Ortofotomapa cyfrowa i Numeryczny Model Terenumatrix.ur.krakow.pl/~isig/kgr/dydaktyka/cw6.pdf ·...

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

ŚWydział Inżynierii Środowiska i Geodezji

Katedra Fotogrametrii i Teledetekcji

Ortofotomapa cyfrowa Ortofotomapa cyfrowa i Numeryczny Model Terenui Numeryczny Model Terenu

Generowanie ortofotomapy

Ortofotomapa jest mapą fotograficzną powstałą w wyniku przetwarzania różniczkowego zdjęcia lotniczego. Proces przetwarzania zdjęcia określony jest tu mianem ortorektyfikacji, a jego efektem są ortofotografie (ortoobrazy), zestawiane następnie w sekcje map fotograficznych, ęp j p g y ,odpowiadające sekcjom map kreskowych. Stają się dzięki temu ortofotomapami.

Ortofotografia w ujęciu teoretycznym, jest zdjęciem, którego płaszczyzna projekcji jest równoległa do płaszczyzny odniesienia, a wszystkie promienie są prostopadłe do tych dwóch płaszczyzn (rys. 1 b). Na obrazie nie ma więc żadnych przesunięć spowodowanych pochyleniem zdjęcia, czy różnicą wysokości p y p y ję , y ą yterenu. Odległości poziome mierzone na takim zdjęciu są poprawne, niezależnie od różnic wysokości terenu.

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

Rys.1 Zdjęcia a/ w rzucie środkowym b/ ortofotograficznym


Ortofotomapa cyfrowa

Ortofotomapa jest produktem różniczkowej rektyfikacji, podczas której zostają usunięte zniekształcenia wynikające z nachylenia zdjęcia i deniwelacji terenu.

Ortofotomapa cyfrowa jest obrazem cyfrowym terenu któryOrtofotomapa cyfrowa jest obrazem cyfrowym terenu, który stanowi uporządkowany, zestawiony w postaci macierzy zapis wartości gęstości (0-255) przypisanych pikselom –

h h k t ś ik d hprzechowywanych na komputerowym nośniku danych. Generowana jest w żądanej skali.

Zależność pomiędzy zdjęciem, modelem terenu a ortofotografiąprzedstawia Rys. 2


Zasada ortoprojekcji


Technologia wytwarzania ortofotomapy cyfrowej obejmuje kilka

Etapy tworzenia ortofotomapy cyfrowejTechnologia wytwarzania ortofotomapy cyfrowej obejmuje kilka zasadniczych etapów:

- skanowanie zdjęć,- odtworzenie orientacji zewnętrznej zdjęć (aerotriangulacja),- utworzenie Numerycznego Modelu Terenu,y g ,- przetwarzanie cyfrowe zdjęć – generowanie ortofotografii,- mozaikowanie ortofotografii,redakcja ortofotomapy i uzupełniających informacji wektorowo- redakcja ortofotomapy i uzupełniających informacji wektorowo-opisowych,

- dystrybucja produktu finalnego (tworzenie wydruków lub zapis na ś ik h i f ji)nośnikach informacji)

Powiązania pomiędzy wspomnianymi etapami przedstawia schemat technologiczny tworzenia cyfrowej ortofotomapy (Rys.3).


Schemat technologiczny tworzenia cyfrowej ortofotomapy


Zdjęcia w postaci cyfrowej

Zdjęcie cyfrowe możemy otrzymać na dwa sposoby:

● skanowanie zdjęć analogowych (dla wykonywania opracowań cyfrowych stosuje się głównie aperturę skanowania w przedziale 15 do 30 μm, j ę g p ę p μ ,wykorzystując do tego celu specjalistyczne skanery fotogrametryczne, których dokładność geometryczna jest rzędu ±1 – 2 μm

● wykorzystanie specjalnych skanerów i kamer cyfrowych, w których obraz y y p j y y y , yobiektu rejestrowany jest nie na materiale fotograficznym, a za pomocą specjalnego sensora w postaci cyfrowej (takim sensorem może być układ liniowy lub powierzchniowy (macierzowy) elementów CCD (ang. Charge-y p y ( y) ( g gCoupled Device).


Aerotriangulacja cyfrowaElementy orientacji zewnętrznej zdjęć zostają wyznaczone podczasElementy orientacji zewnętrznej zdjęć zostają wyznaczone podczas

kameralnego zagęszczenia osnowy polowej (aerotriangulacja).Aerotriangulacja cyfrowa wykorzystuje korelację obrazów

(automatyczne odnajdywanie na zdjęciu fragmentów które mają(automatyczne odnajdywanie na zdjęciu fragmentów, które mają największy stopień podobieństwa do przyjętego wzorca).

Obecnie stosowane są dwie metody aerotriangulacji cyfrowej:1. Metoda półautomatyczna, gdzie operator interaktywnie wybiera jeden punkt wiążący w pobliżu nominalnego położenia w pasie pokrycia podłużnego lub poprzecznego zdjęć lotniczych. Punkt ten transferowany j t t d k l ji b ó (i t hi ) tki dj ijest metodą korelacji obrazów (image matching) na wszystkie zdjęcia, na których występuje. W przypadku nie osiągnięcia założonych dokładności operator wybiera inny punkt. Półautomatycznym

i j t ISAT t I St ti fioprogramowaniem jest np. ISAT stosowany na ImageStation firmy Intergraph oraz Triada na stacji cyfrowej Delta.2. Metoda automatyczna, gdzie punkty wiążące są automatycznie

bi t f i i ( tki h dj i h któ hwybierane, transferowane i mierzone (na wszystkich zdjęciach, na których występują) w dziewięciu nominalnie rozmieszczonych rejonach (oknach). Pomiar odbywa się nie w jednym punkcie, ale w grupie punktów znajdujących się w tych rejonach Jako punkty wybierane są szczegóły


znajdujących się w tych rejonach. Jako punkty wybierane są szczegóły terenowe przy pomocy operatora Förstnera.

Numeryczny Model TerenuNumeryczny Model Terenu (ang Digital Terrain Model DTM) jestNumeryczny Model Terenu (ang. Digital Terrain Model – DTM) jest numeryczną dyskretną (punktową) reprezentacją wysokości topograficznej powierzchni terenu, wraz z algorytmem interpolacyjnym umożliwiającym odtworzenie jej kształtu w określonym obszarzeodtworzenie jej kształtu w określonym obszarze.

NMT (DTM) reprezentowany jest przez punkty rozłożone regularnie, bądź nieregularnie na powierzchni terenu i uzupełnione dodatkowo ą g p ppunktami opisującymi morfologiczne formy terenu .

Nieregularnie rozmieszczone punkty stanowią sieć trójkątów wraz t l i ( d l TIN T i l I l N t k) Wi h łkiz topologią (model TIN – Triangular Irregular Network). Wierzchołki

trójkątów opierają się na punktach pomiarowych.

Natomiast regularna sieć punktów opisująca powierzchnię terenuNatomiast regularna sieć punktów opisująca powierzchnię terenu opiera się zwykle o siatkę kwadratów, prostokątów bądź trójkątów uzupełnioną o punkty reprezentujące formy terenowe jak linie szkieletowe (grzbiety, cieki), linie nieciągłości (skarpy, urwiska), powierzchnie (g b ety, c e ), e ec ąg ośc (s a py, u s a), po e c ewyłączeń (wody, budynki) oraz ekstremalne pikiety (wierzchołki, dna).

Sieć ta powstaje zwykle nie poprzez pomiar, lecz poprzez


interpolację między rozproszonymi punktami pomiarowymi.

Metody pozyskania NMT (DTM)DTM niezbędny w procesie generowania ortofotografii możnaDTM niezbędny w procesie generowania ortofotografii można

uzyskać na różne sposoby, tj. poprzez: 1. digitalizację linii warstwicowych na istniejących mapach.

Obecnie jest to częściej digitalizacja ekranowa wcześniej zeskanowanychObecnie jest to częściej digitalizacja ekranowa wcześniej zeskanowanych map lub pozytywów wydawniczych rzeźby. Dokładność DTM generowanego tą metodą zależy od dokładności digitalizowanych map, a stosowana jest dla budowy DTM w skalach małych i średnichstosowana jest dla budowy DTM w skalach małych i średnich.

2. ręczny pomiar fotogrametryczny na autografie (np. analitycznym). Dokładność DTM wyznaczonego na podstawie zdjęć lotniczych metodą pomiaru współrzędnych na autografie zależy od skali zdjęcia stosunkupomiaru współrzędnych na autografie zależy od skali zdjęcia, stosunku bazowego (B/H), metody pomiaru i klasy autografu. Dokładność wynikowego DTM dla powierzchni odkrytej można określić na około

0 2o/ 0 4 o/ H d i H k ść l tmzDTM ≅ 0,2o/oo – 0,4 o/oo ⋅ H gdzie: H – wysokość lotu,mzDTM – błąd średni wyinterpolowanej wysokości.

Dla terenu górzystego mzDTM ≅ 1,0o/oo – 2,0 o/oo ⋅ H,natomiast błąd maksymalny

mzmax = 4 ÷ 8 mzDTM [Dla zdjęć lotniczych w skali 1:26000 można uzyskać maksymalną


dokładność rzędu mzDTM ≅ ±0,8 m, a dla zdjęć w skali 1:5000 mzDTM ≅ ±0,25 m.

Metody pozyskania NMT (DTM) cd

3. automatyczny pomiar wysokości punktu (autokorelacja). Ten proces jest możliwy dzięki rozwojowi oprogramowania pracującegoTen proces jest możliwy dzięki rozwojowi oprogramowania pracującego na stacjach fotogrametrycznych. Jednym z przykładów jest program ISAE (Image Station Automatic Elevation) stosowany na Image Station.

Automatyczny pomiar wysokości jest interesującym i perspektywicznym trybem pomiaru ze względu na swoją szybkość, a także dokładność pomiaru. System automatycznie wybiera miejsca próbkowania (pomiaru) p y y y j p (p )i realizuje ten pomiar z wykorzystaniem jednej z kilku strategii korelacji obrazu lewego i prawego zdjęcia. Zaletą tego postępowania jest duże tempo pozyskiwania punktów (nawet kilkadziesiąt pomierzonych punktów na sekundę) rzędu nawet 100 razy więcej niż przy pomiarze manualnym. Stosując automatyczny pomiar wysokości istnieje jednak konieczność weryfikacji obserwacji odstających (np. punktów mierzonych na drzewach czy budynkach).


Dokładność NMT pozyskanego automatycznie

Dokładność DTM uzyskanego tą metodą jest porównywalna lub wyższa niż na autografie analitycznym i określa się ją dla zdjęć zeskanowanych z pikselem 15 μm:- dla terenu płaskiego i pofałdowanego jako błąd średni

mzDTM ≅ 0,10o/oo ⋅ H - dla terenu górzystego

mzDTM ≅ 0,25o/oo ⋅ H

Natomiast dla zdjęć zeskanowanych z pikselem 30 μm:- dla terenu płaskiego i pofałdowanego jako błąd średni

mzDTM ≅ 0,10o/oo ⋅ H- dla terenu górzystego

mzDTM ≅ 0,20 – 0,35o/oo ⋅ H


Metody pozyskania NMT cd

4. kombinowany pomiar: ręczny i automatyczny. Dokładny pomiar form terenu w charakterze linii nieciągłości, linii szkieletowych powierzchni wyłączeń oraz pikiety ekstremalneszkieletowych, powierzchni wyłączeń oraz pikiety ekstremalne pozyskiwane są poprzez ręczną digitalizację tych obiektów na modelu stereoskopowym, a następnie uwzględniane w procesie automatycznego pomiaru wysokości punktówpomiaru wysokości punktów.

Przytoczony powyżej błąd średni wysokości wyinterpolowanej z wynikowego DTM pozwala na określenie dokładności wysokościowej DTMDTM. Na błąd ten składają się błędy danych pomiarowych, wielkość oczka siatki oraz czynnik opisujący charakter terenu. Parametry te ujmuje często używany w praktyce wzór empiryczny zaproponowany przezużywany w praktyce wzór empiryczny zaproponowany przez Ackermann’a:

gdzie : m błąd średni wyinterpolowanej wysokościgdzie : mz DTM - błąd średni wyinterpolowanej wysokości,mzpow – błąd średni danych pomiarowych,α- współczynnik opisujący charakter terenu,d ś d i dl ł ś i któ i h


d – średnie odległości punktów pomiarowych.

Numeryczny Model Terenu

Należy zauważyć, że bardzo ważnym technologicznie elementem przy tworzeniu DTM jest ustalenie wzajemnych relacji między gęstością i dokładnością pomiaru powierzchni złożonością form terenowych adokładnością pomiaru powierzchni, złożonością form terenowych a gęstością generowanej siatki wtórnej DTM.

Jako bardzo ogólną wytyczną można przyjąć, że wielkość oczkaJako bardzo ogólną wytyczną można przyjąć, że wielkość oczka siatki DTM (tzw. „siatka wtórna”) w przypadku pozyskiwania DTM metodą fotogrametryczną kształtuje się następująco:

oczko siatki wtórnej DTM ≅ 20 ⋅ mzDTM dla terenu płaskiego,oczko siatki wtórnej DTM ≅ 10 ⋅ mzDTM dla terenu pofałdowanego.


Wizualizacja NMT

Metody wizualizacji NMTWygenerowany Numeryczny Model Terenu można wizualizować na wieleTerenu można wizualizować na wiele sposobów w zależności od jego przeznaczenia.

R t i t ( óż h• Rzut izometryczny (z różnych punktów widzenia oraz przy zmiennych skalach wysokości )


Wizualizacja NMT

● Wizualizacja NMT przy pomocy regularnej siatki


Wizualizacja NMT• Wizualizacja NMT w czasie rzeczywistym w grafice trójwymiarowej• Wizualizacja NMT w czasie rzeczywistym w grafice trójwymiarowej

W celu takiej wizualizacji cyfrowych modeli terenu i ortoobrazów w różnej skali i z różnej pozycji używana jest biblioteka OpenGL w językach programowania C/C++, wspierana sprzętowo przez karty graficzne.

Dla obiektu jakim były Szczyglice w woj. małopolskim opracowany został program do wizualizacji NMT z nałożoną teksturą w postaci ortofotomapy. j ą ą p py


Ortorektyfikacja

Ortorektyfikacja polega na cyfrowym przetworzeniu każdego piksela zeskanowanego zdjęcia z wykorzystaniem NMT do nowego położenia na ortoobrazie w przyjętym odwzorowaniu kartometrycznympołożenia na ortoobrazie w przyjętym odwzorowaniu kartometrycznym.

Podczas generowania ortofotoobrazu następuje proces- korekcji radiometrycznej (resampling)- korekcji geometrycznej

Następuje wówczas powtórne przepróbkowanie (resampling), w wyniku którego generowany jest nowy obraz o nowej geometrii, który wpasowany jest w układ współrzędnych odniesienia (nadanie mu georeferencji) orazjest w układ współrzędnych odniesienia (nadanie mu georeferencji) oraz wyinterpolowane są nowe tony szarości pikseli. Ortorektyfikacja polega zatem na cyfrowej korekcji geometrycznej, czyli zmianie położenia piksela oraz jego wielkości jak również nadaniu muzmianie położenia piksela oraz jego wielkości jak również nadaniu mu nowej wartości gęstości optycznej.


Ortorektyfikacja cd

Każdy piksel podlega indywidualnej korekcji. W celu określenia położenia piksela na ortoobrazie wykorzystuje się:

- elementy orientacji wewnętrznej - elementy orientacji zewnętrznej zdjęcia,- generuje NMT

i wykorzystując współczynniki transformacji ze współrzędnych obrazowych oblicza się współrzędne terenowe każdego piksela.


Mozaikowanie ortofotografii

Ortofotografie powstałe w wyniku przetwarzania, generowane są z pewnym zapasem powodującym nakładanie się sąsiednich ortofotografii. Jest to szczególnie istotne w przypadku gdy na docelową ortofotomapęJest to szczególnie istotne w przypadku, gdy na docelową ortofotomapęskłada się kilka ortofotografii w całości lub też części. Obszar pokrycia sąsiednich ortofotografii wykorzystywany jest do łączenia geometrycznego i uzgodnienia radiometrycznego styków Proces ten jest nazywanyi uzgodnienia radiometrycznego styków. Proces ten jest nazywany popularnie mozaikowaniem i ma on istotny wpływ na jakość końcowego produktu, jakim jest ortofotomapa.

Obraz tego samego konturu terenowego na łączonychObraz tego samego konturu terenowego na łączonych ortofotografiach może się różnić, nawet gdy jest otrzymywany z sąsiednich zdjęć w szeregu. Może to być spowodowane zniekształceniami perspektywicznymi czy też różnicami w obróbce fotochemicznejperspektywicznymi czy też różnicami w obróbce fotochemicznej. Wymaga to wówczas wprowadzenia zmian jasności do łączonych obrazów, w celu zmniejszenia występujących tam różnic. Istotne jest również by linie wzdłuż których następuje łączenie sąsiednichIstotne jest również, by linie wzdłuż których następuje łączenie sąsiednich ortofotografii nie przecinały konturów terenowych, a biegły ich granicami. Uniknie się wówczas ewentualnych niezgodności występujących na stykach obrazów a spowodowanych np błędami numerycznego modelu


stykach obrazów, a spowodowanych np. błędami numerycznego modelu terenu.

Dokładność ortofotomapy


Dokładność ortofotomapy cd


Kontrola dokładności ortofotomapy


Kontrola dokładności ortofotomapy cd


Zastosowanie NMT

Na podstawie NMT można:- wygenerować warstwice,- określić wysokości punktu o znanych współrzędnych płaskich X,Y,- obliczyć objętości,- wygenerować widoki perspektywicznewygenerować widoki perspektywiczne,- przeprowadzić w dowolnym miejscu profile,- określić kąty nachylenia i spadki terenu,

i i b i j k- wygenerować cieniowaną rzeźbę terenu i jego szorstkość,- projektować korzystając z danych NMT i oprogramowania CAD.

W dzisiejszych czasach NMT wykorzystywany jest zarówno do badania zjawiskzachodzących na powierzchni terenu (w szczególności kataklizmów, np. zagrożeniafalą powodziową, rozkład przestrzennych zagrożeń ekologicznych itp.) jak i doą p ą, p y g g y p ) jplanowania przestrzennego i projektowania inżynierskiego.


Zastosowanie NMT

Przykłady zastosowania Numerycznego Modelu Terenu w pracach projektowych:

• NMT znalazł zastosowanie przy opracowaniu projektu rekultywacji terenów zdewastowanych, który dotyczył składowiska odpadów poprodukcyjnych w Wiślince koło Gdańska. W tym przypadku NMT był pomocny przy określeniu y p yp y p y p ywolnej docelowej pojemności składowiska, jego pola powierzchni oraz dokonaniu analizy spadków skarp.

• NMT stanowił źródło danych do określenia cech hydraulicznych doliny rzeki• NMT stanowił źródło danych do określenia cech hydraulicznych doliny rzeki Odry poniżej Wrocławia w projekcie, w którym to wykorzystano go do bezpośredniego opisu geometrii obszaru przepływu wody w dwuwymiarowym modelu hydrodynamicznymmodelu hydrodynamicznym.• Numeryczny Model Terenu znalazł swoje zastosowanie również w pracach przy projektowaniu autostrady A4 na odcinku Kraków – Tarnów. Pozyskany został przy pomocy metod fotogrametrycznych na podstawie zdjęć lotniczych w skali 1:20000pomocy metod fotogrametrycznych na podstawie zdjęć lotniczych w skali 1:20000. Nie było to jednak jedyne źródło danych, bowiem uzupełniono je uproszczonymi metodami pomiaru terenowego (przekroje poprzeczne)


Zastosowanie NMT

Zastosowanie NMT w opracowaniach nie kartometrycznych

NMT wykorzystuje się m.in. do:NMT wykorzystuje się m.in. do:

● budowy przestrzennych modeli aglomeracji miejskich wykonywanych dla potrzeb telekomunikacji,

● planowej gospodarki zasobami wodnymi w zakresie obejmującym budowę systemów przeciwpowodziowych i inwentaryzację wałów przeciwpowodziowych, określenie obszarów zalewowych itp.,

● określenia dynamiki zmian morskiej strefy brzegowej (procesu abrazji),

● inwentaryzacji rurociągów i linii energetycznych

● tworzenia obrazów wirtualnych pozwalających na symulowaną obserwację terenu● tworzenia obrazów wirtualnych, pozwalających na symulowaną obserwację terenu w ruchu z dowolnej wysokości i pod dowolnym kątem

● określenia biomasy kompleksów leśnych


Zastosowanie ortofotomapy

Zastosowanie ortofotomap dla potrzeb LPIS

• kontrola istniejących map ewidencyjnych,kontrola istniejących map ewidencyjnych,

• wydzielenie tzw. powierzchni funkcjonalnych,

• pomoc przy składaniu indywidualnych wniosków o dopłaty,

• kontrola wniosków o dopłaty na różnych etapach i szczeblach organizacyjnych LPIS oraz wprowadzanie korekt do stwierdzonych nieprawidłowości.

Wykorzystanie walorów informacyjnych zdjęć lotniczych z zastosowaniem technikWykorzystanie walorów informacyjnych zdjęć lotniczych z zastosowaniem technik komputerowych i metod cyfrowych ma istotne znaczenie przy pozyskiwaniu danych. Mogą one być pomocne nie tylko dla tworzenia Systemu Informacji Przestrzennej ale również prac planistyczno projektowych i modernizacjiPrzestrzennej, ale również prac planistyczno-projektowych i modernizacji ewidencji gruntów i budynków.


Zastosowanie ortofotomapy

W ramach modernizacji ewidencji gruntów i założenia ewidencji budynków z wykorzystaniem technologii fotogrametrii cyfrowej wykonywane są prace:

• konwersja danych opisowych ewidencji gruntów i map katastralnych do postaci numerycznej,

• usunięcie błędów grubych przebiegu granic działek,

• aktualizacja przebiegu granic użytków i w wyjątkowych wypadkach także konturów klasyfikacyjnych,y yj y ,

• obliczenie powierzchni użytków i konturów klasyfikacyjnych w ramach działek,

• założenie katastru budynków powiązanego z ewidencją gruntów.


Zastosowanie ortofotomapyZ t i t f t dl t b l i tZastosowanie ortofotomapy dla potrzeb planowania przestrzennego Ortofotomapa, posiadając właściwości zarówno mapy, jak i zdjęcia lotniczego, może równocześnie spełniać rolę obydwu dokumentów w pracach nad planami zagospodarowania przestrzennego i służyć jako:

• bezpośrednie źródło informacji o terenie, jego ukształtowaniu i rozmieszczeniu na nim różnych elementów. Podobnie jak zdjęcie lotnicze, z którego zostałanim różnych elementów. Podobnie jak zdjęcie lotnicze, z którego została sporządzona, jest dostępnym źródłem aktualnych danych, a one mogą być uzupełnione wykazami administracyjnymi (zaludnienie, szkolnictwo itp.), pomiarami geodezyjnymi, danymi ekonomicznymi, spisami powszechnymi czy p g yj y , y y , p p y ydanymi o sposobie zagospodarowania terenu;

• kontrola zgodności i kompletności innych źródeł informacji i kontrola zachodzących zmian czy zgodności realizacji założeń obowiązujących planówzachodzących zmian czy zgodności realizacji założeń obowiązujących planów zagospodarowania przestrzennego;

• podkład do kartograficznego przedstawiania wyników prac badawczych ij któ l ó d i tprojektów planów zagospodarowania przestrzennego;


Ortofotomapa cyfrowa i Numeryczny Model Terenumatrix.ur.krakow.pl/~isig/kgr/dydaktyka/cw6.pdf ·...

Documents

Transcript of Ortofotomapa cyfrowa i Numeryczny Model Terenumatrix.ur.krakow.pl/~isig/kgr/dydaktyka/cw6.pdf ·...