Uniwersytet Uniwersytet Rolniczy Rolniczy w Krakowie Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji Katedra Fotogrametrii i Teledetekcji Katedra Geodezji Rolnej, Katastru i Fotogrametrii Temat ćwiczenia: Opracowanie zdjęć naziemnych.
Metody opracowania zdjęć naziemnych Metoda mechaniczna (bazująca na instrumentach analogowych np. stereoautograf) obecnie już rzadko, albo nawet wcale nie stosowana Metoda analityczna (polega na wykorzystaniu matematycznych zależności pomiędzy współrzędnymi tłowymi i współrzędnymi przestrzennymi, tj. na obliczeniu współrzędnych przestrzennych na podstawie elementów orientacji wewnętrznej kamery, elementów orientacji zewnętrznej zdjęć i pomierzonych współrzędnych tłowych. Zależności matematyczne między współrzędnymi tłowymi, a współrzędnymi przestrzennymi związane są z rodzajem stereopar. Metoda cyfrowa (bazująca na zdjęciach wykonanych metrycznymi, bądź niemetrycznymi kamerami cyfrowymi)
Rodzaje zdjęć naziemnych Zwrócone w prawo Zwrócone w lewo
Rodzaje stereopar normalna zwrócona w lewo zwrócona w prawo = 100 g 100 g 100 g = 0 g = 0 g = 0 g = 0 g = 0 g = 0 g zbieżna rozbieżna 0 g 1 2 = 0 g = 0 g = 0 g = 0 g normalna zwrócona w lewo zwrócona w prawo nachylona nachylona nachylona = 100 g 100 g 100 g 0 g 0 g 0 g = 0 g = 0 g = 0 g
Układ współrzędnych fotogrametrycznych
Zależności dla stereopary normalnej
Współrzędne przestrzenne stereopara normalna stereopara zwrócona w lewo Z Y X B p f B p x B p z 1 1 1 Y x f 1 Y z f Y B p f cos x sin B 2 0 p f X B p f x x Y x B f 1 1 0 cos sin f p x 2 Z B p f x z Y z B f 1 1 0 cos sin f p z 2 1 1 stereopara zwrócona w prawo gdzie: B 0 x2 Bcos f sin Y B p fcos x x X 1 Y f z Z 1 f Y 2 sin
Y B f Współrzędne przestrzenne stereopara zbieżna stereopara nachylona x X 1 Y f z Z 1 f Y x2 sin 2 sin f cos p f cos f x x 1 2 stereopara zwrócona nachylona Y X B p fcos zsin B p x 1 Z Y z f tg 1 f z tg 1 Z Y z f tg 1 f z tg 1 Y Bx 2sin cos fcos x2hsin fcos z1sin f p X B x1 f p x f x h 2 sin cos cos 2 sin Z B sin cos fcos x hsin z f p 2 1
Punkty kontrolne Służą do sprawdzenia wyników opracowania fotogrametrycznego W wypadkach uzasadnionych wielkością różnic współrzędnych geodezyjnych i współrzędnych fotogrametrycznych pozwalają one podnieść dokładność opracowania Pozwalają przeprowadzić transformację współrzędnych fotogrametrycznych w układzie bazowym na współrzędne geodezyjne w układzie danego obiektu
Cyfrowa fotogrametria naziemna Zasady projektowania naziemnego pomiaru fotogrametrycznego Obecnie w praktyce produkcyjnej wykorzystuje się prawie wyłącznie aparaty cyfrowy. Użycie analogowych kamer fotogrametrycznych jest sporadyczne i występuje tam gdzie ze względów technicznych (np. rozdzielczość terenowa piksela, rozmiar matrycy aparatu, ogniskowa obiektywu) aparat cyfrowy nie jest w stanie zapewnić spełnienia warunków specyfikacji. Jednakże przypadki takie są incydentalne i zwykle nie są realizowane przez firmy produkcyjne.
Cyfrowa fotogrametria naziemna Aby móc wykorzystać aparat cyfrowy do wykonania zdjęć pomiarowych musi być spełnionych kilka warunków: aparat musi być wyposażony w obiektyw stałoogniskowy z jednym aparatem można używać wymiennie kilku obiektywów stałoogniskowych np. o ogniskowych 20 mm, 50 mm, 100 mm, każdy zestaw aparat + obiektyw musi zostać skalibrowany dla zadanej odległości fotografowania co oznacza że: - obiektyw musi mieć wyznaczone parametry dystorsji, - musi zostać wyznaczona ogniskowa dla zestawu C k, - musi zostać wyznaczony punkt główny zdjęć, mocowanie obiektywu do aparatu musi zapewniać powtarzalność elementów orientacji wewnętrznej zestawu oznacza to, że po każdym włączeniu i wyłączeniu aparatu, jak również po wymianie obiektywów i ponownym ich założeniu, elementy orientacji wewnętrznej zestawu muszą pozostać niezmienne.
Dane podstawowe Podstawowym warunkiem narzucającym definiowanie projektu fotogrametrycznego dla zdjęć naziemnych jest terenowy rozmiar piksela zdjęć. Zazwyczaj jest on określony w specyfikacji projektu wprost dla zdjęć lub też dla ortofotoplanów wynikowych. Ogólnie możemy przyjąć, że: dla dokumentacji wektorowej obiektów (np. widoki elewacji) wykonujemy zdjęcia z pikselem terenowym 2mm, dla ortofotoplanów murów ceglanych - wykonujemy zdjęcia z pikselem terenowym 2 mm, dla ortofotoplanów pęknięć, czy powierzchni o drobnym rysunku - wykonujemy zdjęcia z pikselem terenowym 1 mm, dla ortofotoplanów malowideł i polichromii wykonujemy zdjęcia z pikselem terenowym 0,5 lub nawet 0,3 mm.
Dane podstawowe c.d. Podany rozmiar piksela terenowego definiuje nam odległość fotografowania dla danego zestawu aparat + obiektyw, a dodatkowo terenowy zasięg pojedynczego zdjęcia. Z czego to wynika? Matryca każdego aparatu (obojętnie czy to matryca CCD czy CMOS), to macierz uporządkowanych kwadratowych elementów światłoczułych o określonym rozmiarze. Każdy światłoczuły element matrycy rejestruje jeden piksel obrazu. Stosunek wielkości piksela terenowego to wielkości piksela matrycy definiuje nam mianownik skali zdjęcia: P P T M M Z gdzie: P T wielkość piksela terenowego [mm] P M wielkość piksela matrycy [mm] M z mianownik skali zdjęcia
Dane podstawowe c.d. Pamiętamy z wykładu fotogrametrii że: W C K M gdzie: W wysokość lotu, a w przypadku fotogrametrii naziemnej odległość fotografowania [m] C K długość ogniskowej [m] M Z mianownik skali zdjęcia Z a zatem: Z porównania obu wzorów mamy: P P T M W C K W P T * C P M K
Dane podstawowe c.d. - Wielkość piksela terenowego jest naszą daną wejściową. - Informację o ogniskowej otrzymujemy z kalibracji aparatu. - Rozmiar piksela matrycy można zazwyczaj znaleźć w dokumentacji aparatu. Jeżeli nie ma tam tej informacji wprost to zwykle podany jest rozmiar matrycy w mm i rozmiar matrycy w pikselach. Na przykład dla aparatów: Canon EOS 400D mamy rozmiary matrycy: szerokość w pikselach - 3888 wysokość w pikselach 2592 szerokość w milimetrach - 22.2 wysokość w milimetrach 14.8 daje to rozmiar pojedynczego piksela matrycy 0.0057 mm (5.7 μm) Canon EOS 5D mamy rozmiary matrycy: szerokość w pikselach - 4368 wysokość w pikselach 2912 szerokość w milimetrach - 35.9 wysokość w milimetrach 23.8 daje to rozmiar pojedynczego piksela matrycy 0.0082 mm (8.2 μm)
Dane podstawowe c.d. Co to oznacza w praktyce? Przykład W projekcie mamy wykonać zdjęcia z pikselem terenowym 2mm. Dysponujemy aparatami Canon EOS 400D i Canon EOS 5D z obiektywami 20 mm (w uproszczeniu przyjmujemy dane nominalne). Z jakich odległości od obiektu powinniśmy wykonać zdjęcia, aby otrzymać rozmiar piksela 2 mm? Dla Canona EOS 400D otrzymujemy: W= 0.002 * 0.020 / 0.0000057 = 7.01 m, czyli możemy przyjąć odległość fotografowania 7,0 m. Dla Canona EOS 5D otrzymujemy: W= 0.002 * 0.020 / 0.0000082 = 4.88 m, czyli możemy przyjąć odległość fotografowania 4,9 m. Uwaga! Zmiana odległości fotografowania o 0.5m daje zmianę wielkości piksela terenowego dla zestawu Canona EOS 400D + obiektyw 20 mm wynoszącą ok. 0.14 mm, a dla zestawu Canona EOS 5D + obiektyw 20 mm wynoszącą ok. 0.20 mm. W praktyce oznacza to, że przy wykonywaniu zdjęć Canonem EOS 400D mniej musimy "pilnować" odległości fotografowania niż dla zestawu z Canonem EOS 5D.
Dane podstawowe c.d. Uwaga! Należy zwrócić uwagę na to, że precyzja ustawienia odległości fotografowania znacząco zależy od wielkości założonego piksela terenowego. O ile dla piksela o rozmiarze 2 mm zmiana wielkości piksela przy błędzie ustawienia aparatu 0.5 m wynosi odpowiednio 7% i 10%, to już dla piksela o rozmiarze 1 mm jest to 14% i 20%, a dla piksela o rozmiarze 0.5 mm jest to 28% i 40%. Wniosek jest taki, że im mniejszy rozmiar piksela terenowego tym dokładniej musimy wyznaczać odległość fotografowania.
Dane podstawowe c.d. Ćwiczenie 1: Wykonanie tego ćwiczenia pomoże zrozumieć zależności między omówionymi wcześniej wielkościami. Obliczyć odległości fotografowania dla następujących założeń: Terenowy piksel zdjęć: 2mm, 1mm, 0,5mm; Aparaty: Canon EOS 400D, Canon EOS 5D Obiektywy: 20 mm, 50 mm, 100 mm Jak wiemy rozmiar piksela terenowego ma również wpływ na wielkość obszaru jaki możemy zarejestrować na pojedynczym zdjęciu.
Dane podstawowe c.d. Wielkość tę możemy uzyskać na dwa sposoby: 1. Poprzez przemnożenie wielkości piksela terenowego przez wymiary matryc wyrażone w pikselach. a) Dla przykładu podanego powyżej w przypadku Canona EOS 400D będzie to: szerokość kadru: 3888 pikseli x 0.002 m = 7.78 m wysokość kadru: 2592 pikseli x 0.002 m = 5.18 m b) Dla przykładu podanego powyżej w przypadku Canona EOS 5D będzie to: szerokość kadru: 4368 pikseli x 0.002 m = 8.74 m wysokość kadru: 2912 pikseli x 0.002 m = 5.82 m 2. Poprzez wyliczenie mianownika skali zdjęcia i pomnożenie przez niego wymiarów matrycy wyrażonych w mm.
Dane podstawowe c.d. Mianownik skali zdjęcia możemy wyliczyć używając jednej z dwóch podanych powyżej zależności. Poniżej skorzystamy z ogniskowej i odległości fotografowania. Dla przykładu dla Canona EOS 400D będzie to: szerokość kadru: 7.01 m / 0.02 m x 0.0222 m = 7.78 m wysokość kadru: 7.01 m/ 0.02 m x 0.0148 m = 5.19 m Dla Canona EOS 5D będzie to: szerokość kadru: 4.88 m / 0.02 m x 0.0359 m = 8.76 m wysokość kadru: 4.88 m/ 0.02 m x 0.0238 m = 5.81 m Rozbieżności wynikłe pomiędzy wartościami otrzymanymi z obu metod wynikają z zaokrąglenia odległości fotografowania i dokładności podawania wymiaru matrycy. W praktyce są to wielkości nieznaczące w procesie projektowania pomiaru fotogrametrycznego. Dla pozostałych obiektywów tj. 50 mm i 100 mm studenci wykonują obliczenia samodzielnie.
Dane podstawowe c.d. Z powyższych rozważań nasuwa się jeden podstawowy wniosek: W zależności od dobranego zestawu fotograficznego (aparat + obiektyw) przy stałej założonej wielkości piksela terenowego jesteśmy w stanie manewrować zarówno odległością fotografowania, jak i w pewnym stopniu wielkością rejestrowanego kadru.
Plan pomiaru fotogrametrycznego Po określeniu podstawowych parametrów wykonywania zdjęć możemy przystąpić do zaplanowania pomiaru fotogrametrycznego. Zaznaczyć należy, że nie istnieją instrukcje i wytyczne techniczne dotyczące wykonywania zdjęć naziemnych. Pierwszym krokiem przy planowaniu zdjęć obiektów budowlanych jest analiza podziałów architektonicznych na elewacjach. Pozwala ona odpowiedzieć na pytanie, czy zdjęcia mają być wykonane w szeregach poziomych, czy w szeregach pionowych. Ułożenie pionowe lub poziome szeregów fotografowania dostosowane do podziałów architektonicznych obiektu pozwala na ograniczenie pól martwych na stereogramach i optymalizację ilości wykonanych zdjęć.
Plan pomiaru fotogrametrycznego Elewacja budynku z podziałami poziomymi. Elewacja budynku z podziałami pionowymi.
Plan pomiaru fotogrametrycznego Rozmieszczenie zdjęć należy rozplanować tak, aby pokrycie podłużne pomiędzy kolejnymi zdjęciami w szeregu wynosiło minimum 60% a pokrycie pomiędzy poszczególnymi szeregami minimum 30%. Ze względu elementy architektoniczne występujące na elewacji (pilastry, przypory, wnęki, itp.) zarówno wielkość pokrycia podłużnego jak i poprzecznego należy zwiększyć tak, aby zminimalizować występowanie pól martwych na stereogramach (obszary, które nie są odfotografowane na obu zdjęciach stereogramu). Wykonanie zdjęć planujemy z zachowaniem stałej wyliczonej wcześniej odległości fotografowania. Osie obiektywu na kolejnych stanowiskach powinny być równoległe do siebie i prostopadłe do fotografowanej powierzchni. Osie X i Y aparatu powinny być poziome (oś X jest równoległa do dłuższego boku matrycy aparatu, oś Y jest równoległa do osi obiektywu). Z powyższych założeń wynika że kolejne stereogramy zdjęć powinny spełniać warunki stereogramu zdjęć normalnych.
Plan pomiaru fotogrametrycznego Spotykane są następujące modyfikacje rozplanowania wykonania zdjęć: ze względu na dostępność obiektu (brak wystarczającego odejścia, przeszkoda wodna przed obiektem, ruchliwa ulica, itp.) może zostać zmieniona odległość fotografowania, a tym samym wielkość piksela terenowego i zakresy pojedynczych zdjęć; ze względu na przeszkody przed obiektem (np. drzewa, tablice reklamowe) zamiast zdjęć normalnych można wykonać zdjęcia zbieżne; ze względu na wysokość obiektu i brak możliwości użycia rusztowań i podnośników można wykonać szereg zdjęć ukośnych w celu rejestracji górnych partii rejestrowanego obiektu. UWAGA: Nie dopuszcza się wykonywania zdjęć rozbieżnych, o znacząco różnej skali, o skręconych wzajemnie osiach X i Y. Należy również pamiętać, że przy bardzo dużych pokryciach podłużnych (powyżej 80%) znacznie wzrasta błąd wyznaczenia głębokości na stereogramie.
Plan pomiaru fotogrametrycznego Wyznaczenie bazy podłużnej i poprzecznej fotografowania baza podłużna (pozioma odległość pomiędzy kolejnymi zdjęciami), baza poprzeczna (odległość pionowa pomiędzy szeregami zdjęć). Bazy fotografowania liczymy analogicznie jak dla zdjęć lotniczych. Czyli dla pokrycia podłużnego mamy: B x 100 p L 100 gdzie: B x baza podłużna L format ramki zdjęcia wzdłuż szeregu fotografowania p wartość liczbowa wyrażająca procent pokrycia zdjęć w szeregu
Plan pomiaru fotogrametrycznego Natomiast dla pokrycia poprzecznego: B y 100 q L 100 gdzie: B y baza poprzeczna; L format ramki zdjęcia w poprzeg szeregu fotografowania q wartość liczbowa wyrażająca procent pokrycia zdjęć między szeregami Ze względu na ekonomikę wykonania zdjęć zasadne jest w szczególnych przypadkach wykonywanie zdjęć o obróconych o 90 (o dłuższym boku matrycy prostopadłym do osi szeregów zdjęć)
N x D B x x Plan pomiaru fotogrametrycznego Obliczenie ilości zdjęć w każdym szeregu i ilości szeregów do wykonania oraz sumarycznej liczby zdjęć: Z ekonomicznego punktu widzenia obliczenie N x, N y i N pozwala przewidzieć wielkość opracowania, czas potrzebny na jego wykonanie oraz jego koszty. Zakładając, że w przypadku zdjęć naziemnych nie potrzebujemy dodatkowych zdjęć przed i za obiektem otrzymamy następujące zależności: Dla ilości zdjęć w szeregu gdzie: N x ilość zdjęć w szeregu D x długość obiektu B x baza podłużna N x D B x x
N x D B x x Plan pomiaru fotogrametrycznego Dla ilości szeregów N y D B y y gdzie: N y ilość szeregów D y wysokość (szerokość) obiektu B y baza poprzeczna Należy zwrócić uwagę na to, że dla ilości zdjęć w szeregu zaokrąglamy zawsze wynik w górę do liczby całkowitej.
Przykład W projekcie mamy wykonać zdjęcia z pikselem terenowym 2 mm. Dysponujemy aparatami Canon EOS 400D i Canon EOS 5D z obiektywami 20 mm (w uproszczeniu przyjmujemy dane nominalne). Korzystamy już z wartości policzonych poprzednio w przykładzie i w ćwiczeniu 1. Dla Canona EOS 400D: odległość fotografowania = 7,0 m szerokość kadru = 7.78 m wysokość kadru = 5.18 m Dla Canona EOS 5D: odległość fotografowania = 4.9 m szerokość kadru = 8.74 m wysokość kadru: = 5.82 m
Przykład Należy odpowiedzieć na następujące pytania: 1. Jakie należy przyjąć bazy fotografowania (podłużną i poprzeczną), aby uzyskać pokrycie podłużne 60% i pokrycie poprzeczne 30%? 2. Ile będzie zdjęć do wykonania zakładając, że obiekt ma wymiary 30 x 15 m. 3. Które ułożenie aparatu będzie bardziej ekonomiczne, o dłuższym boku matrycy równoległym do osi szeregów, czy o krótszym boku równoległym do osi szeregów? 4. Od jakiej odległości od krawędzi obiektu powinniśmy rozpocząć pomiar?
Przykład Przypadek 1: Dłuższy bok ramki matrycy równoległy do osi szeregów. Dla Canona EOS 400D otrzymujemy: Długości baz: B x = 7.78 * (100 60) / 100 = 3. 11 m B y = 5.18 * (100-30) / 100 = 3.63 m Ilość zdjęć w szeregu: N x = 30 / 3. 11 = 9.64 10 Ilość szeregów: N Y = 15 / 3. 63 = 4.1 4 Ilość zdjęć: N = N x * N Y = 10 * 4 = 40 Dla Canona EOS 5D: Obliczenia wykonują studenci samodzielnie.
Przykład Przypadek 2: Krótszy bok ramki matrycy równoległy do osi szeregów. Dla Canona EOS 400D otrzymujemy: W= 0.002 * 0.020 / 0.0000057 = 7.01 m, czyli możemy przyjąć odległość fotografowania 7,0 m. Dla Canona EOS 5D otrzymujemy: W= 0.002 * 0.020 / 0.0000082 = 4.88 m, czyli możemy przyjąć odległość fotografowania 4,9 m. Wszystkie pozostałe obliczenia wykonują studenci samodzielnie.