De fotogrammetrie bij het NGI
1. Inleiding De fotogrammetrie is de techniek die toelaat metingen te verrichten vanaf foto’s (of – volgens de ontwikkelingen gedurende de laatste jaren – metingen te verrichten vanaf gegevens die automatisch geregistreerd zijn en tot beelden kunnen verwerkt worden, zoals radar en ‘laserprofiling’). Het fotograferen vraagt een speciale techniek en ook de verwerking vraagt speciaal daarvoor ontworpen apparaten en software.
2. De luchtopnamen
Luchtfoto’s die voor fotogrammetrische toepassingen genomen worden hebben bijzondere kenmerken: zij bevatten heel veel informatie (meer dan 100 megapixel), zij zijn metrisch zeer correct en hun geometrische eigenschappen zijn gematerialiseerd door merktekens en bijkomende informatie in de rand. Zij worden ook op een bijzondere wijze opgenomen, namelijk met een overlapping van 60% in de richting van de vlucht en een overlapping tussen de verschillende stroken foto’s.
Deze overlapping zal toelaten elke plaats op de grond stereoscopisch te observeren en op te meten door de foto’s per twee in de daarvoor ontworpen apparaten te oriënteren. Voor de opnamen voor de basisproductie van het NGI vliegt men op een hoogte van ongeveer 3200 m boven de grond, wat een schaal geeft van 1:21.000 als men een standaardlens gebruikt met een focaal van 152 mm. Hoe kleiner de schaal hoe minder nauwkeurigheid men zal bekomen bij fotogrammetrische metingen; anderzijds zal men, als men bijvoorbeeld de schaal vergroot met een factor 2, viermaal meer beelden te fotograferen en te verwerken hebben om een zelfde oppervlak te bedekken. De uiteindelijke schaal is dus een compromis tussen nauwkeurigheid en kostprijs. Voor bepaalde toepassingen vliegt men boven de 8000 m, voor andere op slechts 600 m. Het NGI gebruikt voor zijn toepassingen digitale kleurenbeelden. Luchtfoto’s zijn hoe dan ook in België moeilijk te nemen in optimale omstandigheden omdat de weersomstandigheden het meestal niet toelaten en er daarbij nog bijkomende eisen zijn zoals: geen bladeren aan de bomen, geen te lange schaduwen … De foto’s van het NGI worden door privé maatschappijen genomen.
Evolutie van het stadscentrum van Genk van 1950 tot 1999 volgens luchtfoto’s: 1950
1970
1977
1986
1999
3. Luchttriangulatie
Om toe te laten vanaf een stereoscopisch model metingen te verrichten moet de juiste relatie gekend zijn tussen coördinaten in het toestel en de werkelijke coördinaten.
Met sommige apparaten kan dit gerealiseerd worden als men de juiste coördinaten en hoeken kent van de camera op het moment van de opname. De techniek van luchttriangulatie bestaat erin om vertrekkend van metingen van punten die gemeenschappelijk zijn aan meerdere foto’s en van metingen van punten met gekende coördinaten, de werkelijke coördinaten xyz van alle punten te berekenen, alsook de posities van de opnamepunten. Alle luchtfoto’s die men in een project wil gebruiken worden zo in één blok van luchttriangulatie behandeld. De benodigde steunpunten van het blok worden meestal speciaal daartoe voorbereid door de afdeling Geodesie. Steeds vaker gebruikt men ook GPS-metingen gedurende de opname, om deze in de berekening van het blok te integreren. De laatste jaren wordt ook de techniek van automatische luchttriangulatie meer gebruikt, waarbij grote hoeveelheden verbindingspunten tussen foto’s automatisch geselecteerd en gemeten worden.
4. Terreinaanvulling Om bij de luchtfotogrammetrische restitutie voor alle soorten objecten over voldoende betrouwbare informatie te beschikken ging men vroeger op voorhand op het terrein al deze informatie verzamelen. Hiervoor gebruikte men op het NGI vergrotingen van foto’s waarop alles genoteerd werd. De informatie betrof zowel zaken die onzichtbaar zijn: zoals een kilometerpaal of zaken die niet met zekerheid te interpreteren zijn: zoals de functie van een gebouw. De informatie over hetwegennet was het onderwerp van een afzonderlijke terrein verkenning. Tegenwoordig wordt die informatie na de restitutie aangevuld met behulp van pencomputers : invulling van de attribuut-waarden van de verschillende objecten. Aangevulde foto :
5. Fotogrammetrische restitutie
Bij fotogrammetrische restitutie worden er systematisch twee beelden gecombineerd die van verschillende punten gefotografeerd werden. Elk oog bekijkt een afzonderlijk beeld, en als de beelden goed georiënteerd zijn in het apparaat, zal men een driedimensionaal zicht bekomen. Een driedimensionaal zicht maakt dat voorwerpen als gebouwen beter herkend en geïnterpreteerd worden. Voor het meten zelf gebruikt men een vlottend merkteken dat men in contact brengt met het te meten punt. Het toestel realiseert de overgang van x en y coördinaten van het punt op de linker foto en op de rechter foto naar de xyz coördinaten zoals die op het terrein in drie dimensies zouden opgemeten worden. Deze xyz coördinaten worden tenslotte in grafische software geregistreerd en verder behandeld.
Bij de modernste apparaten ziet men de opgemeten elementen driedimensionaal geïntegreerd in het stereoscopisch beeld, samen met de twee luchtfoto’s. Fotogrammetrische metingen hebben het voordeel zeer snel te verlopen, onder andere omdat de verplaatsing van punt tot punt zeer snel is en de registratie direct is. Zij kunnen uitgevoerd worden zonder problemen van toegankelijkheid. Zij zijn echter afhankelijk van de mogelijkheid om luchtfoto’s te nemen (weersomstandigheden) en hebben ook hun beperkingen omdat niet alles zichtbaar is op een luchtfoto.
Combinatie van fotogrammetrische gegevens met kadasterplan:
6. Speciale toepassingen Orthofoto’s
Orthofoto’s zijn beelden die volledig herberekend zijn in functie van de positie van de camera op het moment van de opname en in functie van het reliëf. De positie wordt normaal verkregen uit berekening van een luchttriangulatie (zie ”fotogrammetrie”), terwijl het reliëf moet beschreven zijn door middel van een digitaal terreinmodel (zie eveneens “fotogrammetrie”). Berekening van een digitale orthofoto:
Grote blokken van orthofoto’s worden tot één mozaïek samengebracht en dan versneden tot beelden van juist 2x2 km. De luchtopnamen voor de orthofoto’s van het NGI worden op kleine schaal genomen en het eindresultaat heeft een resolutie van juist 50 cm op de grond, zodat elk beeld uit 16 miljoen pixels bestaat. Deze beelden zijn in TIFF formaat en zijn georiënteerd in het Lambert coördinatenstelsel. Elk jaar wordt ongeveer 33% van België opnieuw gefotografeerd en verwerkt tot orthofoto’s. Alhoewel orthofoto’s voor veeleisend opmetingswerk de stereorestitutie niet kan vervangen, zijn zij voor veel toepassingen een goede oplossing doordat zij eenvoudig te gebruiken zijn en, mits een geschikte software, ook te combineren met vector gegevens.
Digitale terreinmodellen en hoogtelijnen en andere toepassingen
Vroeger werden hoogtelijnen direct in het stereoscopisch model getrokken door het vlottend merkteken op een bepaalde hoogte vast te stellen en het in contact te houden met de grond terwijl men de hoogtelijn trekt. Nu worden hoogtelijnen meestal bekomen door berekening van uit een digitaal terreinmodel (of: digitaal hoogtemodel).
Dergelijk model is een bestand dat, gebruikt in de specifieke software, een beschrijving geeft van het reliëf in een bepaalde zone. Het kan opgesteld worden vanaf fotogrammetrische metingen van punten en lijnen, of ook vanaf gedigitaliseerde hoogtelijnen, of vanaf terreinmetingen of door lasermetingen vanuit een vliegtuig (of eventueel radar). Punten : een hoogte Z voor elke positie (X,Y) Weergave : •
Tin-model / Triangulated Irregular Network = onregelmatig puntennet (punten verbonden door driehoeken)
•
Grid-model = regelmatig puntennet bekomen uit punten en lijnen (breaklijnen (Bv. Top van een talud) en skeletlijnen (bv. rivieras)
Behalve de berekening van hoogtelijnen zijn er nog heel wat toepassingen die er gebruik van maken zoals: studies van hellingen, studies van onderlinge zichtbaarheid, de berekening van volumes, of de berekening van orthofoto en van profielen. Grootschalige werken Voor bepaalde speciale toepassingen gebruikt men luchtfoto’s op grote schaal, dus op lagere hoogte gevlogen, om een grotere nauwkeurigheid te bekomen. Zo heeft men bijvoorbeeld voor de verschillende luchthavens van België studies van de hindernissen voor de luchtvaart uitgevoerd en detailplans voor landen en opstijgen opgesteld.
Stadsmodellen
Stadsmodellen worden steeds meer gebruikt voor planning. Het weergeven van de vormen van de daken en het berekenen van de muren vanuit de hoogte naar het dak en van de grond is een typische fotogrammetrische toepassing die kan gecombineerd worden met de gegevens van digitale terreinmodellen en andere gegevens. Ook uit standaardgegevens kunnen driedimensionale voorstellingen berekend worden :
Het fotogrammetrisch stereoscopisch model kan ook direct gebruikt worden voor bepaalde studies. Zo kan men bijvoorbeeld onderzoeken of een rechtstreekse verbinding tussen twee gebouwen mogelijk is zonder echt metingen ter plaatse te moeten gaan uitvoeren.
Nationaal Geografisch Instituut Abdij ter Kameren 13 1000 BRUSSEL tel: + 32 2 629 82 82 Fax : + 32 2 629 82 83 email:
[email protected] http://www.ngi.be
