Podstawy ortorektyfikacji

Transkrypt

1 Fotogrametria cyfrowa sem /09 Podstawy ortorektyfikacji podstawowe definicje strategie ortorektyfikacji powtórne próbkowanie etapy procesu technologicznego praktyczna realizacja ortorektyfikacji 1 Podstawowe definicje Ortorektyfikacja to proces przetwarzania obrazów źródłowych (fotogrametrycznych zdjęć lotniczych, obrazów satelitarnych) którego celem jest uzyskanie hipotetycznego obrazu terenu jaki powstałby przy rzutowaniu ortogonalnym na elipsoidę odniesienia i odwzorowaniu kartograficznym na płaszczyźnie potocznie: zamiana rzutu środkowego na ortogonalny Ortorektyfikacja polega na usunięciu zniekształceń obrazów źródłowych w stosunku do obrazu docelowego przedstawionego w odwzorowaniu kartograficznym, których przyczynami są: zniekształcenia modelu geometrycznego realizowanego przez kamerę (dystorsja, elementy orientacji wewnętrznej) orientacja kamery model geometrii obrazu rzeźba terenu kulistość Ziemi refrakcja atmosferyczna poprawki odwzorowawcze 2 KPyka, FC - podstawy orto 1

2 Rzut ortogonalny Rzut środkowy - przesunięcia radialne (na zewnątrz i do wewnątrz zdjęcia 4 Modele przetworzenia obrazu źródłowego parametryczny ( lotniczy ) jest oparty na geometrycznej rekonstrukcji wiązek promieni przestrzennych formujących obraz źródłowy, promienie formujące obraz źródłowy są rzutowane na powierzchnię 3D reprezentującą odwzorowany na obrazie obszar, co pozwala -w miejscu przecięcia z powierzchnią ( terenem ) - zmienić ich bieg na ortogonalny do powierzchni odniesienia ( płaszczyzny ) Stosowany jest głównie dla obrazów formowanych w rzucie środkowym nieparametryczny ( satelitarny ) przetworzenie obraz źródłowy- obraz wynikowy jest opisane funkcją matematyczną (ilorazy wielomianowe), która ma charakter abstrakcyjny (brak jednoznacznego odniesienia do geometrii formowania obrazu) Stosowany jest głównie dla obrazów formowanych w postępującym rzucie środkowym 5 KPyka, FC - podstawy orto 2

3 Modele przetworzenia obrazu źródłowego parametryczny rekonstrukcja promieni funkcja przyporządkowująca nieparametryczny 6 Dane do ortorektyfikacji Do przeprowadzenia ortorektyfikacji parametrycznej są niezbędne: źródłowe obrazy cyfrowe (najczęściej zeskanowane zdjęcia lub zdjęcia zarejestrowane cyfrowo), dane z kalibracji kamery fotogrametrycznej (lub quasi-fotogrametrycznej, sensora), elementy orientacji zewnętrznej zdjęć (obrazów) lub osnowa fotogrametryczna pozwalająca na określenie tych elementów, numeryczny model rzeźby terenu (lub pokrycia terenu), (dodatkowo) dla potrzeb kontroli dokładności punkty lub elementy kontrolne. Do przeprowadzenia ortorektyfikacji nieparametrycznej są niezbędne: obrazy satelitarne jawna postać funkcji przetworzenia obraz - orto w postaci zbioru współczynników ilorazu wielomianowego (RPC) numeryczny model rzeźby terenu (lub pokrycia terenu), 7 KPyka, FC - podstawy orto 3

4 Terminologia Ortoobraz to wynik ortorektyfikacji przeprowadzonej dla pojedynczego zdjęcia (obrazu); takŝe ortofotografia Ortofotomapa jest mapą opracowaną na podstawie ortoobrazu lub ortoobrazów, spełnia następujące kryteria: wykonana jest w określonym odwzorowaniu kartograficznym, gwarantuje odpowiednią dla skali dokładność sytuacyjną dobrze identyfikowanych elementów treści, zachowuje ustalony krój arkuszowy, posiada siatkę kartograficzną i kilometrową, ramkę, opis pozaramkowy oraz opcjonalnie elementy uzupełniające w tym warstwice. Ortofotomapa cyfrowa jest to plik rastrowy, rastrowo-wektorowy lub zbiór plików (rastrowych, wektorowych, tekstowych), w których są zapisane: treść obrazowa, ramka wraz z opisem, georeferencje oraz opcjonalnie elementy uzupełniające (np. warstwice). Ortofotogram Ortofotoplan 8 Terminologia powtórne próbkowanie (ang. resampling), polega na interpolacji jasności pikseli wynikowych na podstawie jasności pikseli źródłowych mozaikowanie - łączenie ortoobrazów, uzyskanych z ortorektyfikacji sąsiednich obrazów źródłowych, w większe fragmenty, najczęściej w celu wypełnienia powierzchni wyznaczonej przez arkuszowy podział map przy określonej skali. piksel pierwotny (Ŝródłowy) piksel wynikowy 10 KPyka, FC - podstawy orto 4

5 Strategie ortorektyfikacji wstecz w przód h = f(x,y) h =? (x,y) 11 Problem strategii w przód wyznaczenie przecięcia promienia z NMT rozwiązanie iteracyjne H1 H2 H3 12 KPyka, FC - podstawy orto 5

6 Powtórne próbkowanie ortofotomapa odwzorowana na płaszczyźnie zdjęcia zdjęcie cyfrowe ortofotomapa cyfrowa 13 ortorektyfikacja zdjęcie cyfrowe (obraz cyfrowy B) przyporządkowanie jasności ortofotomapa odwzorowana na płaszczyźnie zdjęcia (obraz cyfrowy A) tworzona ortofotomapa cyfrowa 14 KPyka, FC - podstawy orto 6

7 Metody powtórnego próbkowania Dwie podstawowe metody 1. najbliŝszego sąsiada pobierana jest jasność tego piksela który leŝy najbliŝej obliczonej pozycji x,y (X,Y) 2. Interpolacyjne interpolacja jasności z określonego otoczenia obliczonej pozycji x,y (X,Y) interpolacja dwuliniowa (biliniowa, bilinear) interpolacja dwukubiczna (bikubiczna, cubic convolution) interpolacja dwukubiczna z wyostrzeniem połoŝenie x,y na tle siatki pikseli obrazu źródłowego uzyskane metodą wstecz 15 piksele obrazu B Dwie podstawowe metody 1. najbliŝszego sąsiada 2. Interpolacyjne interpolacja jasności z określonego otoczenia obliczonej pozycji x,y (X,Y) Interpolacja dwuliniowa (biliniowa, bilinear) Do interpolacji są brane cztery piksele obrazu, których środki otaczają pozycję (x,y) 17 KPyka, FC - podstawy orto 7

8 Interpolacja dwuliniowa (biliniowa, bilinear) 1 2 w 3 w 4 Wagi są równe powierzchniom leŝącym naprzeciw środków pikseli 1-4, powstałym z podziału kwadratu 1234 w stosunku do pozycji (x,y) 4 w 2 w 1 3 g 4 1 = 4 1 w g i w i i Metodę dwuliniową moŝna interpretować jako rozpięcie hiperboloidy parabolicznej nad środkami czterech pikseli obrazu których trzecią współrzędną tworzą ich jasności; projekcja pozycji (x,y) na tą powierzchnię daje poszukiwaną jasność. 18 Metody powtórnego próbkowania Dwie podstawowe metody 1. najbliŝszego sąsiada pobierana jest jasność tego piksela który leŝy najbliŝej obliczonej pozycji x,y (X,Y) 2. Interpolacyjne interpolacja jasności z określonego otoczenia obliczonej pozycji x,y (X,Y) interpolacja dwuliniowa (biliniowa, bilinear) interpolacja dwukubiczna (bikubiczna, splot sześcienny, cubic convolution) W interpolacji uczestniczy 16 pikseli połoŝonych najbliŝej pozycji (x,y) g = 16 w g i i 1 w i = f ( d 3 ) gdzie d odległosc (x,y) -środek piksela i 19 KPyka, FC - podstawy orto 8

9 Ortofotmapa - etapy procesu technologicznego Wykonanie zdjęć analogowych Skanowanie Wykonanie zdjęć cyfrowych Obraz cyfrowy Osnowa polowa EOZ Aerotriangulacja Ortorektyfikacja NMT Edycja, mozaikowanie Ortofotomapa Kontrola jakości 20 Praktyczna realizacja ortorektyfikacji Pełna (ścisła) ortorektyfikacja polega na sukcesywnym obliczaniu zaleŝności (X,Y) orto (x,y) zdjęcie (metoda wstecz) na podstawie równania kolinearności (dla VHRS RPC) z interwałem równym pikselowi tworzonego ortoobrazu. W przypadku rozwiązań uproszczonych, stosowanych dla przyspieszenia przetwarzania, zamiast ścisłego przeliczania z krokiem X= Y=PX odbywa się ono w interwałach będących całkowitą wielokrotnością piksela wynikowego, np. 4 x PX, 16 x PX, 32 x PX. Programy do ortorektyfikacji z reguły umoŝliwiają operatorowi wpływ na wielkości X, Y (tzw. DTM sampling). Wielkości te naleŝy dobierać według zasady: im bardziej urozmaicona konfiguracja wysokościowa terenu, im więcej skokowych zmian wysokości (linie nieciągłości zwłaszcza na terenach zurbanizowanych), tym mniejsze rozmiary interwałów próbkowania NMT. 22 KPyka, FC - podstawy orto 9

10 Praktyczna realizacja ortorektyfikacji rozwiązania uproszczone ścisłe obliczenie wg. równań kolinearności dotyczy tylko pikseli naroŝnych siatki roboczej Dla nich: (X,Y) NMT (X,Y,H) równanie kolinearności (x,y) interpolacja jasności g (X,Y,g) pozostałe piksele są przeklejane z obrazu źródłowego siatka NMT siatka próbkowania NMT Rysunek symboliczny, w praktyce siatka robocza moŝe być gęstsza od siatki NMT 23 Praktyczna realizacja ortorektyfikacji rozwiązania uproszczone pozostałe piksele są przeklejane z obrazu źródłowego KPyka, FC - podstawy orto 10

11 Praktyczna realizacja ortorektyfikacji rozwiązania uproszczone ścisłe obliczenia dla pikseli naroŝnych 1,2,3,4 siatki roboczej pozostałe piksele są przeklejane z obrazu źródłowego Y 2 3 y X x Mamy cztery pary (X,Y) i (x,y) Wyliczamy współczynniki transformacji (X,Y) (x,y).rzutowa, afiniczna.. dla pikseli wewnętrznych (x,y) są liczone z transformacji 26 Praktyczna realizacja ortorektyfikacji TIN (metoda wstecz) (X,Y) NMT (X,Y,H) równanie kolinearności (x,y) interpolacja jasności g (X,Y,g) gęstość obliczeń wielokrotność piksela wynikowego wysokości H w z interpolacji planarnej wewnątrz trójkąta gdy wystąpi linia nieciągłości siatka próbkowania NMT 28 KPyka, FC - podstawy orto 11

12 Praktyczna realizacja ortorektyfikacji gdy wystąpi linia nieciągłości to trzeba w kaŝdym oczku siatki próbkowania dokonać triangulacji.. ścisłe obliczenia dla pikseli wierzchołkowych 1,2,3, itd. w praktyce piksele wierzchołkowe nie pokrywają się dokładnie ze współrzędnymi punktów załamania linii nieciągłości 29 Zasady mozaikowania 1. jedno ze zdjęć wchodzących do mozaikowania przyjmuje się jako zdjęcie bazowe to które jest poprawne radiometrycznie, tzn. jednolite kolorystycznie, bez winietowania i duŝych róŝnic jasności w róŝnych częściach zdjęcia, 2. łączenie ortoobrazów z co drugiego zdjęcia moŝna stosować w przypadku kiedy pozwala na to jakość radiometryczna i geometryczna oraz treść zdjęć 3. linia mozaikowania (linia łączenia) powinna: biec po powierzchni terenu omijając obiekty wysokie ( budynki, drzewa) oraz cienie łączyć obszary o podobne charakterystyce radiometrycznej w miarę moŝliwości linie powinny biec środkiem dróg, ścieŝek z punktu widzenia estetyki dobrym wyborem linii łączenia są granice konturów terenowych, w tym uŝytków gruntowych (ale pogarsza to ostrość tych elementów) jeśli jest wiele moŝliwości wyboru linii to naleŝy preferować obszary o mniejszych przesunięciach radialnych, mniejszych cieniach, 31 KPyka, FC - podstawy orto 12

13 Mozaikowanie dwóch ortoobrazów zakres mapy etap 1 wyznaczenie linii łączenia ortoobraz 1 ortoobraz 2 etap 2 połączenie ortoobrazów etap 3 kadrowanie mapy Ortoobrazy połączone Wycięty zakres mapy 32 przebieg linii łączenia dla duŝego projektu 33 KPyka, FC - podstawy orto 13

14 Dopasowanie radiometryczne na szwie (seam feathering) strefa dopasowania radiometrycznego łączonych obrazów 34 KPyka, FC - podstawy orto 14