Digitální ortofoto struná teorie Hoda J. VII 2004
Obsah 1. Pekreslení leteckých snímk... 2 1.1. Úvod... 2 1.2. Teorie, metody ešení... 2 1.2.1. Pekreslení snímk na pekreslovaích... 2 1.2.2. Diferenciální pekreslování... 3 1.2.3. Digitální ortofoto... 3 2. Digitální ortofoto... 4 2.1. Princip... 4 2.1.1. Porovnání s pedešlými metodami... 4 2.2. Pracovní postup... 5 2.2.1. Píprava projektu... 5 2.2.2. Digitalizace leteckých snímk... 5 2.2.3. Vnitní (interní) orientace... 5 2.2.4. Vnjší (externí) orientace... 5 2.2.5. Bundle Adjustment (AAT)... 6 2.2.6. Píprava DMT... 6 2.2.7. Ortofoto... 6 2.2.8. Závrené úpravy... 6 2.3. Další aspekty tvorby digitálních ortofot... 7 2.3.1. Definice parametr ortofota... 7 3. Zdroje... 10-1 -
1. Pekreslení leteckých snímk 1.1. Úvod Liniová mapa, získaná napíklad vyhodnocením leteckých snímk, ne vždy vyhovuje požadavkm jejích uživatel, a už jsou z oblasti lesnictví, geografie, územního plánování, státní správy atd. Hlavním problémem je, že neobsahuje všechny dležité detaily potebné pro toho kterého uživatele. Mapy, které by mly obsah leteckých snímk (fotomapy), se jeví jako nejlepší ešení v tchto oblastech. Další nezanedbatelnou výhodou fotomap je jejich nižší poizovací cena a velmi krátká doba jejich výroby oproti liniovým mapám. 1.2. Teorie, metody ešení Letecké snímky vznikají centrálním promítáním zemského povrchu na rovinu snímku, kdežto liniové mapy jsou ortogonálním prmtem povrchu. Jde tedy o to, jakými metodami bude snímek s centrální projekcí konvertován do podoby pekresleného snímku s ortogonální projekcí. Deformace (zkreslení) obrazu je zpsobena nkolika vlivy a to zejména: o aberací - závisí na optické soustav objektivu, o orientací osy zábru - její nesvislostí o centrální promítání - diferenciální posuny obrazu vlivem výškové lenitosti terénu. K odstranní tchto deformací se používají ti základní metody: pekreslení snímk na pekreslovaích diferenciální pekreslení digitální ortofoto. 1.2.1. Pekreslení snímk na pekreslovaích Tato metoda patí mezi analogové metody jednosnímkové fotogrammetrie. Je založena na principu splnní podmínek projektivní (kolineární) transformace roviny snímku do roviny mapy za pedpokladu, že území zobrazené na snímku je rovinaté. Postup vyžaduje obnovení prvk vnitní a vnjší orientace v prbhu procesu pekreslení. Z toho dvodu je poteba znát souadnice minimáln ty vlícovacích bod. Pekreslení snímk se dje fotografickou cestou. Výsledkem je fotoplán, jehož pesnost je pomrn malá zhruba kolem 0,5 mm, viz [1]. - 2 -
1.2.2. Diferenciální pekreslování Tato metoda je založena na ešení rovnic kolineární transformace, která pesn popisuje vztahy mezi snímkovým souadnicovým systémem a geodetickým souadnicovým systémem. Vztahy jsou odvozeny z obrázku.1. Prakticky je lenité území rozdleno na diferenciáln malé plošky ve tvaru obdélník, které se v souladu s výškovou lenitostí terénu fotografickou cestou pekreslují (ešeno plynulou zmnou zvtšení). Na rozdíl od pedešlé metody je zde již uvažována výšková lenitost. Dje se tak bu v režimu on-line, kdy je pímo ve stereomodelu mická znaka vedena po terénu (profilování), nebo v režimu off-line kdy se využívá výškových dat již díve získaných (vyhodnocené nebo digitalizované vrstevnice, sí výškových bod atd.). Výsledná pesnost vzniklého ortofotoplánu závisí na mnoha faktorech a udává se hodnotou 0,3 mm, viz [1,2]. Obr. 1 Vztah mezi souadnicovým systémem snímkovým a geodetickým 1.2.3. Digitální ortofoto Jak název napovídá, pracuje tato metoda s leteckými snímky v digitální podob a výsledné digitální ortofoto má taktéž digitální podobu (rastrový obrázek). Samotný princip ešení tzn. využití kolineární transformace zstává zachován. Blíže o této metod pojednává další kapitola. Ob pedchozí metody patí mezi historické. Dnes se používá výhradn metody digitální ortofota. - 3 -
2. Digitální ortofoto 2.1. Princip Jak bylo již díve naznaeno, základním principem digitálního ortofota (DO) je transformace obrazové matice (rastru) ze systému snímkových do systému geodetických (rovinných) souadnic. Vlastní proces tvorby DO zaíná definováním požadované obrazové matice v rovin geodetického SS. Následuje transformace sted obrazových element (pixel) do snímkového SS, jak je možno vidt na obrázku. 2. Pro tuto transformaci (kolineární) potebujeme znát Z souadnice sted obrazových element, které je možné získat interpolací napíklad z existujícího DMT. Obr.2: Vztah mezi obrazovou maticí v geodetickém a snímkovém SS Dalšími požadovanými vstupními daty jsou známé prvky vnitní a vnjší orientace snímk. Následn pak ešíme otázku jak urit hodnoty šedi (barvy) jednotlivých pixel nov vznikajícího ortofota na podklad známých hodnot v rámci leteckého snímku. Pro tyto úely se bžn používají ti základní metody a to metoda nejbližšího souseda, bilineární interpolace, kubická konvoluce. Každá z tchto metod má své výhody a nevýhody, podrobnji viz pozdji. 2.1.1. Porovnání s pedešlými metodami o geometrická pesnost je vyšší v souvislosti s použitím DMT k aproximaci povrchu terénu o vniklý obraz mže být dál upravován (nap. úpravou kontrastu, filtrace, hranové operace) o lepší nástroje na úpravu kontrastu na styku jednotlivých ortofot pi mozaikování o DO se mže stát jednou z informaních vrstev GIS o DO mže být analyzováno pomocí klasifikace, rozpoznávání vzor atd. - 4 -
2.2. Pracovní postup Celý postup zpracování ortofota se dá rozdlit do nkolika etap, o kterých se v následujícím textu krátce zmíním. 2.2.1. Píprava projektu V této fázi jde o stanovení základních parametr daného projektu tedy nap. o - stanovení mítka snímkování, volbu fotografické kamery, volbu rozlišení pi digitalizaci snímku apod. 2.2.2. Digitalizace leteckých snímk Letecké snímky v analogové podob je teba pevést do podoby digitální, což je provádí speciálními fotogrammetrickými skenery. Volba rozlišení skenování je v pímém vztahu s požadovanou pesností, ale zárove i efektivitou zpracování ortofot. Hodnota rozlišení se obvykle pohybuje okolo 25 µm (pibližn 1000 DPI). Velikost takto vzniklých datových soubor je zhruba 90Mb (pro šedotón) a asi 3 krát vtší pro barevný snímek (true color). Pi skenování máme též možnost ovlivnit kvalitu obrazu úpravou histogramu (potlaení extrémních hodnot šedi). 2.2.3. Vnitní (interní) orientace Interní orientace slouží k navázání vztahu mezi pixelovými souadnicemi naskenovaného snímku a snímkovými souadnicemi definovanými rámovými znakami komory, které získáme nejastji z kalibraního protokolu komory. Výpoet se provádí pomocí vhodné rovinné transformace (napíklad afinní). 2.2.4. Vnjší (externí) orientace Externí orientace slouží k transformaci dat ze snímkových do geodetických souadnic. V této fázi se již neobejedeme bez kontrolních tzv. vlícovacích bod, což jsou body na snímcích dobe identifikovatelné pípadn i umle signalizované se známými geodetickými souadnicemi. Pesnost jejich urení závisí na požadované pesnosti ortofota, dnes se k jejich urení pevážn používá metody GPS. Protože urení geodetických souadnic odpovídajícího množství vlícovacích bod mže být nákladné, nemusejí tyto body pokrývat zájmové území v dostatené hustot, pak je možné využít tzv. spojovacích bod, které jsou jednoznan identifikovatelné a u nichž souadnice neznáme. V tom pípad se pro výpoet neznámých prvk vnjší orientace používá metody analytické aerotriangulace (AAT). - 5 -
Nkdy je externí orientace provedena na analytických stereoplotrech (nap. Leica SD 3000) a tyto výsledky je poté možno pro úely tvorby ortofot pevzít. 2.2.5. Bundle Adjustment (AAT) Metoda vyrovnání paprskových svazk mže být s úspchem použita jak pro jednotlivé snímky tak i pro celou adu, pípadn blok ad snímk. Výsledkem je vypotená externí orientace respektive prvky vnjší orientace. Pokud metodu používáme pro zpracování více snímk (ada, blok) pak mluvíme o analytické aerotriangulaci. 2.2.6. Píprava DMT Pro území, které má být pokryto ortofotem, musí být k dispozici vhodný DMT. Existují rzné zpsoby jak lze takový model získat. Hlavním kriteriem je jeho pesnost, která má nejvtší vliv na pesnost vzniklého ortofota. Lze tedy využít již existujících DMT. V našem prostedí se jedná nap. o vojenské DMR1 (sí 1x1 km), DMR2 (100x100 m). Nebo mžeme vytvoit vlastní DMT z vhodných podklad jako jsou digitalizované vrstevnice (ZABAGED), sí mených bod aj. Poslední možností, která vyžaduje speciální software, je vytvoení DMT pomocí obrazové korelace dvou snímk stereodvojice. Takto vzniklý model vyžaduje dodatenou kontrolu ve stereomódu. 2.2.7. Ortofoto Princip tvorby ortofota byl již zmínn díve. Další možností jak výrazn ovlivnit as zpracování jednotlivých ortofot je volba, zda výpoet bude provádn pro každý pixel nebo pouze pro každý n- tý. Pak dojde k rozdlení vznikajícího ortofota do pravidelné tvercové sít. Výpoet pak probíhá pouze pro vrcholy této sít, které poté urují vrcholy rovnoramenných trojúhelník, pro nž je pak použita rovinná afinní transformace ešící penos hodnot z pvodního do vznikajícího rastru. Volba kroku této sít ovlivuje nejen produkní dobu, ale výrazn také pesnost výsledného produktu. 2.2.8. Závrené úpravy Jako výsledný produkt nejsou asto požadována jednotlivá ortofota, ale blok pokrývající celé zájmové území (nap. mapový list). Toho lze docílit mozaikováním jednotlivých ortofot. Rzné software nám dávají rzné nástroje pro mozaikování, a už jde o interaktivní tvorbu šv operátorem nebo poloautomatickou tvorbu dle zadaných parametr (sledování prvk obrazu silnice, eky atd.). Dalšími operacemi lze upravit kontrast podél jednotlivých šv tak, aby pechod mezi jednotlivými snímky nepsobil rušiv, emuž se ovšem ne vždy vyhneme (vodní plochy). - 6 -
2.3. Další aspekty tvorby digitálních ortofot 2.3.1. Definice parametr ortofota Návrh parametr výsledného produktu (ortofota) vychází pedevším z tchto požadavk a vstupních hodnot : o itelnost (dostatená podrobnost) o pesnost o definice mapových list (výsledku) mítko snímkování DMT Naopak parametry, které jsou jasn dány touto volbou, jsou : o souadnicový systém o klad mapových list o rozlišení pi skenování o výsledná velikost pixel o kontrolní mení o aerotriangulace a bundle adjustment Všechny tyto parametry jsou ve vzájemné vazb, což znamená, že volbu jednoho parametru musíme dlat s ohledem na další. Hodnotou, která prostupuje celým procesem tvorby ortofota, je mítko snímku. To je ureno pedevším ve shod s rozlišením pi skenování a výslednou velikostí pixel. Skenování se nejvíce provádí s rozlišením 15-30 µm, protože rozlišení menší než 30 µm by mohlo znamenat ztrátu informace pípadn komplikace pi identifikaci identických bod. Rozlišení pi skenování musí také odpovídat reálné velikosti pixel výsledného ortofota k zaruení požadované pesnosti. Vztah mezi velikostí pixel výsledku a itelností je komplexním problémem. Celá ada vliv poínaje použitým fotomateriálem, expozicí,..,kone použitou metodou urení šedi zde hraje svou roli. Obecn lze íci, že lineární prvky jsou lépe rozpoznatelné a i když mají mnohdy subpixelovou velikost, tak ve výsledném ortofotu nezanikají. Velikost pixelu výsledného ortofota - 7 -
by mla být vybrána pouze na základ procesu zhodnocení produkt získaných ze snímk s rzným mítkem skenovaných s rzným rozlišením. Vztah mezi mítkem snímku a mítkem výsledného ortofota (v analogové = vytištné podob) zstává i zde stejn jako v analogové a analytické fotogrammetrii dán pomry 1: 3 až 1: 6, piemž je jasné, že s jeho vzrstající hodnotou poroste i rozlišení pi skenování. K eliminaci velkého potu zpracovávaných snímk a poteby jejich vzájemného mozaikování je vhodné aby bylo pi snímkování zajištno, že stedy jednotlivých snímk se budou krýt se stedy jednotlivých mapových list. Digitální model terénu Relativní vztah snímk a mapových list má také vliv na pesnost. S každým odchýlením od stedu snímku roste vliv výškové pesnosti DMT na výsledné ortofoto. Pokud je mapový list centrován pesn na sted snímku je pedpoklad, že vliv výškového posunu nap. o jeden metr bude na rovinné souadnice sice vždy nejvtší v rozích, ale polohová zmna (zpsobená uvedenou nepesností DMT) nepekroí 60 % této hodnoty, viz. [3]. Pokud bude mapový list ležet v excentrické poloze vi stedu snímku, pak mohou extrémní hodnoty polohových odchylek nabývat hodnot pesahujících hodnoty výškové nepesnosti DMT, které je zpsobily. Proto musí být požadovaná pesnost DMT stanovena s ohledem na požadovanou polohovou pesnost ortofota a s ohledem na umístní mapových list v rámci jednotlivých snímk. Obecn lze konstatovat, že požadovaná výšková pesnost DMT by mla být rovna nebo lepší, než je požadovaná polohová pesnost ortofota. Podstatný vliv na pesnost DMT má zahrnutí i nezahrnutí významných terénních ar a bod. Dalším dležitým kriteriem je dostatená hustota DMT, jež je nutná k co možná nejvrnjšímu vystižení charakteru terénu. Nezastupitelná je proto kontrolní práce operátora, který mže zajistit pípadné zahuštní digitálního modelu. Mozaikování Mozaikování je asov nároná a proto drahá operace, která sebou mže pinést komplikace. Obrazy (jednotlivá ortofota), které mají být mozaikovány, byly získány z rzných snímk vzniklých za rzných svtelných podmínek. Rozdílnost jednotlivých snímk lze prostedky jednotlivých software eliminovat, v nkterých pípadech však pesto zstává rozhraní jednotlivých ástí viditelné. - 8 -
Také se mžeme setkat s odchylkami v poloze, jelikož pekrytové území ortofot leží na krajích snímk a tudíž vliv pesnosti DMT se projevuje nejvíce, viz výše. Tyto diskontinuity je možné odstranit pouze runím maskováním nikoli automatickým procesem. Tvorba ortofota Pro výpoet hodnot šedi jednotlivých pixel výsledného ortofota jsou využívány ti metody a to metoda nejbližšího souseda, bilineární interpolace, kubická konvoluce. Metoda nejbližšího souseda (MNS) je nejznámjší z uvedených. Hodnota šedi se stanovuje podle hodnoty šedi pixlu ležícího nejblíže stedu transformovaného bodu. Do potíží se metoda dostává pokud se transformovaný bod ocitne pesn v pli mezi dvma stedy, tímto zpsobem pak mže dojít u liniových prvk k charakteristickému ozubení a mže tím být ovlivnna výsledná pesnost. Tato metoda je nejmén asov nároná, ale zárove,aby nedošlo ke ztrát informace, musí být poet pixel ortofota výrazn vyšší než u originálního snímku. Udává se, že v rovinatém území je to nárst zhruba o 25 % a pro velmi výškov lenité území mže pírst dosáhnout až dvojnásobku, viz [1]. Bilineární interpolace využívá pro stanovení hodnoty šedi toho kterého transformovaného bodu hodnot šedi 4 sousedních pixel (vážený prmr). asová náronost je vtší než u pedchozí metody avšak nedochází k deformacím liniových element. Mže ovšem dojít k redukci výchozího kontrastu, což lze vtšinou u šedotónových dat akceptovat. Kubická konvoluce (KK) využívá pro stanovení hodnoty šedi toho kterého transformovaného bodu hodnot šedi 16 sousedních pixel (vážený prmr). asová náronost je zhruba tikrát vtší než u MNS. Výbr metody závisí vždy na úvaze zda staí nižší pesnost s výrazn menší asovou nároností (MNS), nebo vyšší pesnost ale i vyšší doba výpotu (KK). - 9 -
3. Zdroje [1] K. Kraus, Photogrammetry Vol.1, Bonn 1993 [2] J. Šmidrkal, Fotogrammetrie, Praha 1986 [3] J. Michael, Creating digital ortohpotos, Earth Observation Magazine [4] J. Höhle, Experiences with the production of digital ortophotos, PE& RS, vol. 62, No. 10, pp 1189-1194. D. Fritsch, Photogrammetric Week 95, Heidelberg 1995 Geomatics Info Magazine, Zemmi, firemní materiály : ERDAS, INTERGRAPH, PCI, Help service group - 10 -