PREZENTACJA I ZASTOSOWANIE SYSTEMU INTERNETOWYCH POMIARÓW OBRAZÓW FOTOGRAMETRYCZNYCH

Transkrypt

1 Artur Janowski Zygmunt Paszotta Jakub Szulwic PREZENTACJA I ZASTOSOWANIE SYSTEMU INTERNETOWYCH POMIARÓW OBRAZÓW FOTOGRAMETRYCZNYCH Streszczenie. W referacie zaprezentowane zostaj funkcjonujce rozwizania powstałe w ramach bada i prac doktorskich, a odnoszce si do rozwizywania zada fotogrametrii lotniczej w rodowisku internetowym. Pierwotny zamysł systemu internetowych pomiarów obrazów fotogrametrycznych (SIPOF) zrodził si w projekcie badawczym prowadzonym w zespole dra hab. Zygmunta Paszotty, prof. UWM, na Uniwersytecie Warmisko-Mazurskim w Olsztynie. Zasadnicze badania były realizowane w ramach studiów nad rozprawami doktorskimi autorów. Efekty bada zostały wdroone w formie funkcjonujcego systemu umoliwiajcego realizacj internetowych pomiarów na zdjciach fotogrametrycznych nazwanego SIPOF. Referat jest skróconym przewodnikiem po systemie; prezentuje jego funkcjonalno oraz przedstawia moliwoci wykorzystania w edukacji, nauce i gospodarce. SIPOF był prezentowany w orodkach edukacyjno-badawczych w Polsce oraz zagranic i spotkał si z zainteresowaniem podmiotów gospodarczych. Komercjalizacja pracy naukowej zaowocowała dalsz koncepcj udostpniania fotogrametrycznych opracowa rastrowych jako noników informacji kartometrycznej dla uytkownika specjalistycznego i masowego. Przedstawienie funkcjonujcego systemu internetowych pomiarów fotogrametrycznych opartego przede wszystkim na kliencie informatycznym implementowanym w graficznej przegldarce internetowej stanowi tło dla oczekiwa, jakie pokładane s przez uytkownika masowego w fotogrametrii jako dziedzinie uytkowej. Równolegle przytoczone zostaj opisy zwizane z klientem dedykowanym dla systemu operacyjnego Windows, który funkcjonuje obecnie jako dominujcy SO wykorzystywany przez uytkownika masowego. Przytoczne prezentacje systemu pokazuj funkcje i moliwoci jego zastosowania w pracach geodezyjnych i kartograficznych. Przeprowadzone analizy funkcjonalne i ocena dokładnoci okrelaj przydatno zbudowanego systemu i jego praktyczn uyteczno. 1. Uruchomienie SIPOF. W ramach prac badawczych i wdraania koncepcji internetowego przetwarzania zdj fotogrametrycznych zostało uruchomione stanowisko badawcze serwer internetowy. Stał si on centralnym orodkiem rozproszonego systemu przetwarzania obrazów lotniczych. Konfiguracja systemu operacyjnego Windows 2000 Server została zmodyfikowana w taki sposób, by domylnym serwerem WWW stał si Apache, obok którego zaimplementowano serwer aplikacji Tomcat. Serwer Apache udostpniał zasoby fotogrametryczne (fragmenty zdj, parametry obrazów fotogrametrycznych) oraz kody apletów Java implementowane w zapisie jzyka HTML stron WWW i uruchamiane po stronie klienta w rodowisku uruchomieniowym wirtualnej maszyn Java (JVM) w graficznej przegldarce WWW. Serwer został równoczenie przygotowany do współpracy z klientem dedykowanym napisanym jako aplikacja Windows i realizujcym identyczne zadania jak klient w przegldarce internetowej. Stworzenie dwóch klientów uniplatformowego w standardzie jzyka Java oraz dedykowanego dla Windows

2 w standardzie Delphi miało na celu z jednej strony udostpnienie SIPOF szerszemu gronu odbiorców, a z drugiej było swoistym badaniem i konfrontacj moliwoci klientów dedykowanych oraz funkcjonujcych na wielu niezalenych platformach. Cykl bada został zrealizowany w formie kolejnych wersji SIPOF stabilnie i nieprzerwanie funkcjonujcych w Internecie przez 24 godziny. Cało bada trwała ponad dwa lata, a wyniki bada stanowiły istotny wtek w rozprawach doktorskich autorów oraz były osnow projektu badawczego. Szczególnie cenne były badania prowadzone z udziałem internatów, którzy testujc kolejne wersje SIPOF stali si współtwórcami przedsiwzicia. 2. Prezentacja kolejnych wersji SIPOF. Pierwsza wersja upubliczniona w Internecie, roboczo nazwana b, umoliwiała pomiar współrzdnych terenowych X, Y, H (Z) na ograniczonym obszarze miasteczka uniwersyteckiego w Olsztynie-Kortowie. W oknie graficznej przegldarki WWW z obsług apletów Java moliwy do wykonania był cykl operacji: wskazanie lewym klawiszem myszy punktu na lewym zdjciu stereopary, którego współrzdne chcemy pomierzy, przejcie do zdjcia prawego danego obszaru, wskazanie homologicznego punktu na zdjciu prawym, opcjonalne automatyczne spasowanie obszaru na prawym zdjciu do otoczenia punktu wskazanego na lewym zdjciu, pomiar współrzdnych terenowych w oparciu o elementy orientacji zewntrznej zdj lub parametry przekształcenia zdjcia. Rysunek 1. Interfejs WWW wersja b systemu wskazanie punktu na zdjciu lewym. Rysunek 2. Interfejs WWW wersja b systemu wskazanie punktu na zdjciu prawym

3 Rysunek 3. Interfejs WWW wersja b systemu automatyczne dopasowanie wskazania punktów na lewym i prawym zdjciu. Rysunek 4. Interfejs WWW wersja b systemu wynik pomiaru współrzdnych terenowych. Kolejna wersja SIPOF b została rozbudowana o moliwo wyboru obszaru, na którym miałby zosta przeprowadzony pomiar. Dodany został tez moduł pomiaru pola powierzchni wieloboku w oparciu o pomierzone współrzdne terenowe X, Y, H (Z). W celu obserwacji wybranego zdjcia w wikszym powikszeniu naley klikn lewym klawiszem myszy w zdjcie, które jest dla nas interesujce. Rysunek 5. Interfejs WWW wyboru obszaru - wersja b systemu. Wywołane zostaje nowe okno przegldarki internetowej. W nim uruchomiony zostaje system pomiarowy. Funkcjonalnie jest to aplet Java implementowany w kodzie HTML i uruchamiany w JVM. Podobnie jak w wersji b pomiar polega na wskazaniu homologicznych punktów na lewym i prawym zdjciu. Funkcjonalnie wersja b została wzbogacona o moliwo powiksze w oparciu o wycinanie przez serwlet Java

4 dnego fragmentu zdjcia z piramidy obrazów przechowywanych w niedostpnej dla uytkownika przestrzeni serwera danych. W celu ograniczenia iloci przesyłanych danych wycity fragment był dynamicznie przetwarzany do formatu JPEG i udostpnianych w zasobie serwera WWW. Rysunek 6. Panel pomiarowy - wersja b systemu obraz pocztkowy, fragment lewego zdjcia. Rysunek 7. Interfejs WWW wersja b systemu obraz pobrany przez aplet z serwera WWW i wskazanie punktu na zdjciu lewym. Rysunek 9. Strona WWW wygenerowana przez serwlet Java po stronie serwera aplikacji z informacj o moliwoci pobrania z serwera WWW przygotowanego fr. lewego zdjcia. Rysunek 8. Plik szulwic_280_4398_2368_500_500_0.jpg przygotowany do udostpnienia dla klienta WWW umieszczony w zasobach serwera WWW. Rysunek 10. Strona WWW wygenerowana przez serwlet Java po stronie serwera aplikacji z informacj o moliwoci pobrania z serwera WWW przygotowanego fr. prawego zdjcia.

5 Rysunek 11. Panel pomiarowy - wersja b systemu obraz po przełczeniu na panel pomiarowy prawego zdjcia fr. prawego zdjcia. Rysunek 12. Interfejs WWW wersja b systemu powikszenie i wskazanie punktu na zdjciu prawym. Rysunek 13. Interfejs WWW wersja b systemu wynik działania apletu: po fakultatywnym spasowaniu otoczenia punktów homologicznych (przycisk Matching ), obliczone zostały współrzdne terenowe (przycisk X,Y,Z ).

6 Wywołanie serwleta Java przez aplet Java realizowane jest metod GET i ma posta URL (Rysunek 8.): =szulwic&naz_z=280&x0=4398&dx=500&y0=2368&dy=500&skala=0. Serwlet generuje z niedostpnych dla internauty zbiorów piramid obrazów o wielkoci kilkuset MB zapisanych w formacie BMP plik o ciarze kilkunastu kb w formacie JPEG z wycinkiem obrazu okrelonym przez współrzdne punktu wskazanego przez uytkownika. Na serwerze WWW zostaje udostpniony zamawiany obraz i uytkownik otrzymuje informacj o moliwoci jego pobrania. Plik na serwerze WWW otrzymuje nazw zalen od loginu, numeru zdjcia oraz współrzdnych wskazanych przez uytkownika. Równolegle generowany jest zbiór (plik binarny szulwic_280_4398_2368_500_500_0.zyg) z parametrami zdjcia umoliwiajcy realizacj oblicze przez aplet Java dla danego wycinka zdjcia fotogrametrycznego. Zgodnie z powszechnie stosowanymi w fotogrametrii metodami wyznaczania punktów homologicznych w przyjtym rozwizaniu zastosowano metod spasowania (matching) obszarów. Jako miar podobiestwa zbiorów pikseli przyjto współczynnik korelacji, który obliczany jest w aplecie Java po stronie klienta [Paszotta, 2000]. Elementy orientacji zdj przekazywane s do uytkownika w momencie wybrania przez niego odpowiedniego stereogramu. Mamy zatem moliwo wyznaczenia współrzdnych terenowych wskazanych punktów. Obliczenia te wykonywane s w aplecie Java po stronie klienta. Rezultaty takich oblicze przedstawia rysunek 13. Moliwe do zastosowania w przegldarkach WWW rodowisko graficzne oraz obsługa zdarze pozwalaj nie tylko przedstawia zdjcia i mierzy współrzdne, ale i kreli linie na obrazie w celu zaznaczenia konturów obiektów (np. działek lub uytków gruntowych) oraz pomiaru pól powierzchni tych obszarów. Rysunek 14. Interfejs WWW b - wskazanie wieloboku do obliczenia pola powierzchni - zdjcie lewe. Rysunek 15. Interfejs WWW b wskazanie wieloboku do obliczenia pola powierzchni - zdjcie prawe.

7 W kolejnych etapach tego rozwizania wykonywane jest automatyczne bd wymiennie manualne spasowanie wieloktów oraz obliczanie przestrzennych (terenowych) współrzdnych wierzchołków wielokta, na których podstawie aplet oblicza wielko pola powierzchni. Rysunek 16. Okno apletu Java ze współrzdnymi pikselowymi wieloboku ograniczajcego mierzon powierzchni po automatycznym spasowaniu na zdjciu lewym i prawym. Rysunek 17. Interfejs WWW wersja b systemu okno apletu Java: wynik obliczenia współrzdnych wierzchołków wieloboku w układzie współrzdnych terenowych w układzie geodezyjnym 1965 oraz wielko pola powierzchni w m 2. Dziki zastosowaniu technologii Java, klientem moe by wikszo graficznych przegldarek internetowych. Nie tylko najpopularniejsze w tym Internet Explorer i Netscape Navigator ale np. HotJava, NeoPlanet i Opera obsługuj Java. Planujc jednak system dla uytkownika masowego, tutaj: internauty, naley bra pod uwag równie przyzwyczajenia uytkownika oraz dominacj jednego systemu operacyjnego. Dlatego powstała te wersja klienta dedykowana dla Windows

8 odwołujcego si do serwera aplikacji standardem komunikacji zgodnym z klientem Java aplet. Klient dla Windows realizuje ten sam zestaw oblicze wg identycznych procedur jak w kliencie Java aplet. Rysunek 18. Klient dedykowany dla Windows pomiar współrzdnych terenowych. Rysunek 19. Klient dedykowany dla Windows pomiar pola powierzchni.

9 3. Badanie dokładnoci pomiaru SIPOF. Dokładno wyznaczania współrzdnych terenowych w SIPOF zastała oceniona w oparciu o porównanie współrzdnych uzyskanych w pomiarach internetowych z wykorzystaniem SIPOF z wynikami pomiarów GPS. Analizie poddano 25 punktów, które wczeniej zostały wykorzystane jako punkty kontrolne lub punkty kontrolne właciwe w aerotriangulacji. Wyniki pomiarów w SIPOF i GPS, które posłuyły do wyznaczenia RMSE, zamieszczone zostały w tabeli 1. Tabela 1 NR X SIPOF Y SIPOF Z SIPOF X GPS Y GPS Z GPS dx dy dz , ,41 103, , ,51 104,04-0,28 0,10 0, , ,79 110, , ,91 110,97-0,01 0,12 0, , ,28 120, , ,53 120,35-0,09 0,25 0, , ,51 115, , ,76 115,16-0,04 0,25-0, , ,90 106, , ,96 106,47-0,09 0,06 0, , ,64 109, , ,73 109,72-0,09 0,09 0, , ,66 114, , ,77 114,54-0,15 0,11-0, , ,90 136, , ,70 136,23 0,15-0,20 0, , ,05 110, , ,11 110,88 0,10 0,06 0, , ,78 121, , ,79 120,99-0,08 0,01-0, , ,04 115, , ,03 115,20-0,16-0,01 0, , ,68 107, , ,86 106,65 0,04 0,18-0, , ,79 115, , ,88 115,43-0,10 0,09-0, , ,88 114, , ,89 114,55 0,09 0,01-0, , ,20 131, , ,39 132,02 0,07 0,19 0, , ,53 116, , ,28 116,49-0,11-0,25-0, , ,87 108, , ,01 108,74-0,25 0,14-0, , ,65 114, , ,56 114,69 0,20-0,09 0, , ,00 120, , ,20 119,86-0,21 0,20-0, , ,10 115, , ,27 115,34-0,57 0,17 0, , ,55 108, , ,67 108,68-0,39 0,12 0, , ,23 129, , ,19 129,07 0,01-0,04-0, , ,91 106, , ,98 106,49 0,16 0,07-0, , ,70 107, , ,87 108,18-0,18 0,17 0, , ,09 115, , ,29 115,10-0,14 0,20 0,03 W rezultacie porównania, w którym pomiar terenowy uznano za bezbłdny, uzyskano błdy rednie (RMSE): RMSEX = mx = 0, 19m, RMSEY = my = 0, 15m błd połoenia punktu RMSEZ = mz = 0, 20m. m P = 0, 24m

10 Wiksze błdy zaobserwowano na punktach znajdujcych si przy pasach zieleni lub w otoczeniu rolinnoci, gdzie warunki naturalne wpłynły na identyfikacj punktów w terenie i na zdjciach. W zwizku z du rónica czasu midzy pomiarem GPS (rok 2003) a pomiarami w SIPOF (zdjcia wykonane w 1995 r.), trudnoci identyfikacji dotyczyły lokalizacji punktów w płaszczynie XY, przy zasadniczo niezmiennej wysokoci H (Z). 4. Wykorzystanie SIPOF przez internautów. Pierwsza wersja SIPOF została udostpniona w Internecie z kocem roku Prezentowane dalej graficznie statystyki odwiedzin reprezentuj cały okres udostpniania SIPOF tj. od grudnia 2001 r. do listopada 2003 r. Statystyka obejmuje odwiedziny wyłcznie z wykorzystaniem przegldarki WWW. Od pocztku istnienia SIPOF został odwiedzony i wykorzystany do pomiarów ponad 1200 razy. W zestawieniu odwiedzin SIPOF (tabela 2.) z konkretnych hostów (komputerówklientów) wykazane s najciekawsze wg autorów wybrane z okresu lipiec-listopad 2003 odwołania i jednoznacznie zidentyfikowane po wpisach w REV DNS lub bazach instytucji przydzielajcych IP (aktualnie s to RIPE przydzielajca numery IP w Europie, APNIC obsługujca rejon Azji i Pacyfiku, oraz powołana w grudniu 1997 r. ARIN, która przejła od InterNIC przydział adresów IP dla kontynentu amerykaskiego). Rysunek 20. Wizualizacja liczby odwiedzin wg systemu Gemius.pl POLSKA ORODKI: Olsztyn: 555 odwiedzin, Warszawa: 215, Kraków: 130, Katowice: 90, Trójmiasto: 107 Wrocław: 105 KRAJE: Niemcy, USA: 48 odwiedzin, Wielka Brytania: 20, Hiszpania: 15, Holandia: 11, Litwa: 10.

11 Liczby odwiedzin s zanione ze wzgldu na umieszczenie systemu Gemius poza serwerem kfit.uni.olsztyn.pl. Jednak wskazane dowodz, e SIPOF stał si obszarem bada realizowanym z udziałem uytkownika masowego, przez co przeszedł specyficzn i istotn dla autorów form kontroli. Nie do przecenienia s równie odwiedziny zestawione w tabeli 2., które pokazuj zainteresowanie SIPOF ze strony okrelonych uytkowników instytucjonalnych. Tabela 2. Host: pc32.maunsell.com.hk Data: name: Maunsell Group in the Hong Kong/China Region Host: iza.ppwk.pl Data: name: PPWK SA Warszawa Host: cache1.nottingham.ac.uk Data: descr: University of Nottingham Host: blueice2a.de.ibm.com Data: name: IBM Co. Host: net.opgk.olsztyn.pl Data: name: OPGK Sp. z o.o. Olsztyn Host: Data: name: Wojskowa Akademia Medyczna w Łodzi Host: netform.wip.pw.edu.pl Data: name: Wydz. Inynierii Produkcji PW Host: cbkzi.cbk.waw.pl Data: name: Centrum Bada Kosmicznych Host: mars.wil.waw.pl Data: Nazwa: Wojskowy Instytut Łcznoci Host: cerevisiae.isa.utl.pt Data: name: Instituto Superior de Agronomia Universidade Tecnica de Lisbona, PT Host: ita.isibrno.cz Data: name: Institute of Scientific Instruments, Academy of Sciences of the Czech Republic Host: sinada.aku.edu.tr Data: descr: Afyon Kocatepe Universitesi Host: Data: name: PKiN Warszawa (PAN) descr: Zarzad Palacu Kultury i Nauki Host: Data: netname: LRZ-MUNICH-NET descr: Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) der Bayerischen Akademie, Muenchen Host: photo1.geo.ar.wroc.pl Data: name: Katedra Geodezji I Fotogrametrii AR Wrocław Host: pc82.kbn.gov.pl Data: name: Komitet Bada Naukowych Host: ocj1.igik.edu.pl Data: name: IGiK Host: Data: netname: JW-2669 descr: Jednostka Wojskowa 2669 descr: Stare Kiejkuty Host: dibbler.apeks.com.pl Data: name: Zakład Usług Inynierskich "APEKS" Gdask Host: comp220.infish.com.pl Data: Nazwa: Instytut Rybactwa ródldowego descr: Olsztyn, Poland

12 Host: accala.oi.pg.gda.pl Data: name: Orodek Informatyczny PG Host: ge0pc131.geo.tudelft.nl Data: name: University of Technolgy, Delft country: NL Host: Data: name: Z-d Metod Numerycznych UMCS Host: pc34.photo.verm.tumuenchen.de Data: name: Chair for Photogrammetry and Remote Sensing - TU München country: DE 5. Podsumowanie. Praktyczne wykorzystanie wyników bada i komercjalizacja nauki moe dotyczy zagadnie: - internetowej akwizycji obrazów lotniczych i satelitarnych pozostajcych w pastwowych zasobach geodezyjnych (CODGiK, GUGiK), - wyznaczanie pól powierzchni uytków gruntowych i pól zagospodarowa w celach podatkowych i ewidencyjnych (LPIS, IACS), - okrelanie współrzdnych X,Y,Z dla potrzeb aktualizacji Numerycznego Modelu Terenu (NMT), - wyznaczanie współrzdnych X,Y,Z w pracach geodezyjnych na podstawie zdj fotogrametrycznych bez potrzeby zakupu i przetwarzania materiałów ródłowych przez uytkownika kocowego (geodeta, projektant), - udostpniania informacji opisowej i danych o obiektach powizanych z rastrowym materiałem fotogrametrycznym w Internecie na szeroko rozumiane potrzeby uytkownika masowego. W ogólnoci uruchomiony projekt informatyczny pokazuje, e moliwe jest zbudowanie internetowego systemu przetwarzania i analizy zdj fotogrametrycznych. System moe by uyty do opracowa zwizanych z dowolnymi obrazami rastrowymi, w tym niewtpliwie do prac z wysokorozdzielczymi obrazami satelitarnymi i ortofotomapami wykonanymi z tych obrazów. Literatura 1. Janowski A., 2003, Dobór optymalnych narzdzi informatycznych przy konstruowaniu aplikacji SIP przeznaczonych dla odbiorcy masowego, UWM Olsztyn, rozprawa doktorska. 2. Janowski A., Paszotta Z., Szulwic J., 2003, Badanie moliwoci przetwarzania lotniczych obrazów cyfrowych przekazywanych za pomoc Internetu, Vol. 1 i 2, Sprawozdanie z projektu badawczego KBN nr 8 T12E005 21, UWM w Olsztynie. 3. Paszotta Z., 2000, Teoretyczne podstawy metody spasowania obszarów obrazów cyfrowych, AFKiT vol. 10, Kraków. 4. Szulwic J., 2003, Koncepcja technologii przetwarzania i analizy geoinformacyjnej zdj fotogrametrycznych w rozwizaniach internetowych, UWM Olsztyn, rozprawa doktorska.