,

Fotogrametria cyfrowa

Fotogrametria jest sztuką i nauką o lokalizowaniu pozycji i kształtu obiektów na podstawie obrazów, z których można uzyskać ich położenie, orientację, kształt oraz rozmiar [1]. Definicję rozszerzoną można odnaleźć w statucie Międzynarodowego Towarzystwa Fotogrametrii i Teledetekcji  ISPRS (2009):

Fotogrametria jest sztuką, nauką i technologią, zajmującą się pozyskiwaniem wiarygodnych informacji o Ziemi i jej środowisku, lub o innych fizycznych obiektach, drogą rejestracji, pomiaru, analizy i interpretacji, obrazów otrzymywanych z sensorów, nie będących w bezpośrednim kontakcie z tymi obiektami.

Źródłem obrazów mogą być zdjęcia obiektów uzyskiwane w wyniku procesów fotochemicznych (fotografia analogowa) lub fotoelektrycznych (fotografia cyfrowa). W ostatnich latach powstała też technologia, która generuje trzecią grupę obrazów, czyli obraz przestrzeni z zawartą informacją o odległości dla każdego punktu. Są o obrazy generowane przez skanery laserowe.

Wynik opracowania fotogrametrycznego może przyjąć następujące formy [1][2]:

  • graficzna (rysunki analogowe) – w postaci map z naniesionymi szczegółami planimetrycznymi, liniami konturowymi oraz innymi graficznymi reprezentantami obiektów (np. mapy sytuacyjno-wysokościowe części lub całego fotografowanego obiektu),
  • numeryczna – współrzędne pojedynczych punktów w przestrzennym układzie odniesienia (chmura punków) wybranego obiektu, oraz dane stanowiące dane wejściowe do systemów informacji przestrzennej (modele wysokościowe, mapy cyfrowe,)
  • obrazowe (analogowe, cyfrowe) –obrazy przedstawiające obrazowany teren lub obiekt w postaci rektyfikowanych fotografii (ortofotomapa, ortofotoplan) oraz przestrzenne fotomodele, czyli modele przestrzenne obiektów z naniesioną teksturą pozyskaną z obrazów, przeznaczone do obróbki w programach typu CAD[1].

Dziedzina fotogrametrii wykorzystująca analogową postać danych, szczególnie pozyskiwanych kamerami na film zwojowy, analogowe metody (optyczno-mechaniczne) ich opracowania nazywana jest fotogrametrią analogową.

Wynik takiego opracowania ma również postać analogową. W przypadku, kiedy analogowa postać danych zostanie opracowana przy pomocy metod analitycznych z wykorzystaniem komputerów, a wynik opracowania ma postać wektorową, fotogrametrię taką nazywamy analityczną.

Kolejnym etapem rozwoju fotogrametrii jest fotogrametria cyfrowa, która  wykorzystuje cyfrową postać danych. Obrazy w takim procesie powstają w wyniku padania fali elektromagnetycznej (światła) nie na emulsję światłoczułą (tak jak to jest w przypadku fotogrametrii analogowej), a na elektroniczny detektor.

W dziedzinie fotogrametrii cyfrowej można wykorzystać nie tylko obrazy uzyskiwane bezpośrednio z detektora elektronicznego (kamery cyfrowe) ale też będące wynikiem skanowania zdjęć analogowych. W tej dziedzinie wykorzystuje się cyfrowe metody obróbki i analizy obrazu. Metody fotogrametrii cyfrowej umożliwiają bardzo wysoki poziom automatyzacji procesu opracowania. Fotogrametria cyfrowa jest obecnie ściśle połączona i rozwijana równocześnie z dziedzinami takimi jak widzenie komputerowe lub widzenie maszynowe.

Ze względu na miejsce fotografowania fotogrametrię dzieli się na:

  • fotogrametrię naziemną (terrofotogrametrię),
  • fotogrametrię lotniczą (aerofotogrametrie) ,
  • satelitarną.

Fotogrametria satelitarna została wydzielona z fotogrametrii lotniczej ze względu na specyficzne problemy opracowania zdjęć i obrazów. Fotogrametria naziemna wykorzystuje zdjęcia wykonane ze stanowisk naziemnych, natomiast fotogrametria lotnicza zdjęcia wykonane z samolotu, śmigłowca.

Wysokie koszty zakupu kamer lotniczych oraz eksploatacji statków powietrznych w klasycznej fotogrametrii lotniczej powoduje że nie wykorzystuje się tych metod do wykonywania pomiarów niewielkich obiektów np. pojedyncza wieś lub pole uprawne. Działanie takie jest nieopłacalne. Jednak, tak jak konstrukcja braci Wright otworzyła nieograniczone możliwości do fotografowania z powietrza, tak też współcześnie rozwój technologii systemów bezzałogowych oraz fotografii cyfrowej otworzył nowe możliwości przed fotogrametrią. Umieszczenie aparatu cyfrowego na bezzałogowej platformie lotniczej umożliwiło znaczną redukcję koszów wykonywania zdjęć lotniczych i uzupełnienia metod fotogrametrii. Ze względu na specyficzne technologie opracowania zdjęć wykonywanych z pokładu współczesnych bezzałogowych platform lotniczych oraz możliwości techniczne wykonania lotu jakie posiadają, często nie do uzyskania przez tradycyjne lotnictwo, fotogrametrię wykorzystująca bezzałogowe platformy lotnicze nazywać można fotogrametrią z bezzałogowych statków powietrznych.

Fotogrametria z bezzałogowych statków powietrznych uzupełnia już istniejące metody pomiarowe, głównie o możliwości dotarcia BSP w miejsce dotychczas niedostępne dla klasycznych metod.

Rys. 1 Zestawienie metod pomiarowych[3]

Obecnie buduje się już bezzałogowe platformy operujące na pułapach suborbitalnych, a to jest znakomitym narzędziem do prowadzenia obserwacji fotogrametrycznych i teledetekcyjnych z bardzo wysokich pułapów, zbliżając się do pomiarów wykonywanych z wykorzystaniem sztucznych satelitów.

Jak już wspomniano, wykorzystanie niektórych metod pomiarowych jest nieopłacalne lub niemożliwe do wykorzystania w określonych warunkach. Dlatego też zawsze, jak w każdej dziedzinie techniki, należy dobierać właściwe metody pomiarowe do określonego zadania. Zestawiając wachlarz metod pomiarowych stosowanych w fotogrametrii z wielkością obiektu pomiaru i rozległością sceny (ilość punktów w przestrzennym układzie współrzędnych) miejsce fotogrametrii z BSP przedstawiono na Rys. 2. Konstrukcje niewielkich BSP czyli głównie platform kategorii mini lub mikro rozszerza możliwości pomiarowe w kierunku pomiarów wykonywanych technikami naziemnymi na niewielkich obiektach i odległościach, natomiast platformy operujące na pułapach suborbitalnych pozwalają rozszerzyć możliwości pomiarowe w kierunku teledetekcyjnych pomiarów satelitarnych. Sama platforma lotnicza jako nosiciel urządzenia pomiarowego jeśli jest zdolna poruszać się w przestrzeni lub warunkach niedostępnych dla istniejących metod to posiada też pewne ograniczenia w nośności, czyli masie urządzeń pomiarowych jakie może przenosić. Miniaturyzacja urządzeń pomiarowych niestety odbija się na ich dokładności, dlatego też niewielkie aparaty fotograficzne czy kamery cyfrowe instalowane na pokładzie BSP nigdy nie osiągną jakości zdjęć jakie oferują klasyczne kamery lotnicze. Ograniczenia te wynikają wprost z praw fizyki, a mniejsze wymiary obiektywów czy matryc cyfrowych okupione są stratami, z jakimi należy się liczyć. Dlatego też fotogrametria z BSP uzupełnia istniejące metody fotogrametrii.

Rys. 2 Zestawienie metod pomiarów przestrzennych

Wykorzystanie lotniczych platform bezzałogowych uzupełnia stosowany wachlarz technik pomiarowych wykorzystywanych w fotogrametrii i teledetekcji. Platformy umożliwiają dotarcie do obiektów, które są niedostępne dla klasycznych technik, lub też wykonanie podobnych zadań ze zdecydowanie niższym kosztem.

Wcześniej, zadania nieopłacalne do wykonania z wykorzystaniem fotogrametrii lotniczej, stały się opłacalne i realne do wykonania przy użyciu  niewielkich bezzałogowych statków powietrznych. Co więcej, fotogrametria z BSP umożliwiła szybkie pozyskiwanie danych, ponieważ proces rozwinięcia systemu bezzałogowego trwa bardzo krótki okres czasu w stosunku do lotu samolotem lub śmigłowcem, a przy tym nie wymaga specjalistycznej infrastrukturę. Możliwe stało się monitorowanie procesów stosunkowo szybko zmiennych, np. codzienna dokumentacja procesu budowlanego i tworzenie precyzyjnej dokumentacji lub pomiary objętości mas i monitorowanie ich zużycia (np. przy eksploatacji hałd węgla).

Do podstawowych zastosowań fotogrametrii, w tym fotogrametrii z BSP można zaliczyć:

  • opracowania map topograficznych oraz ortofotomap [3],
  • opracowanie numerycznych modeli terenu,
  • inwentaryzacja architektoniczna,
  • pomiary budowli, budynków lub innych obiektów inżynieryjnych,
  • pomiary odkształceń obiektów inżynieryjnych;
  • zastosowania biometryczne (kontrola operacji chirurgicznych, rekonstrukcja i badania narządów wewnętrznych [4] ),
  • rekonstrukcja miejsc zbrodni lub wypadków komunikacyjnych (np. samochodowych, kolejowych)

Literatura:

[1] K. Kraus, Photogrammetry : Geometry from Images and Laser Scans, Second. Berlin: Walter de Gruyter, 2007.

[2] Kurczyński and R. Preuss, Podstawy Fotogrametrii. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2000.

[3] Burdziakowski, “EVALUATION OF OPEN DRONE MAP TOOLKIT FOR GEODETIC GRADE AERIAL DRONE MAPPING – CASE STUDY,” in 17th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2017, 2017, pp. 101–110.

[4] Bobkowska, M. Przyborski, A. Kaczyńska, and A. Kosiński, “Digital Photogrammetry in the Analysis of the Ventricles’ Shape and Size,” in 2017 Baltic Geodetic Congress (BGC Geomatics), 2017.

[1] z ang. computer aided design – czyli sprzęt i oprogramowanie komputerowe przeznaczone do wspomagania projektowania technicznego

0 komentarzy

Odpowiedz

Chcesz wziąć udział w dyskusji?
Śmiało, napisz coś!

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *