uniwersytet rolniczy w krakowie -...

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji

Katedra Fotogrametrii i Teledetekcji



Katedra Geodezji Rolnej, Katastru i Fotogrametrii



Katedra Geodezji Rolnej, Katastru i Fotogrametrii

Temat ćwiczenia:

Opracowanie zdjęć naziemnych.

KATEDRA FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI

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 stereoparnormalna zwrócona w lewo zwrócona w prawo = 100g 100g 100g

= 0g = 0g = 0g

= 0g = 0g = 0g

zbieżna rozbieżna 0g 1 2= 0g = 0g

= 0g = 0g

normalna zwrócona w lewo zwrócona w prawonachylona nachylona nachylona = 100g 100g 100g

0g 0g 0g

= 0g = 0g = 0g


Układ współrzędnych fotogrametrycznych


Zależności dla stereopary normalnej


Współrzędne przestrzenne

YBp

f

XBp

x Yxf

11

ZBp

z Yzf

11

stereopara normalna stereopara zwrócona w lewo

YBp

f xBp

f cos sin 20

XBp

f xxf

Y xf

Bp

x

cos sin 21 1 0

1

ZBp

f xzf

Y zf

Bp

z

cos sin 21 1 0

1

sincos 2

0 fxBB

gdzie:

stereopara zwrócona w prawo

YBp

f x cos sin 2

Xxf

Y 1

Zzf

Y 1


Współrzędne przestrzennestereopara zbieżna stereopara nachylona

Y B f

f xp f f x x

cos sincos sin

2

21 2

Xxf

Y 1

Zzf

Y 1

YBp

f z cos sin

XBp

x 1

Z Yz f tgf z tg

1

1

Z Yz f tgf z tg

1

1

stereopara zwrócona nachylona

Y

B x f x h f zf p

2 2 1sin cos cos sin cos sin

XB xf p

x f x h

12 2sin cos cos sin

Z

B f x h zf p

sin cos cos sin 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 sąrealizowane przez firmy produkcyjne.


Cyfrowa fotogrametria naziemna

Aby móc wykorzystać aparat cyfrowy do wykonania zdjęćpomiarowych musi być spełnionych kilka warunków:

• aparat musi być wyposażony w obiektyw stałoogniskowy – z jednym aparatem można używać wymiennie kilku obiektywów stałoogniskowychnp. 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 – Ck,- musi zostać wyznaczony punkt główny zdjęć,• mocowanie obiektywu do aparatu musi zapewniać powtarzalnośćelementów 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 musząpozostać niezmienne.


Dane podstawowePodstawowym warunkiem narzucającym definiowanie projektu fotogrametrycznego dla zdjęć naziemnych jest terenowy rozmiar piksela zdjęć. Zazwyczaj jest on określony w specyfikacji projektu wprost dla zdjęćlub 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 odległośćfotografowania dla danego zestawu aparat + obiektyw, a dodatkowoterenowy 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:

ZM

T MPP

gdzie:PT – wielkość piksela terenowego [mm]PM – wielkość piksela matrycy [mm]Mz – mianownik skali zdjęcia



Pamiętamy z wykładu fotogrametrii że:

gdzie:W – wysokość lotu, a w przypadku fotogrametrii naziemnej odległość

fotografowania [m]CK – długość ogniskowej [m]MZ – mianownik skali zdjęcia

Z porównania obu wzorów mamy:

ZK

MCW

KM

T

CW

PP

a zatem:

M

KT

PCP

W*


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 dokumentacjiaparatu. 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 ?

PrzykładW 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 otrzymaćrozmiar piksela 2 mm ?

Dla Canona EOS 400D otrzymujemy:W= 0.002 * 0.020 / 0.0000057 = 7.01 m, czyli możemy przyjąć odległośćfotografowania 7,0 m.

Dla Canona EOS 5D otrzymujemy:W= 0.002 * 0.020 / 0.0000082 = 4.88 m, czyli możemy przyjąć odległośćfotografowania 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.



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.



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 5DObiektywy: 20 mm, 50 mm, 100 mm

Jak wiemy rozmiar piksela terenowego ma również wpływ na wielkośćobszaru jaki możemy zarejestrować na pojedynczym zdjęciu.



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 mwysokość 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 mwysokość 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 mwysokość 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 mwysokość kadru: 4.88 m/ 0.02 m x 0.0238 m = 5.81 m

Rozbieżności wynikłe pomiędzy wartościami otrzymanymi z obu metod wynikająz 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 wykonująobliczenia samodzielnie.



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 odległościąfotografowania, jak i w pewnym stopniu wielkościąrejestrowanego 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.



Elewacja budynku z podziałami pionowymi.

Elewacja budynku z podziałami poziomymi.


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 odfotografowanena 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.



Spotykane są następujące modyfikacje rozplanowania wykonania zdjęć:

ze względu na dostępność obiektu (brak wystarczającego odejścia, przeszkoda wodna przed obiektem, ruchliwa ulica, itp.) może zostaćzmieniona 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.



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:

100100 pLBx

gdzie:Bx – baza podłużnaL – format ramki zdjęcia wzdłuż szeregu fotografowaniap – wartość liczbowa wyrażająca procent pokrycia zdjęć w szeregu



Natomiast dla pokrycia poprzecznego:

Ze względu na ekonomikę wykonania zdjęć zasadne jest w szczególnychprzypadkach wykonywanie zdjęć o obróconych o 90° (o dłuższym boku matrycyprostopadłym do osi szeregów zdjęć)

gdzie:By – baza poprzeczna;L – format ramki zdjęcia w poprzeg szeregu fotografowaniaq – wartość liczbowa wyrażająca procent pokrycia zdjęć między szeregami

100100 qLBy



Obliczenie ilości zdjęć w każdym szeregu i ilości szeregów do wykonania oraz sumarycznej liczby zdjęć:

Z ekonomicznego punktu widzenia obliczenie Nx, Ny 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:Nx – ilość zdjęć w szereguDx – długość obiektuBx – baza podłużna

x

xx B

DN

x

xx B

DN



Dla ilości szeregów

gdzie:Ny – ilość szeregówDy – wysokość (szerokość) obiektuBy– baza poprzeczna

Należy zwrócić uwagę na to, że dla ilości zdjęć w szeregu zaokrąglamy zawsze wynik w górę do liczby całkowitej.

x

xx B

DN

y

yy B

DN


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:Bx = 7.78 * (100 – 60) / 100 = 3. 11 m By = 5.18 * (100- 30) / 100 = 3.63 m

Ilość zdjęć w szeregu:Nx = 30 / 3. 11 = 9.64 ≈ 10

Ilość szeregów:NY= 15 / 3. 63 = 4.1 ≈ 4

Ilość zdjęć:N = Nx * NY = 10 * 4 = 40

Dla Canona EOS 5D:

Obliczenia wykonują studenci samodzielnie.


Przykład

Przypadek 2: Krótszy bok ramki matrycy równoległy do osi szeregów.


W= 0.002 * 0.020 / 0.0000057 = 7.01 m, czyli możemy przyjąć odległośćfotografowania 7,0 m.


W= 0.002 * 0.020 / 0.0000082 = 4.88 m, czyli możemy przyjąć odległośćfotografowania 4,9 m.

Wszystkie pozostałe obliczenia wykonują studenci samodzielnie.

uniwersytet rolniczy w krakowie -...

Documents