznie na zdjęciach lewym i prawym, znajduje się obrazy homologiczne na obu zdjęciach.
2. Półautomatycznie – znaczek pomiarowy ustawia się ręcznie na jednym ze zdjęć bardzo dokładnie, a na drugim zdjęciu zgrubnie. Następnie włącza się pomiar półautomatyczny i program przeszukuje obszar (macierz) przeszukiwania, wyszukując obraz homologiczny o tych samych poziomach szarości, co na pierwszym zdjęciu.
Ponadto współrzędne znaczków tłowych można mierzyć całkowicie automatycznie, jednak program VSD AGH nie posiada takiej opcji.
Wcześniej do programu został wprowadzony plik ze współrzędnymi tłowymi znaczków tłowych, zaczerpnięty z metryki kalibracji kamery.
Średnie arytmetyczne współrzędnych pikselowych – po uwzględnieniu danych z kalibracji ∆xo, ∆yo – są współrzędnymi punktu głównego zdjęcia w układzie stereokomparatora. Współrzędne te są obarczone błędami, jakie powstają w czasie wykonania i obróbki fotograficznej zdjęć oraz ich pomiaru na stereokomparatorze. Współrzędne tłowe wykorzystywane w równaniach obserwacyjnych stosowanych do rozwiązywania zadań w fotogrametrii analitycznej nie powinny być obarczone wpływami błędów systematycznych. Błędy te spowodowane są niedoskonałością instrumentu pomiarowego oraz błędami wynikającymi z warunków wykonania zdjęć, spowodowanych niezachowaniem elementów orientacji wewnętrznej i zewnętrznej oraz refrakcją atmosferyczną i krzywizna Ziemi. Należy je wyeliminować przed rozpoczęciem dalszych obliczeń. Najbardziej niebezpiecznym źródłem błędów systematycznych jest niedociskanie materiału fotograficznego w momencie ekspozycji oraz zniekształcenia spowodowane jego obróbką i przechowywaniem.
Do wprowadzenia korekcji systematycznych błędów współrzędnych tłowych obrazu stosuje się następujące transformacje, które przekształcają pomierzone współrzędne tłowe na układ współrzędnych wzorcowych:
1. Czteroparametrową transformacje przez podobieństwo (konforemną), zwana też transformacja Hellmerta:
x = ao + a1xs + b1ys
y = b0 + a1ys – b1xs
Realizuje ona jednolitą zmianę skali, obrót układu współrzędnych stereokomparatora xs, ys, a także dwa przesunięcia.
2. Transformację bilinearną:
x = ao + a1xs + a2ys + a3xsys
y = b0 + b1ys + b2xs + b2xsys
3. Transformację rzutową – wykorzystywaną do pomiarów na zdjęciach niemetrycznych
x’ = (A11x+A12y+A13)/(A31x+A32y+1)
y’ = (A21x+A22y+A23)/(A31x+A32y+1)
4. Transformację afiniczną. Jest to nieco zmodyfikowana dwuwymiarowa transformacja konforemna, włączająca dla kierunków x i y różne współczynniki skalowe. Mimo, że nie zachowuje ona kształtu, linie równoległe po tej transformacji pozostają równoległe. Oprócz poprawienia skurczu za pomocą współczynników skalowych, transformacja afiniczna wprowadza również przesunięcie początku układu współrzędnych z układu współrzędnych komparatora xs, ys, do układu współrzędnych zdjęcia x, y oraz stosuje obrót o kąt skręcenia obydwu układów:
x = a1 + a2xs + a3y...
aneciakurczaczek