ASPEKTY TECHNOLOGICZNE NOWOCZESNYCH METOD FOTOGRAMETRII CYFROWEJ 1. Aleksandra Bujakiewicz. Geodesia et Descriptio Terrarum 4(2) 2005, 25-36

Transkrypt

1 Geodesia et Descriptio Terrarum 4(2) 2005, ASPEKTY TECHNOLOGICZNE NOWOCZESNYCH METOD FOTOGRAMETRII CYFROWEJ 1 Aleksandra Bujakiewicz Politechnika Warszawska Streszczenie. W artykule zawarto krótki przegląd nowoczesnych cyfrowych systemów dla pozyskiwania informacji obrazowej. W dalszej części została dokonana analiza róŝnych nowoczesnych podejść technologicznych, wykorzystujących wieloźródłową informację obrazową, uzyskaną z pułapu lotniczego i satelitarnego dla generowania konwencjonalnych i nowych produktów fotogrametrycznych. Słowa kluczowe: fotogrametria cyfrowa, wieloźródłowa informacja obrazowa, produkty cyfrowe 1. WPROWADZENIE Technologie fotogrametrii cyfrowej są efektywnym i ekonomicznym narzędziem pozyskiwania danych. Dostarczają one wielu cennych informacji metrycznych i tematycznych dla róŝnych baz danych tworzonych dla potrzeb rozwoju gospodarczego, na poziomie całego obszaru oraz mniejszych jednostek administracyjnych. Koszty pozyskiwania danych dla tworzenia i aktualizacji baz danych stanowią dominującą pozycję w globalnych nakładach na prowadzenie systemów informacji terenowej czy geograficznej. Pośród obecnie realizowanych projektów w naszym kraju, moŝna na przykład wymienić, takie jak, tworzenie Bazy Danych Ogólnogeograficznych, jednorodnego Systemu Identyfikacji Działek Rolnych LPiS, pilotaŝowe projekty związane z tworzeniem Bazy Danych Topograficznych (TBD), modernizacją systemu ewidencji gruntów, numerycznych modeli powierzchni terenu dla terenów zagroŝonych powodzią, i wiele innych. Planowane w bliŝszej i dalszej przyszłości projekty, obejmują zagadnienia o zasięgu jeszcze szerszym, takie na przykład jak, tworzenie TBD dla całego obszaru kraju oraz jej wykorzystanie do aktualizacji bazy danych topograficznych Vmap Level 2, stworzenie Zintegrowanego Systemu Katastralnego, budowa internetowego portalu obrazowego. Wszystkie wygenerowane bazy danych zasilą Krajowy System Informacji Adres do korespondencji Corresponding author: Aleksandra Bujakiewicz, Instytut Fotogrametrii i Kartografii, Politechnika Warszawska, Warszawa, pl. Politechniki 1, abujak7@wp.pl

2 26 A. Bujakiewicz Geograficznej (KSIG), który będzie współdziałał z Europejską Infrastrukturą Informacji Przestrzennej (INSPIRE). Technologie fotogrametrii cyfrowej, dostarczające globalne informacje geometryczne o terenie, bazują na zobrazowaniach, pozyskiwanych juŝ nie tylko z pułapu lotniczego, ale i satelitarnego [Kurczyński 2004]. Od wielu lat analogowe zdjęcia lotnicze, w róŝnych skalach, były głównym źródłem technologii fotogrametrycznych. Od połowy lat 90., tj. od okresu, w którym metody analogowe zostały zastąpione współczesnymi technologiami fotogrametrii cyfrowej, zdjęcia (obrazy) w postaci cyfrowej, stały się podstawową formą danych źródłowych dla opracowań fotogrametrycznych. Obrazy cyfrowe uzyskiwane z pułapu lotniczego moŝna pozyskać bezpośrednio lotniczymi kamerami cyfrowymi, albo poprzez skanowanie zdjęć analogowych. Uzyskiwanie zdjęć konwencjonalnymi kamerami optycznymi stanowi jedyny element o charakterze analogowym, w łańcuchu technologicznym fotogrametrycznej technologii cyfrowej. Alternatywnym źródłem do zdjęć lotniczych w średniej skali stają się wysokorozdzielcze obrazy satelitarne (VHRS), pozyskiwane juŝ obecnie kilkoma systemami. Ze względu na stale rosnącą rozdzielczość geometryczną i radiometryczną takich obrazów oraz przewidywane, w najbliŝszych kilku latach, następne systemy generujące obrazy o jeszcze wyŝszej rozdzielczości, obrazy VHRS niewątpliwie dostarczą bardzo cennych informacji geometrycznych do aktualizacji baz danych topograficznych. 2. POZYSKANIE INFORMACJI OBRAZOWEJ Wprowadzenie do powszechnego stosowania fotogrametrycznych technologii cyfrowych, zwiększyło konieczność intensyfikacji prac związanych z wdroŝeniem do produkcji fotogrametrycznej systemów generujących bezpośrednio obrazy cyfrowe. Pierwszą grupę systemów stanowią lotnicze kamery cyfrowe, które charakteryzują się lepszą radiometrią (12 bitów na piksel), w porównaniu do skanowanych obrazów analogowych (8 bitów lub mniej) oraz brakiem szumów, związanych z ziarnistością filmu. Dzięki temu uzyskuje się wydajniejszy efekt stereoskopii i znacznie wyŝszą dokładność matchingu, zwiększa się moŝliwości interpretacyjne obrazów, powiększa się liczbę dni odpowiednich dla wykonywania nalotów, poprzez marginalizację wpływu pogody na wykonywane zdjęcia. Oczywistym walorem stosowania kamer cyfrowych jest zapewnienie wysokiej automatyzacji zarówno w trakcie pozyskiwania obrazów, jak i ich opracowywania. Zastosowanie kontroli jakości podczas nalotu w połączeniu z kontrolą ekspozycji w trybie on-line zwiększa operatywność w powietrzu. Pełna archiwizacja obrazów cyfrowych ułatwia dostęp do zdjęć. Kamery cyfrowe bazują na dwóch zasadniczych rozwiązaniach: W pierwszym, obraz terenu jest rejestrowany dynamicznie, z wykorzystaniem szeregu linijek detektorów, rejestrujących obraz w zakresie panchromatycznym dla opracowań stereoskopowych oraz dodatkowych linijek dla rejestracji w zakresach spektralnych RGB i INR. System jest wspomagany przez urządzenie GPS/INS, pozwalające na ciągłe określanie zmian pozycji platformy rejestrującej w czasie lotu. Pierwszą kamerą tego typu, której prototyp został zaprezentowany na XIX Kongresie ISPRS w Amsterdamie w roku 2000 i od kilku lat powoli wchodzi na rynek, to kamera ADS 40 firmy Leica Geosystems [Fricker 2001]. W drugim rozwiązaniu, dla rejestracji obrazu, wykorzystuje się prostokątne matryce CCD. W celu moŝliwości zwiększenia rozdzielczości geometrycznej, z jednoczesnym warunkiem zachowania obrazu wielko-formatowego, na matrycach CCD rejestruje się Acta Sci. Pol.

3 Aspekty technologiczne 27 podobrazy, które następnie łączy się ze sobą cyfrowo. Pierwszą kamerą tego typu jest produkowana od 2000 roku modularna kamera DMC firmy Z/I Imaging [Hinz i in. 2001], z modułami PAN i MS, pozyskująca obraz na podstawie czterech podobrazów, generująca 12-bitowy obraz panchromatyczny z rozdzielczością terenową sięgającą 0,05 m. Na XX Kongresie ISPRS w Istambule, zaprezentowano kilka nowych kamer (znacznie tańszych), takich jak, UltraCamD firmy Vexcel Imaging GmbH (Austria), DiMAC (Dimac Systems Luksemburg), seria kamer Digi-CAM firmy IGI mbh (Niemcy). Kamera UltraCamD [Leberl 2003] pozyskuje 2775 obrazów w trakcie jednej 6- godzinnej misji, z pokryciem podłuŝnym 70% lub większym. Kamera ta jest wielogłowicowym zespołem złoŝonym z 4 modułów panchromatycznych oraz 4 modułów wielospektralnych (RGB i NIR). Rozmiar piksela dla wszystkich obrazów wynosi 9 µm (najmniejsza wielkość piksela terenowego jest 0,05 m dla 500 m odległości fotografowania) a rozdzielczość radiometryczna jest większa niŝ 12 bitów. Badania wykazały, Ŝe dokładność matchingu w przypadku obrazów uzyskanych tą kamerą jest około 2,5 razy wyŝsza niŝ ze zdjęć skanowanych, na co wpływa wykorzystanie większej liczby pokrywających się obrazów (multi-rays matching). Opieka serwisowa kamery jest wspomagana przez internet. Kamera ta jest pod względem rozdzielczości porównywalna z kamerami DMC i ADS40, ale znacznie od nich tańsza. Dlatego pomimo jej niedawnego wprowadzenia na rynek, sprzedano juŝ kilkanaście egzemplarzy tej kamery. Kamera DiMAC składa się z kilku modułów (maksymalnie czterech), montowanych na wspólnym stabilizowanym podwieszeniu. KaŜdy moduł jest oparty na kolorowej matrycy CCD. Kamery DigiCAM są produkowane jako seria kamer o róŝnej rozdzielczości. Na rynku pojawiły się takŝe średnio rozdzielcze kamery cyfrowe, np. kamera DSS firmy Applanix (z matrycą 4k x 4k), w których system GPS/INS słuŝy w celu bezpośredniego geokodowania (tj. georeferencji wprost), co oznacza, Ŝe nie wykonuje się juŝ wtórnego wyrównania parametrów orientacji zewnętrznej w etapie aerotriangulacji, lecz wyznaczone w czasie lotu parametry są zastosowane dla fotogrametrycznego wcięcia w przód, gwarantując dokładność terenową rzędu 0,30 m. W podsumowaniu powyŝszej części, naleŝy zwrócić uwagę na kilka aspektów wdraŝania lotniczych kamer cyfrowych do produkcji fotogrametrycznej. Z jednej strony ich rozwój, coraz lepsza charakterystyka uzyskiwanych obrazów, automatyzacja na róŝnych etapach, predysponuje do ich najszybszego wdroŝenia. Z drugiej strony ich ceny są jeszcze wysokie, szczególnie odnosi się to do kamer DMC i ADS40, które jako pierwsze pojawiły się na rynku. Realia produkcji fotogrametrycznej, tj. ograniczenia finansowe (oraz inne które często okazują się nawet waŝniejsze) firm fotolotniczych, mogą opóźniać powszechne wprowadzenie kamer cyfrowych do produkcji fotogrametrycznej. Istniejąca obecnie technologia generowania obrazów cyfrowych w Polsce (i nie tylko), wymagała zakupu drogich skanerów fotogrametrycznych (które muszą się zamortyzować), systemów GPS dla rejestracji środków rzutów w czasie lotu (zgodnie z obowiązującym obecnie w Polsce wymogiem zawartym w nowych standardach dla wykonawstwa zdjęć). Ponadto, nowe zdjęcia lotnicze w skalach średnich (1:26 000, 1:13 000) dla tworzenia systemu LPiS i innych, pozyskane ostatnio dla całego obszaru Polski, muszą być wykorzystywane przez kilka najbliŝszych lat, w celu zwrotu kosztów ich wykonania. NaleŜy się jednak spodziewać, Ŝe ze względu na pojawianie się na rynku coraz to nowych tańszych cyfrowych kamer lotniczych, ich powszechne wdroŝe- Geodesia et Descriptio Terrarum 4(2) 2005

4 28 A. Bujakiewicz nie do produkcji fotogrametrycznej powinno być realne w ciągu najbliŝszych kilku lat (5-7). Drugą grupę systemów słuŝących do rejestracji topografii terenu i pokrycia stanowią wysokorozdzielcze obrazy satelitarne (VHRS), które w większości są systemami komercyjnymi. Od kilku lat zostały one udostępnione dla celów cywilnych. W projektowanych dalszych systemach przewiduje się ich zastosowanie zarówno dla potrzeb cywilnych, jak i wojskowych oraz przejścia od satelitów średnich i duŝych (masa od 500 do powyŝej 1000 kg), które są drogie, do tańszych i lŝejszych ( kg). Zgodnie z Jacobson [2003], obecnie i w najbliŝszych latach, do roku 2010, przewiduje się grupę około 20 satelitarnych systemów wysokorozdzielczych, generujących obrazy PAN z rozdzielczością co najmniej od 0,5 do 2,0 metrów, w trybie mono i stereo, oraz obrazy MS z róŝną liczbą kanałów spektralnych. Najbardziej popularne systemy VHRS wykorzystywane obecnie do celów kartometrycznych, to: IKONOS 2 generujący obrazy PAN z rozdz. geometryczną 1 m oraz obrazy MS (4 kanały) z rozdzielczością 4 m, QuickBird 2 obrazy PAN 0,6 m oraz obrazy MS (4 kanały) 2,5 m. EROS A1 obrazy PAN z rozdz. 1,8 m, ORBView 3 obrazy PAN 1 m oraz obrazy MS (4 kanały) 4 m. Popularny system SPOT 5, pozwala obecnie generować stereoskopowe obrazy panchromatyczne HRS z rozdzielczością 2,5 m. Przewiduje się, Ŝe w przyszłości program SPOT będzie zastąpiony przez francusko-włoski program ORFEO, w ramach którego będzie rozwijana seria wysokorozdzielczych systemów Pleiades, obrazująca w zakresie optycznym (rozdzielczość 0,7 m i wyŝsza), w połączeniu z wysokorozdzielczymi obrazami mikrofalowymi SAR (program COSMO-SkyMed). NaleŜy zwrócić uwagę na niektóre godne podkreślenia aspekty, w przypadku stosowania satelitarnych obrazów VHRS dla celów kartometrycznych; 1. Wysoka obecnie rozdzielczość geometryczna obrazów VHRS będzie się zwiększała w najbliŝszych latach. Mówi się, Ŝe wkrótce rozdzielczość obrazów QuickBird wyniesie 0,50 m, a za kilka lat pojawią się systemy dla których rozdzielczość moŝe nawet osiągnąć 0,25 m. 2. Przeprowadzone prace eksperymentalne dotyczące ortorektyfikacji wysokorozdzielczych obrazów satelitarnych pozyskanych z systemów Ikonos, QuickBird i EROS, wskazują na moŝliwość wygenerowania cyfrowych ortofotomap z pikselem 1,0 m dla obrazu Ikonos, 0,6 m dla obrazu QuickBird oraz 1,8 m dla obrazu EROS [Jacobson 2003, Kurczyński i in. 2004]. NaleŜy jednak podkreślić, Ŝe skuteczność i dokładność procesu ortorektyfikacji jest uzaleŝniona od przyjętego modelu dla rektyfikacji tych obrazów oraz rodzaju i rozmieszczenia punktów referencyjnych [Jacobson 2003, Wolniewicz 2004]. 3. Rozdzielczość geometryczna ortofotomap satelitarnych nie oznacza ich dokładności pozycyjnej, tj. dokładności pomiaru zarejestrowanych obiektów topograficznych. Dokładność ta jest zaleŝna od rodzaju obiektu i jego identyfikacji i rozpoznawalności na obrazie. Przyjmuje się, Ŝe dokładność pozycyjna jest równa od 1,0-2,0 razy wymiaru piksela. Oznacza to, Ŝe ortofotomapy uzyskane z obrazów satelitarnych Ikonos i QuickBird stają się konkurencyjne pod względem dokładności pozycyjnej do ortofotomap, uzyskiwanych na podstawie średnio skalowych zdjęć lotniczych w skali 1: NaleŜy tutaj jednak zwrócić uwagę na to, Ŝe jak wynika z doniesień literaturowych, zasób treści limitowany rozdziel- Acta Sci. Pol.

5 Aspekty technologiczne 29 czością jest niŝszy niŝ w przypadku zdjęć lotniczych i moŝe być to ograniczeniem dla niektórych zastosowań. Godnym podkreślenia jest fakt uruchomienia kilkanaście miesięcy temu (wrzesień 2004), stacji odbiorczej obrazów Ikonos 2 w Satelitarnym Centrum Operacji Regionalnych w Komorowie k. Warszawy. Jest to jedna z trzech tego typu stacji odbiorczych w Europie (pozostałe w Monachium i Ankarze). Zasięg zarejestrowanych obrazów z tej stacji sięga około 2500 km. Stacja odbiorcza moŝe być przystosowana takŝe do odbioru innych satelitarnych obrazów wysokorozdzielczych. WaŜnym uzupełnieniem systemów rejestrujących zobrazowania wykorzystywane dla celów kartometrycznych są : Lotniczy skaning laserowy LIDAR (Light Detection and Ranging), rozwijany intensywnie od połowy lat 90., dla generowania dokładnych numerycznych modeli powierzchni topograficznych terenu (NMT) oraz modeli powierzchni terenu wraz z pokryciem (DSM). Jest to impulsowo pracujący dalmierz laserowy, połączony z głowicą skanującą i sprzęgnięty z systemem precyzyjnego pozycjonowania DGPS/INS, który rejestruje ogromną chmurę punktów wysokościowych terenu, dochodzącą nawet do 7 mln punktów na milę kwadratową. WaŜną zaletą systemu jest to, Ŝe część wysyłanych impulsów promieniowania odbija się od powierzchni pokrycia terenu, natomiast część promieniowania (około 30% latem i 70% zimą) przenika przez roślinność i odbija się od topograficznej powierzchni terenu. Stosując odpowiednie oprogramowanie dla filtracji i klasyfikacji pokrycia, moŝna uzyskać NMT z dokładnością od 15 do 30 cm oraz kaŝdy punkt pokrywający teren moŝe być zaklasyfikowany do osobnych zbiorów, dotyczących odpowiedniego rodzaju tego pokrycia. Lotnicze systemy laserowe często łączy się z kamerą cyfrową, celem uzyskania jednocześnie obrazu terenu, z którego moŝna wygenerować ortofotografię lub z kamerą video dla zarejestrowania ogólnego widoku terenu. Przykładami lotniczych systemów laserowych są : ALS50 firmy Leica Geosystems, pozwalający generować NMT z dokładnością 0,15 m, FALCON firmy Toposys, system ATLAS SL (przeznaczony do rejestracji terenu z mniejszych wysokości od 20 do 280 m), system ALTM 3100 firmy Optech (łączony z kamerą DMC firmy Z/I Imaging) oraz system LiteMapper, prezentowany przez firmę IGI mbh na XX Kongresie ISPRS w Istambule. Systemy obrazujące w zakresie mikrofalowym, które umoŝliwiają rejestrację powierzchni Ziemi niezaleŝnie od pory dnia i nocy oraz warunków atmosferycznych. Obecnie stosowane systemy mikrofalowe, wykorzystujące interferometrię radarową (InSAR), pracują z pułapu lotniczego, zwykle w paśmie X. Są one bardzo przydatne dla generowania numerycznego modelu powierzchni topograficznej terenu wraz z pokryciem (DSM). Przejście do NMT wymaga odpowiedniej filtracji i edycji uzyskanych danych. System STAR-3i firmy Intermap, pozwala uzyskać NMT o dokładności sięgającej 0,5 m oraz ortofotomapę z pikselem 1,25 m. W najbliŝszym czasie będą rozwijane wysokorozdzielcze mikrofalowe systemy satelitarne. Dla przykładu, firma DLR (Niemieckie Centrum Kosmiczne) planuje uruchomić komercyjny system satelitarny TerraSAR-X, dostarczający obrazy z pikselem do 1 m. Na zakończenie tego rozdziału naleŝy jeszcze zwrócić uwagę na ogromnie duŝą liczbę zdjęć archiwalnych i nowych, w róŝnych skalach, pokrywających obszar kraju, które są przechowywane w Centralnym Ośrodku Dokumentacji Geodezyjnej i Kartogra- Geodesia et Descriptio Terrarum 4(2) 2005

6 30 A. Bujakiewicz ficznej w Warszawie. Obrazy cyfrowe, uzyskane z analogowych zdjęć lub pozyskane bezpośrednio w postaci cyfrowej (lotnicze lub satelitarne), a takŝe generowane na ich podstawie cyfrowe ortofotomapy, umoŝliwiają ich zarządzanie, archiwizowanie i dystrybuowanie. WdroŜony w CODGiK system TerraShare, przeznaczony dla zarządzania, katalogowania, archiwizacji i dystrybucji róŝnych danych, w tym obrazowych, pozwala w sposób zorganizowany przechowywać dane obrazowe, uzyskiwane ze skanowania zdjęć analogowych oraz w postaci wyprodukowanych ortofotomap cyfrowych. Uruchomiony ostatnio moduł internetowy tego systemu, w postaci serwisu informacyjnego, umoŝliwia zdalne uzyskanie metainformacji o źródłowych obrazach lub ortofotomapach oraz dokonanie zamówienia na wybrane dane obrazowe przez zainteresowanego. Nie ma jednak na razie moŝliwości zdalnego przesyłania produktów obrazowych, oraz dostosowania przekazywanej ortofotomapy do wymagań zamawiającego. W tym celu, w ramach docelowej Krajowej Infrastruktury Informacji Przestrzennej, planowane jest stworzenie wielofunkcyjnego portalu obrazowego [Preuss 2004]. 3. NOWOCZESNE TECHNOLOGIE I PRODUKTY FOTOGRAMETRYCZNE Ogólna automatyzacja opracowań kartograficznych oraz rozwój technologii tworzenia róŝnego rodzaju baz danych i systemów informacji geograficznej, miały niewątpliwie wpływ na szybki rozwój cyfrowych technologii w produkcji fotogrametrycznej. Dzięki temu, otworzyły się nowe moŝliwości, zarówno ze względu na automatyzację pomiarów, integrację na etapie zarówno pozyskanych źródłowych danych obrazowych oraz przetworzonych produktów fotogrametrycznych, jak i w zakresie wykorzystania tych produktów dla wielu zastosowań. W ciągu ostatnich dziesięciu lat, półautomatyczne i automatyczne procedury cyfrowej fotogrametrii znalazły zastosowanie w praktyce, powodując znaczne zwiększenie produkcji fotogrametrycznej. Nie wszystkie jednak technologie fotogrametryczne zdołały w pełni wdroŝyć procedury automatyczne. ZaleŜy to oczywiście w kaŝdym prawie przypadku od dostępności efektywnych automatycznych modułów w oprogramowaniu fotogrametrycznych stacji cyfrowych. Biorąc pod uwagę moŝliwości automatycznych procedur, na pierwsze miejsce wysuwa się produkcja ortofotomap, gdzie zarówno ortorektyfikacja, jak i mozaikowanie (połączenie ortofotoobrazów oraz wyrównanie geometrii i radiometrii) mogą być wykonane w pełni automatycznie. Produkcja ortofotomap osiągnęła wysoki poziom automatyzacji. Dlatego teŝ róŝni producenci tych produktów inwestują wiele w narzędzia programowe dla ich tworzenia. Kompleksowy łańcuch produkcyjny wymaga kombinacji róŝnych etapów dla właściwej rektyfikacji obrazów, mozaikowania i wytworzenia optymalnego końcowego produktu w formie cyfrowej i analogowej. Radiometryczna korekcja ciągle jeszcze wymaga dalszej poprawy, w szczególności dotyczy to zobrazowania kolorowego. Wiele pakietów programowych dla produkcji ortofotomap rozdziela proces rektyfikacji od procesu mozaikowania. Część pakietów dla mozaikowania zakłada interaktywną definicję linii łączeń, inne są w pełni automatyczne. Automatyczne techniki mozaikowania są bardzo wskazane w przypadku duŝych projektów, gdzie łączonych jest wiele ortofotografii. Główną zaletą ortofotografii jest szybkość z jaką mogą być one tworzone w celu dostar- Acta Sci. Pol.

7 Aspekty technologiczne 31 czenia aktualnych informacji o terenie. Szczególnie jest to istotne jeśli sam obraz fotograficzny jest wystarczający dla ich wykorzystania, np. dla celów planowania czy interpretacji pewnych zjawisk. Jeśli potrzebna jest informacja wektorowa, na przykład dla celów szybkiej aktualizacji istniejących map wektorowych, takie dane moŝna w łatwy sposób uzyskać z ortofotomap, stosując technikę monoplotingu realizowaną na stacjach kartograficznych. Poza szybkością tej technologii, jest ona równieŝ znacznie tańsza niŝ konwencjonalna technologia oparta na stereodigitalizacji. Stopień automatyzacji dotyczy oczywiście obu etapów, tj. tworzenia materiału podkładowego, tj. ortofotomapy i ekstrakcji obiektów w formie danych wektorowych. Automatyzacja tego drugiego etapu stanowi osobne zadanie, które od wielu lat jest przedmiotem eksperymentów prowadzonych w ośrodkach badawczych i produkcyjnych. NaleŜy takŝe pamiętać, Ŝe na konwencjonalnie wykonanej ortofotomapie, tylko powierzchnia terenu i te przedmioty, które się na niej bezpośrednio znajdują, są odwzorowane kartometrycznie. Wszystkie obiekty, które znajdują się ponad powierzchnią terenu, są przesunięte. Aby tę niedogodność usunąć, powstają pakiety generujące, tzw. true ortoobraz (true ortoimage), w którym wykorzystując DSM, opisujący powierzchnię topograficzną terenu wraz obiektami znajdującymi się na niej, wprowadza się przesunięcia do połoŝenia obrazów obiektów, tak aby były one rzutami ortogonalnymi na płaszczyznę odniesienia. Ortofotomapa cyfrowa jest najbardziej popularnym produktem fotogrametrii cyfrowej w Polsce i od niego rozpoczęło się powszechne wprowadzanie fotogrametrii cyfrowej do produkcji fotogrametrycznej. Ortofotomapa cyfrowa, lotnicza lub satelitarna, jest juŝ w Polsce uznana jako komponent systemów geoinformacyjnych, stanowiąc ich warstwę lokalizacyjną. Ortofotomapa, o kartometryczności odpowiadającej mapom topograficznym 1:10 000, jest stosowana jako podstawowe źródło danych referencyjnych dla tworzonego systemu LPiS oraz jako waŝny materiał źródłowy i warstwa Bazy Danych Topograficznych, która jest projektowana dla całego obszaru Polski. Ortofotomapa została równieŝ zaakceptowana jako jedno z podstawowych danych źródłowych dla modernizacji systemu ewidencji gruntów i budynków na terenach wiejskich, a w konsekwencji dla tworzenia nowego systemu katastralnego. Problem automatyzacji w zakresie tworzenia numerycznych modeli powierzchni topograficznych terenu (NMT) i numerycznych modeli powierzchni terenu wraz z pokryciem (DSM) ze zdjęć lotniczych i satelitarnych jest stale waŝny zarówno w aspekcie badawczym, jak i produkcyjnym. Nabiera to szczególnego znaczenia w przypadku terenów o gęstym pokryciu roślinnym lub w przypadku terenu zabudowanego, gdzie filtracja danych, uzyskanych przez automatyczną korelację, nie jest zawsze wystarczająco skuteczna i wymaga manualnej edycji. Skuteczność automatycznych procedur zaleŝna jest zatem od doboru odpowiednich algorytmów dla realizacji etapu filtracji danych oraz od wprowadzenia odpowiednich parametrów w trakcie generowania NMT. Ze względu na liczne korzyści wspomniane wcześniej, coraz powszechniejszą technologią dla generowania NMT oraz DSM, staje się technologia lotniczego skaningu laserowego, połączonego z lotniczymi lub satelitarnymi danymi obrazowymi. Połączenie zbiorów danych laserowych i obrazowych oraz odpowiednia ich filtracja i transformacja do jednego układu współrzędnych dokonywana jest w etapie odpowiedniego przetwarzania [Mcintosh i in. 2000, Wang 2004]. Dzięki takiemu połączeniu danych generuje się takŝe true ortoobrazy, wykorzystując dane zarejestrowane w DSM. Problem optymalnego filtrowania danych skaningu laserowego jest niezaleŝnym waŝnym Geodesia et Descriptio Terrarum 4(2) 2005

8 32 A. Bujakiewicz aktualnie zadaniem badawczym, gdyŝ od tego zaleŝy dokładność NMT a takŝe odfiltrowanych danych o pokryciu terenu [Badea i Jacobson 2004, Marmol i Jachimski 2004]. Z powodu uniwersalności, stosowana jest takŝe coraz powszechniej technologia lotniczej interferometrii radarowej (insar), dla generowania DSM/NMT, pomimo Ŝe dokładności wyznaczonych wysokości terenowych są niŝsze (około 0,5 m) niŝ uzyskane metodą skaningu laserowego. Wiele ostatnich publikacji, takich na przykład jak między innymi [Woestyne i in. 2004, Karabork i in. 2004], dotyczy takŝe analizy dokładności i wydajności automatycznie generowanych produktów NMT i DSM, uzyskanych z róŝnych zintegrowanych źródeł obrazowych, róŝnymi pakietami fotogrametrycznymi. Osobnym zagadnieniem, któremu poświęca się wiele badań, jest wykorzystanie odfiltrowanych danych, stanowiących pokrycie terenu dla róŝnych interdyscyplinarnych celów, takich na przykład jak, generowania przestrzennych modeli miast, oszacowania wydobytych minerałów w kopalniach odkrywkowych, oceny parametrów zadrzewienia w lasach, czy kontroli linii energetycznych. Dokładność generowania jest zaleŝna od efektywności automatycznej rekonstrukcji 3D obiektów. Klasyfikacja i segmentacja moŝe być wykonywana w oparciu o globalną multispektralno-geometryczną informację, która jest dostarczona z multispektralnych danych obrazowych (np. lotniczych obrazów barwnych lub MS obrazów wysokorozdzielczych) i z DSM uzyskanego skaningiem laserowym [Schwalbe 2004, Takano i in. 2004]. Ze względu na coraz większe zapotrzebowanie na numeryczne modele powierzchni topograficznej terenu dla generowania ortofotomap i tworzenia systemu NMT o róŝnej dokładności dla obszaru całego kraju oraz na DSM, wykorzystywanych dla tworzenia true ortoobrazu i 3D modeli miast czy innych obiektów, technologie lotniczego skaningu laserowego z pewnością zostaną wdroŝone powszechnie w Polsce w najbliŝszych kilku latach. NiezaleŜnym problemem badawczym są metody automatycznej lub półautomatycznej ekstrakcji danych wektorowych, liniowych lub powierzchniowych obiektów (szczegółów), z obrazów lotniczych i satelitarnych, w celu aktualizacji bazy danych GIS. Badania w tym kierunku są wykonywane od co najmniej 15 lat i jak stwierdzono w czasie Tygodnia Fotogrametrycznego w 2003 roku, otrzymane rezultaty nie są takie optymistyczne jak się spodziewano. Te same wnioski wynikają z referatów prezentowanych przez badaczy z kilku przodujących ośrodków na świecie, na XX Kongresie ISPRS w 2004 roku. Metody w pełni automatyczne dla ekstrakcji danych wektorowych są ciągle na etapie badań, lub są wykorzystywane w bardzo ograniczonym zakresie [Thurgood i in. 2004]. Półautomatyczne metody, wspomagane częściowo przez operatora, wydają się być najlepszym rozwiązaniem obecnie i w najbliŝszej przyszłości [Gulch i Muller i in. 2001, Ulm 2002, Ohlhof i in. 2004]. Ostatnia grupa technologii dotyczy aerotriangulacji, która jest waŝnym elementem georeferencji obrazowej. Technologie te są stale rozwijane ze względu na ich waŝność w dostarczaniu optymalnych wartości elementów orientacji zewnętrznej obrazów, niezbędnych dla prawidłowej realizacji kaŝdej innej technologii fotogrametrycznej. W celu uzyskania wysokiego poziomu automatyzacji w aerotriangulacji, waŝne są takie właściwości programu, które umoŝliwiają: automatyczny pomiar punktów wiąŝących (APM) w oparciu o jak największą grupę obrazów (multi rays matching), co jest kluczowe w procesie automatycznym, integrację z dostępnymi danymi z NMT oraz z Acta Sci. Pol.

9 Aspekty technologiczne 33 GPS/INS, uwzględnienie w automatycznym matchingu metod najmniejszych kwadratów, bazujących zarówno na dopasowywaniu szczegółów (FBM), jak i powierzchni (ABM), moŝliwość interaktywnego pomiaru punktów w mono lub stereo systemie, moŝliwość automatycznej analizy rezultatów i kontroli jakości w programie wyrównania, w celu automatycznego wyszukiwania błędów grubych i ich eliminacji. Problem uwzględniania w procesie wyrównania aerotriangulacji danych inicjalnych, czyli pomierzonych w czasie lotu środków rzutów oraz kątów pochylenia platformy poprzez stosowanie zintegrowanego systemu GPS/INS był tematem wielu badań prowadzonych w róŝnych ośrodkach naukowych i produkcyjnych [Cramer i Schade 1995, Cramer i in. 2000]. W pierwszych zastosowaniach systemu GPS/INS, dokładności wyznaczania orientacji zewnętrznej w czasie lotu nie były wystarczające. JednakŜe po wprowadzeniu w trakcie wyrównania aerotriangulacji modelowania dryftu i przesunięcia indywidualnego dla kaŝdego szeregu, dokładności wyznaczenia orientacji zewnętrznej zdjęć systemem GPS/INS osiągnęły zadowalający poziom. Obecnie, praktyczną korzyścią rejestracji parametrów orientacji w czasie lotu jest znaczne ograniczenie osnowy terenowej wewnątrz bloku. JednakŜe w przyszłości będzie się dąŝyć do ich wykorzystania dla bezpośredniej precyzyjnej georeferencji danych obrazowych. W Polsce problemem aerotriangulacji zajmowało się wiele osób i ośrodków. JednakŜe obecne podejście do aerotriangulacji, dotyczące uwzględniania w procesie wyrównawczym danych inicjalnych GPS w celu znacznego ograniczenia osnowy terenowej i automatyzacja etapu pomiaru punktów na cyfrowych stacjach fotogrametrycznych, to nowe doświadczenia które w Polsce zostały zainicjowane kilka lat temu [Kaczyński i Ziobro, 1999, 2000, Preuss 2000]. Wyznaczanie elementów orientacji zewnętrznej w czasie lotu systemami GPS/INS nie są jeszcze stosowane w krajowym wykonawstwie zdjęć lotniczych. Pierwszy eksperymentalny nalot z rejestracjąśrodków rzutów systemem dgps był wykonany w Polsce w roku 1995 dla miasta Poznań (z wykorzystaniem sprzętu firm zagranicznych) przez firmę PPGK przy współpracy z niemiecką firmą S.I.G. Aerial Survey. Obecnie wprowadzono nowe standardy dla wykonawstwa zdjęć lotniczych, wymagające rejestracji środków rzutów w trakcie lotu. Nowe zdjęcia wykonane w skali 1: i 1: spełniają juŝ te wymagania. Badania związane ze wzrostem dokładności aerotriangulacji przy wykorzystaniu wieloobrazowego matchingu, wykazują waŝność takiego podejścia. W tym względzie korzyścią jest stosowanie lotniczych kamer cyfrowych dla pozyskania obrazów, pozwalających uzyskiwać bardzo duŝe pokrycia, bez skutków ekonomicznych. W pracach eksperymentalnych prowadzonych przez Thurgood i in. [2004], wykorzystano dwie serie obrazów wykonanych kamerą UltraCam D, przy pokryciu podłuŝnym 70% i 85%. Wszystkie charakterystyki wykazały polepszenie dokładności o około 20%. Osobnego potraktowania wymaga technologia aerotriangulacji rozwijana obecnie dla wysokorozdzielczych obrazów satelitarnych. Jest to szczególnie waŝne, Ŝe ekonomiczny sposób generowania na ich podstawie ortofotomap i NMT zwiększa powszechność ich stosowania. W kaŝdym jednak zadaniu potrzebne są parametry orientacji zewnętrznej obrazów, które przy niezaleŝnym dla kaŝdego obrazu wyznaczaniu wymagają duŝej liczby punktów osnowy. Rozwijane ostatnio modele geometryczne dla VHRS, na przykład oparte o RPC lub RPB parametry, które są dostarczane razem z obrazami Ikonos lub QuickBird, nie spełniają dokładności wymaganych dla bezpośredniego geopozycjonowania. Zgodnie z Fraserem i Hanley em [2003] wysoką podpikselową dokładność NMT czy ortoobrazu moŝna uzyskać tylko w przypadku wyrównania para- Geodesia et Descriptio Terrarum 4(2) 2005

10 34 A. Bujakiewicz metrów RPC na drodze aerotriangulacji metodą niezaleŝnych wiązek. JednakŜe nie zawsze obrazy satelitarne są udostępniane razem z parametrami RPC czy RPB. W takim przypadku Zhang i in. [2004] zaproponowali inny model transformacji, opisany dziewięcioma współczynnikami dla kaŝdego obrazu. Prace eksperymentalne wykazały, Ŝe zaproponowany przez Zhanga model dostarcza lepszych dokładności planimetrycznej aerotriangulacji niŝ model RPC, natomiast dokładność wysokości jest taka sama. W zakończeniu przedstawiono krótką analizę wybranych, dostępnych w Polsce stacji cyfrowych, wyposaŝonych w moduły automatyczne. Na przestrzeni ostatnich kilku lat, firmy sprzedające fotogrametryczne stacje cyfrowe się zmieniały. Wynikało to głównie z łączenia się firm w konsorcja, eliminując w ten sposób z rynku firmy mniejsze lub mające mniejsze doświadczenie w zakresie technologii fotogrametrii cyfrowej. W ten sposób na przykład, powstały oprogramowania fotogrametrii cyfrowej firmy Z/I Imaging na bazie pakietów rozwijanych wcześniej przez firmę Zeiss i firmę Intergraph. Od roku 2004, konsorcjum Z/I Imaging rozpadło się i na rynku pozostała tylko firma Intergraph. JednakŜe aktualizowane oprogramowania są sprzedawane pod tymi samymi nazwami, tj. SSK pakiet podstawowy zawierający kilka modułów rozwiązujących podstawowe zadania fotogrametryczne w trybie półautomatycznym; pakiet OrthoPro generujący ortofotomapy w trybie automatycznym; pakiety ISAT oraz ISAE realizujące aerotriangulację i generowanie numerycznego modelu terenu w trybie automatycznym. Znacznie gorsza sytuacja wytworzyła się z pakietami rozwijanymi przez konsorcjum H/L (Helava/Leica), które zostało rozwiązane a pakiey H/L nie są dalej rozwijane i sprzedawane przez nową firmę zwaną Leica Geosystems. Oczywiście pakiety H/L, takie jak HATS dla aerotriangulacji czy Socket Set dla automatycznego generowania NMT są dalej stosowane w produkcji, jednakŝe bez moŝliwości ich aktualizacji. W ostatnich trzech latach rozwinęła się ponownie bardzo efektywnie firma INPHO (Stuttgart), która w roku 2004 stworzyła konsorcjum z firmą ESRI. Pakiet INPHO zawiera moduły automatyczne: Match AT dla aerotriangulacji z opcją pomiaru w trybie 3D, Match T dla generowania NMT/DSM, OrthoBOX dla tworzenia ortofotomap (zawiera takŝe moŝliwość generowania true ortoobrazów), będący kombinacją OrthoMaster (dla generowania ortoobrazów) i OrthoVista (dla mozaikowania), DTmaster Stereo do edycji, kontroli i klasyfikacji danych NMT pochodzących ze zdjęć lotniczych, skaningu LIDAR i innych. Ponadto, sprzedawany jest pakiet SummitEvolution Professional dla pozyskania danych wektorowych w trybach 2D i 3D, pozwalający na bezpośredni przekaz tych danych do systemów GIS (ESRI ArcGIS 8 i 9, lub CAD (AutoCAD, Microstation), oraz dodatkowo, pakiet InBlock dla wyrównania aerotriangulacji obejmującej duŝe bloki obrazów lotniczych i satelitarnych. PIŚMIENNICTWO Badea D., Jacobson K., Using Break Line Information in Filtering Process of a Digital Surface. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXV, B3, Cramer M., Shade H., Orientation of Photogrammetric Sensors with an Integrated Multiantenna GPS Low Cost INS System. Integrated sensor orientation. Publisher Wichmann Verlag, Acta Sci. Pol.

11 Aspekty technologiczne 35 Cramer M., Stallmann D., Haala N., Direct Georeferencing Using GPS/Inertial Exterior Orientation for Photogrammetric Applications. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. XXXIII, B3, Fraser C.S., Hanley H.B., High Precision Geopositioning from Ikonos Satellite Imagery. Proceedings ASPRS Annual Meeting, Fricker P., ADS40 Progress in Digital Aerial Data Collection. Photogrammetric Week 01, Wichmann Verlag, Gulch E., Muller H., Labe T., New Applications of Semiautomatic Extraction. Proceedings Third Intern. Workshop on Automatic Extraction of Man-Made Objects from Aerial and Space Images. Ascona, Switzerland. Hinz A., Dorstel C., Heier H., DMC The Digital Sensor Technology of Z/I Imaging. Photogrammetric Week 01, Wichmann Verlag, Jacobson K., Geometric Potential of Ikonos and QuickBird Images. Photogrammertric Week 03. Wichmann Verlag, Kaczyński R., Ziobro J., Digital and Analytical Aerial Triangulation a Comparison Test. OEEPE Official publication No Kaczynski R., Ziobro J., Comparison of Semi-automatic and Automatic Digital Aerial Triangulaion. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. XXXIII, B3, Karabork H., Yildiz F., Investigation of Accuracy for Digital Elevation Models Generated with Different Methods in Photogrammetry. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXV, B3, Kurczyński Z., Wolniewicz W., Wojtynek W., Assessment of Very High Resolution Images Utilization for the Needs of the Polish National Geodesy Authorities. Geographical Information Systems in Research And Practice, Zagreb. Kurczyński Z., Współdziałanie wieloźródłowych systemów obrazowania powierzchni Ziemi. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, Geodezja z. 39, Leberl F., Gruber M., Flying the New Large Format Digital Aerial Camera UltraCamD. Photogrammertric Week 03. Wichmann Verlag, Marmol U., Jachimski J., A FFT Based Method of Filtering Airborne Laser Scanner Data. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXV, B3, McIntosh K., Krupnik A., Schenk T., Improvement of Automatic DSM Generation over Urban Areas Using Airborne Laser Scanner Data. Archives of XIX ISPRS Congress, Com. III, Amsterdam. Ohlhof T., Gulach E., i inni., Semi automatic Extraction of Line and Area Features from Aerial and Satellite Images. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXV, B3, Preuss R., Kameralne zagęszczenie osnowy polowej dla bloku zdjęć o minimalnym pokryciu. Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, Vol. 10, Preuss R., Potrzeba budowy portalu obrazowego w Polsce. Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, vol.14, 10 str. Schwalbe E., D Building Model Generation from Airborne LaserScanner Data by Straight Line Detection in Specific Orthogonal Projections. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXV, B3, Takano T., Doihara T., Ahibasahi R., Automatic Building Extraction and 3D City Modeling from Lidar Data Based on Hough Transformation.. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXV, B3, Geodesia et Descriptio Terrarum 4(2) 2005

12 36 A. Bujakiewicz Thurgood J.D., Joylon D., Gruber M., Karner K., Multi rays Matching for Automated 3D Object Modeling. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXV, B3, Ulm K., Improved 3D City Modeling with Cyber City Modeler Using aerial, Satellite Imagery and Laserscanner data. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Vol. XXXIV, Part 5. Wang Z., Using Stereo Images to Densify Lidar Data Points at where Needed. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXV, B3, Woestyne I.V.D., Jordan M., Moons T., Cord M., A Software System for Efficient DEM Segmentation and DTM Estimation in Complex Urban Areas. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXV, B3, Wolniewicz W., Assessment of Geometric Accuracy of VHR Satellite Images. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXV, B1, 1-5. Zhang J. Zhang Y., Cheng T., Block Adjustment Based on New Strict Geometric Model of Satellite Images with High Resolution. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXV, B3, TECHNOLOGICAL ASPECTS OF MODERN METHODS OF DIGITAL PHOTOGRAMMETRY Abstract. In this paper, the short review of the modern digital systems for imagery acquisition, are presented. Further, the various new technological approaches, based on integrated imagery from the aerial and satellite multi sensors, have been analysed. Finally, the the wide range of the conventional and new photogrammetric digital products ha been discussed. Key words: digital photogrammetry, multisensors imagery, digital products Zaakceptowano do druku Accepted for print: Acta Sci. Pol.