ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra mapování a kartografie Diplomová práce ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ KATEDRA MAPOVÁNÍ A KARTOGRAFIE DIPLOMOVÁ PRÁCE Fotogrammetrická dokumentace vybrané části hradu Kost (okr. Jičín) Photogrammetric documentation of part of Kost kastle (Jičín) Vypracovala: Bc. Iva POBOŘILOVÁ Vedoucí práce: Ing. Jindřich HODAČ, Ph.D. Prosinec

2 2

3 Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Fotogrammetrická dokumentace vybrané části hradu Kost (okr. Jičín) vypracovala samostatně s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených na seznamu a za přispění konzultací u vedoucího práce Ing. Jindřicha Hodače, Ph.D. V Praze, dne Iva Pobořilová. 3

4 Poděkování Chtěla bych poděkovat především Ing. Jindřichu Hodačovi, Ph.D. za cenné rady a za celkové vedení této diplomové práce. Dále bych chtěla poděkovat panu Ing. Michalu Panáčkovi za pomoc při měření a odborné rady, dále Bc. Aleně Voráčkové za pomoc při měření, zaměstnancům hradu Kost za umožnění přístupu do prostor hradu a všem ostatním, kteří jakkoliv přispěli. 4

5 Abstrakt Cílem této práce je vytvoření fotogrammetrické dokumentace vybrané části hradu Kost v okrese Jičín. Výsledkem je hmotový 3D model jádra hradu a soubor fotoplánů, které budou následně použity pro projekt NAKI, který zkoumá kvádrové zdivo na různých objektech v České republice. V práci bude stručně popsána historie hradu, použité postupy a pomůcky, úprava pořízených fotografií, tvorba fotoplánu a 3D modelu. V závěru budou shrnuty poznatky a problémy získané při tvorbě fotoplánů a modelu. Klíčová slova Fotogrammetrie, fotoplán, distorze, kalibrace, 3D model, software TopoL, software SIMphoto, software PhotoModeler, software MicroStation 5

6 Abstract The aim of this work is creation of a photographic documentation of the selected part of the Kost castle in the region Jičín. The result will be a 3D model of the castle and photoplans that will be used for the NAKI project that examines building stone on various objects in the Czech Republic. The work briefly describes the history of the castle, the procedures and equipment, editing used images, creating the 3D model and photoplans. The conclusion will summarize the knowledge and the problems obtained in creating phhotoplans and the model. Key words Photogrammetry, photomap, distortion, calibration, 3D model, software TopoL, software SIMphoto, software PhotoModeler, software MicroStation 6

7 Seznam zkratek Bpv Balt po vyrovnání ČSNS Česká státní nivelační síť DP diplomová práce GNU GPL GNU General Public License (všeobecná veřejná licence GNU) GPS Globální polohový systém ISPRS International Society for Photogrammetry and Remote Sensing (Mezinárodní společnost pro fotogrammetrii a dálkový průzkum) ISO - International Organization for Standardization VB vlícovací bod 7

8 Obsah 1. Úvod Hrad Kost Poloha aHistorie hradu Projekt NAKI Měření Rekognoskace terénu První část měření Druhá část měření Použité přístroje Canon EOS 5D Mark II Canon EF 16-35mm f/2.8l II USM Nikon D AF-S DX NIKKOR mm f/ g ED VR Totální stanice Leica TS06 FlexLine Výpočet souřadnic vlícovacích bodů a pro 3D model, použité programy Výškové připojení sítě Výpočet souřadnic bodů sítě Software Gama a výpočet sítě Výpočet souřadnic vlícovacích a podrobných bodů v software Groma Výpočet souřadnic vlícovacích bodů v rovině fasády Fotogrammetrie Metody fotogrammetrie Podle polohy stanoviska Podle počtu vyhodnocovaných snímků Podle způsobu zpracování snímků Kalibrace neměřických komor Možnosti provedení kalibrace Kalibrace pomocí testovacího pole PhotoModeler Pro průběh kalibrace digitální komory Kalibrace v software PhotoModeler Scanner

9 9. Odstranění distorze SIMphoto Fotoplán Matematický základ Vliv hloubkového členění Tvorba fotoplánu v software TopoL xt Software TopoL xt Data potřebná pro tvorbu fotoplánu a jejich kvalita Příprava dat Zpracování v programu TopoL xt Dokončení fotoplánu v software Microstation V8 XM Edition Tvorba 3D modelu v software Microstation Microstation V8 XM Edition Založení výkresu, import souřadnic Tvorba drátového modelu Tvorba ploch Vytištění modelu, formát 3D PDF Zhodnocení přesnosti Přesnost sítě Porovnání vybraných souřadnic opakovaně měřených podrobných bodů v i 1. fáze měření z různých stanovisek Porovnání vybraných souřadnic opakovaně měřených vlícovacích bodů (mezi 1. a 2. fází) Maximální odchylky VB od roviny fotoplánu Přesnost fotoplánů Porovnání vzdáleností ze zaměření (mezi podrobnými body) a odměřených z fotoplánů Přesnost 3D modelu, míra generalizace Závěr. 62 Použitá literatura. 64 Seznam obrázků. 66 Seznam tabulek.. 68 Seznam příloh 69 Sruktura DVD 70 9

10 1. Úvod Hlavním cílem této práce je tvorba fotoplánů a 3D modelu historického jádra hradu Kost nacházejícího se v Českém ráji. Výsledky této práce budou využity v rámci projektu NAKI vyhlášeného Ministerstvem kultury, který je zpracováván katedrou geotechniky na stavební fakultě ČVUT v Praze a dalšími institucemi. Cílem projektu NAKI je vytvoření komplexní metodiky pro průzkumy a opravy kvádrového lícového zdiva historických objektů tvořeného sedimentárními horninami, které jsou z hlediska trvanlivosti působením povětrnostních vlivů méně odolné než vyvřelé a přeměněné horniny. Dále se bude zjišťovat, které kameny jsou vhodné pro restaurátorské zásahy při opravách kvádrového zdiva historických objektů a nejvhodnější postup řemeslného zpracování těchto kamenů tak, aby byly co nejvíce autentické a respektovaly specifické rysy dané památky. Vhodné náhradní kameny budou vybírány na základě vizuální podobnosti struktury, barevnosti, chemickém složení a fyzikálních vlastností, bude také posuzována schopnost opracovat tyto kameny historickými metodami. Jelikož hrad Kost je jedním ze zkoumaných objektů v rámci projektu NAKI, budou fotoplány získané z této diplomové práce sloužit jako jeden z podkladů při zkoumání jednotlivých kamenů a jejich změny vlivem povětrnostních podmínek v čase. Dále z nich budou z části patrné dostavby a přestavby v rámci jednotlivých stavebních úprav hradu. Dalším výsledkem této práce bude 3D model jádra hradu. Mezi sledované objekty bude patřit Bílá věž, Salla terena, Černá kuchyně, Kaple svaté Anny, Hranolová věž, Šelemberský palác, Strážní věž a Vartemberský palác. Z důvodu složitosti tvorby fotoplánu válcového útvaru nebude zahrnuta Kulatá věž. Pro tvorbu fotoplánů bude využito jednosnímkové fotogrammetrie, snímky budou podřízeny digitální neměřickou komorou, u které bude pro použité konstanty komory provedena kalibrace. Vlícovací body budou zaměřeny pomocí totální stanice za použití bezhranolové technologie. Touto metodou budou také pořízeny souřadnice bodů potřebných pro 3D model. V textu bude popsána tvorba fotoplánu krok po kroku přes pořízení snímku, úpravu fotografií, kalibraci kamery, až po konečnou tvorbu fotoplánu a jeho export do geodetických softwarů a jeho tisk do formátu pdf, který bude konečným výstupem. 3D model bude pro jeho prezentaci uložen do formátů dgn, dwg a 3D pdf. 10

11 2. Hrad Kost V této kapitole bude stručné popsána poloha hradu a jeho historie, která bude zaměřena především na vývoj sledovaných objektů. 2.1 Poloha Nachází se v údolí nedaleko Sobotky v obci Podkost, v katastrálním území Libochovice. Údolí patří k nejmalebnějším místům Českého ráje. I to nejspíš vedlo k tomu, aby byl hrad postaven právě na tomto místě. 2.2 Obr. 2.1: Poloha hradu ([1] str. 28) 11

12 2.2aHistorie hradu Hrad byl založen někdy před rokem 1349 Benešem z Vartemberka mezi třemi údolími a to Plakánkem, Prokopským údolím a údolím u Černého rybníka. Močály, rybníky a celková poloha zvyšovaly obranyschopnost hradu. Právě proto se Kost zachovala téměř v původním stavu dodnes. Bílý rybník také umožňoval v případě ohrožení snadnou přeměnu hradu na vodní, a to v případě uzavření jeho odtoku, čímž se stal naprosto nedobytným. Hrad je postaven na skalnatém pískovcovém bloku. Z části je stavěn z přitesávaných kvádrů, něco jako kamenné cihly o různých velikostech. Z nich jsou postaveny zdi od základů až po střechu. Každý tento kvádr byl předem pečlivě opracován a má důlek, Obr. 2.2: Hrad Kost od západu podle kresby z doby kolem roku 1815 ([1] str. 1) který sloužil pro upevnění speciálních kleští, pomocí kterých byl dopraven na místo. Původní hrad byl pouze rozsahu dnešního vnitřního nádvoří a mělo se do něj vstupovat ze severní strany. Nejdominantnější částí hradu je Bílá věž, která je typická tím, že z jednoho místa pod hradem lze vidět všechny její čtyři rohy. Věž má 7 podlaží, a sloužila k bydlení. Obýváno bylo 1. patro, 2., 3. a 4. patro sloužilo v případě obléhání jako skladiště potravin, v dobách míru bývala tato patra prázdná. 5. patro bylo soukromou místností hradního pána. Poslední patro bylo dostavěno později, předpokládá se, že v letech 1387 či Střecha věže je zakončena pro Kost typickou nízkou střechou se středovým jehlancem. Další věží je Kulatá věž, která sloužila jako ochrana 2. hradní brány. V patře se nacházela kaple zasvěcená Panně Marii, která byla kolem roku 1500 zrušena a nahrazena novou kaplí na nádvoří postavenou kolem roku Přízemí věže bylo 12

13 temné, přístupné jen otvorem v podlaze, což vede k domněnce, že sloužilo jako hladomorna. Mezi jeden z mnoha paláců na hradě patří Vartemberský, z toho původního se zachovaly pouze klenuté sklepy. Původní zdi se zřítily kolem roku 1690, poté byly znovu, avšak ne tak pečlivě, postaveny z původních kamenů. V přízemí bydlel šafář, v 1. a 2. patře byly obytné místnosti pro pána a paní hradu a rytířský sál. Podkroví sloužilo strážím a služebnictvu. Obr. 2.3: Půdorys hradu Kost s vyznačením stavebních fází od nejstarší (tmavá výplň) po nejsvětlejší (světlá) ([1] str. 30) 13

14 Dalším z paláců je Šelemberský, který byl postaven mezi starou obytnou vartemberskou budovou a hranolovou věží. Starou budovu dal Jindřich ze Šelemberka zbořit, zachoval pouze sklepy a kuchyni. Nová budova byla stejně vysoká jako ty okolní, střechy proto splynuly do jedné řady. Mezi budovami bylo postaveno schodiště, které spojovalo starý i nový palác. V patře budovy vznikl sál, který je jednou z nejkrásnějších místností na hradě, má čtyři velká okna na nádvoří i směrem k Černému rybníku. Protože byl vystavěn Šelemberky, byl do nádvorní zdi zasazen jejich znak hlava svině. Za Jana z Bibrštejna (v roce 1545) byl na Kosti vystavěn dnešní Bibrštejnský palác, který vyrostl na místě úřednické budovy mezi 2. branou a parkánem. Pár let poté bylo zpevněno opevnění a postaven pivovar severně od hradu. V roce 1635 hrad vyhořel, čímž prý byly zničeny všechny vrchní pokoje i krovy s podlahami kromě Bílé věže, dvou místností písařů, konírny a kaple. Podhradí a pivovar ohněm také nebyly zasaženy. Pár let poté, v roce 1658, hrozilo Kosti zboření na základě císařova rozkazu, hrad naštěstí zachránila Sylvie Kateřina z Millesima. Ve 40. letech 20. století byly šindelové střechy vyměněny za břidlicové a eternitové. V roce 1946 vyhořel Bibrštejnský palác, kde se tou dobou nacházel archiv, nově zastřešen byl ještě téhož roku. V roce 1956 byla ukončena celková oprava paláce. Paláce byly později Obr. 2.4: Hrad Kost v současnosti zpřístupněny, v roce 1963 byly po úpravách zřízeny na kosti výstavní síně a v následujícím roce byla do renovovaných místností instalována galerie starého gotického a renesančního malířství. Dnes je objekt přístupný, nachází se zde tři prohlídkové okruhy. Hrad patří rodině Kinských, kteří zde mají rodové sbírky, také je zde renesanční černá kuchyně v Bibrštejnském paláci, historické zbraně, mučírna a další zajímavosti. Text této kapitoly byl zpracován na podkladě [1]. 14

15 3. Projekt NAKI Název projektu: Komplexní metodika pro výběr a řemeslné opracování náhradního kamene pro opravy kvádrového zdiva historických objektů Zadavatel: Ministerstvo kultury Doba řešení: Celkové náklady: 15,7 mil. Kč Účastníci projektu: - České vysoké učení technické v Praze - Fakulta stavební - Národní technické muzeum - Ústav teoretické a aplikované mechaniky AV ČR, v. v. i. Cílem projektu je: vytvoření komplexní metodiky pro průzkumy a opravy kvádrového lícového zdiva historických objektů tvořeného sedimentárními horninami. Metodika přehledně shrnující technické, technologické a památkové požadavky bude zaměřena především na definování a praktické ověření souborných kritérií výběru nejvhodnějšího typu nového kamene určeného pro stavební a restaurátorské zásahy při opravách kvádrového zdiva historických objektů a nejvhodnější postup řemeslného zpracování, s důrazem na respektování maximální autentičnosti a specifických charakteristik dané památky. S pomocí této metodiky bude možné provést adekvátní stavebně-historické, technologicko-řemeslné a stavebně-technické průzkumy a následně navrhnout optimální postup při obnově konkrétního historického objektu. Postup při řešení projektu se bude skládat mimo jiné z následujících kroků: - Vytipování, výběr a zajištění vhodných vzorových lokalit a objektů pro praktickou aplikaci navrhovaných metodických postupů 15

16 - Podrobné rešerše zaměřené na stavebně-historický kontext vybraných vzorových lokalit a objektů včetně informací o použitých stavebních materiálech a o použitých postupech lícování - Laboratorní a experimentální ověření materiálů ze vzorových lokalit. Příprava referenčního horninového vzorku z cca 10 aktivních lokalit na území ČR. Vyhodnocení opracovatelnosti a jeho vlivu na trvanlivost kamene na zkušebních kvádrech s odlišným typem zpracování. Vliv stárnutí na degradaci kamene bude sledován v přirozených i urychlených podmínkách (klimatický tunel). - Terénní dokumentace a analýza a další doplňkové průzkumy vzorových staveb přesné zaměření, fotodokumentace, fotogrammetrie, 3D fotoskenování struktury opracování - Monitorování průběhu památkové obnovy prováděných na vzorových památkových objektech a průběžné hodnocení zvolených postupů oprav. - Souhrnné vyhodnocení poznatků získaných jak v rámci experimentálního ověřování v laboratoři, tak při realizaci oprav na vzorových lokalitách. Tato diplomová práce bude v rámci projektu sloužit jako fotodokumentace současného stavu zdiva. Na fotoplánech bude možno zjistit stav jednotlivých kamenů, průběh výstavby jednotlivých částí hradu, či další potřebné údaje. Dále bude možno využít podrobného zaměření v podobě hmotového 3D modelu. Informace v této kapitole byly získány z [2] a od Ing. Michala Panáčka. 16

17 4. Měření 4.1 Rekognoskace terénu Při první návštěvě Kosti byl s objednatelem dohodnut rozsah, který bude mít výsledná práce a také metoda, kterou bude provedeno zpracování. Geodetické zaměření bude provedeno pomocí polární metody, fotoplány budou tvořeny jednosnímkovou metodou. Dále byla ověřena možnost připojení na souřadnicový systém S-JTSK a výškový systém Bpv. Vzhledem k požadovaným výstupům, kterými jsou z větší části fotoplány, bylo dohodnuto, že souřadnicové připojení měření nebude nutné. Výškové připojení bude provedeno na body výškové sítě v systému Bpv. Zájmová oblast bude obsahovat jádro hradu z obou stran a dále brány k jádru přiléhající, viz schéma na obr První část měření Datum: Povětrnostní podmínky: Slunečno, 20 C, bezvětří Lokalita: Hrad Kost Použité přístroje a pomůcky: Leica TC06 v. č , 3x stativ, souprava odrazných hranolů, hranol na výtyčce, hřeby, kladivo, fotoaparáty Nikon D90 (dále Nikon), Canon EOS 5D Mark II (dále Canon), nivelační přístroj Sokkia C41 v. č První den dopoledne bylo provedeno snímkování všech fasád, pro které budou vyhotovovány fotoplány. Tyto fotografie byly pořizovány Canonem, ohniskové vzdálenosti byly voleny f = 16, 24 a 35 mm, aby se distorze odstraňovala u co nejméně ohniskových vzdáleností, jelikož pro každou z nich musí být provedena kalibrace. Tyto snímky byly také použity k označování vlícovacích bodů, které budou následně zaměřeny. Při snímkování byly nastavovány parametry citlivosti, korekce expozice a vyvážení bílé barvy. Snímky byly pořizovány tak, aby byly co nejvíce frontální a aby bylo fotoplán možno utvořit z co nejméně částí, ale zároveň aby byl dostatečný překryt snímků. Odpoledne bylo započato měření, které trvalo i následující dva dny. Kolem jádra hradu byla vytvořena měřická síť, body řady 40XX byly stabilizovány, aby mohly být 17

18 opakovaně využity, body 500X nebyly stabilizovány. Mezi body sítě byly měřeny vodorovné a zenitové úhly a šikmá délka. V síti bylo měřeno v obou polohách dalekohledu, schéma je patrné z obr Na každém stanovisku byla zaznamenávána jeho výška a číslo, dále výška cíle a typ měření buď na hranol, nebo bezhranolově. Kromě orientací na sousední body byly zároveň měřeny také podrobné body pro hmotový model a vlícovací body, jejichž počet a rozmístění bylo vhodně voleno pro následné zpracování v software TopoL. Tyto body byly zaměřeny na významných bodech fasád jako například na rozích kamenů a okenních otvorech. Jejich číslování bylo voleno v řadě od č Podrobné body byly číslovány od č. 1. Všechny měřené hodnoty z totální stanice jsou patrny v příloze E1. Snímky použité pro tvorbu fotoplánů a náčrt vlícovacích bodů se nachází ve složce Fotoplány, schéma viz příloha T4. Další měření, které bylo prováděno, bylo výškové připojení sítě k České státní nivelační síti v systému Bpv. K tomuto účelu byl využit nivelační bod Db2-35 nivelčního pořadu Db2 Břehy Sobotka, technickou nivelací byl výškově připojen bod Pro výškové připojení sítě byla také použita výška bodu Db2-35, která byla připojena trigonometrickým měřením z bodu sítě Pro kontrolu stability bodů nivelační sítě byl veden nivelační pořad mezi bodem Db2-35 a Db2-36. Nivelační zápisník a nivelační údaje se nachází v příloze T Druhá část měření Datum: Povětrnostní podmínky: Zataženo, 4 C, větrno Lokalita: Hrad Kost Použité přístroje a pomůcky: Leica TC06 v. č , Leica TC06 v. č , 3x stativ, souprava odrazných hranolů, hranol na výtyčce, fotoaparáty Nikon D90, Canon EOS 5D Mark II Při tomto výjezdu bylo nutno pořídit snímky těch částí hradu, které byly při předchozím měření zastavěny lešením, či dřívější fotografie byly pro tvorbu fotoplánů nepoužitelné. Toto se týkalo především východních hradeb. Opět bylo snímkováno při použití ohniskových vzdáleností f = 16, 24, 35 mm u Canonu, a na f = 105 mm u Nikonu. 18

19 Geodeticky byly zaměřovány pouze vlícovací body, a to buď kvůli jejich nedostatečnému počtu pořízenému v předchozím měření, nebo z důvodu jejich špatného rozmístění při tvorbě fotoplánu skládajícího se z více snímků. Měření probíhalo z bodů původní měřické sítě, které byly vyhledány pomocí místopisů, které byly vyhotoveny v předchozí fázi, viz příloha T2. Měření začínalo na bodě 4012 a bylo připojeno na bodě 4003 s orientací na bod 4002, dále bylo měřeno na bodech 5006 a 4016, které se nachází mezi připojovacími body. Dále bylo měřeno na bodech 4002, 4001 a z nich zřízených přechodných stanovisek 5007 a Na všech stanoviscích byly měřeny vlícovací body a to tak, že původní byly zaměřeny se starými čísly bodů, nové byly očíslovány v řadách 70XX a od 1. Pro tvorbu fotoplánů byly použity souřadnice z nového zaměření vlícovacích bodů, pro body, jež nebyly opětovně zaměřeny, byly použity původní souřadnice. Obr. 4.1 Schéma měřické sítě 19

20 5. Použité přístroje 5.1 Canon EOS 5D Mark II Fotoaparát EOS 5D Mark II s rozlišením Full Frame kombinuje výjimečné rozlišení s rychlostí snímání až 3,9 snímku/s a velmi vysokou citlivostí ISO. Parametry přístroje - 21,1megapixelový senzor CMOS full frame (velikost čipu odpovídá velikosti kinofilmu 36x24 mm) - Rozměr pixelu 6,4 µm - Rozsah citlivosti ISO až Záznam filmů v rozlišení Full HD (1 080, 30 snímků/s) - 3,0 displej VGA LCD s vysokým rozlišením a režimem Live View - Snímání JPEG rychlostí až 3,9 snímku/s až do naplnění kapacity karty - 9bodový AF + 6 pomocných bodů AF K fotoaparátu byl použit objektiv Canon EF mm. Obr. 5.1: Canon EOS 5D [3] Canon EF 16-35mm f/2.8l II USM - Světelnost 2,8 v celém rozsahu objektivu - Maximální clonové číslo je 22 - Minimální zaostřovací vzdálenost je 28 cm V této kapitole bylo čerpáno z [3]. 20

21 5.2 Nikon D90 Parametry přístroje -Počet efektivních pixelů 12,3 milionu - Velikost obrazu (v pixelech) až 4288 x Obrazový snímač CMOS 23,8 x 15,8 mm formátu DX s 12,3 miliony pixelů, vestavěná jednotka automatického čištění obrazového Obr. 5.2: Nikon D90 [5] snímače pro minimalizaci účinků prachu na snímky - Velký rozsah citlivostí ISO ( ) s možností dalšího rozšíření na ISO 6400 resp. ISO 100. Umožňuje použití kratších časů závěrky a výrazně redukuje riziko rozmazání snímků při fotografování rychle se pohybujících objektů a při fotografování za nízké hladiny osvětlení - Pokročilý autofokus s všestranným 11bodovým AF modulem Multi-CAM100 pro rychlé a přesné zaostření objektů ve velké části obrazového pole - Formát souborů NEF (compressed RAW), JPEG, NEF (RAW) + JPEG - 3" LCD monitor s vysokým rozlišením, pixely a pozorovacím úhlem 170 pro snadné použití režimu živého náhledu - Rychlá reakce: spuštění za cca 0,15 s, zpoždění závěrky 65 ms a snímací frekvence 4,5 obr./s - Efektivní obrazový úhel ekvivalentní objektivu s cca 1,5násobkem ohniskové vzdálenosti u kinofilmu (formát Nikon DX) - Kompatibilní objektivy DX AF Nikkor, AF Nikkor typu G a D, AI-P Nikkor 21

22 5.2.1 AF-S DX NIKKOR mm f/ g ED VR - Ohnisková vzdálenost je mm - Světelnost je f/3,5-5,6 - Nejvyšší clonové číslo je f/ Konstrukce má 15 čoček/ 11 členů (jeden optický člen z ED skel a jeden asférický optický člen) - Obrazový úhel je Obr: 5.3: NIKKOR mm [15] V této kapitole bylo čerpáno z [5] a [15]. 22

23 5.3 Totální stanice Leica TS06 FlexLine Přístroje modelové řady FlexLine patří k nové generaci totálních stanic. Osvědčená konstrukce ve spojení s moderními funkcemi umožňuje uživateli efektivní nasazení přístroje. Modernizované prvky, jako je laserová olovnice nebo nekonečné ustanovky, usnadňují Obr. 5.4: Leica TS03 při měření na Kosti každodenní měření. Tyto přístroje jsou vlodné pro katastrální a inženýrské aplikace, pro měření budov a hloubkových staveb, pro vytyčování a měření v souřadnicích. Parametry přístroje - Zvětšení 30x - Přesnost úhlového měření: 2 (0,6 mgon) - Přesnost délkového měření: 2 mm + 2 ppm při standardním měření na hranol, 2 mm + 2 ppm při standardním měření bez hranolu - Čtyřosý kompenzátor - Při měření na hranol dosah 3,5 km, při bezhranolovém měření 400 m - Možnost zapnutí laserové stopy při měření - Laserová olovnice - Komunikace přes USB, port RS232, Bluetooth Informace získány z [13]. 23

24 6. Výpočet souřadnic vlícovacích bodů a bodů pro 3D model, použité programy 6.1 Výškové připojení sítě Připojení bylo provedeno na bod České státní nivelační sítě (ČSNS) Db2-35 o nadmořské výšce Bpv 284,537 m, který je součástí nivelačního pořadu Db2 Břehy- Sobotka. Výška tohoto bodu byla ověřena nivelačním pořadem na bod Db2-36. Rozdíl mezi nivelovaným převýšením určeným z měření tam a zpět a převýšením z nivelačních údajů byl 1 mm, čímž bylo ověřeno, že body nejsou nestabilní. Proto bylo následně využito výšky bodu Db2-35 k přenesení výšky na bod měřické sítě č. 4013, který se nachází před 2. branou, a jehož výška byla určena na 290,067 m. Vše je patrno ze zápisníků v příloze T Výpočet souřadnic bodů sítě Nejprve byla do software Groma v. 9 načtena data a to tak, že bylo nastaveno, aby nebyly redukovány délky ze šikmých na vodorovné, a to z důvodu následného výpočtu sítě v software Gama, kde se zadávají šikmé délky, vodorovné a zenitové úhly. Dále bylo zpracováno měření v obou polohách v software Groma v Software Gama a výpočet sítě Pro výpočet souřadnic bodů sítě byl využit software Gama verze Tento program je zaměřen na vyrovnání geodetických sítí, jeho název vznikl jako zkratka pro geodézii a mapování. Jeho hlavním autorem je Prof. Aleš Čepek, z katedry mapování a kartografie. Program funguje pod GNU GPL licencí, je tedy volně k použití. Tento software je možno využít pro vyrovnání volných i vázaných sítí, a to jak 2D tak 3D. Nelze jej ale uplatnit při výpočtu souřadnic určených systémem GPS. Může se také využít k vyrovnání nivelačních sítí. K vyrovnání je použito metody nejmenších čtverců (MNČ). Pro toto vyrovnání je nutno mít větší než potřebný počet pozorování (nadbytečná měření). 24

25 Do vyrovnání vstupuje textový soubor, který má dané parametry, které jsou patrny z ukázky vstupních dat níže. Tento soubor obsahuje hlavičku, ve které se zadává přesnost měřených veličin, dále se zadávají souřadnice, a to buď pevné, nebo přibližné. Dále je nutno zadat, jestli jsou měřené úhly ve stupních nebo grádech a jestli je souřadný systém levotočivý či pravotočivý. Poté se zadávají měření na jednotlivých stanoviscích v předem daném tvaru. Toto zadání je možno provést ve více kombinacích podle měřených veličin, a to např.: vodorovné směry, zenitové úhly a měřené šikmé délky, nebo vodorovné úhly, vodorovné délky a měřená převýšení. Každé stanovisko a také jednotlivá měření musí být uvedeno a zakončeno elementem < />, nebo je přímo uvnitř tohoto elementu, např.: Body: <point /> - obsahuje buď dané souřadnice, nebo udává, že se souřadnice mají vypočítat vyrovnáním Nastavení měření na stanovisku: <obs > uvnitř dáno číslo stanoviska, zakončeno </obs> Směry: <direction /> Vodorovné délky: <distance /> Úhly: <angle /> Šikmé délky: <s-distance /> Zenitové úhly: <z-angle /> Převýšení: <height-differences> Uvnitř elementů pro měřené veličiny je bod, na který bylo měřeno, její velikost, výška stanoviska a výška cíle. Ukázka vstupních dat: <gama-xml version="2.0"> <network axes-xy="sw" angles="right-handed"> <description>zakladna_1</description> <parameters sigma-apr="1" conf-pr="0.95" tol-abs="1000" sigma-act="apriori"/> <points-observations distance-stdev="2" direction-stdev="6" zenith-angle-stdev="6"> <point id= "4001" y= "1000" x= " " adj="xyz"/> <point id= "4002" y= "1000" x= "5000" adj="z" fix="xy"/> <point id= "4013" z=" " adj="xy" fix="z" />... <obs from="4002"> <direction to= "4001" val= " " from_dh = "1.608" to_dh = "1.556"/> <direction to= "4003" val= " " from_dh = "1.608" to_dh = "0"/> <s-distance to= "4001" val= "25.221" from_dh = "1.608" to_dh = "1.556"/> <s-distance to= "4003" val= "27.820" from_dh = "1.608" to_dh = "0"/> <z-angle to= "4001" val= " " from_dh = "1.608" to_dh = "1.556"/> 25

26 <z-angle to= "4003" val= " " from_dh = "1.608" to_dh = "0"/> </obs>... </points-observations> </network> </gama-xml> Program se spouští v příkazovém řádku, kde musí být nastaven adresář vstupního souboru. V tomto adresáři musí být také spouštěný exe soubor, který provede výpočet a je lze jej stáhnout zde msvc.exe. Jako parametry je možno nastavit jazyk, kódování výstupu a dále jméno výstupního souboru, které je zakončeno tečkou, čímž vzniknou tři výstupní soubory, mezi nimiž je protokol o výpočtu a kovarianční matice. Příklad příkazu: gama-local msvc.exe --language cz --encoding cp-1250 sit_kost.txt vystup_sit_kost. Z protokolu o výpočtu, viz příloha E1, je také patrno, které měření vybočuje a to je možno vyřadit z výpočtu. Dále lze např. vyčíst, jaká je průměrná polohová chyba určených souřadnic a parametry elips chyb na jednotlivých bodech. Podle tohoto postupu probíhal výpočet sítě získané zaměřením v 1. fázi. Vstupní i výstupní soubor se nachází v příloze E1. Chyba měřených úhlů byla nastavena 6 cc a chyba měřené délky 2 mm, z důvodu krátkých záměr byla pouze u délek na a z bodu 4009 uvažována chyba 2 mm + 2 ppm. Při výpočtu byl z důvodu odlehlosti vyloučen zenitový úhel z bodu 5004 na Dosažená průměrná polohová chyba souřadnic je 1,8 mm. Na bodě 5004 je také největší polohová chyba a to 2,5 mm. Vypočtené souřadnice bodů sítě byly uloženy pro další výpočty. 26

27 6.2.2 Výpočet souřadnic vlícovacích a podrobných bodů v software Groma Výpočet souřadnic vlícovacích a podrobných bodů 1. i 2. fáze probíhal pomocí nástroje Polární metoda dávkou. Všechny vypočtené souřadnice jsou uloženy v příloze E4, souřadnice bodů měřické sítě a vlícovacích bodů jsou navíc uloženy v příloze T3. Protokol o výpočtu, ze kterého jsou mimo jiné patrny průběhy výpočtů, dosažené odchylky a vypočtené souřadnice, ať už stanovisek či podrobných bodů, jsou patrné z protokolu o výpočtu, viz příloha E3. Měření, které bylo prováděno v rámci 2. fáze, bylo počítáno pouze v software Groma v. 9. Měření mezi body 4012 a 4003 bylo vypočteno jako polygonový pořad jednostranně orientovaný a oboustranně připojený, byla dosažena polohová odchylka 5 mm a odchylka ve výšce také 5 mm, viz příloha E3. Tímto byly určeny body 5006 a 4016 viz obr Obr. 6.1: Výpočet polygonového pořadu 27

28 6.3 Výpočet souřadnic vlícovacích bodů v rovině fasády Výpočet vlícovacích bodů probíhal v software Groma v. 9. Pro výpočet souřadnic v rovině fasády slouží nástroj Fasáda, do kterého stačí zadat pouze vstupní soubor se souřadnicemi vlícovacích bodů ve 3D a výstupní seznam souřadnic, do kterého budou uloženy souřadnice vlícovacích bodů v rovině fasády. Ta se určí dvěma body, viz obr Tento nástroj však nebyl použit, protože z výpočtu v něm není patrno, jestli jsou všechny VB přibližně v jedné rovině, což je pro tvorbu fotoplánu potřebné. Obr. 6.2: Sklopení fasády Nejvhodnějším nástrojem pro výpočet souřadnic je tak Transformace souřadnic. Transformace má několik možností: - Shodnostní: Zachovává tvar i rozměry, potřeba alespoň dvou identických bodů v obou soustavách - Podobnostní: Transformační klíč bude mít ve směru osy X a Y stejné měřítkové koeficienty (transformace mění rozměr objektů ve všech směrech stejně, zachovává tedy podobnost obrazců). Pro tuto transformaci stačí dva identické body. - Afinní: Transformační klíč bude mít různé měřítkové koeficienty pro směr osy X a Y. Při transformaci se tedy mění rozměry v závislosti na směru, podobnost obrazců obecně není zachována. Tento typ transformace vyžaduje alespoň tři identické body. 28

29 Pro výpočet vlícovacích bodů v rovině fasády byla zvolena shodnostní transformace. Do vstupního souboru pro každý z fotoplánů byly nakopírovány 3D souřadnice vlícovacích bodů. Do výstupního souboru, který již bude obsahovat souřadnice v rovině fasády, byly zadány souřadnice tak, že levý bod měl souřadnice Y = -10 m, X = 0 m a Z = výška levého bodu [m] a pravý bod Y = vodorovná délka mezi body [m], X = 0 m a Z = výška pravého bodu [m], viz obr Záporná délka u souřadnice Y byla volena z důvodu následného zpracovávání v software TopoL, kde musí být souřadnice vlícovacích bodů načteny s opačnými znaménky. Po této transformaci je v seznamu souřadnic v rovině fasády ve sloupci se souřadnicí X odchylka od svislé roviny dané identickými body a lze tímto zjistit, jestli je fasáda nakloněná, nebo jestli je některý z bodů chybně zaměřen. Odchylka může být také způsobena umístěním vlícovacích bodů na kamenném zdivu, které není ideálně rovné. Maximální záporná a kladná odchylka od roviny je uvedena v kapitole 12.4 v tabulce 12.3 pro všechny zpracovávané fotoplány. V této kapitole je v tab a 12.2 uvedeno porovnání souřadnic bodů, které byly Obr. 6.3: Transformace souřadnic opakovaně zaměřeny, ať už v rámci 1. fáze měření, nebo mezi první a druhou fází. Výsledné 2D souřadnice VB jsou umístěny ve složkách jednotlivých fotoplánů ve složce Fotoplány. Celkem bylo zaměřeno 770 podrobných bodů, 650 VB, a to z 20 stanovisek. Informace v podkapitole o software GAMA pochází z [4] a [6], dále bylo čerpáno z manuálu software Groma v

30 7. Fotogrammetrie Fotogrammetrie je věda, způsob a technologie, která se zabývá získáváním dále využitelných měření, map, digitálního modelu terénu a dalších produktů, které lze získat z obrazového, nejčastěji fotografického záznamu. (mezinárodní definice, ISPRS) Fotogrammetrie vychází z fotografického záznamu a to jak analogového, tak digitálního. Snímky lze pořídit s různou přesností, od digitálních fotoaparátů po měřické komory. Slovo fotogrammetrie se skládá ze tří řeckých slov: Fotos světlo. Gramma záznam a Metrie měření. Fotogrammetrii lze využít nejen v oboru geodézie a kartografie, ale i v jiných oborech, mezi něž patří: - Stavebnictví a památková péče: dokumentace stávajícího stavu, měření deformací - Sledování postupu staveb, těžby - Sledování osevních plánů, expozice a sklonů svahů - Modelování povodí, rozsahu záplav - Proměřování výrobků v strojírenství - Sledování skládek 7.1 Metody fotogrammetrie Fotogrammetrie se rozděluje podle způsobu pořízení a vyhodnocení snímku, dále ji lze dělit na leteckou a pozemní. V současnosti se dělí zejména podle: - Polohy stanoviska - Počtu a konfigurace snímků - Technologického způsobu zpracování - Typu výstupu 30

31 7.1.1 Podle polohy stanoviska Pozemní Stanovisko je umístěné na Zemi a může, ale nemusí, mít známé souřadnice. Pozemní fotogrammetrie se především využívá pro předměty v přibližně stejné vzdálenosti. Její dosah není příliš velký, pohybuje se maximálně v desítkách metrů a její přesnost v prostorové složce ubývá se čtvercem vzdálenosti. Její uplatnění je zejména při dokumentaci památkových objektů. Letecká Stanovisko je v tomto případě umístěno v pohybujícím se prostředku. Snímek pojme velké území, nevýhodou je však složitější určení souřadnic stanoviska a také obtížnější zpracování Podle počtu vyhodnocovaných snímků Jednosnínková Využívá se při ní pouze samostatných snímků. Jednosnímkovou metodou lze určit rovinné souřadnice předmětu, to však pouze v případě, je-li předmět rovinný, či blízký rovině. Vztah, kterým se řeší jednosnímková fotogrammetrie je kolineace a je vyjádřena projektivní transformací. V pozemní fotogrammetrii se jednosnímková metoda používá k tvorbě fotoplánů rovinných objektů, v letecké fotogrammetrii k tvorbě polohopisných map rovinných objektů. Vícesnímková Slouží pro převod 2D fotografií do 3D, potřeba je nejméně dvou snímků. Předmět měření musí být zobrazen na obou snímcích, ze snímkových souřadnic objektu na obou snímcích lze vypočítat jeho prostorovou polohu. Při alespoň přibližně rovnoběžné ose záběrů dvou snímků lze vyhodnocovat obsah snímků pomocí umělého stereoskopického vjemu, který umožňuje získání prostorového modelu, tento způsob vyhodnocení se nazývá stereofotogrammetrie a v současnosti je nejvíce využívána ze všech metod fotogrammetrie. 31

32 Při nerovnoběžnosti os záběrů snímků se jedná o vícesnímkové prostorové promítání, neboli průsekovou fotogrammetrii Podle způsobu zpracování snímků Analogové metody Při této dnes již nevyužívané metodě se mechanicky, opticky nebo kombinací obojího vytvářel analogický stav jako při snímkování. Analytické metody Analytické vyhodnocení snímku využívá pro převod snímkových souřadnic do geodetického systému prostorovou transformaci. Snímkové souřadnice se měří na strojích jako je komparátor, transformace se provádí na počítači. Digitální metody Tato technologie využívá digitálního obrazu. Snímkové souřadnice se do geodetického systému převádí opět prostorovou transformací. Snímkové souřadnice se měří rovnou na obrazovce. Pro stereomody je nutno vybavit počítač hardwerovými doplňky umožňujícími stereovidění. Zdrojem pro tuto kapitolu je [9] str. 8-19, kde se lze dozvědět více podrobností. 32

33 8. Kalibrace neměřických komor Kvůli možnosti dosažení co nejlepšího výsledku při použití fotografie pořízené neměřickou komorou je nutno určit parametry objektivu, jehož optická soustava nikdy není ideálně vybroušená a usazená v jedné linii. To způsobuje, že pořízený snímek neodpovídá ideálnímu středovému promítání. Fotografie pořízená digitálním fotoaparátem je složena z velkého počtu obrazových bodů (pixelů), které vznikají zaznamenáním hodnot charakterizujících množství dopadlého záření na detektory, které jsou seřazeny do matice. Jednotlivé pixely mají velikost 8 12 µm (pro srovnání velikost zrna fotografického matriálu je 4 10 µm). U digitálních fotoaparátů mají objektivy velkou distorzi, která se liší pro každou hodnotu zoomu. Konstanta komory se proto určuje zvlášť pro každý zoom. Při kalibraci se zaostří fotoaparát na nekonečno a toto zaostření se již dále nemění. Při kalibraci digitálního fotografického přístroje se určí tyto parametry (prvky vnitřní orientace): - Konstanta komory f je to vzdálenost od hlavního snímkového bodu ke středu promítání předmětovém prostoru (střed výstupní pupily). - Poloha hlavního snímkového bodu H - což je průsečík roviny snímku s paprskem procházejícím středem promítání v obrazovém prostoru (středem výstupní pupily) a kolmým na rovinu snímku; je matematicko-fyzikálním počátkem systému snímkových souřadnic - Radiálně-symetrické zkreslení - Tangenciální a asymetrické zkreslení - Afinita a nekolmost os souřadného systému - Další parametry 33

34 8.1 Možnosti provedení kalibrace Dělí se na tři hlavní způsoby: - Laboratorní kalibrace je prováděna jen u přesných měřických komor - Simultánní kalibrace při tomto způsobu je testovací pole součástí zaměřovaného objektu, snímkování v tomto případě musí být prováděno za podmínek srovnatelných se snímkováním kalibračního pole. Hlavní výhodou je určení parametrů komory současně se snímáním, což zaručí vysokou přesnost vyhodnocení. - Kalibrace pomocí testovacího pole Kalibrace pomocí testovacího pole Využívá se k ní signalizovaného snímkovacího pole, které se posléze vyfotí z vhodně konfigurovaných geometrických stanovisek. Body testovacího pole mají známé souřadnice, případně jsou známé vzdálenosti mezi nimi. Toto pole může být přenosné, pevně připevněné a to rovinné či prostorové. Pro kalibraci se pořizuje 4 12 snímků, které musí být konvergentní, vhodně pootočené a testovací pole musí zabírat co největší plochu snímku. Z měřených snímkových souřadnic se vypočtou protínáním paprskových svazků vyrovnané souřadnice bodů testovacího pole a prvky vnější a vnitřní orientace. Souřadnice bodů v soustavě testovacího pole se vypočtou pomocí vyrovnání volné sítě. Dále je třeba znát alespoň jednu vzdálenost v prostoru předmětovém, a to ve směru osy záběru, Důvodem je určení konstanty komory. Možné problémy při kalibraci: - Korelace mezi parametry - Nedostatečné pokrytí snímků - Použitý objektiv má značné zkreslení - Nestabilita parametrů komory - Nejsou známy informace ve směru osy záběru 34

35 Pro tento typ kalibrace je stěžejní konfigurace snímků. Zde budou popsány metody vyhodnocení a konfigurace snímků pro různé typy rovinného pole a jejich následné vyhodnocení v softwarech k tomu určeným. Budou uvedeny pouze postupy a softwary použité v rámci této DP. Další možnosti kalibrace jsou uvedeny v [7]. 8.2 PhotoModeler Pro Prvotní funkcí tohoto programu je bezdotykové 2D a 3D měření, které je založeno na metodách průsekové fotogrammetrie. Ze snímků lze v tomto programu získat mnoho údajů, jako poloha nebo vzdálenosti. Výsledkem je 3D model, jenž lze vyexportovat do mnoha formátů. Pro co nejlepší výsledek by měla být dodržována základní pravidla při snímkování: - Důležité body objektu by měly být zobrazeny alespoň na třech snímcích - Snímky by měly být s co největším překrytem - Pro určení měřítka modelu je třeba změřit alespoň jednu vzdálenost na objektu Průběh kalibrace digitální komory Nejprve se po nastavení požadované ohniskové vzdálenosti a zaostření, které se během kalibrace nebude měnit. Nasnímkuje se kalibrační pole a to tak, že se snímky pořizují ve směru všech čtyř úhlopříček pod úhlem přibližně 45. Postupně Obr. 8.1: Rozmístění stanovisek fotoaparátu každá z nich s fotoaparátem pootočeným o 90. Nakonec se pole vyfotografuje tak, že je rovina snímku rovnoběžná s kalibračním polem, viz obr Na tomto poli se dále 35

36 změří alespoň jedna vzdálenost mezi snadno identifikovatelnými body, aby bylo posléze možno určit měřítko modelu, potažmo konstantu komory. Před vlastní kalibrací musí být určen rozměr snímače, který se buď zjistí tak, že se velikost pixelu na čipu, která je u Canon EOS 5D 6,4 µm, vynásobí jejich počtem 5616 x 3744, což dá výsledný rozměr čipu 35,9424 mm x 23,9616 mm, který bude zadáván jako parametr komory. U Nikonu D90 je tento rozměr zadáván 23,8 x 15,8 mm. Při kalibraci je založen projekt, do kterého se na konci uloží výsledky kalibrace, nastaví se ohnisková vzdálenost, pro kterou se provádí kalibrace, přibližná vzdálenost kamery při fotografování frontálního snímku, načte se pětice snímků vstupující do výpočtu, nastaví se výška a šířka snímku a poloha hlavního bodu a poté je již zahájena vlastní kalibrace. Nejprve se pomocí záložky Marking => Automatic Target Marking vybere oblast obsahující kalibrační pole, provede se zvýraznění bodů testovacího pole, zatrhne se položka Perform Sub-pixel marking => LSM a provede se označení bodů. Totéž se provede pro zbylé čtyři snímky. Při automatickém označení mohou být označeny i objekty, jež nejsou součástí kalibračního pole. Tyto objekty se smažou, případné neoznačené body se ručně označí. Následuje ruční přiřazení osmi totožných bodů na všech snímcích a první předběžný výpočet, který se provede pomocí ikony s obrázkem běžce. Zde se v záložce Options nastaví orient all photos a spustí se výpočet. Poté se již provede referencování se všemi body pomocí Referencing => Automatic Referencing. Výsledné přiřazení bodů není vždy úplně v pořádku, je nutno provést ruční doreferencování a to tak, že se otevře snímek, na něm se označí všechny body a na ostatních snímcích se označí body, které chybí. Nyní následuje druhý výpočet, opět spuštěna ikonka běžce, v záložce options nastaveno orient all photos a spuštěn výpočet. Ve 3D vieweru je možno zkontrolovat polohy stanovisek a rozmístění bodů testovacího pole v prostoru. Pomocí záložky Marking => MArking Residual Display, či Point table lze zobrazit chyby výpočtu na jednotlivých bodech Largest Residual a tyto body následně označit, aby nebyly zahrnuty do výpočtu. Provede se definitivní výpočet a uložení projektu do formátu pmr. 36

37 V záložce File => Preferences => Process je provedeno nastavení dle obr. 8.2 a je spuštěn výpočet. Po tomto výpočtu jsou již známy výsledné parametry komory a to v záložce File => Cameras => Modify Viz obr Tyto hodnoty jsou posléze vstupními do programů pro odstraňování distorze. Celý projekt je následně uložen. Při výpočtu se může, zvláště u teleobjektivů, vyskytnout problém, kdy poslední výpočet nelze provést. Toto lze odstranit tak, že se v záložce Preferences viz obr. 8.2 zruší označení Format size Width, Principal Point X a Y. Poté již lze provést výpočet. Kvalita výstupu je patrna z hodnoty Total Error, která by měla být co nejbližší nule. Obr. 8.3: Výsledné parametry komory Obr. 8.2: Nastavení výpočtu parametrů komory Při tomto postupu není modelu udán rozměr, což je provedeno označením dvojice bodů na fotografii, mezi nimiž je známá vzdálenost. Tento postup při výpočtu kalibrace byl v DP využit pro fotoaparát Nikon pro ohniskovou vzdálenost 105 mm. Postup uvedený v kapitole 8.3 nemohl být použit z důvodu velikosti testovacího pole, které nebylo možno s ohniskovou vzdáleností f = 105 mm nasnímkovat. Výsledek kalibrace včetně originálních vstupujících snímků je uložen v příloze E5. 37

38 8.3 Kalibrace v software PhotoModeler Scanner Tento program pracuje na podobném principu, jako jeho předchůdce PhotoModeler Pro. Opět bylo nasnímáno kalibrační pole fotoaparátem nastaveným na požadovanou ohniskovou vzdálenost a zaostřeným na nekonečno. V tomto případě však bylo použito pole dodávané s programem. Snímání bylo rozdílné oproti předchozí verzi, viz obr Pole bylo fotografováno 12 x, tentokráte byl snímek pořizován čelně k poli, vždy 3 x z každé strany, fotoaparát byl otáčen o 90, byly použity polohy se spouští vlevo, nahoře a vpravo. Pro kontrolu je dobré provést dvojí snímání a posléze dvojí výpočet. Pro snadnější výpočet se snímky vstupující do kalibrace převedou do šedé škály a upraví se kontrast. V programu PhotoModeler Scanner se založí nový Camera calibration projekt, kde se načte předem upravených 12 fotografií. V záložce Project => Cameras se nastaví vstupní parametry komory, a to ohnisková vzdálenost, poloha hlavního bodu a rozměry čipu kalibrovaného Canonu 35,9424 mm x 23,9616 mm. Zadá se název fotoaparátu. Následuje vlastní kalibrace, která probíhá ve dvou krocích, každý z nich má dvě iterace. V prvním kroku se vypočtou Obr. 8.4: Použité kalibrační pole Obr. 8.5: První výpočet Stage 1 nastavené parametry komory. Nastavení pro jednotlivé Stage je prováděno podle obr. 8.5 a 8.6 přes Project => Camera Calibration => Options Poté je spuštěna kalibrace, 38

39 při které se automaticky označí body na všech fotografiích a vypočte se poloha hlavního bodu a parametr K1. Při druhé iteraci se určí i zbylé parametry distorze. U obou iterací lze její výsledek uložit do textového souboru. Po první fázi výpočtu následuje odstranění Obr. 8.6: První výpočet Stage 2 chybně označených bodů pomocí ikony, dále lze označit neoznačené body pomocí jedné ze dvou ikon. Poté, co je na všech snímcích správný počet bodů, je provedeno jejich přečíslování Project => Renumber => Points => OK, následně jsou zobrazeny na všech snímcích View => Visibility on Photos => IDs. Takto lze zkontrolovat, jestli jsou body na všech snímcích správně přiřazeny. Pomocí Obr. 8.7: Druhý výpočet Stage 1 Point Table lze také vyloučit body s největší chybou. Poté je stejným postupem proveden druhý výpočet, pouze parametry jsou nastaveny jinak, viz obr. 8.7 a 8.8. Obr. 8.8: Druhý výpočet Stage 2 Pokud je kalibrace úspěšná, je projekt uložen s příponou pmr. Dále je možno uložit kameru do seznamu. Výsledky kalibrace a vstupující upravené snímky viz příloha E6. Takto byla 2x provedena kalibrace pro fotoaparát Canon pro ohniskovou vzdálenost f = 24 mm. Průměrná hodnota prvků vnitřní orientace je patrna z tab Byla také provedena kontrolní kalibrace pro Canon a ohniskovou vzdálenost f = 16 mm, viz obr. 39

40 8.9. Výsledky kalibrace pro ohniskovou vzdálenost f = 35 mm byly převzaty z výpočtů ing. Jana Řezníčka, viz elektronická příloha E6. Tabulka 8.1: Průměrné hodnoty získané kalibrací pro ohniskovou vzdálenost f = 24 mm parametr výp. č. 1 výp. č. 2 průměr f [mm] 23, , ,6898 x [mm] 17, , ,9549 y [mm] 11, , ,8037 w [mm] 35, , ,9516 h [mm] 23, , ,9616 k1 9, , , k2-2, , , k p1 9, , , p2-1, , , Kde f je ohnisková vzdálenost, x a y je poloha hlavního bodu, w a h je rozměr čipu, k1 k3 jsou parametry radiální distorze a p1 a p2 jsou parametry tangenciální distorze. Obr. 8.9: Výsledky kalibrace Canon EOS 5D Mark II: f = 16 mm 40

41 9. Odstranění distorze Distorzi lze odstranit jak za pomoci přesně daných (vypočtených) parametrů použité komory, nebo pokud nejsou tyto parametry známy, lze ji alespoň částečně redukovat. Pro částečnou redukci distorze slouží software ShiftN. Pro redukci distorze pomocí přesně určených parametrů je možno použít několik programů, mezi něž patří např. softwary PhotoModeler, SIMphoto, či DistortionPM. 9.1 SIMphoto Tento freewarový software zpracoval v rámci své bakalářské práce na Stavební fakultě ČVUT v Praze David Čížek. Slouží prvotně pro tvorbu jednoduchého fotoplánu. Zde byl však využit pro odstranění distorze z důvodu jednoduchosti ovládání. Do programu lze načíst snímky ve formátech tiff a jpeg. Do programu se načte snímek s ohniskovou vzdáleností, pro kterou známe parametry použité komory. Pomocí ikony se otevře okno, do kterého se nastaví všechny parametry kamery vypočtené v software PhotoModeler. Prostředí programu a nastavené parametry pro ohnisko f = 24 mm jsou patrny na obr Opravený snímek lze opět uložit do formátu tif a jpg. I když je možno použít SIMphoto pro tvorbu fotoplánu, nebyl k tomuto účelu v této práci využit, protože neumožňuje tvorbu fotoplánu spojením více snímků. Byl zde pouze využit k odstranění distorze na všech použitých snímcích pro tvorbu fotoplánů. Nevýhodou tohoto programu je nutnost zadávat kalibrační parametry pro každý snímek zvlášť. Z důvodu velkého množství dat nejsou tyto snímky součástí příloh. Obr. 9.1: Odstranění distorze v programu SIMphoto 41

42 10. Fotoplán Tvorba fotoplánu je založena na principu jednosnímkové fotogrammetrie, která má své využití jak v pozemní, tak v letecké fotogrammetrii. Jedná se o vztah mezi dvěma rovinami, z čehož se vychází při volbě vlícovacích bodů i při vyhodnocení Matematický základ Kdyby byla osa záběru přesně kolmá k objektu, lišil by se obraz pouze měřítkem. Většinou ale tato podmínka není splněna, měřítko snímku je proměnné s polohou na něm, a dochází tak k perspektivě pohledu. Dalším problémem m je, že žádný objekt není naprosto rovinný, což způsobuje radiální posuny podrobných bodů v závislosti na jejich rozložení. Pro ideální geometrický vztah mezi dvěma rovinami platí Pappova věta: Dvojpoměr čtveřice bodové nebo paprskové zůstává v rovině mapy i snímku zachován. Obr. 10.1: Pappova věta Matematickým m vyjádřením tohoto vztahu je kolineární transformace mezi snímkem a mapou. Je to transformace ze 3D do 2D, která se provede podle vztahu (10.1): 10.1 V těchto rovnicích se nachází 9 neznámých, k čemuž by bylo potřeba znát 5 vlícovacích bodů. Po vydělení rovnic konstantou a aplikací substituce 42

43 1 se po úpravě získá vztah (10.2), který má již pouze 8 neznámých a nutný počet vlícovacích bodů se zmenší na Vliv hloubkového členění Přesnost výsledného fotoplánu je velmi ovlivněna hloubkovou členitostí zaměřovaného objektu, z čehož plyne, že jednosnímková fotogrammetrie není vhodná pro členité objekty. Byly by zde velké radiální posuny podrobných bodů dle vztahu (10.3), kde je měřítko fotoplánu: Obr. 10.2: Vliv hloubkové členitosti Z tohoto vztahu lze vyčíst, že je důležitý vhodný výběr komory a volba ohniskové vzdálenosti. Je také patrné, že zkreslení způsobené radiálním posunem bodů je největší na okrajích snímku a je tudíž vhodné fotografovat objekt tak, aby byly největší nerovnosti co nejvíce ve středu snímku. Větší členitost objektu lze řešit také tím, že jednotlivé vrstvy jsou překresleny zvlášť a posléze jsou spojeny. Když toto není možné, je nutno použít stereofotogrammetrickou metodu. Pro tvorbu fotoplánu lze využít mnoho programů, např. SIMphoto, Kubit PhoToPlan a TopoL, který byl použit při tvorbě fotoplánů v této práci a bude podrobněji popsán v následující podkapitole. Text v této kapitole byl zpracován na podkladě [9]. 43