Fotogrammetrie - ZS 2024 Past Paper PDF

Fotogrammetrie – ZS 2024 SUDÝ TÝDEN: 19.9, 3.10., 17.10., 31.10., 14.11., 28.11. LICHÝ TÝDEN: 26.9., 10.10., 24.10., 7.11., 21.11. 5.12. ZÁPOČET: 12.12. (TEST) 100% docházka – Fotogrammetrie ZS2022 max. 1 omluvené cvičení, akceptované projekty MS TEAMS: Fotogrammetrie ZS 2024 Ing. Miroslava Kub...

Fotogrammetrie – ZS 2024 SUDÝ TÝDEN: 19.9, 3.10., 17.10., 31.10., 14.11., 28.11. LICHÝ TÝDEN: 26.9., 10.10., 24.10., 7.11., 21.11. 5.12. ZÁPOČET: 12.12. (TEST) 100% docházka – Fotogrammetrie ZS2022 max. 1 omluvené cvičení, akceptované projekty MS TEAMS: Fotogrammetrie ZS 2024 Ing. Miroslava Kubíčková – [email protected], [email protected] 21.9. úvodní hodina, organizace cvičení, požadavky, teoretický úvod 5.10. zpracování projektu BELGIE 19.10. pozemní a letecké snímkování Altánu VUT, zpracování 2.11. zpracování 3D modelu Altánu 16.11. projekt Židenice 30.11. projekt Židenice, zpracování laserového skenování 14.12. zápočtový test, zápočet CO JE FOTOGRAMMETRIE? Fotogrammetrie: zabývá se rekonstrukcí tvarů, měřením rozměrů a určováním polohy předmětů, které jsou zobrazeny na fotografických snímcích Fotogrammetrie metoda bezkontaktního určování souřadnic prostorových objektů Fotogrammetrii rozdělujeme: podle polohy stanoviska - Pozemní, blízká, terestrická - Letecká (letouny s osádkou, drony) - Družicová podle počtu snímků - Jednosnímková - Vícesnímkovová - stereofotogrammetrie podle technologie zpracování - Analogová metoda - Analytická metoda - Digitální metody Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně TEORETICKÝ ZÁKLAD Fotogrammetrie: zabývá se rekonstrukcí tvarů, měřením rozměrů a určováním polohy předmětů, které jsou zobrazeny na fotografických snímcích Letecký měřický snímek: je vyhotovený z letadla či jiného nosiče měřickou kamerou. Je s určitou přesností centrální projekcí předmětu, kdy středem promítání je střed objektivu a obrazovou rovinou je čip/film. Vztah mezi snímkovými souřadnicemi (x,y,z) a objektovými souřadnicemi (X,Y,Z) vyjadřuje podmínka kolinearity Snímkové souřadnice: pravoúhlé rovinné souřadnice bodu měření na měřickém snímku v snímkovém souřadnicovém systému Měřická kamera: fotogrammetrická kamera určená pro fotogrammetrii se známými a stálými prvky vnitřní orientace Prvky vnitřní orientace: údaje, které charakterizují geometrii paprsků uvnitř kamery: c – konstanta kamery, poloha hlavního bodu (x,y) + distorze objektivu Prvky vnější orientace: definují polohu projekčního centra a směr osy záběru. Jedná se o souřadnice projekčního centra X0,Y0,Z0 a náklony ω,φ,κ. Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně VLÍCOVACÍ BODY VB jsou body jednoznačně identifikovatelné na snímku o známých objektových a snímkových souřadnicích Souřadnice VB se určují geodeticky s potřebnou přesností – přesnost určení souřadnic určuje váhy ve vyrovnání Rozlišujeme VB: PŘIROZENÉ UMĚLE SIGNALIZOVANÉ – umístění ideálně v trojnásobném překrytu dvou sousedních řad Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně  DISTORZE OBJEKTIVU Distorze (zkreslení) objektivu = souhrn geometrických nepřesností při výrobě objektivu (úhel vstupujícího paprsku není naprosto stejný jako u vystupujícího paprsku tj. poloha zobrazeného bodu se mírně liší od správné polohy) Pro přesné práce a u objektivů s velkými hodnotami distorze je nutno tyto vady odstranit. Určení distorzí provádí přímo výrobce nebo je lze zjistit průběh distorze z nadbytečného počtu měření na snímcích Radiální distorze (symetrická): posun bodu o radiální vzdálenosti r na snímku o hodnotu ∆r. Průběh není naprosto přesně rotačně symetrický, ale při kompenzaci to předpokládáme. U moderních měřických objektivů dosahuje 5-10μm. Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně  DISTORZE OBJEKTIVU Radiální distorze: Tangenciální distorze: je způsobena nepřesnou centrací jednotlivých čoček, působí kolmo na směr radiální a způsobuje nepravidelné, špatně definovatelné lokální posuny. Nelze jednodušše kompenzovat. U moderních objektivů se předpokládá, že vliv je zanedbatelný Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Letecké snímkování - postup 1. ANALÝZA POŽADAVKŮ (účel pořízení požadované výstupy, přesnost) 2. PLÁN LETU (volba snímkovacího systému, velikost pixelu, překryty snímků, volba počtu a rozmístění vlícovacích a kontrolních bodů) 3. GEODETICKÉ PRÁCE V TERÉNU (signalizace a zaměření vlícovacích kontrolních bodů) 4. VLASTNÍ LET (vhodné meteorologické podmínky – vegetace/bez vegetace, stíny, sníh), povolení k letu – omezení vzdušného prostoru 5. PRÁCE V KANCELÁŘI – POSTPROCESSING (geodetické výpočty, kontroly trajektorie a kvality, předzpracování obrazových dat – úprava histogramu apod., fotogrammetrické zpracování, Výstupy a aplikace GIS) Výstupy: - 3D mračno bodů – primární výstup - DMT/DMP - ortofotomapa - 3D model/BIM - stereovyhodnocení = vektorová kresba polohopis a výškopis Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně  Technické faktory ovlivňující letecké snímkování - Charakter mapované lokality (intravilán, extravilán – zastíněné plochy, členitost terénu - Stanované parametry (požadovaná přesnost polohových a výškových dat produktu mapování, výsledné rozlišení snímků, podélný a příčný překryt snímků) - Technické parametry senzoru (formát čipu, velikost pixelu na čipu, ohnisková vzdálenost, cyklus kamery, kompenzace náklonů (omega, phí), kompenzace snosu (kappa) - Meteorologické podmínky (výška Slunce – zpravidla větší než 30stupňů, oblačnost, roční období, kouřmo – dohlednost, vítr) Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Plánování letové mise Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Plánování letové mise Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Plánování letové mise Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně  Plánování letové mise Smaz vzniká v důsledku pohybu letadla během otevření uzávěrky. Bod na snímku je zobrazen jako úsečka = neostrost způsobená pohybem nosiče. Letecké měřické komory využívají technologie TDI pro kompenzaci smazu. Smaz je závislý na rychlosti letadla, expoziční době a měřítkovém číslu (max. ½ GSD) Snos – vliv větru na směr letu Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně DIGITÁLNÍ KOMORA (kamera) – ULTRACAMXP (MICROSOFT - VEXCEL IMAGING) Princip vícenásobné komory Snímání 13 CCD čipy PAN snímek je středovým průmětem velikosti 17310x11310pix (tj. 196Mpix) Velikost 1pixelu na čipu = 6μm Barevný a NIR obraz Kompenzace smazu – FMC a gyrostabilizace Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Poloha GPS x IMU x kamera Boresight calibration/alignment = určení prostorových ofsetů mezi GPS, IMU a kamerou Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Context Capture – projekt Belgie Vstupní data pro zpracování leteckého snímkování: - Svislé letecké snímky - Prvky vnější orientace - Přibližné prvky vnitřní orientace - Vlícovací body (souřadnice, místopisy) Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně  Fotogrammetrické snímkování Terén: Altán VUT ▪ Svislé a šikmé letecké snímky ▪ Pozemní snímkování – Canon EOS ▪ Vlícovací body (souřadnice, místopisy) Kancelář: ▪ Import snímků a vlícovacích bodů ▪ Vizuální kontrola (odmazání nekvalitních snímků) ▪ Identifikace VB na snímcích a zaměření jejich snímkových souřadnic ▪ Výpočet vyrovnání bloku ▪ Tvorba hustého mračna bodů, 3D modelu objektu – fotorealistická textura Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně  Bezpilotní/dálkově pilotované letecké prostředky (drony) Zkratky: RPAS – remotely piloted aircraft systém, UAV - unmanned aerial vehicle, UAS – unmanned aerial system, UA – bezpilotní letadlo Využití: dokumentace železnic, silnic, pozemkové úpravy, 3D modely a BIM, zemědělství a mnoho dalších – DMT, DMP, ortofoto, point cloud UA s pevným křídlem: UA s rotačním křídlem: eBEE: DJI Phantom - kvadrokoptéra: DJI Matrice 600 Pro - větší oblasti - Kamera s 20Mpix snímačem - Výkonná hexakoptéra - rychlost 14m/s při snímání - Kolmý start, šikmé snímkování - Nosnost až 6kg - Pouze svislé snímky - Malá rychlost - Dosah až 3500m - 3 sady GNSS jednotek Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Bezpilotní/dálkově pilotované letecké prostředky (drony) Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně DJI mini 2 : kamera 12Mpix, - Digitální jednooká zrcadlovka SLR 249 g, odolnost vůči větru, - Snímač Full Frame CMOS, 26.2 maximální čas letu 30 min, Mpix, cca 35,9x24mm GPS/IMU - Rozsah citlivosti ISO 100-40000 - Nejkratší expozice: 1/4000 s Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Korespondence snímků a 3D rekonstrukce objektu Metody korespondence snímků slouží pro nalezení odpovídacích si znaků na dvou nebo více snímcích.V praxi lze rozlišit dvě hlavní vstupní situace: Snímky nejsou orientované, prvky vnitřní orientace mohou být známy – tento postup je založen na extrakcí znaků (významných bodů) a nalezení jejich korespondencí - Structure from Motion Jsou známy prvky vnitřní orientace a prvky vnější orientace – využívá epipolární geometrie pro omezení vyhledávacího prostoru. Cílem je přesné nalezení odpovídajících si bodů a výpočet prostorové polohy bodu a následné vytvoření řídkého mračna bodů nebo hustého mračna bodů Při výpočtech jsou obvykle kombinovány obě tyto metody. Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Korespondence snímků a 3D rekonstrukce objektu Structure Epipolární from geometrie: Motion: Husté Řídké mračno mračno bodů bodů Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Structure from Motion (SfM) – „struktura z pohybu“ SfM umožňuje třírozměrnou rekonstrukci objektu na základě pohybu kamery Relativní orientace probíhá automaticky na základě nalezení odpovídajících si bodů – NAVAZOVACÍ BODY SfM využívá kombinaci algoritmů - viz obrázek Kalibrační parametry kamery jsou vypočteny v rámci konkrétního projektu = SELF KALIBRACE Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně  UA je složen mimo jiné z nosiče a kamery, GNSS/IMU jednotky, gimbalu GNSS/IMU – určení prvků vnější orientace Xo, Yo, Zo,ω,φ,κ Gimbal – kamerový kloubní závěs, který plynule vyrovnává náklony dronu ω,φ,κ : úhly mezi geodetickým Roll = křídlo nahoru/dolů souřadnicovým systémem a Pitch = „čumák“ nahoru/dolů snímkovým souřadnicovým Yaw/heading = čumák vlevo/vpravo systémem Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně  Jak vypadá geodézie dnes aneb co vše musí geodet/geomatik ovládat APG: Asociace podnikatelů v geomatice APG: https://youtu.be/Av5qWZZxBxQ?si=8HnxfafQFdFHv1uY APG – BIM: https://youtu.be/ZWIe2Ywjsvs?si=jKsjZvhMuBBlQfq_ APG – DTM: https://youtu.be/41s4NRCFsMs?si=Cpi_WWDJqYLSYp8n BIM: https://youtu.be/IX76pS6FWjM?si=VZfIneMQ35F53_zI Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Projekt Židenice - postup Založení projektu v programu PhotoMod Import snímků Import souřadnic vlícovacích bodů Import kamery Interní orientace – rámové značky Zaměření vlícovacích bodů Zaměření spojovacích bodů – Gruberovy oblasti Bundle Adjustment – svazkové vyrovnání Stereo – vyhodnocení Ortofoto Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně CENTRÁLNÍ PROJEKCE V PROSTORU Podmínka kolinearity: vyjadřuje vztah mezi snímkovými a objektovými souřadnicemi resp. že bod na objektu, jemu odpovídající bod na snímku a projekční centrum leží na jedné přímce X0, Y0, Z0- souřadnice projekčního centra 0 x0, y0, c - prvky vnitřní orientace H – hlavní bod P (X,Y,Z) – objektové souřadnice P´- snímkový bod bodu P Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně CENTRÁLNÍ PROJEKCE V PROSTORU Podmínku kolinearity vyjadřují rovnice: X´, Y´, Z´ jsou souřadnice pootočeného systému Matice rotace Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně CENTRÁLNÍ PROJEKCE V PROSTORU Tyto rovnice so dosadí do rovnic podmínek kolinearity z=0 z0= c Zobrazovací rovnice centrální projekce= přímý vztah mezi snímkovými a geodetickými souřadnicemi = základ současné fotogrammetrie: Prvky vnitřní orientace x0, y0, c Prvky vnější orientace X0, Y0, Z0, ω, ϕ, Κ Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně CENTRÁLNÍ PROJEKCE V PROSTORU Není možné rekonstruovat prostorový objekt z 1-ho snímku. (z 2 měřených hodnot není možné vypočítat 3 neznámé) Potřebujeme minimálně 2 snímky! Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Určení polohy a orientace bodu ze 2 a více snímků Vyhodnocení obvykle 2 snímků pořízené měřickou kamerou, s požadovaným překrytem, osy záběru jsou svislé = stereodvojice Stereodvojici lze pozorovat na monitoru fotogrammetrické stanice = umělý stereoskopický vjem Pro získání prostorového vjemu musí být snímky orientovány (musí být známy prvky vnější orientace). Stereovjem vzniká při pozorování stereoskopické dvojice obrazů objektu nebo krajiny tak, že levému oku je poskytnut levý obraz (měřický snímek) stereodvojice a pravému oku současně nebo v rychlém časovém sledu pravý obraz, čímž se v mozku pozorovatele vytvoří prostorový vjem objektu nebo krajiny. Poskytnutí nebo separaci příslušného obrazu z jediné předlohy či obrazovky umožňují stereoskopy, barevné anaglyfy, polarizační brýle nebo brýle s tekutými krystaly Prvky vnější orientace buď známe nebo je určíme Způsob určení PVO – přímo (GNSS/IMU), nepřímo, integrace: - samostatně pro každý snímek - společně pro oba snímky - relativní a absolutní orientace – v současnosti v jednom kroku METODA SVAZKOVÉHO VYROVNÁNÍ Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Určení polohy a orientace bodu ze 2 a více snímků RELATIVNÍ ORIENTACE – vytvoření stereomodelu a jeho transformace do objektového souřadnicového systému ABSOLUTNÍ ORIENTACE RELATIVNÍ ORIENTACE – vztah mezi snímkovými souřadnicemi a modelovými souřadnicemi - postup nezávislé dvojice (snímky se otáčejí, nemění polohu) - postup připojení snímku (1 snímek je fixní a 2. snímek otočení, posun) Pro výpočet relativní orientace nepotřebujeme VB ale pouze navazovací (spojovací) body, které jsou rovnoměrně rozložení – GRUBEROVY OBLASTI ABSOLUTNÍ ORIENTACE – transformace stereomodelu do objektového souřadnicového systému – podobnostní transformace XP, YP, ZP – objektové souřadnice počátku modelového systému m – měřítkové číslo modelového systému R – matice rotace modelového systému do objektového systému (ω,φ,κ) Xp,Yp,Zp,ω,φ,κ,m – 7 parametrů Absolutní orientace (min. 2 úplné a jeden výškový VB- nesmí ležet na přímce) Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně AEROTRIANGULACE - Metoda, která umožňuje překlenou větší území bez vlícovacích bodů = úspora nákladů - V trojnásobných překrytech – navazovací body (spojovací) - Bundle block adjustment – Vyrovnání bloku svazků: svazky paprsků jsou umístěny v X0, Y0, Z0 a jsou pootočeny ω,φ,κ tak, že se protínají v navazovacích bodech a vlícovacích bodech Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Svazkové vyrovnání Vztah mezi snímkovými a objektovými souřadnicemi: Souřadnice nově určovaných bodů a prvky vnější orientace určíme vyrovnáním. Do vyrovnání můžou vstupovat také prvky vnější orientace z GPS/IMU Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně AEROTRIANGULACE Přesnost aerotriangulace závisí na: - měřítko snímku - počet navazovacích bodů - počet, poloha a přesnost vlícovacích bodů - přesnost zaměření snímkových souřadnic - použitý matematický model Měření navazovacích bodů je dnes automatizováno – automatické vyhledání navazovacích bodů pomocí interest operátorů a následná automatická obrazová korelace Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Umělý stereoskopický vjem Pozorování předmětu v prostoru: monokulární (jedním okem) a binokulární (oběma očima) - stereo Fotografické snímky musí být pořízeny ze 2 stanovisek jejichž nadmořské výšky se příliš neliší a s osami navzájem rovnoběžnými Očima je nutno pozorovat snímky v jeden okamžik, ale přitom každým okem odděleně Snímky se musí překrývat a snímky musí jevit horizontální paralaxu tj. musí být pořízeny ze 2 odlišných bodů stereoskopické základny Směry pozorovacích paprsků k odpovídajícím si bodům se musí protínat, obraz nesmí jevit vertikální paralaxu Digitální fotogrammetrické stanice Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Umělý stereoskopický vjem Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně ORTOFOTOMAPA Ortofotomapa je kartografické dílo složené z ortofotosnímků - Mozaikování Ortofotosnímek je snímek převedený z centrální projekce do ortogonální Pro výpočet ortofotosnímku potřebujeme: původní digitální snímek, prvky vnější orientace, prvky vnitřní orientace a DMT nebo DMP DMT Nepravé ortofoto – objekty mimo terén (budovy, porost) jsou zobrazeny zkresleně (u budov lze vidět fasády) DMP Pravé ortofoto – TRUE ORTOFOTO – nejsou viditelné fasády tj. např. střechy budov jsou správně polohově umístěny Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Ortorektifikace Perspektivní vliv převýšení terénu ovlivňuje měřené vzdálenosti na snímku – vzdálenost na snímku Dr neodpovídá skutečné vzdálenosti Dc Ortofotosnímek je snímek převedený z centrální do ortogonální projekce – je u něj eliminován vliv náklonu osy kamery od svislého směru a vliv převýšení terénu Ortofotosnímek: poloha každého pixelu odpovídá jeho ortogonálnímu průmětu na terén Výpočet radiálního posunu snímkového bodu Z´do opravené polohy Y´ Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně děkuji za pozornost Ing. Miroslava Kubíčková [email protected] Ústav geodézie Fakulta stavební Vysoké učení technické v Brně