Wykład X - wykl_fotogram

GEODEZJA
WYKŁAD
Fotogrametria inżynierska
Katedra Geodezji im. K. Weigla
ul. Poznańska 2/34
FOTOGRAMETRIA [gr.], nauka zajmującą się pozyskiwaniem,
gromadzeniem, przekształcaniem, prezentacją informacji
ilościowych i jakościowych dotyczących powierzchni terenu
i położenia obiektów na podstawie zdjęć fotograficznych
(fotogramów), wykonywanych za pomocą specjalnych aparatów.
Dzieli się na fotogrametrię naziemną (terrofotogrametrię) i lotniczą
(aerofotogrametrię).
Rozróżnia się fotogrametrię:
- płaską (jednoobrazową)
-przestrzenną (dwuobrazową), zwaną stereofotogrametrią, w której
uzyskuje się przestrzenny model sfotografowanego przedmiotu.
Metody fotogrametryczne wyzyskuje się do pomiaru cech
geometrycznych obiektów, wyznaczania pola powierzchni lub
określania torów ciał będących w ruchu. W geodezji są stosowane do
wykonywania map topograficznych.
HISTORIA
Pierwsze naziemne zdjęcia fotogrametryczne wykonał 1859 kamerą
pomiarową Aimee Laussedat w Paryżu; podał on także sposób ich
odczytywania. Laussedat przeprowadził pierwsze próby z
wykorzystaniem rysunków perspektywicznych do rysowania mapy
w Pirenejach. Pierwsze zdjęcia lotnicze (z balonu na uwięzi)
wykonano 1858 w Paryżu. C. Pulfrich (fizyk) zastosował
w fotogrametrii metodę stereoskopii, co umożliwiło dokonywanie
pomiarów na przestrzennych modelach terenu i opracowywanie
map. W Polsce inicjatorem wykorzystania fotogrametrii był profesor
Kasper Weigel, który 1918 zastosował stereofotogrametrię do oprac.
mapy części Tatr; wykonano ją 1924–34 w skali 1 : 20 000.
Obecnne opracowania fotogrametryczne opierają się na zdjęciach z
aparatów (kamer) cyfrowych. Obrazy przetwarzane są metodami
analitycznymi pod kontrolą specjalistycznych programów.
Metody fotogrametryczne określają wzajemne położenie, wymiary lub dokładne kształty
form terenu. Zdjęcia wykonywane z określonego miejsca co pewien okres czasu pozwalają
ocenić deformacje powierzchni terenu np. określić zmiany czynnego osuwiska.
Obecnie mamy do czynienia z fotogrametrią cyfrową, w której wykorzystuje się techniki
komputerowe. Na podstawie zdjęć fotograficznych i pewnych danych z pomiarów
w terenie uzyskujemy potrzebne do wiernego odtworzenia elementy topograficzne.
Opracowania w technologii cyfrowej, umożliwiają przetworzenie zdjęć do postaci
kartometrycznej. Wykorzystywane m.in. w urbanistyce i architekturze i różnych pracach
projektowych, wykonania fotogrametrycznej inwentaryzacji obiektów architektonicznych,
pomiary budowli, w tym:
- mapy elewacji budynków, detale architektoniczne,
- charakterystyczne przekroje,
- pomiary odkształceń i przemieszczeń budowli,
- tworzenie trójwymiarowych modeli, oddających kształt nietypowych obiektów np. rzeźb,
- pomiar i wykonanie numerycznego modelu terenu,
- opracowanie ortofotomapy, map średnio i wielkoskalowych na podstawie zdjęć
lotniczych i satelitarnych.
·
Fotogrametrii inżynieryjna
Jest to nietopograficzne zastosowanie fotogrametrii (w zasięgu do 300 metrów)
w budownictwie, inżynierii środowiska, przemyśle i górnictwie, a także metody
dokumentowania zabytków. Jest alternatywną metodą pomiarów, w przypadku
konkretnego pomiaru wybór metody geodezyjnej czy fotogrametrycznej, zależy
od zalet i wad metody fotogrametrycznej.
W przypadku fotogrametrii cyfrowej, o dokładności decyduje w głównej mierze
rozdzielczość geometryczna kamery cyfrowej, wyrażana jako liczba pikseli
przypadających na 1 cal. Dla zadań inżynierskich ważna jest jednak nie tyle
rozdzielczość geometryczna, ale rozdzielczość kątowa, jako funkcja wymiaru
piksela i odległości obrazowej. Dokładności współczesnych teodolitów 1”.
dokładność fotogrametrii analogowej kształtuje się na poziomie 3”.
Fotogrametria posługuje się fototeodolitem, w którym luneta zastąpiona jest przez kamerę
fotograficzną.
Aparatura do wykonania zdjęć w fotogrametrii naziemnej ziemnej
- fototeodolity
- kamery uniwersalne
- kamery stereometryczne kamery stereometryczne
Przypadki zdjęć w zależności od orientacji osi kamery:
normalny, zwrócony, nachylony, zbieżny
Aparatura do opracowania zdjęć:
autografy analogowe – służyły do wykonania rysunku obiektów w rzucie ortogonalnym.
autografy analityczne, w których wodzidła i liniały zastąpił komputer sterujący w czasie
rzeczywistym przesuwającymi się względem siebie zdjęciami obiektu. Oprogramowanie
komputera pozwalało natomiast na edycję mapy wektorowej. Niektóre z modeli
wyposażono w urządzenia do automatycznego pomiaru danych potrzebnych do budowy
numerycznego modelu terenu.
autografy cyfrowe do opracowania zdjęć i stereogramów cyfrowych .
Fototeodolit analogowy
Przybliżone obliczenie współrzędnych punktów
YA=B/p*f
p=x’-x”
XA=B/p*x’ = YA/f*x’
ZA=B/p*z’=YA/f*z’
p – paralaksa, B – długość bazy
f odległość obrazu (ogniskowa)
Autografy cyfrowe i przyrządy do obserwacji stereoskopowych
Dawniej używane autografy zostały prawie całkowicie wyparte przez autografy cyfrowe,
zwane też fotogrametrycznymi stacjami roboczymi. Zdjęcia analogowe zastąpiono w nich
obrazami cyfrowymi powstałymi przez skanowanie klatek filmu albo pozyskanymi z kamer
cyfrowych. Stereoskopowe widzenie obrazów wyświetlanych na monitorze uzyskuje się
różnymi metodami. Do najprostszych należy obserwacja obrazów wyświetlanych na
podzielonym na dwie części ekranie monitora za pomocą stereoskopu lub wykorzystanie
właściwości obrazu anaglifowego. Najwyższy komfort zapewniają jednak systemy
wykorzystujące aktywne lub pasywne okulary polaryzacyjne. Oprogramowanie stacji
fotogrametrycznych pozwala na wyprodukowanie, często w sposób automatyczny,
wektorowych i rastrowych map oraz planów, przetwarzanie cyfrowych wyników pomiaru
(np. obliczanie objętości czy pól powierzchni).
Pomiarowe opracowanie zdjęć i stereogramów cyfrowych przeprowadza się w
fotogrametrycznych stacjach cyfrowych lub w autografach cyfrowych. W trakcie pomiaru
określa się pozycję mierzonego piksela, aby następnie określić współrzędne tłowe lub
terenowe punktu.
Obserwacje stereoskopowe
Do opracowania zdjęć stereograficznych wykorzystuje się stereoskopy.
Stereoskop zwierciadlany
Inne sposoby obserwacji stereoskopowych:
- anaglify,
-filtry polaryzacyjne,
-wirujące przysłony (naprzemienne wyświetlanie zdjęć na monitorze i aktywne okulary) +
Analityczne metody stosowane w fotogrametrii inżynieryjnej
Większość pomiarów fotogrametrii inżynieryjnej ma na celu wyznaczenie współrzędnych
punktów obiektu (budowli).
Wyznaczenie współrzędnych może służyć pozyskiwaniu informacji o terenie.
Zależność między współrzędnymi tłowymi i terenowymi określa równanie kolinearności:
La  m (R A  R L )
X = m A x gdzie: A – macierz transformacji jako funkcja kątów orientacji zdjęcia , , 
cos  cosκ - sin  sinω sinκ
A = sin  cosκ + cosϕ sinω sinκ
-cosω sinκ
-sin  cosω
cos  sinκ + sin  sinω cosκ
cos  cosω ,
sin  sinκ - cos  sinω cosκ
sinω ,
cosω cosω
Interpretacja geometryczna fotogrametrii jednoobrazowej
o
Płaszczyzna zdjęcia
L – środek rzutów,
f = LO – odległość obrazu
xa , za – współrzędne tłowe punktu A,
xb , zb – punktu B
Podstawy fotogrametrii jednoobrazowej naziemnej
Zdjęcie przedstawia obraz obiektów w rzucie środkowym gdzie podstawą jest
perspektywa. W zadaniach inżynierskich korzysta się jednak z rzutów ortogonalnych.
Przetworzenie zbiorów {x,z} {X,Z} może być wykonane analitycznie, graficznie lub
fotomechanicznie.
X=F1(x,z), Z=F2(x,z)
Elementy orientacji zdjęć: współrzędne środka rzutów - Xo , Yo , Zo , (punkt L)
kąty
, ,  - orientacji osi kamery w układzie XYZ, współrzędne punktu głównego na
zdjęciu xo ,zo , f – względem układu współrzędnych tłowych.
Zasada kolinearności: punkty L, a, A leżą na jednej prostej.
Wektory: LA i La = (RA-RL ) są kolinearne
La  m (R A  R L )
a1 (x - x o )  a2 (z - zo )  a3 f
X - Xo  (Y  Yo )
c1 (x - x o )  c2 (z - zo )  c3 f
Wektory wodzące punktów:
Z - Zo  (Y  Yo )
b1 (x - x o )  b2 (z - zo )  b3 f
c1 (x - x o )  c2 (z - zo )  c3 f
f – odległość obrazu (ogniskowa kamery)
Przetwarzanie graficzne cech geometrycznych obiektu
Fotogrametrię jednoobrazową można wykorzystać w zadaniach, które bazują na danych
geometrycznych płaskich obiektów- pozycje punktów mogą być określone przez dwie
współrzędne na płaszczyźnie. Gdy oś kamery w momencie ekspozycji była prostopadła
do płaszczyzny obiektu mamy zdjęcie normalne. Dowolna orientacja osi daje zdjęcie
zwrócone. Obraz zdjęcia normalnego jest w przybliżeniu rzutem ortogonalnym.
Wykorzystanie zasady proporcji długości odcinków.
Interpretacja geometryczna tachimetrii dwuobrazowej naziemnej
(stereofotogrametrii)
P,L – środki rzutów, o’ , o” – punkty główne, B – baza
a’, a” – obrazy punktu A na zdjęciu lewym i prawym
Ramka tłowa, znaczki tłowe, b - punkt główny
Podstawy stereofotogrametrii
Fotogrametria dwuobrazowa polega na wykonaniu z dwóch lub więcej stanowisk
kamery (w niektórych zadaniach - synchronicznie)
Elementy orientacji: zewnętrzne – Xo, Yo, Zo - współrzędne środka rzutów, kąty: , , 
- orientacji osi kamery w układzie XYZ. Wewnętrzne – współrzędne punktu głównego
na zdjęciu: xo,zo, f – względem układu współrzędnych tłowych.
Stereogram – para zdjęć przedstawiająca obrazy wspólnej części obiektów.
Przetworzenie zbiorów {x,z} {X,Y,Z} może być wykonane analitycznie lub
fotomechanicznie (autografy).
Zasada komplanarności: punkty L, a, A, P, b, B leżą na jednej płaszczyźnie.
Zależności współrzędnych punktów w aerofotogrametrii
X - Xo  (Z  Zo )
a1 (x - x o )  a2 (y - yo )  a3 f
c1 (x - x o )  c2 (y - yo )  c3 f
b1 (x - x o )  b2 (y - yo )  b3 f
Y - Yo  (Z  Zo )
c1 (x - x o )  c2 (y - yo )  c3 f
a,b,c – współczynniki transformacji zależne od kątów , ,  - orientacji osi kamery
Przybliżone przetwarzanie rzutu środkowego
metoda wcięcia w przód
zdjęcie
mapa
Wyznaczenie niewiadomych współczynników (a1,b1.c1, a2,b2.c2, a3,b3.c3,)
- wymaga 5 punktów, dla których możemy zapisać 10 równań, z których
obliczymy wartości 8 współczynników.
Zachowania takiej samej orientacji wewnętrznej (te same kamery) i
zewnętrznej (taka sama orientacja kamer). Niewielkie zmiany położenia
obiektu mogą być bezpośrednio mierzone jako przyrosty
obserwacji, tzw. paralaksy czasowej (p,q).
dX = f1 (p, q) , dY = f2 (p, q) , dZ = f3 (p,q)
P
dx  ∆x = xi – xo.
dy  ∆y = yi – yo
Przetwarzanie metodą ortogonalną
Zasady obliczania skali zdjęcia
Przetwarzanie metodą siatki identyfikacyjnej
Przetwarzanie metodą wcięcia wstecz
Zastosowanie metod fotogrametrii w zadaniach geodezyjnych
Do wielostanowiskowego określania odchyleń od pionu a także poziomych
składowych niewielkich przemieszczeń punktów, służy – opracowany według
algorytmu metody różnicowej. Danymi wejściowymi są elementy orientacji zdjęć,
przybliżone współrzędne badanego punktu (lub komina), oraz pomierzone
przyrosty współrzędnych tłowych, (współrzędne tłowe i paralaksy czasowe), zaś
składowe przemieszczenia są obliczane na zasadzie porównania
współrzędnych.
Umożliwia rozwiązanie wcięcie w przód na podstawie naziemnych zdjęć
metrycznych i niemetrycznych. Orientacja pojedynczego zdjęcia jest określana
przez przestrzenne wcięcie wstecz do punktów osnowy geodezyjnej.
Fotogrametryczne stacje cyfrowe są to systemy, składające się ze sprzętu (ang.
hardware) oraz oprogramowania (ang. software) pozwalającego na
wykonywanie prac fotogrametrycznych z wykorzystaniem obrazów cyfrowych.
Typowa stacja fotogrametryczne pozwala realizować (a także częściowo
zautomatyzować) wszystkie procedury pomiarowe pomiar punktów stereogramu,
wektoryzację, wytwarzanie cyfrowych ortofotomap .
WSPÓŁCZESNE METODY INWENTARYZACJI BUDOWLI
- Fotogrametryczna pozwala uzyskać dane geometryczne o położeniu
budowli i jej elementów, wymiarach oraz informacji o stanie
powierzchni budowli.
- Termowizyjna jest pomocna w pracach inżynierskich do określania
wewnętrznej struktury elementów budowli (ścian, płyty stropów, belek,
murów itp.) metodami nieniszczącymi ich powierzchni. Kamera
termowizyjna AGA 750 pozwala uzyskać na monitorze obraz detali
ściany budynku, układ cegieł, prętów, przewodów, a nawet spękania i
ubytki materiału. Za pomocą podpowierzchniowego radaru obserwuje
się strukturę gruntów do głębokości 10m pod powierzchnią terenu.
Zastosowania do nieinwazyjnego wykrywania:
- wad technologicznych przegród budynków, błędów w dociepleniu,
mostków cieplnych, zawilgoceń, filtracji powietrza
- lokalizacji rur z ciepłą wodą, oraz wycieków i nieszczelności
- stanu izolacji cieplnej kotłów, rurociągów, izolowanych kanałów,
elektrofiltrów, kadzi ( diagnostyka okresowa i powykonawcza ),
- lokalizacji przebiegu sieci ciepłowniczej ( inwentaryzacja ),
Zasada działania termowizyjnej kamery
Obiekt o temperaturze powyżej zera bezwzględnego jest źródłem
promieniowania w paśmie podczerwieni, a jego intensywność zależy
od temperatury i cech powierzchni ciała. Aparatura termowizyjna jest
odmianą telewizji wrażliwej na fragment zakresu promieniowania
podczerwonego. Tworzenie obrazu polega na rejestracji przez kamerę
promieniowania emitowanego przez obserwowany obiekt, a następnie
przetworzeniu na kolorową mapę temperatur. System termowizyjny jest
rodzajem termometru, który pozwala mierzyć temperaturę na odległość
w wielu miejscach jednocześnie.
Zastosowanie praktyczne dla kamery termowizyjnej jest wykrywanie
wilgoci w budynkach. Obecność wody w mikroporach materiału
budowlanego powoduje pogorszenie jego właściwości izolacyjnych,
zdolności do wypromieniowania ciepła, a więc i temperatury na
powierzchni. Ułatwia lokalizację zawilgoceń w płaskich stropodachach
i lokalizację miejsc przecieków.
TERMOGRAM
Obraz okna zarejestrowany przez kamerę termowizyjną, temogram
pozwala zaobserwować nadmierną ucieczkę ciepła przez okno.
Wyraźna różnica pomiędzy temperaturą szyb a ramą.
TERMOGRAM ŚCIANY BUDYNKU
Skala temperatury