Uniwersytet Rolniczy w Krakowie Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji Katedra Fotogrametrii i Teledetekcji Ortofotomapa cyfrowa i Numeryczny Model Terenu
Generowanie ortofotomapy Ortofotomapa jest mapą fotograficzną powstałą w wyniku przetwarzania różniczkowego zdjęcia lotniczego. Proces przetwarzania zdjęcia określony jest tu mianem ortorektyfikacji, a jego efektem są ortofotografie (ortoobrazy), zestawiane następnie w sekcje map fotograficznych, odpowiadające sekcjom map kreskowych. Stają się dzięki temu ortofotomapami. Ortofotografia w ujęciu teoretycznym, jest zdjęciem, którego płaszczyzna projekcji jest równoległa do płaszczyzny odniesienia, a wszystkie promienie są prostopadłe do tych dwóch płaszczyzn (rys. 1 b). Na obrazie nie ma więc żadnych przesunięć spowodowanych pochyleniem zdjęcia, czy różnicą wysokości terenu. Odległości poziome mierzone na takim zdjęciu są poprawne, niezależnie od różnic wysokości terenu.
Rys.1 Zdjęcia a/ w rzucie środkowym b/ ortofotograficznym
Ortofotomapa cyfrowa Ortofotomapa jest produktem różniczkowej rektyfikacji, podczas której zostają usunięte zniekształcenia wynikające z nachylenia zdjęcia i deniwelacji terenu. Ortofotomapa cyfrowa jest obrazem cyfrowym terenu, który stanowi uporządkowany, zestawiony w postaci macierzy zapis wartości gęstości (0-255) przypisanych pikselom przechowywanych na komputerowym nośniku danych. Generowana jest w żądanej skali. Zależność pomiędzy zdjęciem, modelem terenu a ortofotografią przedstawia Rys. 2
Zasada ortoprojekcji
Etapy tworzenia ortofotomapy cyfrowej Technologia wytwarzania ortofotomapy cyfrowej obejmuje kilka zasadniczych etapów: - skanowanie zdjęć, - odtworzenie orientacji zewnętrznej zdjęć (aerotriangulacja), - utworzenie Numerycznego Modelu Terenu, - przetwarzanie cyfrowe zdjęć generowanie ortofotografii, - mozaikowanie ortofotografii, - redakcja ortofotomapy i uzupełniających informacji wektorowoopisowych, - dystrybucja produktu finalnego (tworzenie wydruków lub zapis na nośnikach informacji)
Zdjęcia w postaci cyfrowej Zdjęcie cyfrowe możemy otrzymać na dwa sposoby: skanowanie zdjęć analogowych (dla wykonywania opracowań cyfrowych stosuje się głównie aperturę skanowania w przedziale 15 do 30 m, wykorzystując do tego celu specjalistyczne skanery fotogrametryczne, których dokładność geometryczna jest rzędu 1 2 m wykorzystanie specjalnych skanerów i kamer cyfrowych, w których obraz obiektu rejestrowany jest nie na materiale fotograficznym, a za pomocą specjalnego sensora w postaci cyfrowej (takim sensorem może być układ liniowy lub powierzchniowy (macierzowy) elementów CCD (ang. Charge- Coupled Device).
Aerotriangulacja cyfrowa Elementy orientacji zewnętrznej zdjęć zostają wyznaczone podczas kameralnego zagęszczenia osnowy polowej (aerotriangulacja). Aerotriangulacja cyfrowa wykorzystuje korelację obrazów (automatyczne odnajdywanie na zdjęciu fragmentów, które mają największy stopień podobieństwa do przyjętego wzorca). Obecnie stosowane są dwie metody aerotriangulacji cyfrowej: 1. Metoda półautomatyczna, gdzie operator interaktywnie wybiera jeden punkt wiążący w pobliżu nominalnego położenia w pasie pokrycia podłużnego lub poprzecznego zdjęć lotniczych. Punkt ten transferowany jest metodą korelacji obrazów (image matching) na wszystkie zdjęcia, na których występuje. W przypadku nie osiągnięcia założonych dokładności operator wybiera inny punkt. Półautomatycznym oprogramowaniem jest np. ISAT stosowany na ImageStation firmy Intergraph oraz Triada na stacji cyfrowej Delta. 2. Metoda automatyczna, gdzie punkty wiążące są automatycznie wybierane, transferowane i mierzone (na wszystkich zdjęciach, na których występują) w dziewięciu nominalnie rozmieszczonych rejonach (oknach). Pomiar odbywa się nie w jednym punkcie, ale w grupie punktów znajdujących się w tych rejonach. Jako punkty wybierane są szczegóły terenowe przy pomocy operatora Förstnera.
Numeryczny Model Terenu Numeryczny Model Terenu (ang. Digital Terrain Model DTM) jest numeryczną dyskretną (punktową) reprezentacją wysokości topograficznej powierzchni terenu, wraz z algorytmem interpolacyjnym umożliwiającym odtworzenie jej kształtu w określonym obszarze. NMT (DTM) reprezentowany jest przez punkty rozłożone regularnie, bądź nieregularnie na powierzchni terenu i uzupełnione dodatkowo punktami opisującymi morfologiczne formy terenu. Nieregularnie rozmieszczone punkty stanowią sieć trójkątów wraz z topologią (model TIN Triangular Irregular Network). Wierzchołki trójkątów opierają się na punktach pomiarowych. Natomiast regularna sieć punktów opisująca powierzchnię terenu opiera się zwykle o siatkę kwadratów, prostokątów bądź trójkątów uzupełnioną o punkty reprezentujące formy terenowe jak linie szkieletowe (grzbiety, cieki), linie nieciągłości (skarpy, urwiska), powierzchnie wyłączeń (wody, budynki) oraz ekstremalne pikiety (wierzchołki, dna). Sieć ta powstaje zwykle nie poprzez pomiar, lecz poprzez interpolację między rozproszonymi punktami pomiarowymi.
Rodzaje siatki NMT
Metody pozyskania NMT (DTM) DTM niezbędny w procesie generowania ortofotografii można uzyskać na różne sposoby, tj. poprzez: 1. digitalizację linii warstwicowych na istniejących mapach. Obecnie jest to częściej digitalizacja ekranowa wcześniej zeskanowanych map lub pozytywów wydawniczych rzeźby. Dokładność DTM generowanego tą metodą zależy od dokładności digitalizowanych map, a stosowana jest dla budowy DTM w skalach małych i średnich. 2. ręczny pomiar fotogrametryczny na autografie (np. analitycznym). Dokładność DTM wyznaczonego na podstawie zdjęć lotniczych metodą pomiaru współrzędnych na autografie zależy od skali zdjęcia, stosunku bazowego (B/H), metody pomiaru i klasy autografu. Dokładność wynikowego DTM dla powierzchni odkrytej można określić na około m zdtm 0,2 o / oo 0,4 o / oo H gdzie: H wysokość lotu, m zdtm błąd średni wyinterpolowanej wysokości. Dla terenu górzystego m zdtm 1,0 o / oo 2,0 o / oo H, natomiast błąd maksymalny m zmax = 4 8 m zdtm [ Dla zdjęć lotniczych w skali 1:26000 można uzyskać maksymalną dokładność rzędu m zdtm 0,8 m, a dla zdjęć w skali 1:5000 m zdtm 0,25 m.
Metody pozyskania NMT (DTM) cd 3. automatyczny pomiar wysokości punktu (autokorelacja). Ten proces jest możliwy dzięki rozwojowi oprogramowania pracującego na stacjach fotogrametrycznych. Jednym z przykładów jest program ISAE (Image Station Automatic Elevation) stosowany na Image Station. Automatyczny pomiar wysokości jest interesującym i perspektywicznym trybem pomiaru ze względu na swoją szybkość, a także dokładność pomiaru. System automatycznie wybiera miejsca próbkowania (pomiaru) i realizuje ten pomiar z wykorzystaniem jednej z kilku strategii korelacji obrazu lewego i prawego zdjęcia. Zaletą tego postępowania jest duże tempo pozyskiwania punktów (nawet kilkadziesiąt pomierzonych punktów na sekundę) rzędu nawet 100 razy więcej niż przy pomiarze manualnym. Stosując automatyczny pomiar wysokości istnieje jednak konieczność weryfikacji obserwacji odstających (np. punktów mierzonych na drzewach czy budynkach).
Dokładność NMT pozyskanego automatycznie Dokładność DTM uzyskanego tą metodą jest porównywalna lub wyższa niż na autografie analitycznym i określa się ją dla zdjęć zeskanowanych z pikselem 15 m: - dla terenu płaskiego i pofałdowanego jako błąd średni m zdtm 0,10 o / oo H - dla terenu górzystego m zdtm 0,25 o / oo H Natomiast dla zdjęć zeskanowanych z pikselem 30 m: - dla terenu płaskiego i pofałdowanego jako błąd średni m zdtm 0,10 o / oo H - dla terenu górzystego m zdtm 0,20 0,35 o / oo H
Metody pozyskania NMT cd 4. kombinowany pomiar: ręczny i automatyczny. Dokładny pomiar form terenu w charakterze linii nieciągłości, linii szkieletowych, powierzchni wyłączeń oraz pikiety ekstremalne pozyskiwane są poprzez ręczną digitalizację tych obiektów na modelu stereoskopowym, a następnie uwzględniane w procesie automatycznego pomiaru wysokości punktów. Przytoczony powyżej błąd średni wysokości wyinterpolowanej z wynikowego DTM pozwala na określenie dokładności wysokościowej DTM. Na błąd ten składają się błędy danych pomiarowych, wielkość oczka siatki oraz czynnik opisujący charakter terenu. Parametry te ujmuje często używany w praktyce wzór empiryczny zaproponowany przez Ackermann a: gdzie : m zdtm -błąd średni wyinterpolowanej wysokości, m zpow błąd średni danych pomiarowych, - współczynnik opisujący charakter terenu, d średnie odległości punktów pomiarowych.
Numeryczny Model Terenu Należy zauważyć, że bardzo ważnym technologicznie elementem przy tworzeniu DTM jest ustalenie wzajemnych relacji między gęstością i dokładnością pomiaru powierzchni, złożonością form terenowych a gęstością generowanej siatki wtórnej DTM. Jako bardzo ogólną wytyczną można przyjąć, że wielkość oczka siatki DTM (tzw. siatka wtórna ) w przypadku pozyskiwania DTM metodą fotogrametryczną kształtuje się następująco: oczko siatki wtórnej DTM 20 m zdtm dla terenu płaskiego, oczko siatki wtórnej DTM 10 m zdtm dla terenu pofałdowanego. 5. Lotniczy skaning laserowy (LIDAR) należy do niefotograficznych obrazowań powierzchni Ziemi. Pozwala na pozyskanie chmury punktów stanowiącej Numeryczny Model Pokrycia Terenu, który następnie poprzez filtrowanie (klasyfikację) pozwala na otrzymanie Numerycznego Modelu Terenu. Jego konkurencyjność w stosunku do technik pomiarowych jest uwarunkowana poprzez znaczne zautomatyzowanie pomiaru i jego obróbki oraz dużą dokładność ok. 0.15 0.25 m
Numeryczny Model Terenu 6. Metoda interferometrii radarowej INSAR (ang. Interferometric Syntetic Aperture Radar). Opiera się na wykorzystywaniu pomiaru przesunięć faz sygnału dwóch sygnałów radarowych, które wykonane zostały z różnych pozycji, ale dotyczą jednego obiektu. Antena radarowa może zostać umieszczona na satelicie (interferometria satelitarna, ang. spaceborne) lub na pokładzie samolotu (interferometria lotnicza, ang. Airborne). Metoda InSAR wykorzystywana jest do pozyskiwania danych dla opracowań Numerycznego Modelu Pokrycia Terenu na dużych obszarach.
Metody wizualizacji NMT Wygenerowany Numeryczny Model Terenu można wizualizować na wiele sposobów w zależności od jego przeznaczenia. Rzut izometryczny (z różnych punktów widzenia oraz przy zmiennych skalach wysokości ) Wizualizacja NMT
Wizualizacja NMT Wizualizacja NMT przy pomocy regularnej siatki
Wizualizacja NMT Wizualizacja NMT w czasie rzeczywistym w grafice trójwymiarowej W celu takiej wizualizacji cyfrowych modeli terenu i ortoobrazów w różnej skali i z różnej pozycji używana jest biblioteka OpenGL w językach programowania C/C++, wspierana sprzętowo przez karty graficzne. Dla obiektu jakim były Szczyglice w woj. małopolskim opracowany został program do wizualizacji NMT z nałożoną teksturą w postaci ortofotomapy.
Wizualizacja NMT Mapa cieni
Wizualizacja NMT Połączenie mapy z - code z mapą cieni
Wizualizacja NMT Połączenie mapy z - code z mapą cieni i z warstwicami
Ortorektyfikacja Ortorektyfikacja polega na cyfrowym przetworzeniu każdego piksela zeskanowanego zdjęcia z wykorzystaniem NMT do nowego położenia na ortoobrazie w przyjętym odwzorowaniu kartometrycznym. Podczas generowania ortofotoobrazu następuje proces - korekcji radiometrycznej (resampling) - korekcji geometrycznej Następuje wówczas powtórne przepróbkowanie (resampling), w wyniku którego generowany jest nowy obraz o nowej geometrii, który wpasowany jest w układ współrzędnych odniesienia (nadanie mu georeferencji) oraz wyinterpolowane są nowe tony szarości pikseli. Ortorektyfikacja polega zatem na cyfrowej korekcji geometrycznej, czyli zmianie położenia piksela oraz jego wielkości jak również nadaniu mu nowej wartości gęstości optycznej.
Ortorektyfikacja cd Każdy piksel podlega indywidualnej korekcji. W celu określenia położenia piksela na ortoobrazie wykorzystuje się: - elementy orientacji wewnętrznej - elementy orientacji zewnętrznej zdjęcia, - generuje NMT i wykorzystując współczynniki transformacji ze współrzędnych obrazowych oblicza się współrzędne terenowe każdego piksela.
Mozaikowanie ortofotografii Ortofotografie powstałe w wyniku przetwarzania, generowane są z pewnym zapasem powodującym nakładanie się sąsiednich ortofotografii. Jest to szczególnie istotne w przypadku, gdy na docelową ortofotomapę składa się kilka ortofotografii w całości lub też części. Obszar pokrycia sąsiednich ortofotografii wykorzystywany jest do łączenia geometrycznego i uzgodnienia radiometrycznego styków. Proces ten jest nazywany popularnie mozaikowaniem i ma on istotny wpływ na jakość końcowego produktu, jakim jest ortofotomapa. Obraz tego samego konturu terenowego na łączonych ortofotografiach może się różnić, nawet gdy jest otrzymywany z sąsiednich zdjęć w szeregu. Może to być spowodowane zniekształceniami perspektywicznymi czy też różnicami w obróbce fotochemicznej. Wymaga to wówczas wprowadzenia zmian jasności do łączonych obrazów, w celu zmniejszenia występujących tam różnic. Istotne jest również, by linie wzdłuż których następuje łączenie sąsiednich ortofotografii nie przecinały konturów terenowych, a biegły ich granicami. Uniknie się wówczas ewentualnych niezgodności występujących na stykach obrazów, a spowodowanych np. błędami numerycznego modelu terenu.
Czynniki kształtujące dokładność ortofotomapy Błędy geometryczne ortofotomapy wynikają z: błędów Numerycznego Modelu Terenu błędów elementów orientacji zewnętrznej błędów wynikajacych z uproszczeń aplikacji realizującej przetwarzanie Kontrola dokładności ortofotomapy Kontroli muszą podlegać wszystkie etapy technologiczne. Na podstawie analiz dokładnościowych, uzyskanych m.in. z wyników aerotriangulacji, można wstępnie oszacować oczekiwaną dokładność produktu końcowego. Przyjmuje się, że błędy położenia na ortofotomapie będą ok. 2-krotnie większe od błędów uzyskanych dla fotopunktów, a ok. 1.5-krotnie większe od błędów uzyskanych dla punktów kontrolnych, które nie zostały wliczone do procesu obliczeniowego. Kontrola dokładności ortofotomapy dotyczy sprawdzenia: -wewnętrznej zgodności łączeń i styków, - dokładności bezwzględnej wyrazonej przez błąd średni m orto
Zastosowanie NMT Na podstawie NMT można: - wygenerować warstwice, - określić wysokości punktu o znanych współrzędnych płaskich X,Y, - obliczyć objętości, - wygenerować widoki perspektywiczne, - przeprowadzić w dowolnym miejscu profile, - określić kąty nachylenia i spadki terenu, - wygenerować cieniowaną rzeźbę terenu i jego szorstkość, - projektować korzystając z danych NMT i oprogramowania CAD. W dzisiejszych czasach NMT wykorzystywany jest zarówno do badania zjawisk zachodzących na powierzchni terenu (w szczególności kataklizmów, np. zagrożenia falą powodziową, rozkład przestrzennych zagrożeń ekologicznych itp.) jak i do planowania przestrzennego i projektowania inżynierskiego.
NMT zastosowanie Mapa nachyleń terenu (stopnie)
NMT zastosowanie Mapa ekspozycji terenu (stopnie)
Zastosowanie NMT Przykłady zastosowania Numerycznego Modelu Terenu w pracach projektowych: NMT znalazł zastosowanie przy opracowaniu projektu rekultywacji terenów zdewastowanych, który dotyczył składowiska odpadów poprodukcyjnych w Wiślince koło Gdańska. W tym przypadku NMT był pomocny przy określeniu wolnej docelowej pojemności składowiska, jego pola powierzchni oraz dokonaniu analizy spadków skarp. NMT stanowił źródło danych do określenia cech hydraulicznych doliny rzeki Odry poniżej Wrocławia w projekcie, w którym to wykorzystano go do bezpośredniego opisu geometrii obszaru przepływu wody w dwuwymiarowym modelu hydrodynamicznym. Numeryczny Model Terenu znalazł swoje zastosowanie również w pracach przy projektowaniu autostrady A4 na odcinku Kraków Tarnów. Pozyskany został przy pomocy metod fotogrametrycznych na podstawie zdjęć lotniczych w skali 1:20000. Nie było to jednak jedyne źródło danych, bowiem uzupełniono je uproszczonymi metodami pomiaru terenowego (przekroje poprzeczne)
Zastosowanie NMT Zastosowanie NMT w opracowaniach nie kartometrycznych NMT wykorzystuje się m.in. do: budowy przestrzennych modeli aglomeracji miejskich wykonywanych dla potrzeb telekomunikacji, planowej gospodarki zasobami wodnymi w zakresie obejmującym budowę systemów przeciwpowodziowych i inwentaryzację wałów przeciwpowodziowych, określenie obszarów zalewowych itp., określenia dynamiki zmian morskiej strefy brzegowej (procesu abrazji), inwentaryzacji rurociągów i linii energetycznych tworzenia obrazów wirtualnych, pozwalających na symulowaną obserwację terenu w ruchu z dowolnej wysokości i pod dowolnym kątem określenia biomasy kompleksów leśnych
Zastosowanie ortofotomapy Zastosowanie ortofotomap dla potrzeb LPIS kontrola istniejących map ewidencyjnych, wydzielenie tzw. powierzchni funkcjonalnych, pomoc przy składaniu indywidualnych wniosków o dopłaty, kontrola wniosków o dopłaty na różnych etapach i szczeblach organizacyjnych LPIS oraz wprowadzanie korekt do stwierdzonych nieprawidłowości. Wykorzystanie walorów informacyjnych zdjęć lotniczych z zastosowaniem technik komputerowych i metod cyfrowych ma istotne znaczenie przy pozyskiwaniu danych. Mogą one być pomocne nie tylko dla tworzenia Systemu Informacji Przestrzennej, ale również prac planistyczno-projektowych i modernizacji ewidencji gruntów i budynków.
Zastosowanie ortofotomapy W ramach modernizacji ewidencji gruntów i założenia ewidencji budynków z wykorzystaniem technologii fotogrametrii cyfrowej wykonywane są prace: konwersja danych opisowych ewidencji gruntów i map katastralnych do postaci numerycznej, usunięcie błędów grubych przebiegu granic działek, aktualizacja przebiegu granic użytków i w wyjątkowych wypadkach także konturów klasyfikacyjnych, obliczenie powierzchni użytków i konturów klasyfikacyjnych w ramach działek, założenie katastru budynków powiązanego z ewidencją gruntów.
Zastosowanie ortofotomapy Zastosowanie ortofotomapy dla potrzeb planowania przestrzennego Ortofotomapa, posiadając właściwości zarówno mapy, jak i zdjęcia lotniczego, może równocześnie spełniać rolę obydwu dokumentów w pracach nad planami zagospodarowania przestrzennego i służyć jako: bezpośrednie źródło informacji o terenie, jego ukształtowaniu i rozmieszczeniu na nim różnych elementów. Podobnie jak zdjęcie lotnicze, z którego została sporządzona, jest dostępnym źródłem aktualnych danych, a one mogą być uzupełnione wykazami administracyjnymi (zaludnienie, szkolnictwo itp.), pomiarami geodezyjnymi, danymi ekonomicznymi, spisami powszechnymi czy danymi o sposobie zagospodarowania terenu; kontrola zgodności i kompletności innych źródeł informacji i kontrola zachodzących zmian czy zgodności realizacji założeń obowiązujących planów zagospodarowania przestrzennego; podkład do kartograficznego przedstawiania wyników prac badawczych i projektów planów zagospodarowania przestrzennego;