Fotogrametrie I - Curs PDF

FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie 1. INTRODUCERE 5 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie 2. REALIZAREA MODELULUI DIGITAL ALTIMETRIC PRIN TEHNOLOGII FOTOGRAMETRICE. STADIUL ACTUAL 2.1 Tipuri de senzori/ Surse de imagini În prezent, abordările fotogrametrice folosesc pentru extragerea datelor altimetrice necesare generării modelelor digitale, următoarele surse de imagine:  Camerele fotogrametrice tradiţionale ce operează cu senzor clasic (film fotografic) ale căror imagini aeriene (fotograme) sunt exploatate la sta- ţiile de lucru analitice sau, după scanare, la cele digitale. Fig. 2.1 – Camere fotogrametrice tradiţionale  Sistemele satelitare comerciale de teledetecţie ce preiau imagini de înaltă rezoluţie, imagini limitate în general la aplicaţiile realizate la scări mici, dar care permit accesul direct la imagini digitale de calitate superioară. 6 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Fig. 2.2 – Camera fotogrametrică tradiţională ce a echipat misiunea Apollo  Sistemele (camerele) aeropurtate digitale, care acum înlocuiesc în ritm alert, camerele clasice cu film. Fig. 2.3 – Camere fotogram e-trice digitale Pentru că multe din proiectele comerciale actuale de cartare, sunt realizate la scări mai mari decât 1 : 10.000, fotografiile (fotogramele) preluate pe film continuă încă să rămână o sursă de ales pentru marea majoritate a proiectelor. Ele au eficienţă încă acceptabilă din punct de vedere al raportului precizie/ preţ de cost şi prezintă avantajul de a putea fi folosite atât în stare originală (înregistrate în format analogic pe film) sau transpuse prin scanare în format digital, ceea ce permite companiilor şi firmelor să-şi optimizeze resursele. Sistemele sateliţilor comerciali de teledetecţie realizează în ultima perioadă rezoluţii geometrice de 0,40 – 0,60m, care în general sunt limitate la scările de cartare de până la 1 : 15.000 – 1 : 20.000 sau mai mici. Este de subliniat că aceste sisteme sunt tipic focusate pe programele de cartare proiectate la nivel naţional sau regional. 7 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Sistemele digitale aeropurtate proiectate să înlocuiască sistemele clasice cu film, au devenit disponibile şi în prezent, însă preţul de cost foarte ridicat limitează semnificativ utilizarea lor. La nivel european, se remarcă sistemele livrate de companiile: Leica Geosystems – ADS40 şi ADS80, Z/I Imaging – DMC şi Vexcel – UltraCam. 2.1.1 Sisteme convenţionale Sistemele camerelor de aerofotografiere clasice, care utilizează ca senzor de imagine emulsia fotografică întinsă pe suport de ester celulozic (film), sunt folosite de mai mulţi ani, iar stadiul lor actual le caracterizează prin rezoluţii superioare şi înaltă precizie, elemente fundamentale ce se situează sub nivele prevăzute în standardele actuale pentru operaţia de calibrare. Multe camere cu film folosesc obiectivi cu distanţa focală de ≈ 153 mm, şi formatul imaginii preluate de 23×23 cm, care produc precizii orizontale şi verticale, acceptate în toate proiectele. Distanţele focale de 210 şi respectiv 305 mm, sunt în general folosite numai pentru preluarea imaginilor care sprijină producţia ortofoto digitală. Prin utilizarea distanţelor focale mari, deplasările punctelor imagine datorate reliefului terenului cuprins în planul imagine, sunt reduse proporţional cu mărimea lor şi un efort redus este apoi necesar pentru mozaicarea cu precizie a ortofoto imaginilor care se acoperă, în special pentru zonele urbane. Totuşi, distanţele focale mari nu se folosesc la multe lucrări de planimetrie şi de trasare a curbelor de nivel topografice, datorită unei precizii proporţional redusă a cotelor. Multe filme aeriene sunt scanate în domeniul 10–30 microni/ pixel, valoarea de 15 microni/ pixel fiind tipică. Aceasta este echivalentă cu aproximativ 1.700 puncte/ inch (dpi), cu toate că multe scanere de imagine suportă rezoluţii de peste 8 microni/ pixel (3.000 dpi). Acesta este un compromis între asigurarea rezoluţiei culegerii imaginilor şi menţinerea stocării la un nivel uşor de mânuit şi organizat 8 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie (manageable). La 1.700 dpi, un format de 23×23 cm conduce la aproximativ 15.000 × 15.000 pixeli sau 225 MB pentru o imagine alb/ negru (675MB pentru o imagine color). În situaţiile unde este realizată aerotriangulaţie digitală, nu este neobişnuit să se scaneze la 3.000 dpi şi fie să se rescaneze la 1.700 dpi, sau să se coboare eşantioanele de imagine la o dimensiune mult mai uşor de organizat pentru generarea produsului. Un număr de firme de cartare va utiliza compresia moderată a imaginii pentru a reduce spaţiul de stocare de 2 – 4× pentru imaginile A/ N şi de 4 – 10× în cazul celor color. Specificaţiile şi liniile directoare pentru calibrare, precizie, estimare, proceduri de producţie şi controlul calităţii, sunt bine documentate pentru camerele care operează cu film şi stabilite să asigure oferte de servicii şi utilizatori finali ai rezultatelor de calitate. 2.1.2 Sisteme digitale Presiunea asupra dezvoltării şi utilizării sistemelor digitale de culegere satelitară (din spaţiul cosmic) şi aeriană a imaginilor, nu este condusă numai de dorinţa de înlocuire a mânuirii filmului şi etapelor sale de prelucrare, asociate practic cu camerele tradiţionale ce operează cu film. Culegerea digitală a imaginilor, oferă de asemenea un număr de alte avantaje: Eliminarea scanării filmului şi stocării acestuia; Culegerea imaginilor direct în format digital pentru exploatare; Domeniu dinamic superior pentru culegerea directă a scenelor (imaginilor) de teren care pun la dispoziţie atât rezultate de calitate superioară, cât şi automatizare de nivel foarte înalt, 9 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie astfel cum este cea din cadrul corelării digitale. Nivelul înalt de automatizare sprijină exploatarea uşoară în zonele cu contrast scăzut sau ridicat. Abilitate pentru detecţie (sesizare) în afara zonelor comune obişnuite ale spectrului, pancromatic, color şi color infraroşu. Practic, culegerea multispectrală ajută la cuprinderea clasifi – cării şi interpretării, în proceduri cu grad avansat de automa – tizare. Cu toate că sistemele digitale aeropurtate sunt folosite de peste 10 ani, multe implementări existente prezintă dezavantaje pentru proiectele de cartare cu specificaţii riguroase de precizie. Cel mai notabil este faptul că cea mai mică rezoluţie de imagine (în general de 4k × 4k şi mai mică) conduce de departe la managementul şi exploatarea unui număr apreciabil de stereomodele. În plus, multe din aceste sisteme nu au fost construite să aibă suficiente calităţi ,,metrice”, care să asigure înaltă precizie şi exactitate. Multe din aceste probleme rezultă de la orientarea implementării pe echipamentele de culegere multispectrală, care suportă monitorizarea şi cartarea la nivele scăzute de precizie. Sistemele digitale aeropurtate emergente sunt mult mai sofisticate, atât văzute ca sisteme independente, cât şi ca subsisteme integrate. Un număr dintre acestea sunt specific orientate spre piaţa cartării de către ofertanţi şi în acelaşi timp de fabricanţii lor, implicaţi în sistemele clasice care operează cu film. Sistemele aeropurtate includ în prezent: O varietate de sisteme digitale care operează în pancromatic, color şi multispectral pentru culegrea datelor de bază. Unele dintre acestea sunt ,,metrice” (suportând cartări de precizie), iar unele sunt concen- trate primar pe monitorizare şi cartare la precizii scăzute. 10 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Sisteme de culegere digitală a datelor imagine, asociate sau comontate împreună cu sisteme LIDAR (efectiv la astfel de sisteme există şi o unitate inerţială de măsurare pentru determinarea precisă a orientării exterioare (X,Y,Z şi Ω,Φ,Κ)) a impulsurilor senzorului activ (LIDAR sau IFSAR) sau a axei optice a obiectivului camerei cu film, respectiv a sistemului de preluare digitală a imaginii). Sisteme mult mai sofisticate, pentru înlocuirea sistemelor clasice ce operează cu film şi care ocupă tot mai mult piaţa. Multe dintre acestea sunt adecvate pentru scopurile de cartare bazate pe utilizarea fotogrammetriei stereoscopice şi de asemenea generarea produselor ortofoto digitale, folosind datele suprafeţei LIDAR, cu toate că adesea au o rezoluţie mică. Dacă datele de cotă sunt generate de la imagini digitale aeropurtate, sistemul folosit pentru prelucrarea lor, trebuie să fie proiectat astfel încât să aibă capabilităţi de extensie, şi de asemenea trebuie să fie calibrat, pentru a putea fi utilizat la efectuarea măsurătorilor fotogrametrice. Cu toate că echipamente sofisticate ABGPS/ UMI sunt folosite în procesul de preluare a imaginilor, în cadrul multor proiecte este încă necesară aerotriangulaţia. Implementările comune de sisteme digitale aeropurtate includ următorele componente: O cameră tip cadru, cu o matrice de elemente foto senzitive (CCD) montată în planul imagine sau planul focal, pentru înregistrarea pixelilor de imagine în momentul expunerii. Aceste matrice de ele- mente CCD, în prezent au un cost relativ ridicat, iar dimensiunile lor nu depăşesc 4.096×4.096 de elemente (pixeli), în cadrul unui format. 11 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Sunt în general folosite pentru înregistrare (culegerea de date) sisteme care operază pe principiul pushbroom, dar sunt şi unele sisteme care folosesc pincipiul operării whiskbroom. Dacă sunt folosite pentru culegerea de date sistemele tip cadru, aspectele de exploatare fotogrametrică se aseamănă destul de mult cu cele clasice, aplicate în cadrul camerelor care operează cu film. De asemenea trebuie subliniat că, scanarea imaginii nu mai este necesară şi sunt uşor de adoptat specificaţiile existente pentru camerele cu film. Totuşi, rezoluţia acestor tipuri de sisteme este limitată de tehnologia CCD. În prezent, tehnologia CCD corespunzătoare matricelor plasate în planul focal al sistemelor digitale de preluare a imaginii, este tipic limitată la dimensiunea cadrului de sub 8K × 8K pixeli. Când este folosită pentru culegerea datelor tehnica scanării (baleierii) liniare, procesul de culegere a datelor se aseamănă cu cel utilizat de multe sisteme satelitare şi pemite realizarea unei mult mai largi acoperiri transversal direcţiei de zbor, practic de până la 20.000 pixeli. Totuşi, sistemele de scanare (baleiere) liniară aeropurtate sunt foarte mult dependente de calitatea datelor culese de echipamentele ABGPS şi UMI, care sunt mai puţin stabile decât cele provenite de la sistemele similare, montate la bordul platformelor satelitare (sateliţilor). Pierderile de semnal sau date din culegerea datelor ABGPS şi/ sau UMI, respectiv prelucrarea acestor date, impune tipic refacerea zborului de preluare a imaginilor. Abordările bazate pe scanarea liniară, solicită de asemenea modele geometrice ale senzorului, care nu sunt în mod obişnuit suportate de toate pachetele de programe pentru compilare digitală. Practic, fiecare implementare solicită în general un model specific, pentru a asigura precizia, integritatea şi cerinţele de cooperare ale ofertanţilor/ vânzătorilor de sisteme de preluare a imaginilor şi respectiv programelor (software) de exploatare. 12 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie 2.1.3 Sisteme satelitare Un număr de sisteme satelitare comerciale de teledetecţie sunt acum producătore de imagini de înaltă calitate şi cu un domeniu dinamic superior. Curent sunt preluate imagini, cu o valoare a elementului de eşantionaj (GSD - ground sampling distance), de 0.5 – 0.6 m / pixel, iar ca exemple reprezentative se pot cita sateliţii WorldView – 1 şi QuickBird. Această rezoluţie foarte ridicată, suportă cartări la scara 1 : 20.000 sau mai mică, ce sunt sunt practic aplicate, în programele naţionale sau cele regionale. Imaginile satelitare conduc în principal la abordări automate, care implică extragerea de cote, operaţie ce solicită sublinierea următoarelor aspecte: Rezoluţia imaginii limitează în general produsele derivate, la hărţi unde specificaţiile sunt mai uşor de îndeplinit şi reducerea la ,,terenul descoperit (bare earth)”, de asemenea, uşor de realizat. În cazul domeniului dinamic superior (mai mare decât 8 biţi/ pixel) algoritmii de corelare sunt mult mai distinctivi (discriminatorii) şi tind să producă cele mai bune rezultate. Scenele (imaginile) terenului, excepţie făcând cele aferente zonelor urbane cu detalii foarte înalte, nu sunt în general atât de ,,complexe” ca cele conţinute în hărţile la scări mari. Se accentuează creşterea cererii de MDA pentru vizualizarea bazelor de date necesare simulării ,,fly – througs” – tehnică de vizualizare a terenului, utilizată în simulările pe calculator şi generarea imaginilor (scenelor) perspective. Pentru că multe din aceste baze de date nu solicită precizie ,,cartografică”, la crearea lor este cerut un efort mic de editare. 13 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Îmbunătăţirea preciziei de poziţionare, adesea fără cerinţa de a se executa aerotriangulaţie, scurtează timpul de la culegere la exploatare. Totuşi, sistemele satelitare pot fi problematice din anumite puncte de vedere şi pot crea anumite inconveniente, dintre care se pot menţiona: Acoperirea cu nori este o problemă importantă, care împiedică folosirea imaginilor satelitare într–un număr de zone de pe suprafaţa sferei terestre. În varianta cea mai bună, perioada de timp pentru culegerea imaginilor se poate prelungi până la apariţia momentelor favorabile, iar varianta cea mai defavorabilă corespunde constatării că preluarea de imagini satelitare în zonă este nepracticabilă. Sistemele satelitare diferă foarte mult în ceea ce priveşte mijloacele de preluare a imaginilor stereoscopice. Diferite sisteme de înregistrare a imaginilor preluate în cadrul unei revoluţii (rotaţii) în jurul Pământului sunt orientate spre condiţiile meteorologice dintre momentele de înre- gistrare, care pot fi de ordinul a 10 zile. Unele sisteme sunt recomandate, dar pot fi deficitare în privinţa rezoluţiei, ele având o precizie slabă. Lipsa generală a unei forme standardizate privind conţinutul datelor fotogrametrice suport şi a modelelor documentate ale geometriei senzorului, amândouă împiedicând dezvoltarea exploatării sistemelor. Dintre dezavantajele anterior menţionate, cele mai semnificative sunt acoperirea cu nori şi lipsa datelor suport standardizate, asociată celei a modelelor senzorului. Acoperirea cu nori este în general, o situaţie a comportamentului vremii, practic un ,,fapt din viaţa curentă”, iar cerinţele acoperirii scăzute cu nori, trebuie să 14 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie fie judicios balansate faţă de cadrul de timp, în consecinţă condiţionat de vremea locală şi eşantioanele sezonale ale vremii. Există multe modele geometrice ale senzorului pentru sateliţi, chiar mai multe decât practic însăşi numărul acestora, dar, multe sisteme nu sunt riguros încercate, pentru testarea caracteristicilor de operare şi sursele de erori ale sistemului. Existenţa acestei situaţii, se datorează în principal următoarelor considerente: Modelele geometrice ale senzorilor satelitari sunt de departe mult mai complexe decât cele ale camerelor cu cadru clasice aeropurtate şi chiar ale sistemelor digitale aeropurtate. Înţelegerea întregului lanţ de propagare al erorilor, este în afara nivelului de cunoaştere al multor fotogrametrişti şi utilizatori finali de azi. Sistemele satelitare diferă foarte mult în ceea ce priveşte proiectarea şi operarea, excluzând adoptarea unui standard. Aspectele privind proprietatea sistemelor sunt adesea păzite de operatorii de sisteme. Condiţiile de operare şi în mod considerabil geometria, pot să difere foarte mult în cadrul unui proiect, spre deosebire de geometria stabilă şi de încredere a filmului şi chiar a sistemelor digitale aeropurtate. Unele progrese au fost făcute de către agenţiile guvernamentale, şi mult mai notabil de Consorţiul OpenGIS (OGC) cel puţin pentru începerea standardizării distribuirii modelelor de senzori şi a datelor, bazate pe polinoame. Prin cerinţa de a se executa la început aerotriangulaţie, operaţie întâlnită în cadrul multor proiecte unde este solicitată pentru executarea georeferenţierii, se permite cel puţin ofertanţilor/ 15 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie vânzătorilor de staţii digitale de lucru, să folosească o formă comună de exploatare a acestora. De asemenea, trebuie subliniată marea varietate a sistemelor satelitare utilizate pentru culegerea imaginilor stereoscopice, bazate pe senzori în majoritate cu operare de tip pushbroom, dar şi whiskbroom, unde problema standardizării este extrem de dificilă. 2.2 Proceduri de calibrare (etalonare) În general, calibrarea se aplică echipamentelor folosite la preluarea imaginilor şi a datelor suport (ajutătoare sau auxiliare). Furnizorii de servicii de cartare trebuie să determine dacă este necesară calibrarea completă a sistemului, sau dacă se poate aplica calibrarea la nivelul componentelor. Din nefericire, când se iau în considerare toate tipurile disponibile de sisteme pentru preluarea imaginilor, calibrarea la nivel de componente este esenţial imposibilă. Abordările pentru calibrarea sistemului includ multe puncte de verificare din proiectele executate, sau sunt focusate pe o zonă (arie) pilot şi examinarea foarte atentă şi minuţioasă a rezultatelor produselor obţinute. Calibrarea sistemelor de culegere a datelor, astfel cum sunt staţiile de lucru pentru exploatare analitică şi digitală, consideră mai întâi certificarea că parametrizarea matematică din aceste staţii de lucru, reflectă perfect sistemul de culegere a datelor şi orice rezultate ale aerotriangulaţiei. În al doilea rând, procedurile de conversie a datelor culese într–un format de MDA final, vor fi supuse unui proces de revedere şi acceptare. 16 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie 2.2.1 Sisteme convenţionale Utilizate de mai multe zeci de ani, sistemele camerelor fotoaeriene clasice, care operează cu film, beneficiază de mijloace standard pentru calibrare şi raportare a rezultatelor. Numai relativ recenta integrare a datelor provenite de la ABGPS şi UMI a îmbunătăţit rezultatele din raportarea şi monitorizarea standardizată. Curent, certificatele de calibrare ale sistemelor cu film includ: lungimea distanţei focale calibrate; coordonatele punctului principal, exprimate în sistemul de coordonate al imaginii; distorsiunile radiale şi tangenţiale ale obiectivului. Certificatele de calibrare ale sistemului camerei sunt întocmite la intervale de timp uniforme, adesea chiar anual, iar formatele de raportare de la diferite agenţii internaţionale şi grupuri private sunt standardizate şi convertibile de la una la alta. Curent, camerele au o calitate metrică foarte înaltă, ceea ce face ca distorsiunile să însumeze doar câţiva microni. Dacă echipamentele ABGPS şi UMI sunt utilizate în cadrul înregistrărilor executate cu sistemele ce operează cu film, legătura dintre acestea, avion (platforma purtătoare) şi cameră trebuie să fie considerată cu multă atenţie. Cu toate că raportarea sa nu este solicitată în proiecte, ea este foarte îndeaproape monitorizată de către companiile responsabile pentru cartare. Factorii din acest proces de calibrare includ: Ridicarea poziţiilor antenei (receptorului) GPS şi ale dispoziti – vului unităţii de măsurare inerţială (UMI), relative la cameră, în cadrul de referinţă al avionului (platformei purtătoare). Calibrarea unităţii de măsurare inerţială (UMI), denumită în limba engleză ,,boresighting”, care înseamnă determinarea cu precizie a unghiurilor de înclinare φ,ω,k, ale axei optice a obiectivului camerei. 17 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie În practica normală, poziţiile antenei GPS şi UMI, sunt determinate în raport cu cadrul de referinţă al avionului, prin tehnici de ridicare de teren, ce dau uşor precizii ale abaterii de ordinul 3 cm, sau mai mici. Alinierea axelor optice ,,boresighting”, pe de altă parte solicită o procedură care implică un domeniu bine controlat şi mai multe zboruri realizate periodic. Rezoluţia unghiulară de 0.1 minute de arc sau mai bună, este imposibilă pentru calibrare în alte condiţii decât, cele din situ. Rezultatele calibrării (,,boresighting”) sunt abaterile unghiulare ale UMI, relative la axul optic al obiectivului camerei. Calibrarea (,,boresighting”) este realizată în primul rând, aerofotografiind (zburând) un domeniu bine controlat (o zonă care conţine un număr mare de puncte de reper - control points - determinate foarte precis), folosind benzi de imagini preluate normal, la dus şi la întors, precum şi multiple benzi transversale, preluate deasupra zonei. Imaginile obţinute sunt apoi supuse unui proces de aerotriangulaţie, pe baza căruia sunt calculate diferenţele unghiulare din axul fiecărei benzi. Procesul de aerotriangulaţie trebuie să utilizeze cele mai stringente abordări, şi adesea implică un oarecare nivel de ,,autocalibrare”, astfel cum sunt abaterile poziţionale lente ale antenei GPS şi UMI în cadrul de referinţă al avionului, care au loc în timpul procesului. Depinzând de montarea exactă a dispozitivului unităţii inerţiale de măsurare (UMI), calibrarea (boresighting), poate să fie efectuată într–un domeniu local şi de asemenea atât înainte cât şi după realizarea misiunilor de zbor, peste zona aferentă proiectului. Dacă dispozitivul UMI este montat într–o poziţie şi manieră, care exclude contactul inadvertent, el va fi stabil pentru perioade lungi de timp, iar calibrarea (boresighting) va fi necesară numai după câteva luni. Dacă pe de altă parte, este montat într–o zonă ,,deschisă”, susceptibilă de a fi lovită sau ,,deranjată”, unitatea de măsurare inerţială poate necesita calibrare pentru fiecare proiect sau zbor. 18 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie 2.2.2 Sisteme digitale Sistemele digitale aeropurtate variază de asemenea, foarte mult în ceea ce priveşte modul lor de operare. Cele tip cadru, unde toţi pixelii sunt culeşi (înregistraţi) simultan, într–o manieră analogă cu expunerea de la camerele clasice cu film, pot fi cu siguranţă supuse unor linii directore privind calibrarea, similare camerelor clasice. Un număr de sisteme digitale aeropurtate, utilizează barete (şiruri) de elemente fotosenzitive (CCD), care operează pe principiul poshbroom, şi în consecinţă prezintă aceleaşi probleme ca şi cele montate la bordul sateliţilor. Multe utilizează echipamente ABGPS/ UMI şi solicită aceeaşi calibrare asociată cu procedura de ,,boresighting” ca şi la sistemele cu film. 2.2.3 Sisteme satelitare În prezent nu există o cale mai fezabilă pentru efectuarea calibrării sistemelor satelitare, alta decât aprecierea preciziei totale a sistemului, peste un domeniu test calibrat, la intervale de timp periodice, în general după fiecare lună. Chiar dacă este realizată calibrarea, inabilitatea de standardizare a parametrilor şi raportarea privind diferitele tipuri de sateliţi, este insurmontabilă. În contextul unui proiect, utilizatorii finali, adesea trebuie să recurgă la eşantionarea statistică a punctelor de verificare (checkpoints) pentru a asigura aderenţa generală la specificaţiile de precizie, sau proiectele pilot care pun la dispoziţie precizia sistemului. 19 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie 2.3 Consideraţii privind proiectarea preluării imaginilor Proiectarea culegerii tuturor tipurilor de date fotogrametrice, include consideraţii, care privesc următoarele aspecte: Scara imaginii comparativ cu scara produsului final; Consideraţii privind sezonul (perioada) din an de preluare (înregistrare) a imaginilor, legată de starea fenologică a vegetaţiei (înfrunzit/ des – frunzit); Numărul şi distribuţia punctelor de sprijin sau reper, respectiv a punctelor de verificare; Consideraţii legate de GPS aeropurtat (ABGPS). Condiţii atmosferice. Abordările bazate pe camerele clasice, care operează cu film fotografic sunt foarte bine parametrizate. Specificaţiile şi liniile directoare de la diferite organisme coordonatoare, acoperă deplin toate aspectele. Aceleaşi afirmaţii pot fi făcute referitor la preciziile produselor obţinute conform standardelor şi liniilor directoare. Sistemele satelitare şi cele digitale aeropurtate, sunt mult mai dificil de acoperit, datorită naturii culegerii digitale şi diferitelor tipuri de culegere a imaginii, dar cu certitudine trebuie să se adere la specificaţiile produselor. 2.3.1 Rezoluţia imaginii Rezoluţia imaginii este legată de tipurile de produse solicitate şi preciziile impuse acestora. În cazul sistemelor care operază cu film fotografic, diferitele clase de precizie, specifice fiecărui tip de produs, sunt legate de scara fotografică sau scara imaginii (fotogramei), prin intermediul specificaţiilor. Pentru sistemele de senzori satelitari sau cele corespunzătoare camerelor digitale aeropurtate, conceptul de scară 20 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie este înlocuit cu conceptul GSD (ground sampling distance – distanţă de eşantionaj la nivelul terenului), sau rezoluţia imaginii. Astfel, compararea sistemelor care operează cu film, cu sistemele bazate pe senzori digitali (electronici), este mult mai uşoară, prin compararea rezoluţiei imaginii sau a GSD corespunzător fiecăruia. GSD corespunzând unei imagini este reprezentat de mărimea unui pixel, proiectat pe suprafaţa terenului şi este raportat ca unităţii liniare/ pixel, ca de exemplu 1 metru/ pixel, 1 picior (feet)/ pixel etc. În cazul sistemului digital, el este funcţie de distanţa focală, altitudine (sau distanţa de la senzor la teren) şi dimensiunea unui element fotosenzitiv CCD. Pentru sistemele camerelor fotoaeriene clasice, acesta este o funcţie de rezoluţia imaginii scanate (exprimată ca număr de puncte (dots)/ ţol (inch), dar mult mai obişnuit, ca microni (μ)/ pixel), în legătură cu scara fotografică sau scara imaginii fotografice. Experienţa a arătat că rezoluţia de scanare (digitizare) cuprinsă între 10 – 20 microni este suficientă în toate cazurile de culegeri de date pentru generarea MDA, precum şi de culegere a datelor necesare planimetriei, atât în termenii preciziei produsului, cât şi ai celor de interpretare. Folosind scara fotografică şi rezoluţia de scanare, GSD pentru un sistem care operează cu film poate fi calculat astfel: GSD = scara fotografică × (1/dpi). unde scara imaginii fotografice este exprimată în picioare (foot)/ inch (ţoli) şi rezoluţia de scanare în puncte (dots)/ inch (ţoli). De exemplu, pentru rezoluţia de scanare de 1.700 dpi la o scară a imaginii fotografice de 1 : ~8.000 rezultă GSD de ~ 12cm. Aceeaşi relaţie poate fi folosită pentru a determina scara fotografică a unui sistem digital satelitar sau a unuia aeropurtat, dacă GSD este cunoscut şi de asemenea, dacă dimensiunea efectivă a elementului fotosenzitiv CCD este cunoscută. De exemplu, presupunând că elementul CCD este de 12µ (2.117 dpi) şi GSD de 0,8m., scara fotografică echivalentă este de ~ 1 : 18.000. 21 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Trebuie foarte multă atenţie să nu se confunde GSD cu rezoluţia interpretativă. În timp ce aceasta este rezoluţia adevărată (reală), GSD reprezintă amprenta pixelului la nivelul terenului, iar interpretarea (identificarea) unei trăsături (linii) este adesea mai bună decât valoarea GSD. 2.3.2 Starea fenologică a vegetaţiei În particular, pentru toate hărţile la scări mari, aproape toate culegerile (preluările) de imaginii trebuie să fie realizate în timpul perioadelor fenologice caracterizate prin lipsa frunzişului, pentru a se realiza culegerea optimă a datelor de cotă necesare generării MDA. Numai cu arborii fără frunziş se poate atinge culegerea cotelor la nivelul terenului descoperit (bare earth). Pentru hărţile realizate la scări mici, consideraţiile privind situaţia fenologică, înfrunzit/ desfrunzit pot fi adesea diminuate, în sensul culegerii cotelor la nivelul mediu al coroanei arborilor, pentru ca apoi să fie reduse la nivelul terenului descoperit. În cazul unui utilizator care solicită datele de cotă numai pentru producţia ortofoto digitală, cerinţa lipsei frunzişului, se poate rezolva asemănător. 2.3.3 Puncte de sprijin sau de reper (Ground control points) Numărul şi distribuţia punctelor de sprijin sau de reper (ground control points) se bazează primar pe prezenţa suprafeţelor ocupate de apă, în interiorul perimetrului proiectului şi pe implicaţia, dacă echipamentele ABGPS/ UMI sunt folosite pentru culegerea datelor. De multe ori când ambele echipamente ABGPS/ UMI sunt implicate în procesul de culegere a datelor, se poate renunţa la aerotriangulaţie pentru unele proiecte, în care punctele de reper servesc ca puncte de control al calităţii. 22 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Datele provenite de la GPS aeropurtat, chiar culese într–un număr minim, diminuează foarte mult cantitatea de puncte de reper solicitate pentru toate tipurile de proiecte. Datele provenite de la ABGPS, servesc în esenţă ca ,,puncte de reper" adiţionale, în timpul etapei de aerotriangulaţie. Costul acesteia este în general mai mic cu 10% din costul total al proiectului, pe ansamblu, datorită abordării digitale automate a aerotriangulaţiei. Din punct de vedere al furnizorului de servicii, totuşi, punctele de reper pot induce costul şi logistica proiectului: Este dificil să se măsoare şi să se premarcheze cu panouri, punctele de reper în zonele urbane dense. Unele municipalităţi sunt slab echipate pentru a realiza această sarcină, deoarece ea este executată numai la intervale periodice. Premarcarea cu panouri, dacă este solicitată, impune cel puţin o problemă de logistică, ce impune sincronizarea cu misiunile de zbor (aerofotografiere). Unor municipalităţi li se solicită să menţină suficiente puncte de reper, în special în zonele cu vegetaţie extensivă sau cu suprafeţe acoperite de apă. Prezenţa unor suprafeţe mari sau numeroase, acoperite cu apă poate solicita benzi de imagini trasversale, care ajută cuprinderea zonelor cu apă, pentru a pune la dispoziţie puncte de reper până la limita apei. Dacă stereomodelele complete nu sunt posibile peste apă, vor fi solicitate puncte de reper adiţionale pe fiecare parte a zonei. Punctele de reper sunt în general marcate cu panouri, anterior aerofotografierii. Dar, această operaţie implică consum de timp şi planificarea unor costuri. În unele cazuri, pot fi utilizate pentru control (reperi), puncte foto-identificabile, care sunt uşor de identificat şi măsurat (determinat), la toate scările solicitate în proiect. 23 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie 2.3.4 Consideraţii privind GPS aeropurtat ( ABGPS) Proiectarea zborului (aerofotografierii) luând în consideraţie implicaţiile utilizării echipamentului ABGPS, schimbă substanţial acoperirea generală cu imagini a zonei cuprinse într–un proiect. Prin utilizarea GPS aeropurtat, benzile tradiţionale transversale, care menţin rigoarea unui bloc de imagini, în general nu mai sunt necesare. Numai proiectele care cuprind o zonă configurată neuniform, sau includ suprafeţe cu luciuri de apă, vor solicita unele tipuri de benzi transversale. În plus, timpul din zi trebuie să fie atent şi judicios considerat, pentru a se asigura o configuraţie adecvată de sateliţi. Timpii când sateliţii sunt sub orizont trebuie să fie eliminaţi, iar pentru aceasta pot fi utilizate programe sofisticate de proiectare a misiunilor de aerofotografiere, care iau în considerare acest aspect. Perioadele de timp cu scăderi sau licăriri ale luminii solare, care interferează cu semnalele GPS, trebuie de asemenea să fie eliminate. 2.3.5 Condiţii atmosferice În general, condiţiile atmosferice se referă la zilele lipsite de acoperire cu nori şi preferabil fără condiţii de ceaţă josă, cauzată de nivelul ridicat al umidităţii. Pentru generarea MDA preluarea de imagini sub acoperirea cu nori poate fi considerată că oferă o iluminare încă suficientă, pentru a se măsura şi interpreta zonele cu contrast scăzut. În cazul imaginilor satelitare, acoperirea cu nori nu trbuie să depăşească 10%, în marea majoritate a situaţiilor. Aşa cum s–a specificat anterior, acesta este poate factorul cel mai limitativ, pentru imaginile satelitare din multe zone ale lumii. 24 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie 2.4 Tehnologia fotogrametrică Acest paragraf cuprinde tehnologiile fotogrametrice utilizate în practica actuală, accentul fiind pus pe extragerea datelor altimetrice şi planimetrice. Este inclusă o scurtă trecere în revistă a echipamentelor (aparaturii) şi a procedurilor, subliniindu–se abordările noi. Ca referinţe pentru cartarea cu camerele fotoaeriene clasice au fost utilizate specificaţiile şi liniile directoare internaţionale. 2.4.1 Aerotriangulaţia Progresele din aerotriangulaţia automată au influenţat foarte mult întregul flux tehnologic al prelucrării digitale. Implementările robuste reduc masiv proiectele, prin generarea punctelor de legătură (pass points – între imaginile unei benzi şi tie points – între benzi), lăsând numai ordonarea şi măsurarea punctelor de reper, pentru cei ce execută aerotriangulaţia. Cu fiecare creştere de încredere bazată pe echipamentele ABGPS/ UMI, aerotriangulaţia automată pune la dispoziţie costuri eficiente ale controlului calităţii, prin verificarea rezultatelor înainte ca ele să fie produse. Aşa după cum viteza şi robusteţea aerotriangulaţiei automate cresc, abilitatea pentru controlul calităţii rezultatelor culegerii şi prelucrării datelor ABGPS/ UMI devine critică, atât pentru producător cât şi pentru satisfacerea utilizatorului final cu produsele livrate. La un nivel minim, această capabilitate poate fi folosită pentru a aprecia orientarea relativă a imaginillor de la una la alta, înaintea cercetării detaliate a zonelor suspecte cerută operatorului. La nivel complet, ea poate stabili dacă se scade cadrul de timp şi în consecinţă, preţul de cost. 25 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie 2.4.2 Metode fotogrametrice aplicate pentru generarea modelelor digitale altimetrice (MDA) Metodele fotogrametrice pentru extragerea datelor utilizate la costrucţia MDA, pot fi grupate în trei clase: a). Metode bazate pe stereocompilare:  Culegerea tradiţională fotogrametrică a datelor la staţiile de lucru analitice utilizând observarea directă a imaginilor înregistrate în format analogic pe film (hardcopy).  Culegerea datelor prin intermediul staţiilor fotogrametrice digitale având implementată funcţia de observare stereoscopică, din imagini transpuse în format digital prin scanare, sau preluate direct în acest format, cu ajutorul camerelor fotoaeriene digitale. b). Culegerea automată a datelor de cotă prin corelare digitală, folosind ca sursă de date imaginile stocate pe film digitizate (transpuse digital) sau imaginile preluate direct în format digital. c). Aplicarea pentru culegerea datelor altimetrice a unei proceduri hibride. Modelele digitale altimetrice generate prin aceste metode, au fost focusate în trecut în principal pe producţia curbelor de nivel, pentru planurile şi hărţile topografice. De asemenea, este de menţionat accentul deosebit pus pe producţia ortofoto digitală din ultimii zece ani, ce a promovat conceptul de set de date de cotă digitale special angrenate în acest efort. 26 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Modelele digitale altimetrice specifice producţiei ortofoto (,,Ortofoto MDA”) necesită mai puţin timp pentru a fi generate şi în consecinţă un preţ de cost semnificativ mai redus, comparativ cu modelele realizate ca principal suport al generării curbelor de nivel. De când multe proiecte implică producerea datelor planimetrice în plus faţă de datele de cotă generale şi ortofoto digital, este dificil să se determine costul generării modelului digital altimetric. Multe tehnici de producţie folosesc culegerea planimetriei pentru a iniţializa generarea MDA prin extragerea cotelor de la datele planimetrice, care sunt în general culese 3D, cu codarea detaliilor planimetrice, utilă în determinarea punctelor utilizabile pentru ,,terenul descoperit”. Numeroase firme, companii şi agenţii aplică o mixtură a metodelor menţionate mai sus şi utilizează de obicei imaginile stocate pe film (hardcopy) precum şi imaginile preluate direct în format digital, exploatate la staţiile fotogrametrice digitale. În prezent, toate firmele şi companiile se dotează cu staţii fotogrametrice digitale pentru culegerea datelor de cotă. Tehnicile de corelare digitală au devenit operaţionale şi se utilizează pentru producţia MDA de peste 10 ani, dar folosirea lor preponderentă este pentru proiectele care includ aplicaţii realizate la scări medii şi mici. Prezintă interes abordarea hibridă, deoarece se dovedeşte a fi eficientă şi expeditivă, un exemplu concludent fiind producţia ortofoto digitală pentru aplicaţiile la scări mici. MDA utilizate în cadrul lor pot fi culese rapid şi precis pentru unele tipuri de terenuri, asigurând realizarea de produse ortofoto digitale la scară mică, mult în avans faţă de cele executate la scară mare. 2.4.3 Rectificarea şi georeferenţierea imaginilor Imaginile georeferenţiate sunt definite ca fiind acele imagini în care coordonatele teren 3D pot fi reprezentate (cartate) matematic în spaţiul imagine 2D şi invers. Nici o cartare de orice tip, nu poate să fie demarată până când toate imaginile 27 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie culese nu sunt precis legate de cadrul de referinţă al terenului. În multe cazuri, această operaţie solicită efectuarea unui proces de aerotriangulaţie, dar pentru unele situaţii poate fi realizată cu ajutorul datelor culese de GPS aeropurtat (ABGPS – Air Borne GPS) şi unitatea de măsurare inerţială (UMI). Imaginile georeferenţiate solicită întotdeauna un model geometric al senzorului, care să modeleze foarte precis următoarele componente:  Orientarea interioară;  Transformarea imaginilor din format analogic (hardcopy) în format digital prin scanare, în cazul folosirii camerelor clasice (cu film) la preluare;  Orientarea exterioară;  Efectele atmosferice care afecteză coordonatele imagine şi corectarea lor;  Efectul de curbură a Pământului şi sistemul de corectare a coordonatelor pentru acest efect. Orientarea interioară se referă la elementele imaginii şi legătura cu sistemul optic folosit pentru culegerea lor. Acestea includ informaţii referitoare la: distanţa focală a obiectivului folosit în cadrul opticii de formare a imaginii, coordonatele ,,punctului principal” exprimate în sistemul de coordonate al imaginii şi toate distorsiunile cunoscute datorate opticii de formare a imaginii şi de asemenea, senzorului de imagine, reprezentat de emulsia fotografică pentru senzorii clasici, respectiv elementele CCD în cazul celor electronici. Punctul principal este definit ca intersecţia axei optice sau axei principale a obiectivului cu planul focal al camerei sau planul imagine şi serveşte ca origine a sistemului de coordonate imagine. Camerele care opereză cu film, după cum este cunoscut, folosesc indici de referinţă imprimaţi pe cadrul camerei (,,fiducial points”) plasaţi în colţurile şi respectiv mijloacele laturilor cadrului, puncte care definesc originea sistemului coordonatelor imagine şi totodată un context pentru poziţionarea punctului principal. 28 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Fig. 2.4 – Indici de referinţă Distorsiunile obiectivului sunt modelate în general ca fiind alcătuite din componente radiale şi tangenţiale, faţă de punctul principal. Fig. 2.5 – Distorsiunile obiectivului faţă de punctul principal Pentru sistemele de preluare digitală a imaginii, atât cele aeropurtate cât şi cele plasate pe platforme care se deplasează în spaţiul cosmic (space-borne), sistemul de coordonate imagine este definit în raport cu tipul senzorului utilizat: baretă (linie) de elemente fotosenzitive sau matrice. În marea lor majoritate, senzorii platformelor satelitare sunt reprezentaţi de linii (barete) de elemente fotosenzitive (CCD), care operează pe principiul pushbroom, iar coordonatele imagine sunt exprimate în sistem pixel. În cazul platformelor aeropurtate, sunt folosite atât liniile (baretele) de elemente fotosenzitive, iar cel mai concludent exemplu este cel al camerei digitale 29 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie ADS40, cât şi matricele, reprezentativă fiind în acest sens camera DMC. Sistemul coordonatelor imagine folosit în ambele situaţii este sistemul pixel. Un element care trebuie reţinut este eliminarea deformaţiilor datorate filmului, în cazul senzorilor analogici de preluare a imaginii. La operarea în mediul digital, fotogramele preluate pe film (hardcopy) sunt transpuse în formatul digital prin scanare folosind echipamente (scanere) fotogrametrice de înaltă precizie. În acest caz, indicii de referinţă trebuie să fie măsuraţi în spaţiul imaginii digitale, iar transferul de la pixeli la coordonatele imagine este realizată utilizând diferite transformări. Pentru scanerele de înaltă precizie, transformarea aplicată este în general transformarea afină (liniară), dar unele tipuri de scanere pot să necesite o transformare în cadrul căreia polinoame de ordin superior sunt modelate pe baza elementelor finite. La staţiile de lucru analitice, operatorul măsoară coordonatele indicilor de referinţă folosind dispozitivul de operare în mod comparator, pe care se bazează construcţia echipamentului (aparatului), şi astfel transformă coordonatele din sistemul instrumentului de măsurare, în sistemul coordonatelor imagine. Orientarea exterioară a unei imagini se referă la coordonatele poziţiei spaţiale şi orientarea unghiulară a sistemului de preluare a imaginii, exprimate în sistemul de coordonate al cadrului de referinţă al terenului. În cazul camerelor care operează cu film, aceasta solicită numai coordonatele poziţiei staţiei de expunere/ preluare ( centrul obiectivului camerei sau punctul nodal) şi orientarea (poziţia) unghiulară a camerei în spaţiul terenului. Pentru că multe sisteme de preluare digitală a imaginii folosesc sisteme de baleiaj liniare (barete de elemente fotosenzitive cu operare tip poshbroom), staţia de expunere diferă pentru fiecare linie de imagine. În acest caz, elementele orientării exterioare variază în timp şi adesea această variaţie este modelată ca funcţie neliniară ce necesită unele măsurători de timp legate de liniile imaginii. Acestea sunt mult mai dificil de modelat precis şi în general solicită date de la receptorul GPS şi unitatea de măsurare inerţială (UMI). 30 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Refracţia atmosferică va altera coordonatele imagine ale unui punct aparţinând unui obiect înregistrat din spaţiul obiect, deoarece razele de lumină se curbează la trecerea (travrsarea) prin straturile atmosferei. Astfel, punctele imagine necesită corecţii pentru a se determina poziţia lor nerefractată. În prezent, sunt disponibile modele standard atmosferice şi formule de corecţie pentru multe tipuri de sisteme. Efectele curburii Pământului se modelează în cadrul sistemului modelului senzorului sau ca o transformare secundară a sistemului de coordonate. Datele GPS şi IMU pot fi combinate pentru a defini orientarea exterioară a imaginilor. Pentru aceste sisteme însă, trebuie verificate foarte riguros calitatea şi modelul coordonatelor teren, precum şi transformările de referinţă (datum). Dacă datele provenite de la ABGPS şi UMI nu sunt suficient de precise, pentru a asigura o georeferinţă satisfăcătore imaginilor implicate în proiect, atunci se impune efectuarea aerotriangulaţiei. Aerotriangulaţia se referă la procesul de măsurare a unui număr de puncte pe stereomodelele realizate în zona aferentă proiectului, puncte care trebuie să includă punctele de aerotriangulaţie propriu-zise şi punctele de sprijin sau reper de la determinarea elementelor de orientare exterioară. Acest proces utilizează modelul senzorului şi un proces de calcul (compensare), care produce cea mai bună potrivire cu realitatea din teren. Rezultatele aerotriangulaţiei includ coordonatele în spaţiul terenului pentru toate punctele măsurate, precum şi parametrii de estimare a preciziei calculului de compensare. Aerotriangulaţia se efectuează cu benzi de imagini agregate într-un bloc ce acoperă întreaga zonă a proiectului. Imaginile din fiecare bandă au între ele o acoperire longitudinală de cel puţin 60%, iar benzile adiacente se acoperă lateral cu minimum 30%. Utilizând stereomodelele create cu imaginile (fotogramele) din bloc, pe fiecare steromodel este măsurat un număr de puncte. Acestea includ : puncte de reper sau de sprijin (control points) cu poziţia orizontală şi 31 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie verticală (X,Y,Z) cunoscute, sau determinate numai orizontal (X,Y) ori vertical (Z). puncte de legătură (pass points) între imaginile unei benzi, plasate în zona centrală a imaginilor, cât şi în partea superioară şi inferioară a acestora. puncte de legătură (tie points) situate în zona de suprapunere dintre benzile care alcătuiesc un bloc. Fig. 2.6 – Puncte de legătură (tie points) Multe proceduri sunt focusate pe măsurarea punctelor de legătură (pass points) în centrul, partea stângă şi dreaptă a limitei zonei utile a fiecărei imagini (fotograme), în lungul direcţiei de zbor. Practic, aproape toate punctele de legătură centrale (pass points) cad în zona de triplă acoperire, dacă acoperirea longitudinală dintre imagini este de cel puţin 60%. Punctele de legătură laterale (tie points) sunt măsurate în partea superioară şi inferioară a fiecărei imagini, practic acolo unde benzile adiacente se suprapun lateral, astfel că multe din aceste puncte vor apărea pe 4 – 6 imagini. În acest context, măsurarea în poziţiile clasice ,,Von Gruber” va conduce la culegerea pe fiecare imagine a unei matrice de 3×3 puncte, excepţie făcând imaginile din capetele benzilor, unde sunt măsurate numai 6 puncte. 32 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Fig. 2.7 – Puncte de control Punctele de reper sau de sprijin (control points), sunt determinate, de regulă, foarte precis prin ridicări de teren şi alese ca puncte ce pot fi identificate cu uşurinţă şi exactitate pe imagini. În unele situaţii (în general când nu se găsesc detalii adecvate pentru alegerea lor) se premarchează înainte de executarea zborului. Pentru premarcare sunt folosite panouri din lemn sau plastic, iar la semnalizare, în cele mai multe cazuri, se folosesc eşantioane de tip cruce sau cerc. Punctele de reper trebuie să fie alese şi plasate în zone de teren plane, fără obstrucţii, astfel cum sunt arborii, care să le acopere sau diferite alte suprastructuri, uşor de identificat şi dimensionate astfel încât să fie precis măsurate la scara imaginii. Pachete de programe sofisticate de aerotriangulaţie determină simultan coordonatele teren aferente tuturor punctelor măsurate şi elementele de orientare exterioară, folosind o compensare bazată pe metoda pătratelor minime şi modelul geometric al senzorului. Acest proces produce ,,cea mai bună” potrivire a tuturor parametrilor (coordonate teren, măsurători ale punctelor imagine şi elemente de orientare exterioară), având o bază statistică a metodei pătratelor minime, abordare care facilitează estimarea preciziei complete a parametrilor. Practic, toţi parametrii includ estimări ale preciziei, care sunt folosite la creşterea stabilităţii şi rigorii soluţiei, bazată pe procesul pătratelor minime. Estimările de precizie se referă la : coordonatele punctelor de reper sau de sprijin; coordonatele punctelor imagine măsurate; coordonatele poziţiei spaţiale de expunere sau de preluare a imaginii, astfel cum sunt cele provenite de la GPS aeropurtat (ABGPS); modelarea parametrilor de derivă (abatere) a sistemului GPS aero- 33 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie purtat (ABGPS); orientarea unghiulară a senzorului, oferită de datele unităţii de măsu- rare inerţială (UMI). Utilizarea GPS pentru orientarea exterioară poate întări semnificativ rezultatele aerotriangulaţiei, în particular pentru proiectele realizate pe imagini preluate la scară mică. Coordonatele poziţiei de preluare a imaginii, determinate cu receptorul GPS, acţionează efectiv ca puncte de reper adiţionale în proces. Prin urmare, blocurile care utilizează determinări GPS, necesită puţine puncte de control (reper) iar, încorporarea şi a informaţiilor de la unitatea inerţială de măsurare, ce măsoră orientarea unghiulară a senzorului, întăreşte şi mai mult compensarea. Distribuirea (repartizarea) punctelor de reper pe suprafaţa blocului de imagini, este în general realizată în lungul laturilor, care definesc conturul blocului şi pe un mic număr de puncte de reper împrăştiate în centrul acestuia. Nu este recomandat ca numai 10 – 12 punte de reper să sprijine (controleze) un bloc alcătuit din sute de imagini, chiar dacă este folosit GPS aeropurtat. Pachetele de programe (sau sofware) pentru aerotriangulaţie, de asemenea, suportă ,,autocalibrarea (self-calibration)” unde parametrii orientării interioare şi parametrii derivei GPS aeropurtat (ABGPS) sunt de asemenea determinaţi în proces. Totuşi, orientarea interioară este bazată în general pe valori calibrate. 2.5 Tehnologii complementare Prezentarea abordărilor fotogrametrice necesită întotdeauna o trecere în revistă a tehnologiilor care evoluează rapid, manifestând un puternic impact asupra procesului de producţie. Aceste tehnologii sunt : sistemele de scanare (digitizare sau transpunere în format digital) a 34 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie imaginii. Fig.2.8 – Sistem de scanare receptorul GPS aeropurtat (ABGPS) şi unitatea de măsurare inerţială (UMI). Fig.2.9a – ABGPS (http://www.ese-web.com/291.htm) 35 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Fig.2.9b – UMI aerotriangulaţia efectuată automat. 2.5.1 FMC – Compensarea trenării Platforma este prevăzută cu un mecanism ce deplasează întreaga cameră sau senzorul acesteia pentru eliminarea fenomenului de „imagine mişcată” pe direcţia de zbor. Acest fenomen este cu atât mai pronunţat cu cât obturatorul camerei stă mai mult timp pe poziţia deschis, timp dictat de condiţiile de luminozitate în momentul achiziţiei. Fig. 2.10 Cazul camerelor digitale cu senzor de tip linie de detectori 36 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie 2.5.2 Platforma girostabilizatoare Utilizând datele de la unitatea inerţială (UMI) platforma încearcă să compenseze în timp real înclinările pe cele 3 axe prin înclinarea acesteia în sensuri contrare. Mişcările sunt realizate de servomotoare rapide. În urma acestor corecţii rămân totuşi înclinări mici care vor fi luate în calcul la post-prelucrare. Fig. 2.11 Platforma stabilizatoare GSM3000 37 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Fig. 2.12 Platforma stabilizatoare schema de lucru 2.5.3 Dispozitivul GPS aeropurtat (ABGPS) şi unitatea de măsurare inerţială UMI/ INS Fotogrametriştii au început să utilizeze GPS aeropurtat, pentru a întări rezultatele aerotriangulaţiei, prin înregistrarea precisă a poziţiilor spaţiale ale tuturor punctelor de staţie de preluare a imaginilor, cu aproximativ 15 ani în urmă. Cu datele culese de GPS aeropurtat, sunt necesare mai puţine puncte de sprijin (reperi la sol), deoarece coordonatele X,Y,Z, aferente staţiilor pot funcţiona efectiv ca puncte de sprijin, în procesul de aerotriangulaţie. Cu toate că aceasta reduce numărul de puncte de reper necesare, lipsa cunoaşterii elementelor de orientare ungiulară a senzorului (camerei), încă previne atingerea scopului final : eliminarea etapei de aerotriangulaţie 38 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie din fluxul tehnologic al operării. Totuşi, de câţiva ani progresele realizate în domeniul sistemelor unităţilor de măsurare inerţială, au început să faciliteze punerea la dispoziţie a orientării unghiulare a axului optic al camerei, cu precizii de ordinul a 0,2 – 0,4 minute de arc. Acestea, combinate cu o precizie mai bună de 15 cm, a datelor GPS, conduc la eliminarea aerotriangulaţiei la unele aplicaţii realizate în cadrul cartării la scări mari. De exemplu, pentru imagini preluate la scara de aproximativ 1 : 8.000, măsurătorile realizate cu unitatea de măsurare inerţială oferă valori unghiulare foarte precise şi de asemenea coordonate X,Y,Z ale staţiilor de preluare, ce ating precizia de aproximativ 12 cm, elemente tehnologice care satisfac generarea curbelor de nivel cu echidistanţa de 60 cm (Molander 2007). Echipamentele reprezentate de GPS aeropurtat (ABGPS) şi unitatea de măsurare inerţială (UMI) integrate, pot pune la dispoziţie suficientă precizie, fără aerotriangulaţie pentru a se îndeplini aproape toate specificaţiile ASPRS din clasa a II – a şi multe din clasa I – a pentru unele produse în care sunt incluse şi modelele digitale altimetrice. În plus, aerotriangulaţia bazată pe GPS aeropurtat şi unitatea inerţială de măsurare va necesita numai numărul minim de puncte de reper pentru a se atinge clasa I – a pentru toate proiectele. Această tehnologie este de asemenea extrem de critică pentru operarea corespunzătoare a sistemelor LIDAR şi de preluare aeropurtată a imaginilor. Întotdeuna când se utilizează sistemele integrate ABGPS/ UMI, trebuie multă precauţie pentru a se obţine rezultate de încredere. Perturbările atmosferice, lipsa sateliţilor GPS în timpul culegerii datelor şi alte discrepanţe ale sistemului se pot însuma şi pot conduce la rezultate slabe. 2.5.4 Sisteme de scanare a imaginii Cu sistemele de înaltă precizie şi viteză superioară de operare disponibile acum, companiile şi firmele pot continua să utilizeze atât extragerea de date din imaginile analogice (hardcopy) cât şi digitale (softcopy), pentru a satisface cerinţele 39 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie de cost, precum şi termenele solicitate în proiecte. Practic, aceste sisteme continuă să asigure că echipamentele clasice de preluare a imaginilor (camerele ce operează cu film) au o perioadă de viaţă extinsă. Sistemele de scanare au progresat în ultimii 10 – 15 ani în următoarele direcţii critice: timpul de scanare a scăzut de la 30 minute pentru imaginea standard (fotograma format 23×23cm), la numai 3 – 5 minute atât în cazul imaginilor de înaltă rezoluţie alb/negru cât şi color; acţionarea automată a bobinelor de film, a permis operarea rapidă şi sigură a sistemului; preciziile de ordinul 0,2 pixeli sau şi mai bune, sunt curente; în mediul de operare digital acestea sunt suficiente pentru a suporta atât aerotriangulaţia cât şi generarea altor produse; progresele din domeniul subsistemelor de senzori digitali asigură culegerea informaţiei de pe film (emulsia fotografică) la cel puţin 8 biţi pe pixel; în plus, sisteme de 10 şi 12 biţi pe pixel, sunt disponibile de la diferiţi ofertanţi; creşterea continuă a raportului eficienţă/ preţ de cost şi de asemenea, a gradului de siguranţă şi încredere. La o viteză de scanare de 4 minute pe imagine, peste 400 de imagini pot fi scanate într – un interval de timp de 24 de ore, cu un efort de intervenţie minim din partea operatorului. Viteza de scanare este acum la acelaşi nivel cu viteza de transfer comună reţelelor, asigurând promptitudine pentru utilizare în aerotriangulaţie. 40 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Vechile scanere erau adesea foarte sensibile la setarea procesului de scanare, producând rezultate mai slabe decat cele asteptate, cu excepţia situaţiilor unde se manifesa o atenţie deosebită la setare. În plus, vechea tehnologie digitală a camerelor, care introducea zgomot în imaginea digitală, a fost înlocuită cu o tehnologie îmbunătăţită, ce a mărit semnificativ raportul semnal/ zgomot. Odată cu creşterea domeniului dinamic şi a calităţii, setările sunt mai puţin critice, iar rezultatele sunt mult mai consistente. Creşterea domeniului dinamic, permite operaţii astfel cum este ,,copierea electronică digitală” şi reduce dependenţa de setarea culegerii prin scanare a datelor. Se ştie că unghiurile de iluminare ale soarelui şi ceaţa atmosferică se combină pentru a da tendinţele de strălucire şi contrast ale imaginii. Aceste două elemente interferă cu mozaicarea imaginilor ortofoto digitale şi de asemenea îngreunează corelarea digitală, precum şi compilarea stereoscopică. Prin creşterea domeniului dinamic, copierea poate fi realizată mai bine, iar copierea digitală electronică poate fi realizată mai eficient. 2.6 Metode de culegere a datelor 3D 2.6.1. Stereorestituitoare analitice O mare parte din exploatarea stereoscopică (stereorestituţia) actuală încă implică utilizarea echipamentelor analitice, care pun la dispoziţie observarea (vederea) directă a imaginilor preluate pe film (hardcopy). Proliferarea acestor sisteme s-a bazat în primul rând, pe utilizarea zilnică şi nivelul înalt de precizie atins pentru realizarea aerotriangulaţiei, generarea modelelor digitale altimetrice şi a datelor planimetrice. În structura lor includ sisteme puternice de calcul (hardware), iar pachetele de programe (software) utilizate la culegerea şi prelucrarea datelor sunt 41 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie în general similare cu cele folosite de sistemele staţiilor fotogrametrice digitale, ceea ce asigură utilizarea combinată în cadrul unui proiect. Avantajele primare ale acestui tip de sisteme rezidă în proliferarea lor şi marea cantitate de proceduri şi specificaţii publicate, referitore la tehnicile de utilizare. Obţinerea de personal calificat şi experimentat este oarecum uşoară pentru firmele şi companiile de producţie. Principale lor dezavantaje se referă la: Lipsa graficii stereoscopice suprapuse (superimposed), ceea ce face re- actualizarea datelor mai dificilă. Setarea (orientarea interioară, relativă şi absolută) manuală a fiecărui stereomodel. Discutabil, mult mai multe cerinţe pentru instruire, decât cele solicitate pentru sistemele staţiilor fotogrametrice digitale. Calibrarea continuă şi cerinţe generale de operare în condiţii de lumină diminuată (semi-întuneric) şi fixarea rigidă (fermă) a echipamentului de podea. Inabilitatea pentru utilizarea imaginilor preluate direct în format digital (softcopy). Aşa după cum tehnolgia ABGPS/ UMI se maturizează şi cerinţele pentru aerotriangulaţia completă scad, şi utilizarea sistemelor de compilare bazate pe imaginile preluate în format analogic (hardcopy), va scădea foarte mult. Stereorestituitoarele analitice pot solicita indexarea punctelor, care sunt derivate din rezultatele aerotriangulaţiei (puncte de legătură între benzi (tie points), puncte de 42 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie legătură între imagini (pass points) şi puncte de reper (control points)), pentru a se asigura precizia. Astfel, cel puţin o formă de aerotriangulaţie va fi necesară, sau punctele foto identificabile trebuie să fie măsurate pe imagini, pentru a permite utilizarea acestor echipamente în fluxul unui proiect. 2.6.2 Staţii fotogrametrice digitale Sistemele digitale au fost pentru prima dată introduse în mediul de producţie digital, la începutul anilor ‘90. După o perioadă de verificare a preciziei şi câştigarea acceptanţei operaţoinale, ele au început să înlocuiască masiv, echipamentele (aparatele) analitice. Principale avantaje ale exploatării digitale la staţiile fotogrametrice de lucru se referă la: Suprapunerea steroscopică grafică (grafics superimposition) a tuturor tipurilor de date geospaţiale peste imagine. Abilitatea de a utiliza fie imagini digitizate (scanate) de pe film, cât şi imagini culese direct în format digital. Abilitatea de realiza culegerea cu uşurinţă a datelor detaliilor planimetrice din produsele ortofoto digitale sau utilizarea produselor ortofoto digitale drept cadru al activităţii de culegere. Abilitatea de a se utiliza în comun mediul de lucru al biroului, cu toate că lumina redusă încă este preferată sau chiar cerută în unele cazuri. 43 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Ţinerea la zi (upgrading) cu uşurinţă a sistemului de calcul al staţiei şi a programelor de operare (hardware and software) cu progresele din tehnologie. Poziţia relativ liberă a capului operatorului în timpul operării, comparativ cu cea de la sistemele staţiilor analitice. În privinţa dezavantajelor, se pot menţiona următoarele aspecte: Trecerea prin faza de instruire ca operator în exploatarea fotogra – grametrică stereoscopică, familiară operării la sistemele staţiilor de lucru analitice. Discutabil, calitatea mai scăzută a obsevării stereoscopice, decât cea oferită de sistemele analitice şi analogice, unde este folosită observarea directă a imaginilor înregistrate pe film. Poate cel mai mare avantaj al staţiilor de lucru digitale, este abilitatea lor de a suprapune grafic datele în mediul stereoscopic. În contextul generării unui model digital altimetric, aceasta înseamnă că toate punctele de cotă şi chiar curbele de nivel, pot fi suprapuse peste imaginea efectivă a formei terenului. Abilitatea de a revedea datele existente, datele noi şi datele modificate (schimbate) este facilă, dacă toate acestea pot fi revăzute selectiv, în aceeaşi afişare stereoscopică. 44 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie 2.6.3 Abordări ale exploatării Când se folosesc staţiile de lucru analitice sau digitale este utilizat un număr de abordări standard:  Se extrag cotele punctelor caracteristice (reprezentative) şi liniile de frângere a pantei.  Este culeasă o matrice de valori digitale de cotă, care se întăreşte cu datele liniilor de frângere a pantei şi cotele digitale ale punctelor caracteristice.  Dacă trebuie să se realizeze exploatarea planimetrică, datele de cotă sunt adesea iniţializate (indicate) de la datele planimetrice, cu cotele punctelor caracteristice şi date ale liniilor de frângere a pantei adăugate, aşa după cum sunt cerute pentru a se finaliza un model digital altimetric (M.D.A). Dacă datele planimetrice nu sunt parte din ansamblul proiectului, sau dacă ele sunt programate să fie culese mai târziu, multe firme de cartare vor folosi operatori cu experienţă, concentrând operarea, pe culegerea liniilor de frângere a pantei şi a valorilor de cotă din punctele caracteristice. O linie de frângere a pantei este definită similar cu o linie poligonală, care practic defineşte schimbările de pantă ce se produc în lungul parcursului său şi poate include atât liniile din teren care s-au format natural, precum şi pe cele apărute ca rezultat al activităţilor umane. Exemplele comune de linii de frângere a pantei includ: liniile de creastă, liniile (firele) de vale, liniile marginilor terasamentelor, marginile râurilor, etc. De obicei liniile de frângere a pantei sunt întărite cu un număr de puncte cu cote proeminente (caracteristice), care vor completa ariile lipsite de frângeri de pantă naturale sau realizate în urma 45 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie activiăţii umane, pe suprafaţa terenului. Un număr de cote proeminente (spot elevation) sunt culese în punctele identificabile, pentru a lăsa ca sprijin o înregistrare de puncte, care pot fi verificate. Cotele proeminente sunt de asemenea culese în punctele de minim şi maxim local, care de regulă nu sunt reprezentate prin curbele de nivel. Efectiv, această abordare este la îndemâna operatorilor experimentaţi şi ea exprimă avantajul de a culege cantitatea minimă de puncte necesare, pentru descrierea completă a terenului. Cu puţine puncte asculese, operaţia de editare poate fi efectuată rapid şi finisarea de asemenea completată. Dacă se foloseşte o staţie fotogrametrică digitală, este obişnuit ca periodic să se genereze curbele de nivel în mediul de observare stereoscopică, pentru a asigura că punctele şi liniile de frângere a pantei au fost culese corespunzător. Unele firme de cartare, utilizează la culegerea datelor de cotă ale punctelor, o abordare bazată pe reţele (grile) sau profile, întărind aşa după cum este necesar, datele de cotă cu date ale liniilor de frângere a pantei şi date de cotă ale punctelor caracteristice. Acest mod de operare este specific zonelor de teren foarte neted, unde este dificil să se asigere că variaţiile sau schimbările foarte mici (subtile) ale reliefului au fost înregistrate corespunzător. De asemenea, trebuie subliniat că o astfel de abordare este folosită şi pentru hărţile realizate la scări foarte mici. Dacă datele planimetrice reprezintă o parte a proiectului de ansamblu, în plus faţă de modelul digital altimetric (MDA) şi/ sau curbele de nivel, atunci se obişnuieşte să se culeagă la început, datele aferente trăsăturilor sau detaliilor planimetrice, caracterizate prin atribute şi apoi să se deducă punctele de cotă prin filtrarea codurilor coresunzătoare datelor. Deoarece multe din detaliile planimetrice sunt culese la nivelul terenului descoperit, codurile lor pot fi folosite la extragerea cotelor şi chiar a liniilor de frângere a pantei (cum sunt de exemplu cele din lungul marginilor râurilor sau căilor de comunicaţii). În general, se culege numai o cantitate redusă de linii adiţionale de frângere a pantei. Însă, relativ multe puncte cu cote proeminte pot fi adăugate, adesea folosind o reţea (grilă) cu un pas mare, pentru a asigura că forma terenului este culeasă. 46 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie 2.6.3.1 Corelarea digitală Culegerea automată a MDA prin intermediul corelării digitale a imaginii, a fost o topică de cercetare şi implementare de peste 40 de ani. Odată cu apariţia sistemelor de calcul foarte performante din ultima decadă, au fost implementaţi algoritmi mult mai intensivi şi robuşti. Dintr-un punct de vedere mai larg, totuşi, corelarea digitală a fost văzută a fi puţin cam limitată, în ceea ce priveşte aplicarea sa în producţia de zi cu zi. Raţiunile primare pentru aceasta includ lipsa de înţelegere, lipsa de încredere şi mai întâi de toate, experienţa foarte slabă. Lucrările care se ocupă cu managementul şi editarea datelor de cotă culese automat sunt similare (comune) cu prelucrarea datelor de cotă deduse de la sistemele LIDAR. În ambele cazuri este produs un foarte mare număr de puncte de cotă, ce includ valori eronate şi zgomot, cote care sunt corectate în multe pachete de programe standard (de tip off – the – shelf ) pentru modelarea cotei terenului, utilizate în abordările de exploatare tradiţională. Progresele din tehnica de diminuare a numerelor mari de puncte şi cea de reducere a cotelor aferente structurilor construite de om la ,,teren descoperit (bare earth)”, vor fi inevitabil amendate în fiecare din cele două cazuri. Deducerea (derivarea) automată a cotelor prin corelare digitală, echivalează fundamental cu compararea directă a micilor elemente de suprafaţă ale pixelilor de pe imaginile conjugate sau cu compararea indirectă a informaţiei derivată din imaginile digitale. Tehnicile comparării directe au fost primele cercetate, îmbunătăţind lucrul efectuat în cadrul comparării informaţiilor derivate, astfel cum sunt trăsăturile definite prin liniile (limitele, marginile) din imagini. Tehnicile de culegere a liniilor/ trăsăturilor tind să fie superioare în proiectele corespunzătoare scărilor mari, iar cele bazate pe corelarea efectuată pe suprafaţă, mult mai comune proiectelor realizate la scări mici. Tehnicile noi utilizează o abordare hibridă, care încearcă să ia cele mai bune avantaje din fiecare. 47 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Una din cheile folosirii cu succes a culegerii automate a cotelor în producţia zilnică, este înţelegerea capabilităţilor şi limitărilor acestei tehnologii, văzută ca un întreg sau ca o singură entitate. Capabilităţile generale pot fi stabilite după cum urmează: Abilitate de a genera matrice foarte dense de puncte de cotă, în intervale scurte de timp, perioade când atenţia operatorului staţiei de lucru este practic aprope nesolicitată. În general, o bună eşantionare a suprafeţei generale aparţinând unei imagini (scene) din teren. Rezultate de calitate superioară, obţinute la precizii înalte. Rezultate foarte bune pentru hărţile realizate la scări mici (rezoluţii săzute). Specificaţiile generale referitoare la limitările acestei tehnologii, pot fi sintetizate subliniind următoarele aspecte: Necesitatea editării unor cantităţi foarte mari de date, situaţie ce nu reflectă un element imperios necesar, care se referă la ceea ce va fi cules (eşantionat) interactiv de către operatorul de stereorestituţie. Operatori bine instruiţi şi cu experienţă, trebuie să culeagă în esenţă setul minim de puncte şi linii de frângere a pantei terenului, care modelează terenul. Cantităţile de date culese prin corelare digitală, reprezintă practic o eşantionare a terenului, care nu ţine seamă de liniile de frângere a pantei, precum şi de alte elemente ce caracterizeză configuraţia morfologică a acestuia. 48 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Chiar procentele mici de date false sau eronate, pot solicita timpi de editare mult mai mari decât culegerea interactivă a datelor. Necesitatea ,,reglării” diferiţilor parametri de culegere a datelor de cotă pentru zonele specifice unui proiect, sau a proiectului privit în ansamblu. Dificultatea utilizării efective a datelor, pentru produsele corespun – zătoare scărilor mari. Pe ansamblu, capabilităţile şi limitările pot fi prezentate într–un număr de utilizări practice ale unui sistem digital de producţie: Generarea modelelor altimetrice pentru suprafeţe întinse, ale căror produse se execută la scări mici ( în general 1 : 20.000, 1 : 25.000 sau şi mai mici), unde este solicitat un mic efort pentru reducerea cotelor la modelul ,,terenului descoperit (bare earth)”. În acest context, diapazonul scărilor mici începe de la 1 : 20.000 în jos. Această regulă , se aplică de asemenea pentru terenurile zonelor cu relief extrem de neted şi plan. Culegerea modelelor digitale ale suprafeţei (MDS), ca un opus al modelului digital al terenului (MDA/ MDR) corepunzător terenului descoperit (,,bare earth”), pentru vizualizarea generării bazei de date. Generarea modelelor digitale ale suprafeţei (MDS), adecvate sprijinirii producerii rapide de ortofotoimagini digitale provizorii necesare pentru mai multe scări. 49 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Aprecierea automată a schimbărilor suprafeţei de-a lungul perioadelor de timp, schimbări necesare planificării eforturilor de reactualizare a modelului digital altimetric. Tehnicile de corelare digitală bazate pe suprafaţă, tind să se concentreze pe extragerea cotelor poziţionate într–o reţea (grilă) cu pas foarte mare, stabilită în spaţul terenului, iar tehnicile bazate pe corelarea trăsăturilor (liniilor), tind să producă date ale obiectelor discrete dispuse în lungul trăsăturilor (caracteristicilor) liniare. 2.6.4 Abordări hibride pentru culegerea datelor digitale de cotă Corelarea digitală este adesea folosită pentru modelarea rapidă a unei suprafeţe ce acoperă o arie foarte întinsă, lăsând editarea finală pentru staţiile fotogrametrice digitale. Acest tip de procedură, suportă adesea executarea de produse digitale ortofoto provizorii sau expeditiv livrate, unde exploatarea digitală este folosită pentru a dezvolta informaţia liniilor de frângere a pantei, cerute pentru curbele de nivel topografice. Pentru hărţile la scară mică, această abordare poate fi foarte eficientă. La hărţile la scară mare însă, abordarea devine marginal eficientă, deoarece editarea extensivă a datelor corelării digitale poate depăşi timpul de realizare a exploatării digitale de la început. 50 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie 2.7. Situaţia actuală 2.7.1 Capabilităţi şi limitări Dacă pentru operaţia de generare a modelului digital altimetric, sunt solicitate cote culese la nivelul terenului descoperit, mijloacele fotogrametrice în general înregistrează limitări sau constrângeri referitoare la cost, cauzate numai de acoperirea densă cu vegetaţie. În acest caz de acoperire sezonieră a arborilor, cum este spre exemplu cea datorată frunzelor de talie mare, se impune ca arborii să fie desfrunziţi. Chiar în condiţiile oferite de lipsa frunzelor, măsurarea de cote printre arborii desfrunziţi va impune consum de timp şi subsecvent în consecinţă creşterea costului. Avantajele primare ale abordării fotogrametrice a culegerii (eşantionării) datelor din imagini, impune sublinierea următoarelor aspecte: Imaginile pot fi reutililizate şi pentru alte scopuri, astfel cum este culegerea de date planimetrice; Imaginile se pot folosi întotdeuna pentru a corecta erorile comise sau datorate omiterilor, din ultimul timp; Etapele astfel cum sunt editarea şi finisarea, se pot sprijini întotdeauna pe un stereomodel, pentru a rezolva discrepanţele şi corecta erorile la cea mai înaltă precizie pusă la dispoziţie de sistem; Este o abordare probată şi verificată o perioadă lungă de timp şi de Asemenea, foarte temeinic înţeleasă. 51 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie 2.7.2 Comparaţie cu tehnologiile alternative/ complementare Mijloacele de ridicare terestră a terenului, sunt în general mai puţin eficiente decât cele fotogrametrice şi au fost abandonate pentru unele scopuri. Deşi oferă o precizie superioară, tehnologia topografică se dovedeşte a fi eficientă numai în cazul aplicaţiilor ce acoperă zone de teren restrânse, astfel cum sunt: proiectele de detaliu pentru aeroporturi, obiective industriale, cvartale de locuinţe, realizarea intersecţiilor (nodurilor) de căi de comunicaţii, a unor tronsoane din traseul căilor de comunicaţii, etc. Pentru realizarea aplicaţiilor ce cuprind suprafeţe mari de teren, cum sunt cele aferente realizării de hărţi şi planuri topografice, proiectarea lucrărilor de îmbunătăţiri funciare, a căilor de comunicaţii, exploatarea imaginilor (înregistrărilor) de teledetecţie, studiul fenomenelor de hazard şi risc la nivel regional, sau diverse alte scopuri, experienţa acumulată până acum plasează tehnologia fotogrametrică în gama celor mai adecvate, disponibile operaţional. Principala alternativă a tehnologiei fotogrametrice este tehnologia LIDAR, sau o combinaţie eficientă a acesteia, cu cea fotogrametrică. Echipamentele specifice tehnologiei LIDAR şi prelucrarea datelor culese prin intermediul acesteia, au parcurs faza de început, iar peste câţiva ani se apreciază că vor fi în plină maturitate. Tehnologia LiDAR este un alt mijloc util pentru companiile şi firmele de cartare, iar aplicarea sa are avantaje şi dezavantaje pentru fiecare virtual proiect, în raport cu abordarea fotogrametrică a acestuia. Aşa după cum timpul şi experienţa bazată pe tehnologia LIDAR au avansat, deja este aproape obişnuit să se vadă ambele tehnologii utilizate în cadrul aceluiaşi proiect, pentru a se opitimiza livrările produselor solicitate şi costul lor. Avantajele tehnologiei LiDAR includ: Culegerea rapidă a unei cantităţi foarte mari de date de cotă; 52 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Culegerea unei cantităţi foarte mari de detalii; Câmp de vedere mic (îngust), care nu pune probleme de acoperire a detaliilor (construcţii, teren accidentat etc.); Culegerea datelor direct în format digital; Abilitate de ,,vedere prin vegetaţia foarte densă”, substanţial mai bună decât cea oferită de abordarea fotogrametrică; Precizie adecvată pentru toate scările şi în special pentru scările foarte mari; Multă permisivitate privind condiţiile de zbor (sub acoperire cu nori, ziua/ noaptea etc.). În privinţa dezavantajelor tehnologiei LIDAR în raport cu tehnologia fotogrametrică, sunt de menţionat umătoarele aspecte: Solicită prelucrarea unor cantităţii mari de date – în general de sute de ori mai multă informaţie de cât cea preluată cu mijloacele foto – grametrice. În consecinţă acest aspect implică mai mult timp de editare şi programe (software) mult mai specializate. Editarea datelor poate deveni atât de extensivă, încât ea să depăşască cu mult vari – anta fotogrametrică a culegerii datelor folosind operatori bine instruiţi şi cu experienţă; Multe cote sunt culese pe suprafaţa elementelor (detaliilor) rezultate în urma activităţii umane (astfel cum sunt construcţiile) şi trebuie 53 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie să fie reduse la suprafaţa ,,terenului descoperit – bare earth”, pentru a putea ulterior să fie utilizate în cadrul cartării topografice, la generarea MDA şi trasarea nivelmentului/ trasarea curbelor de nivel (contouring). Cu toate că au fost dezvoltate unele tehnici automate pentru ,,filtrarea” datelor, în sensul aducerii lor la nivelul terenului descoperit, trebuie menţionat că acestea sunt încă în faza de început, de cercetare, investigare şi experimentare. Câmpul de vedere îngust presupune mai mult timp de zbor. Acesta este totuşi socotit pe zi/ noapte şi aproape tot timpul pare să fie necesar pentru capabilitatea LIDAR; Precizia este acceptabilă pentru aproape toate produsele, dar preci – ziile înalte de la scările mari sunt încă problematice – astfel ca de exemplu echidistanţa de 0,25 – 0,30 cm. Această situaţie se datorează parţial netezirii (nivelării) datelor la o suprafaţă exactă de reprezentare de asemenea faptului că valorile de cotă extrase prin tehnologia LIDAR sunt o mediere a cotelol finite reprezentative ale terenului. Dacă valorile de cotă reprezentative locale sunt de asemenea, mari în raport cu precizia verticală cerută, în special în zonele cu teren accidentat, specificaţiile produselor pot să nu fie îndeplinite; Curbelor de nivel generate automat prin procesul tehnologiei LIDAR le lipseşte netezimea (desfăşurarea aparentă netedă), specifică celor trasate manual prin exploatare fotogrametrică şi care urmează principiile licenţierii cartografice. Acest aspect se evidenţiază în special la curbele de nivel trasate în lungul liniilor de mal ale râurilor şi la la felul (maniera) cum traversează curbele de nivel râul, de pe un mal pe celălalt; 54 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Dependenţă foarte puternică de date de calitate superioară culese cu ABGPS şi UMI. Echipamentul neperformant (cu funcţionare necorespunzătoare), condiţiile atmosferice, sau rezultatele slabe provenite de la ABGPS, pot invalida un zbor şi solicita repetarea culegerii datelor. Abordările fotogrametrice folosesc adesea datele provenite de la UMI, ca suport (întărire) al prelucrării în timp ce LIDARUL le solicită pentru coordonatele teren. În cadrul abordărilor fotogrametrice refacerea culegerii de date poate să nu fie solicitată, cu condiţia ca să fie disponibile suficiente puncte de reper pentru aerotriangulaţie; Fără imagini, verificarea datelor şi rezolvarea ambiguităţilor de cotă devine problematică. Mijoacele fotogrametrice de asemenea oferă posibilitatea de a reface culegera de cote, ceea ce explică de ce multe sisteme LIDAR utilizează asociera cu camerele fotografice (senzori optici digitali). Abilitatea LIDAR ,,de a vedea prin arbori”, este practic unul dintre raţionamentele primare pentru care este ales, după mijloacele fotogrametrice. Prin inspectarea retururilor multiple de semnal asociate cu fiecare punct, suprafaţa terenului pote fi adesea determinată ca un opus al cotelor vârfurilor copacilor. Copacii denşi cu frunze de talie mare, în condiţia fenologică de lipsă a frunzişului (desfrunziţi) vor fi de asemenea amendabili pentru LIDAR, în timp ce condiţia fenologică de înfrunzit poate exclude observarea (vederea) de către senzor a terenului. Zonele dens populate cu arbori de pin (în general conifere), împiedică utilizarea sistemului LIDAR precum şi aplicarea soluţiilor fotogrametrice. 55 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie 2.8 Postprelucrarea şi controlul calităţii După generarea fotogrametrică a MDA, postprelucrarea intervine numai în următorele situaţii: editarea datelor de cotă generate prin corelare digitală; generarea cubelor de nivel de la datele de cotă; conversia de format a datelor de cotă; Cantitatea editării interactive solicitată în cazul corelării digitale devine un factor limitator, numai în varianta culegerii automate a datelor de cotă. Ea pune probleme în următoarele situaţii: Reducerea cotelor la nivelul terenului descoperit în zonele urbane sau cu vegetaţie foarte densă; Editarea zonelor susceptibile de erori, astfel cum sunt cele cu contrast foarte mic şi variaţii de cotă extensiv localizate, care produc curbe de nivel afectate de ,,zgomot”. Această situaţie apare în special pentru echidistanţele foarte mici ale curbelor; Pierderea în procesul de culegere a cotelor de suficiente detalii în jurul liniilor de frângere a pantei, naturale sau artificiale; Corelări false (cote eronate) din zonele cu contrast şi conţinut mic; Limite insuficient detaliate între teren şi suprafeţele ocupate de apă. 56 FOTOGRAMMETRIE I Dragos Badea – Facultatea de Geodezie Mulţi utilizatori ai abordărilor bazate pe corelarea digitală, reglează parametrii corelării pentru alinierea lor cu caracteristicile din proiecte, sau chiar zone din interiorul proiectelor. În plus, familiarizarea cu caracteristicile fiecărui algoritm de corelare şi pachetele de programe aferente, conduce la proceduri orientate pe probleme de cunoştere. Funcţiile editării cum sunt cele de corectare a zonelor din jurul suprafeţelor cu apă şi reducerea cotelor determinate pe vârfurile copacilor la ,,terenul descoperit”, sunt adesea dezvoltate şi proiectate pentru abordarea bazată pe corelarea digitală. Generarea curbelor de nivel de la datele de cotă este parţial automată, pentru că încă implică o mare cantitate de intervenţie pentru operare interactivă. Firmele de cartare fac întotdeauna eforturi să genereze curbele de nivel astfel încât acestea să fie cât mai netede şi să adere profesional la principiile licenţierii cartografice. Situaţiile care aproape întotdeauna implică intervenţia operării interactive includ: Asigurarea că traseele curbelor intersecteză (traversează) liniile de frângere a pantei la unghiuri corecte şi sunt ,,ascuţite” spre cota superioară. Asigurarea că traseele curbelor nu se intersectează sau se suprapun şi astfel să prezinte probleme de interpretare în teren accidentat. Plasarea curbelor intermediare (auxiliare) în terenul uşor variat pentru a asigura precizie. Plasarea cotelor reprezentative (spot elevation) pentru a marca minimele şi maximele locale în toate tipurile de teren şi de asemenea, pentru a servi ca valori de cotă absolute, dispuse la intervale periodice. Depinzând de furnizorul de servicii de cartare sau de cerinţele utilizatorului final, formele native de MDA şi formatele, pot necesita conversie (transformare) sau translaţie.

Fotogrametrie I - Curs PDF

Document Details

Tags

Related

Summary

Full Transcript

Upgrade to continue