fotogrametria_rozdz5.pdf

5. Fotogrametria lotnicza

Fotogrametria lotnicza (aerofotogrametria) jest podstawową metodą wytwarzania map.

Odgrywa znacznie ważniejszą rolę od fotogrametrii naziemnej. Pomiędzy tymi dwiema

metodami występują znaczne różnice, zaś przewaga fotogrametrii lotniczej wynika z tego, że:

- wybór stanowisk nie stwarza problemów,

- jest dobry wgląd w teren,

- płaskość terenu nie komplikuje a nawet upraszcza opracowanie.

Równocześnie występuje zasadnicza różnica technologiczna: nieznajomość ścisłych

wartości elementów orientacji zewnętrznej zdjęć zmusza do ich określania na podstawie

znanych współrzędnych punktów zidentyfikowanych na zdjęciach (fotopunktów).

5.1. Zdjęcia lotnicze i mapy opracowywane na ich podstawie

Zdjęcia lotnicze nazywa się „prawie pionowymi”, choć odchylenia od pionowości są różne w

przypadku różnych kamer: od 3 o - w przypadku wykorzystania kamery poziomowanej przez

operatora, do kilkunastu minut – w przypadku kamer poziomowanych przez system

żyroskopowy. Jeśli jednak uzna się – dla niektórych analiz i prostych pomiarów - wpływ

niepionowości za zaniedbywalnie mały, to podstawową cechą zdjęcia lotniczego staje się jego

skala, której mianownik (zgodnie z rys. 5.1 ) określa wzór:

M =

/5.1/

jako iloraz wysokości lotu i stałej kamery; na podstawie zdjęcia można skalę określić dzieląc

odległość terenową przez jej obraz na zdjęciu:

M z = d AC : d A’C’

/5.2/

c k

Rys. 5.1. Skala zdjęcia pionowego (płaskiego terenu)

Niepoziomość płaszczyzny zdjęcia powoduje, że jednolita skala odwzorowania

elementów płaskiego terenu jest zachowana jedynie na prostych poziomych zdjęcia, zaś skala

określona wzorem /5.1/ – jest zachowana jedynie na „ głównej prostej poziomej ” zdjęcia

lotniczego. Ze względu na opisaną komplikację, wyróżnia się na zdjęciu charakterystyczne

punkty i proste (rys. 5.2). Poza punktem głównym O’ , punkt nadirowy – N’ , oraz punkt

izocentryczny I’ ; te dwa punkty wyznaczają „prostą największego spadku”, do której

prostopadłe są proste poziome zdjęcia, w tym wspomniana główna prosta pozioma –

poprowadzona przez punkt I’ .

Rys. 5.2. Punkty charakterystyczne zdjęcia lotniczego nachylonego pod kątem ν : O’, I’, N’ ,

oraz ich odpowiedniki terenowe: G, I, N

Fotogrametria umożliwia opracowywanie różnorakich map – zarówno

„rzeczywistych” (materialnych i „dotykalnych”) na podłożu papierowym, kartonowym,

foliowym, czy na materiale fotograficznym, jak i wirtualnych (cyfrowych) – zapisanych na

komputerowym nośniku danych.

Fotogrametryczne mapy rzeczywiste mogą mieć albo postać kreskową (kontury sytuacyjne i

warstwice), albo obrazową ( fotograficzną) – jak np. fotomapy, ortofotomapy. Mapy

wirtualne mogą być wizualizowane (na ekranie monitora komputerowego) lub drukowane

(„plotowane”) – uzyskując charakter mapy rzeczywistej; kontury stanowią wtedy efekt

wektoryzacji w cyfrowej stacji fotogrametrycznej.

5.2. Przetwarzanie pojedynczego zdjęcia lotniczego w mapę

Zdjęcie lotnicze stanowi wartościowy materiał informacyjny, ale nie jest mapą z dwóch

powodów: nie jest ściśle pionowe i nie posiada skali mapy. Przekształcenie pojedynczego

zdjęcia lotniczego (niepionowego) w mapę drogą przekształcenia rzutowego nazywamy

przetwarzaniem zdjęcia lotniczego . Jest ono jednak ścisłe tylko w przypadku terenu płaskiego.

Zależność rzutową między mapą (opracowaną geodezyjnie) i fotomapą - stanowiącą efekt

przetwarzania - ukazuje rysunek 4.9. Wiąże je łańcuch przekształceń perspektywicznych

(rzutowań i przecinań) - świadczący o zależności rzutowej, co stanowi dowód geometrycznej

poprawności przetwarzania.

Przetwarzanie fotomechaniczne jest wykonywane w przetwornikach (rodzaj

powiększalnika). Nie jest ono obecnie stosowane do produkcji map, ale poświęcimy mu nieco

uwagi, ponieważ idea tej metody leży u podstaw przetwarzania ortofotoskopowego, a również

dlatego, aby poznać naturę błędów i niedoskonałości map tą drogą uzyskanych (gdyby

przyszło z nich korzystać).

Przetwornik fotomechaniczny to duży, rozbudowany powiększalnik, automatycznie

zapewniający ostrość obrazu rzutowanego na nachylany ekran. Zdjęcie lotnicze należy

zestroić z podkładem. Podkład stanowi arkusz z naniesionymi w skali mapy czterema

fotopunktami przetwarzanego zdjęcia (żadne trzy z nich nie mogą leżeć na jednej prostej !).

Zestrojenie polega na doprowadzeniu do pokrycia (na ekranie) czterech par punktów:

rzutowanych ze zdjęcia, z naniesionymi na podkładzie. Aby zestrojenie było możliwe,

przetwornik musi mieć 5 „stopni swobody”, np: zmianę skali, nachylenie (zdjęcia i ekranu),

obrót zdjęcia, oraz dwa (wzajemnie prostopadłe) przesunięcia. Po zestrojeniu naświetlamy

papier światłoczuły ułożony na ekranie (w miejsce podkładu). Po wywołaniu zdjęcie stanowi

fragment fotomapy. Z przetworzonych zdjęć można zmontować (skleić) sekcję fotomapy.

Wysokościowe opracowanie mapy (na podkładzie fotomapy) odbywało się na stoliku

topograficznym. Metoda ta nosiła nazwę „kombinowanej”.

Błędy sytuacyjne fotomap wywoływała niepłaskość terenu, powodująca

zróżnicowanie skali zdjęcia: partie terenu położone wyżej mają bowiem skalę większą, zaś

niżej – mniejszą; w trakcie przetwarzania należało zatem powiększać je w różnym stopniu.

Stopień powiększenia negatywu, nadający założoną skalę jedynie szczegółom

rozmieszczonym wzdłuż pewnej warstwicy, nadawał inne skale partiom terenu leżącym

wyżej czy niżej od tej warstwicy. Trzeba więc było naświetlać zdjęcie kilkakrotnie

(zmieniając współczynnik powiększenia), wykorzystując następnie z każdego zdjęcia tylko

pewną strefę (ograniczoną dwiema warstwicami), poprawną w granicach dopuszczalnych

błędów (0,3 mm). Było to tzw . przetwarzanie strefowe.

Wpływ deniwelacji terenu na odwzorowanie punktu terenowego na zdjęciu Δ r objaśnia rys.

5.3 oraz wzory 5.3 i 5.4. Znajomość tych zależności jest niezbędna zarówno przy

przetwarzaniu fotomechanicznym, jak i przy – omówionym na dalszych stronach -

przetwarzaniu ortofotoskopowym.

c k

Rys. 5.3. Wpływ deniwelacji terenu na odwzorowanie punktu na zdjęciu lotniczym.

Z rysunku 5.3 wynika, że traktując całe zdjęcie jako mapę w skali c k : w = c k : ON

popełniamy błąd: wszystkie punkty nie leżące na poziomie punktu N są przesunięte radialnie

o wartość:

⋅

/5.3/

Analogicznie – wszystkie punkty fotomapy są przesunięte radialnie o wielkość:

⋅

/5.4/

gdzie Δ R i R – to (odpowiednio) przesunięcie radialne i promień radialny – na fotomapie.

Przetwarzanie pojedynczego zdjęcia można także wykonać sposobem optyczno-

graficznym, graficznym, lub analitycznym.

Przetwarzanie graficzne opiera się na geometrycznych zasadach przekształcenia

rzutowego (rys. 5.4). Głównym elementem tej metody jest przeniesienie punktu ze zdjęcia na

mapę (jeśli znamy 4 pary punktów homologicznych). Zagęszczenie aktualnego zdjęcia siatką

czworoboków, odpowiadających siatce kwadratów na mapie, pozwala „na oko” przenosić

szczegóły - ze zdjęcia na mapę.

Rys. 5.4. Przeniesienie ze zdjęcia na mapę punktu P, metodą pęków perspektywicznych

(metodą „paska papieru”) w oparciu o cztery pary punktów homologicznych (1 - 4)

Rzadziej stosuje się (do drobnych uzupełnień i aktualizacji map) przetwarzanie

optyczno-graficzne. Służy do tego niewielki, prosty przetwornik nazywany

fotoreambulatorem. Po zestrojeniu zdjęcia z położoną na stole mapą, można - obserwując

równocześnie zdjęcie i mapę (dzięki pryzmatowi podwójnie odbijającemu) - ołówkiem

wrysowywać na mapę kontury zdjęcia.

Jeżeli pomierzymy współrzędne prostokątne szczegółów zdjęcia ( x, y ) i znamy

współrzędne czterech z nich w układzie mapy ( X, Y ), to możemy obliczyć współrzędne

terenowe każdego punktu zdjęcia wykorzystując – podane w rozdziale 4 - zależności rzutowe:

Ten sposób przekształcenia nosi nazwę przetwarzania analitycznego.

5.3. Autogrametryczne opracowanie mapy

Uniwersalną, nie ograniczoną warunkiem płaskości terenu, jest nazywana autogrametryczna

metoda opracowania mapy. Autografy analogowe, są obecnie wypierane przez tańsze w

produkcji i stwarzające szerokie możliwości opracowania map wirtualnych autografy

analityczne, autografy cyfrowe i – przede wszystkim - cyfrowe stacje fotogrametryczne.

W autografie analitycznym funkcje analogowych urządzeń mechanicznych, mających

za zadanie budowę poprawnego modelu terenu i umożliwienie jego pomiaru, przejęło

oprogramowanie i komputer pracujący w sprzężeniu zwrotnym z jednostką obserwacyjno-

pomiarową („stereokomparatorem”). W przypadku autografu cyfrowego obserwację

steroskopową umożliwia system wizualizujący na ekranie monitora komputerowego obrazy

cyfrowe (zwykle zeskanowane zdjęcia ).

Przygotowanie autografu do pracy obejmuje następujące etapy:

a) nastawienie elementów orientacji wewnętrznej i przybliżonych elementów orientacji

zewnętrznej,

b) odtworzenie orientacji wzajemnej fotogramów,

c) nadanie modelowi właściwej skali,

d) orientacja bezwzględna - tzw. „spoziomowanie” modelu.

Wymienione czynności mają doprowadzić fotogramy do takiego położenia, aby punkty

przecięcia par promieni rzucających tworzyły model terenu w założonej skali (analogowy lub

wirtualny).

W autografie - najpierw trzeba zrekonstruować wiązki promieni, nastawiamy więc

właściwe elementy orientacji wewnętrznej - czynność (a). Odtworzenie orientacji zewnętrznej

zdjęć, przy założonej skali, zostaje rozbite na czynności: b), c), d).

Ad a. Po centrycznym ułożeniu zdjęć, nastawia się stałą kamery ( c k ) oraz przybliżone

składowe bazy: b x ’, b y ’ = 0, b z ’ = 0 .

Ad. b. Doprowadza się zdjęcia do takiego - wzajemnego - położenia, jakie miały w

momencie fotografowania. Dowodem doprowadzenia do takiego stanu jest wyeliminowanie

paralaksy poprzecznej na całym modelu. Do tej czynności nie są potrzebne fotopunkty;

poprawny efekt można uzyskać zmieniając 5 (nastawionych wstępnie) elementów orientacji

wzajemnej: b y , b z , , Δϕ , Δω , Δκ ; (nie używamy b x !). Wymienionych „ruchów” używamy w

określonej, logicznej kolejności do usuwania paralaksy poprzecznej w sześciu rejonach

stereogramu - są to jego narożniki, oraz okolice punktów głównych. Po zakończeniu tego

etapu, w żadnym miejscu modelu nie występuje paralaksa poprzeczna, a więc wszędzie (w

przestrzeni modelu stereoskopowego) dostrzegamy przestrzenny znaczek pomiarowy .

Ad c. Skalę korygujemy (zmieniając b’ x ) w oparciu o porównanie odległości między

fotopunktami: w terenie - D i w autografie - d’ . Poprawną bazę obliczamy:

( 5.5)

⋅

nastawiamy; proporcjonalnie korygujemy b y i b z . Model posiada teraz skalę 1: m .

F 1 F 2

O 1 O 2

F 3 F 4

Rys. 5.5. Typowe rozmieszczenie fotopunktów stanowiących podstawę orientacji

bezwzględnej modelu w autografie.

Ad d. Po przeprowadzeniu opisanych czynności, do osiągnięcia stanu opisanego na wstępie –

pozostają tylko korekty nachylenia całego modelu: podłużne - o kąt Φ i poprzeczne - o kąt

Ω. Wartości tych kątów można obliczyć, porównując różnice między wysokościami

fotopunktów - odczytanymi w autografie i poprawnymi. Zazwyczaj to „ poziomowanie

modelu ” oparte jest o 4 fotopunkty rozmieszczone w sposób ukazany na rys.5.5 .

Po zestrojeniu modelu można przystąpić do wykreślania mapy (lub jej wektoryzacji -

w fotogrametrycznej stacji cyfrowej. Przestrzega się następującej kolejności opracowania

kartometrycznego: drogi, wody, granice działek i użytków, budynki, wyposażenie ulic,

warstwice. Wprowadzenie właściwych znaków topograficznych i objaśnień umożliwiają

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: