1.Prace terenowe
advertisement
Sławomir Królewicz Metodyka wykonywania trójwymiarowych modeli glebowych powierzchni testowych w celu określenia jej szorstkości (poniższe opracowanie wykonano w ramach projektu 6PO4E00609 finansowanego przez KBN) 1.Prace terenowe Aby móc stworzyć trójwymiarowy model dowolnej powierzchni należy ją sfotografować z dwóch punktów. W procesie cyfrowego tworzenia takiego modelu, w celu odtworzenia bezwzględnych różnic wysokości niezbędne jest posiadanie rzeczywistych danych o położeniu i wysokości wybranych punktów kontrolnych na powierzchni testowej. Poniżej zostanie opisany sposób wykonania zdjęć stereoskopowych oraz odpowiednich pomiarów wysokościowych. 1.1Pionowe zdjęcia powierzchni testowych Zdjęcia wykonywane są aparatem fotograficznym Pentacon o ogniskowej 80 mm na filmie panchromatycznym o dużej zdolności rozdzielczej i rozmiarze klatki 6 x 6 cm (ILFORD 50, FOMAPAN 100). Aparat fotograficzny, skierowany obiektywem do ziemi, jest umieszczany na wysokości około 1.5 m nad powierzchnią testową (wysokość fotografowania zależna jest od wymiarów powierzchnie testowej). Jest on oparty na dwóch listwach równoległych do siebie, które wyznaczają oś fotografowania. Listwy opierają się na dwóch trójnożnych statywach. Wykonywane są dwa zdjęcia z dwóch różnych punktów, odległych o około 40 cm, tak aby móc otrzymać obraz stereoskopowy - podobnie jak kolejne dwa zdjęcia lotnicze w jednym szeregu. Rzeczą najistotniejszą w czasie robienia zdjęć jest zachowanie ich pionowości. W tym celu przed każdym zdjęciem aparat fotograficzny jest poziomowany. Aby nie poruszyć aparatu do wyzwalania klatki jest używany wężyk. Na tym etapie nie mierzono wysokości wykonywania zdjęć, gdyż nie jest ona wykorzystywana w procesie wzajemnej orientacji zdjęć. Nie było także potrzeby zachowywania stałej wysokości fotografowania w kolejnych seriach zdjęć. Rys.1. Wykonywanie dwóch zdjęć pionowych nad powierzchnią testową. 1.2 Wykonanie pomiarów wysokościowych Przyrząd do mierzenia wysokości składa się z ramy duraluminiowej i strun metalowych o regulowanym naciągu. Struny tworzą siatkę o rozmiarach 10 x 10 cm. Węzły siatki wyznaczają miejsca pomiarów wysokościowych. Przed każdym pomiarem należy sprawdzać naciąg strun. Powinien on być taki, aby oparcie suwmiarki nie powodowało ugięcia struny. Przed rozpoczęciem pomiarów przyrząd jest umieszczany nad powierzchnią testową i poziomowany (sama powierzchnia testowa jest uprzednio również poziomowana). Płaszczyzna utworzona przez struny wyznacza średnią płaszczyznę odniesienia, względem której mierzona jest wysokość. Wartość wysokości w danym punkcie jest obliczana jako różnica pomiędzy średnią płaszczyzną odniesienia o pomierzoną odległością pomiędzy powierzchnią testową a struną. Dla porządku przyjęto wartość 10 cm jako wartość dla średniej płaszczyzny odniesienia. Pomiar wysokościowy wykonywany jest za pomocą suwmiarki. Jest ona opierana na strunie, a jej a ruchomy element jest wysuwany do momentu zetknięcia z powierzchnią grudki gleby. Pomiary są wykonywane według określonego porządku i zapisywane. Po wykonaniu pomiarów jest wykonywane dodatkowe zdjęcie w celu zarejestrowania pozycji punktów pomiarów względem powierzchni glebowej. Obok każdej powierzchni testowej jest umieszczana kartonowa tabliczka z datą i rodzajem gleby. Jest tak zrobiona, aby była widoczna na zdjęciu. Ze względu na wykorzystanie węzłów siatki jako punktów orientacyjnych (wykorzystywanych przy nadawaniu układu współrzędnych) powinno się dążyć, aby średnia płaszczyzna odniesienia znajdowała się możliwie najniżej, tuż nad powierzchnią testową. Rys.2. Wykonanie zdjęcia rejestrującego położenie powierzchni testowej i siatki strun. 2.Tworzenie trójwymiarowego modelu powierzchni testowej. Po wykonaniu zdjęć powierzchni testowych ich negatywy są doprowadzane do postaci cyfrowej poprzez skanowanie. W dalszej kolejności zdjęciom jest nadawany rzeczywisty układ współrzędnych. Następnie zdjęcia są poddawane cyfrowemu przetwarzaniu, które obejmuje: doprowadzenie zdjęć do jednakowej orientacji i tworzenie cyfrowego modelu terenu w oparciu o pomiar paralaksy horyzontalnej oraz analizę szorstkości. Powyższe czynności są wykonywane przy pomocy oprogramowania TNTMips. 2.1Skanowanie Negatywy zdjęć są skasowane z rozdzielczością 2000 dpi w 256 odcieniach szarości. Są zapisane w formacie TIFF. Podana powyżej rozdzielczość zapewnia rzeczywisty wymiary piksela 0,2 x 0,2 [mm] (jest przybliżony i zależy od wysokości fotografowania). 2.2Nadanie rzeczywistego układu współrzędnych (proces Georeference) Przez nadanie rzeczywistego układu współrzędnych należy rozumieć wprowadzenie punktów kontrolnych, które kojarzą wybrany element obrazu cyfrowego z parą rzeczywistych współrzędnych (X;Y). Przykład takiej relacji podany jest poniżej w tabeli. Punkt kontrolny 1 Linia macierzy rastrowej 1002,45 Kolumna macierzy rastrowej 178,42 współrzędna X w [m] 1000 Współrzędna Y w [m] 1000 2.2.1Dla zdjęć wykonanych z urządzeniem do pomiarów wysokości Punkty kontrolne wybierane są spośród charakterystycznych elementów urządzenia do wykonywania pomiarów wysokościowych. Są to głównie węzły siatki strun. Układ współrzędnych jest określany na podstawie rzeczywistych relacji pomiędzy poszczególnymi węzłami (oczka siatki mają rozmiar 10 x 10 cm lub 5 cm x 5 cm). Do zdefiniowania układu współrzędnych wykorzystywane jest zdjęcie, na którym urządzenie do pomiaru wysokości umieszczone jest nad powierzchnią testową. Po wprowadzeniu punktów kontrolnych (dla poszczególnych węzłów siatki) zdjęcie jest poddawane resamplingowi w oparciu o model wielomianowy drugiego rzędu obliczany na podstawie wprowadzonych punktów kontrolnych (ang. from Georeference). Następnie ten układ jest przenoszony na lewe zdjęcie stereopary (poprzez korelację odpowiednich elementów obrazu). Zdjęcie z siatką jest otwierane jako reference. Dla lewego zdjęcia punktom kontrolnym znajdującym się pod węzłami siatki na powierzchni testowej gleby oprócz współrzędnych X i Y jest przyporządkowywana także współrzędna Z. Na podstawie tych danych są odtwarzane rzeczywiste relacje wysokościowe. Program posiada kilka użytecznych opcji, które usprawniają korelowanie punktów. Na przykład, położenie korelowanego punktu na drugim (lewym lub z siatką) zdjęciu może być wyznaczone automatycznie w oparciu o wybrany model zniekształceń i ustaloną pozycję na pierwszym zdjęciu (lokalizowanie punktów kontrolnych może odbywać się w dowolnym porządku: najpierw określenie pozycji na lewym a następnie na zdjęciu z siatką lub odwrotnie). Dla zdjęć lotniczych w takich sytuacjach (zdjęcia pionowe) wykorzystuje się model oparty na równiach wielomianowych drugiego rzędu. Wyliczoną tak pozycję należy następnie zweryfikować i ewentualnie poprawić ręcznie. Opisana procedura możliwa jest do wykorzystania po skorelowaniu trzech punktów. 2.2.2 Dla zdjęć wykonanych w 1996 roku Dla tych zdjęć nie wykonywano pomiarów wysokościowych (stąd brak jest trzeciego zdjęcia z położeniem elementów, pomiędzy którymi znane są relacje przestrzenne). Na kuwetach, których przenoszono powierzchnie testowe, były zaznaczone 10 cm odcinki. Na tej podstawie starano się odtworzyć rzeczywiste relacje odległości. Nadawanie układu współrzędnych zostało przeprowadzone w dwóch etapach: (1) Najpierw wprowadzane są punkty położone na krawędzi kuwety, znane ich wymiary pozwalają wyznaczyć rzeczywiste odległości. Krawędziom kuwet przypisuje się jednakową wysokość 2 [cm] nad domyślny poziom odniesienia. (2) Następnie współrzędne każdego kolejnego punktu są wyznaczane w oparciu model zniekształceń. Dane wysokościowe są wprowadzane subiektywnie zależnie od charakteru powierzchni testowej, tzn. inna wartość zostanie przypisana dla wierzchołka bryłki, inna dla dna kuwety. Jest w tym celu wykorzystywany model steresokopowy (można go stworzyć po pierwszym etapie wprowadzania punktów kontrolnych; do oglądania są wykorzystywane okulary anaglyfowe). Maksymalne deniwelacje są zależne od stopnia szorstkości, który reprezentuje dana powierzchnia. Wskazane jest, aby punkty kontrolne położone obok siebie posiadały zróżnicowane dane wysokościowe (np. wierzchołek bryłki i dno kuwety). Ilość punktów kontrolnych zawierających posiadających dane wysokościowe zależna jest od deniwelacji. Założono minimalną liczbę około 100 takich punktów dla każdej powierzchni przed rozpoczęciem tworzenia modelu 3D (dokładnie przed uruchomieniem procesu Prospective Projection). W trakcie powstawania modelu 3D istnieje zawsze możliwość dodania nowych punktów. 2.2.3Ocena zniekształceń powodowanych przez obiektyw aparatu fotograficznego Zastosowany aparat fotograficzny nie jest przystosowany do wykonywania zdjęć fotogrametrycznych. Zachodzi zatem konieczność oceny zniekształceń powodowanych przez obiektyw. W tym celu wykonano przyjętą procedurą zdjęcia, na których odfotografowano siatkę kwadratów 10 x 10 [cm]. Następnie nadano odpowiedni rzeczywisty układ współrzędnych. Następnie dokonano pomiarów odległości pomiędzy węzłami odfotografowanej siatki... 2.3 Wyznaczanie współrzędnych punktu głównego Jedną z danych potrzebnych do przeprowadzenia korekcji geometrycznej zdjęć są współrzędne punktu głównego zdjęcia. Za punkt główny w tym wypadku jest uważany środek geometryczny ramki negatywu (w tym wypadku ma on kształt kwadratu, którego środek jest wyznaczany przez przekątne). W celu wyznaczenia współrzędnych punktu głównego wykonujemy następujące czynności: - stworzenie warstwy wektorowej zawierającej dwie przekątne łączące narożniki zdjęcia (narzędzie Sketch w Display Spatial Data) - odczytanie współrzędnych punktu głównego w dużym powiększeniu (z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku); odczytu należy dokonać we w układzie współrzędnych obiektowych - opcja Examine/Object coordinates. 2.4 Korekcja zniekształceń geometrycznych. Cyfrowy model powierzchni testowej. Właściwości optyczne obiektywu i zróżnicowanie rzeźby powierzchni fotografowanej, powodują otrzymanie zniekształconego obrazu. Wewnętrzna geometria zdjęcia różni się zatem od tej, jaką otrzymano by rzutując powierzchnię płaską (rzut środkowy). Wykonywanie kolejnych zdjęć z pokryciem stereoskopowym pozwala na usunięcie ww. zniekształceń. Aby móc wykonać prace fotogrametryczne na zdjęciach lotniczych niezbędne jest posiadanie danych charakteryzujących aparat fotograficzny (kamerę lotniczą). Charakterystyka taka obejmuje następujące elementy [Sitek, 1990]: 1) odległość obrazową, 2) położenie punktu głównego w stosunku do znaczków tłowych, 3) radialną i tangencjalną dystorsję obiektywu, 4) zdolność rozdzielczą obiektywu, 5) odległość pomiędzy znaczkami tłowymi, 6) odchylenie ramki tłowej od płaszczyzny obiektywu. Zdjęcia naziemne wykonywano zwykłym aparatem, dlatego nie wszystkie dane wyżej wymienione były dostępne. Również moduł przeznaczony do tworzenia modeli 3D w systemie TNTMips nie wykorzystuje wszystkich tych elementów. Jako odległość obrazową podano ogniskową obiektywu. Położenie punktu głównego zdjęcia jest wyznaczane przez współrzędne obiektowe (rastrowe - w liniach i kolumnach). Zdolność rozdzielcza obiekty została w fotogrametrii cyfrowej jest zastępowana rozdzielczością skanowania zdjęcia lotniczego. W kolejnych wersjach oprogramowania producent oprogramowania przewiduje wykorzystanie danych o dystorsji oraz o położeniu znaczków tłowych (w przypadku takiej możliwości należałoby przyjąć za znaczki tłowe wierzchołki negatywu). Celem korekcji geometrycznej jest takie przekształcenie matrycy rastrowej, aby relacje przestrzenne pomiędzy pikselami odpowiadały przyjętemu układowi współrzędnych (np. odwzorowaniu kartograficznemu). Każda zmiana wewnętrznej orientacji pikseli jest przeprowadzana w dwóch etapach. Najpierw tworzony jest nowy układ pikseli, a następnie określane są odpowiednio wartości pikseli (jasności). Przy przekształcaniu wewnętrznej geometrii matrycy rastrowej wykorzystuje się informacje o współrzędnych x i y przypisane poszczególnym punktom kontrolnym. W systemie TNTMips, proces Stereoscopic Modeling jest przeznaczony do korekcji geometrycznej wspólnego obszaru dwóch zdjęć stereoskopowych. Istnieje także możliwość tworzenia modeli trójwymiarowych w oparciu o panchromatyczne obrazy satelitarne SPOT. Proces jest podzielony na cztery etapy. W pierwszym - Interior orientation - wprowadzane są współrzędnych punktów głównych (w układzie linii i kolumn macierzy rastrowej) zdjęć stereopary oraz dane o rozdzielczości skanowania negatywu zdjęcia oraz długości ogniskowej obiektywu. W drugim - Relative orientation - zdjęcia sprowadzane są do głównej płaszczyzny (ang. epipolar plane; wyznaczana jest przez punkty główne i bazę zdjęć). Proces jest wspomagany przez przygotowany zbiór punktów korelacji. Obszar podlegający korekcji ma wielkość odpowiadającą obszarowi dwukrotnie odfotografowanemu lub mniejszego (zależnie od rozmieszczenia punktów korelacji) i w jego efekcie powstaje para obrazów o tej samej wielkości (ang. epipolar images - odpowiednio nazwane LEFT i RIGHT). Teoretycznie ten sam punkt na tych dwóch obrazach posiada identyczną rzędną a różną odciętą (różnicą pomiędzy wartościami odciętych nosi nazwę stereo paralaksy. W trzecim - DEM extraction - na podstawie danych wysokościowych i stereo paralaksy (obliczanej pomiędzy punktami identyfikującymi tę sam element obrazu na obrazie LEFT i RIGHT). Proces wymaga dużej ilości punktów korelacji (kilkaset do kilku tysięcy) a wynik jest zapisywany jako obraz rastrowy (w dowolnym zakresie wartości pikseli) i jako zestaw punktów w siatce triangulacyjnej. Wyznaczanie tak dużej ilości punktów jest wspomagane procedurami automatycznymi. W czwartym - Restitution - w oparciu o model wysokościowy (raster przedstawiający zróżnicowanie powierzchni, powstały w trzecim etapie) i wspólną część dwukrotnie odfotografowaną (wykorzystuje się raster LEFT powstający w drugim etapie) jest tworzony obraz ortofotograficzny. Dla potrzeb określania szorstkości powierzchni glebowych wykorzystywane są trzy pierwsze etapy. 2.5Uwagi dotyczące poszczególnych etapów generowania modelu 3D - w czasie drugiego etapu punkty korelacyjne powinny być wprowadzane w regularnej siatce, wyznaczającej zasięg skorygowanych dwóch zdjęć. wystarczy wprowadzić pomiędzy 15 a 20 punktów. - etap trzeci rozpoczyna się od wprowadzenia około 50 - 150 punktów w miarę regularnej siatce zdecydowanie zagęszczonej w stosunku do tej z poprzedniego etapu. następnie rozpoczyna się automatyczne generowanie punktów korelacji. Ilość punktów jest określana parametrami: minimalnym rozmiarem trójkąta siatki triangulacyjnej, wielkością korelacji pomiędzy punktem na lewym i prawym obrazie oraz liczbą iteracji. Istnieje konieczność wyszukania odpowiedniej wielkości trójkąta, tak aby korelacja była największa. - format zapisu danych w DEM - 32-bit zmiennoprzecinkowy (liczby rzeczywiste) 3.Zróżnicowanie rzeźby powierzchni testowej - określenie szorstkości Otrzymane modele trójwymiarowe generalnie dobrze przedstawiają rzeczywiste zróżnicowanie mikroreliefu gleb powierzchni testowych. Zdarzają się jednak fragmenty, dla których zagęszczenie punktów korelacji było niewystarczające, a procedury automatyczne nie były wstanie wyznaczyć dodatkowych punktów korelacji (ręczne wprowadzanie punktów korelacji było zbyt czasochłonne). W efekcie w tych miejscach obraz mikrorzeźby był uproszczony. Wycięcie regularnego obszaru dla potrzeb prezentacji w trójwymiarowej (tak aby mieścił się obszar poprawnie odtworzony). Raster extraxtion process. Określenie zasięgu obszaru, na podstawie którego będzie obliczany współczynnik szorstkości (sama ramka). Edit process; jako reference służy wyciety uprzednio DEM. Definiowany zasięg obejmuje tylko te fragmenty, które w miarę dokładnie odzwierciedlają rzeczywistą rzeźbę. Wyklucza się te obszary, gdzie występują zbyt duże uproszczenia. W momencie tworzenia DEM-u, będą to miejsca w których wystąpiły trudności z wygenerowaniem automatycznym punktów korelacji. Można w takich miejscach ręcznie dodać punkty korelacji, jednak ze względu na czasochłonność tej operacji (pierwszy model trójwymiarowy, dla całego obszaru dwukrotnie odfotografowanego wykonywano ponad miesiąc) i niewielki udział takich powierzchni wyłączano je z obliczeń. W ramach wybranego zasięgu tworzona jest siatka regularna 1 x 1 [cm]. Vector/Grid... proces. Dla każdego boku i oczka siatki będą wyliczone zestawy parametrów w dwóch oraz trzech wymiarach.
