Digittální poze emní fottogramm metrie
Základní pojjmy diigitáln ní foto ogram mmetriie 1. Ob bor foto ogrammetrie •
D Definice ob boru fotograammetrie
Fotograammetrie je j vědní obor, kterrý se zab bývá získávváním info ormací (především geomettrických vztaahů) z obrazových zázn namů (nejčastěji měřicckých snímkků). Informaace → geom metrické vztahy: tvar, velikost a poloha p objeektů zobrazzených na snímcích s (speciálními metod dami, tj. sníímkováním ve více spe ektrálních p pásmech, lze zjišťovat ttéž druh a stav o objektů). Obrazovvý záznam → měřický snímek: fotografický ssnímek poříízený za speeciálních po odmínek měřicko ou komorou (lze pou užít též snímky semim měřické, neeměřické nebo jiné obrazové o záznamy, např. datta dálkovéh ho průzkumu Země). •
V Výhody pou užití fotogrammetrie
Fotograammetrie vyyužívá bezkkontaktní m metody měře ení – objektty mohou b být značně vvzdálené od místta snímkováání (není nutný kontaakt s předm mětem měřeení). Tato vvlastnost se e projeví předevšším u obtíížně přístupných neb bo zdraví nebezpečný n ých oblastíí a prostor (např. nepřístu upné horskéé masivy, skkalní stěny, kamenolom my nebo skládky chemických látekk). Výhodo ou je také krátká k doba sběru daat – doba snímkování s je podstattně kratší (n např. ve srovnán ní s geodetickým zaměěřením velkého území nebo členittých objekttů), většina prací se přesouvvá do kanceeláře (včetněě volby pod drobných bo odů na sním mcích). Celkováá doba potřřebná pro m mapování území většíh ho než cca 5 5 km2 je op proti geode etickému zaměření kratší a finanční náklady n jsou u menší. Práce v terénu jsou kratší také v případě v zaměření kamenollomů nebo zdobených h průčelí bu udov (nepraavidelné tvaary, velké množství m podrobn ných bodů).
1
Digittální poze emní fottogramm metrie Další výýhodou je m možnost periodického opakováníí snímkován ní – vyhodn nocením sníímků lze získávatt informace o změnách h objektů v ččase (např. při živelních pohromách). •
V Vztah fotog grammetrie e k dalším o oborům
Příbuzným oborem m fotogramm metrie je dáálkový průzzkum Země ě (DPZ). Od počátku 90 0. let 20. d díky společném mu využíváání digitálnícch obrazových dat ke sbližování postupů století dochází jejich zp pracování. Rozdílem zůstává způssob vzniku obrazových h záznamů: ve fotograammetrii převážn ně středovýým průmětem pomoccí měřických komor a v DPZ posstupným sn nímáním obrazu družicovým mi skenery (sskenujícími radiometryy). Fotograammetrie je j vedle geodézie g a dálkovéh a ho průzkum mu Země jedním z hlavních dodavattelů geogrraficky loka alizovaných dat pro GIS G – geografické in nformační systémy (Geogra aphic Inform mation Systeem). •
Z Základní hl ediska děle ení fotogram mmetrie
Pod dle polohy stanoviska: – pozemní: p p olohu komo ory na nepo ohyblivém sstanovisku je možné urrčit přesně g geodetickým mi metodam mi na zemskkém povrch hu, – letecká (aer l rofotogram mmetrie): po olohu pohyb blivé komorry v okamžikku pořízení snímku j je možné ur rčit pouze p přibližně (naapř. pomocíí GNSS a dalších pomoccných zaříze ení), – družicová: v d využívá družicových sn nímků s vyso okým rozlišeením pro tvvorbu obecn ně‐ g geografický ých a tematiických map středního aa malého m měřítka. Pod dle počtu snímků: – jednosnímk j ková: každýý snímek vyh hodnocujem me samostaatně, použittí je vhodné pouze p pro rovinné é objekty a tterén → 2D – získkáváme dvěě souřadnicee v rovině (X X, Y),
2
Digittální poze emní fottogramm metrie – dvousnímk d ová (stereo ofotogramm metrie): vyho odnocujeme oblast přeekrytu sním mkové d dvojice za p pomoci uměělého sterosskopického vjemu → 3D – získkáváme tři ssouřadnice vv prostoru ((X, Y, Z), – vícesnímko v ová (průseko ová): pomocí prostorovvého protín nání řešenéh ho na dvou a více s snímcích pr rovádíme bo odové vyho odnocení be ez možnosti využití sterreoskopické ého vjemu → 3D – získkáváme tři ssouřadnice vv prostoru ((X, Y, Z) •
M Možnosti v využití fotoggrammetrie e
Letecká fotogrammetrie je hlavní maapovací metodou prro mapy sstředních měřítek. m Důvodeem je velká finanční a časová úsp pora oproti geodetickýým metodám (pro úze emí větší než cca 5 km2) při zzachování p požadovanéé přesnosti. Další mo ožnosti využití jsou ve:: stavebnicttví (dokume entace stavveb, zaměřeení liniových h staveb, mapovéé podklady pro projektty a rekonsttrukce, měřření deform mací), archeo ologii a pam mátkové péči (do okumentacee archeologgických naleezišť, památtkově chrán něných objeektů, nedesttruktivní průzkum m), strojírenství (prom měřování výýrobků, sledování montáže velkýých dílů), tě ěžebním průmysslu (sledovvání povrch hových dolů a lomů ů, inventarrizace skláádek), zem mědělství (sledováání využití krajiny), lesnictví (p porostní maapy, sledovvání těžby, polomy), vodním hospodářství (modelování po ovodí, zjišťťování rozsaahu záplav), ekologii (sledování skládek odpadu a znečištěění, např. vodních v to oků), urbanismu a arcchitektuře (3D modely měst, pohledo ové studie, sledování postupu výstavby), v designu d (urrčování a m modelováníí tvarů), policii a a kriminalisstice (dokum mentace veelkých doprravních neh hod a míst závažných zločinů), medicín ně a tělovýcchově (sledování a dokkumentace výsledků reehabilitace, plastická chirurgie, zubní ap plikace, poh hybové stud die), vojensttví (rychlý p průzkum rozzsáhlých území, špionááž).
3
Digittální poze emní fottogramm metrie
2. Měřický ssnímek Základeem pro využžití fotogram mmetrie je měřický sníímek, tj. sníímek, kterýý splňuje po ožadavky na kvalitu, přesno ost a pro ktterý známee tzv. prvkyy vnitřní a vnější orieentace – je pořízen ou komorou u. Společně s rozvojem digitálního snímkován ní se v pozem mní fotograammetrii měřicko začaly vvyužívat takké komory semiměřickéé (výrobcem m pro použittí ve fotogrrammetrii upravené a kalibrované proffesionální zrrcadlovky) aa neměřickéé komory (kkvalitní foto oaparáty, u kterých se před dem nepřed dpokládá vyyužití ve fottogrammetrii). Při sním mkování jinými než mě ěřickými komoraami musímee vždy brátt v úvahu omezení pře esnosti výsledků vyhod dnocení a omezení o vzdálenosti sníman ných objekttů (přesnosst klesá s druhou moccninou vzdáálenosti objjektu od komoryy) – možné b bude využití pouze pro o blízkou fottogrammetrrii (cca do 3 30 m). Klasickýý analogovvý fotogra afický sním mek vznikáá změnou chemického složeníí citlivé (fotograafické) vrsttvy, která je způsobeena energiií dopadajícího záření během expozice e (osvitu). Využívá se citlivossti některýcch halogen nidů (halovvých solí) stříbra na světlo. Zachyceený obraz nazýváme n latentní (skrytý – neníí viditelný) a musí býtt vyvolán (sstane se viditelnýým a trvalým). Digitáln ní fotograficcký snímek jje obrazová informace převedená do číslicovéé formy. Do opadající záření (jeho abso orbovaná energie) měění elektrické vlastnosti čidla (d detektoru) – např. elektrický náboj (Q Q), odpor (R) ( nebo vo odivost (G)); při změn ně jedné veeličiny doch hází i ke změně o ostatních. •
V Vznik digitá álního obrazu
Proces převodu obrazové o in nformace do d číslicové é formy nazýváme d digitalizace obrazu. Využívá se tzv. vzzorkování, kdy jsou ve zvolené periodě od dečtu (vzorrkovacím km mitočtu) 1 měřenyy hodnoty analogovéého signálu u pomocí A/D převo odníku (An nalog To Digital). D
V případ dě digitalizaace obrazu je odečítána intenzitaa záření do opadajícího na čidlo a perioda 1
Podobný proces vzorkování se pou užívá při digitaalizaci nejrůzn nějších analogových signálů (např. zvukovvých).
4
Digittální poze emní fottogramm metrie odečtu je nahrazen na rozlišením m snímku (množství naaměřených hodnot je d dáno počtem všech čidel vee snímači – senzoru)). Postup vzniku v digitálního obrazu je náásledující: odečtení o analogo ového signáálu na čidlee ⇒ zesílení signálu ⇒ ⇒ vstup do A/D převodníku a vzo orkování signálu (digitalizacee) ⇒ digitállní výstup ⇒ ⇒ uložení digitálního obrazu. •
Č Čidla (detek ktory)
Všecchna zde uvvedená čidlaa patří mezi křemíkové é fotodiody:: – CCD C prvkyy (Charge Coupled Device D – “zařízení “ s sdruženými náboji”) jsou se p polovodičov vé křemíko ové prvky, reagující r na záření vlnových délek 200 až 1100 nm. J Jejich citlivo ost k barvám (tzn. k rů ůzným vlno ovým délkám m) musí být upravena pomocí f filtrů tak, aby a reagovaly pouze na oblast viditelného v spektra (3 380 – 720 nm). Při e expozici na čidlech vzniká elektriický náboj, který je náásledně přeenesen do registru, v v podobě a analogového o signálu zeesílen, digittalizován a uložen. 2 Jeednotlivá čiidla jsou u uspořádána a do matic (senzorů), které zachyccují obraz vyytvořený ob bjektivem. 3 – CMOS prvk C y (Complem mentary Meetal Oxide Seemiconducttor) pracují na bázi tran nzistoru; o oproti CCD mají výrazn ně nižší spottřebu elektrické energie (1%), jsou menší a vvýroba je l levnější (o 80%), mohou m mít ale nižší a nestejn noměrnou citlivost (o obecnou ii k barvám). 4 – fotočlánek f – je polovvodič jako CCD, ale mnohem m věětší (nevytvváří matice prvků); p používá se v bubnovýcch (laboratorních) a družicových d skenerech a také pro o výrobu e elektrické e energie v solárních panelech. 2
Předáváání sdružených h nábojů mezi čidly až do reegistru je využžíváno u čipů s tzv. progressivním skenem m. Uspořád dání čidel (dettektorů) do řáádek a sloupců ů (tj. do maticce) nazýváme snímač (senzo or) nebo také čip. Stejné usspořádání do m matice potom m mají i pixely pořízeného digitálního obrazu. 4 U pasivn ních CMOS je dalším probléémem vysoký šum – používvají se v levnějjších fotoaparrátech. U aktivnícch CMOS je kee každému čid dlu připojen o obvod redukující šum – dosaahují pak vyso oké kvality obrazu. 3
5
Digittální poze emní fottogramm metrie •
Z Základní po ojmy digitállního obrazzu
– pixel p (Pictu ure Element), obrazovvý bod – základní a nejmenší n jeednotka diggitálního o obrazu; má určitou čísselnou hodn notu (která vyjadřuje jeho barvu) a souřadniice (číslo ř řádku a slou upce v matiici, číslováno od nuly s počátkem vv levém horrním rohu), – obrazová fu o unkce – udává vztah m mezi souřad dnicemi pixelu a jeho ččíselnou ho odnotou; p každý pixel zjistí podle polohy v obraaze jeho barvu; pro b je to o funkce nespojitá n ( (diskrétní), – kódování k o obrazu – zp působ zápisu digitálníí obrazové informace; podle počtu bitů p potřebných h
na
vyyjádření
b barvy
jed dnoho
pixelu
rozlišujeme
1bitové,
8 8bitové a 2 24bitové kód dování obraazu (tato třři jsou nejpo oužívanější)); zvolené kkódování m má zásadní vliv na celkkovou veliko ost obrazového souborru, 5 – barevná b hlloubka – udává u maximální počet barev v obraze, v tj. maximáln ní počet r různých číse elných hodn not vyjádřených pomo ocí určitého počtu bitů; závisí na zvvoleném k kódování a barevném ssystému, 6 – barevný b syystém RGB – pro vyjádření úrovn ně každé ze tří základ dních barevv (R‐red, č červená, G‐ ‐green, zeleená, B‐blue, modrá) je použito 8biitové kódovvání, barva jjednoho 7 p pixelu je teedy zapsána celkem 24 2 bity; získkáváme tzvv. pravé barvy (True Colour); C
s systém RGB B se nejvíce používá v d digitální foto ografii a pro o zobrazováání na počítačích, 8
5
Pokud vvynásobíme po očet všech pixxelů v obraze počtem bitů p potřebných prro vyjádření b barvy jednoho o pixelu, získáváme velikost nekkomprimovaného obrazovéého souboru (Pozor: 1kB = 1 1024 B, 1MB == 1024 kB, atd d.). 6 Zvolenéému kódování í odpovídá barrevná hloubkaa obrazu: 1 bitt → max. 2 baarvy, 8 bitů → max. 256 barrev, 24 bitů → vííce než 16 miliionů barev (16 6 777 216). 7 V DPZ a digitální leteccké fotogramm metrii se použžívá v rámci viiditelné části sspektra snímáání ve třech barevný obraz vzniká jako syyntéza těchto o pásem. samostattných pásmech (R, G, B) a b 8 Dalším b barevným systémem je nap př. CMYK; pou užívá se ve čtyyřbarvotisku (b barvy C‐cyan, azurová, M‐m magenta, purpurovvá a Y‐yellow, žlutá jsou dop plňkové k barvvám základním m a K‐black slouží pro tisk ssytě černé barrvy); barevný ggamut (rozsah h všech barevných odstínů, které lze v syystému vyjádřit) je v CMYK menší než v R RGB.
6
Digittální poze emní fottogramm metrie – vícepásmov v vý obraz (m multispektráální) – vznikká, pokud pořizujeme p obrazové záznamy z v více speektrálních pásmech ve p (ttj. v různých částech spektra) taaké mimo viditelné v z záření (před devším v ob blasti zářeníí dlouhovlnn ného: infraččervené a m mikrovlnné),, – rozlišení r diigitálního obrazu o – nejčastěji n se e uvádí v DPI D (Dots p per Inch), tj. t počet o obrazových h bodů (pixxelů) na déélku jednoh ho palce (1‘‘ = 25,4 m mm); u ske enerů se r rozlišení ud dává také veelkostí jedn noho čidla vv řádce v μm m; pro obraazové záznaamy DPZ ( (dálkového průzkumu u Země) ro ozlišení lete eckých sním mků nebo ortofota se s uvádí v velikost jed dnoho pixelu ve skuteččnosti (napřř. 1 pixel odpovídá na zemském povrchu p ploše 10 x 1 10 m) – označuje se zkrratkou GSD (Ground Sa ample Dista ance). •
O Obrazové f ormáty
Obraazových forrmátů (tj. datových d fo ormátů urče ených pro uložení u obrazových rasstrových dat) je vvelké množsství. Běžně používanýcch je ale jen několik: 9 – BMP – Wind B dows Bitma ap – PNG – Porta P able Netwo ork Graphic – GIF – Graph G hics Intercha ange Forma at – JPEG (JPG) – J – Joint Phottographic Exxperts Grou up – TIFF – Tagg T ges Image Fiile Format •
K Komprese ( (komprimacce) obrazovvých dat
– formáty bez f z kompresee – není pou užit žádný kkompresní aalgoritmus, objem datt zůstává s stejný (odp ovídá počtu u pixelů v ob braze a pou užitému kód dování), – formáty s n f neztrátovou u (bezztrátovou) komprresí – zmenšením objeemu dat se z obrazu n neztrácí žád dná informaace; po deko ompresi do ostáváme naaprosto stejjná data,
9
Pro zjed dnodušení je vv textu uveden no označení o obrazového fo ormátu shodnéé s koncovkou u (příponou) obrazovéého datového souboru.
7
Digittální poze emní fottogramm metrie – formáty f see ztrátovou u kompresíí – při zm menšení objemu dat dochází ke e ztrátě i informace (např. zjednodušení in nformace o o intenzitě barev); v obraze se provedou n neodstranit telné změnyy, po dekom mpresi nezísskáme půvo odní data Kom mpresní po oměr je po oměr objeemu dat komprimova k aného a n nekomprimo ovaného obrazovvého souboru – udává míru zmenššení množsttví dat. 10 formát
kódování
baarevná hlou ubka
(přípo ona souboru u)
(m max. možnéé)
(max. počet barev)
BMP
24 bitů
max. 16 777 m 216
bez komprese
PNG
24 bitů
max. 16 777 m 216
bezztráto ová
GIF
8 bitů
max. 256 6
bezztráto ová
JPEG
24 bitů
max. 16 777 m 216
ztrátovvá
TIFF
všecchny možno osti
viz kódování
různé volby
komprese
Form mát BMP se nepoužívvá pro obrazy větších rozměrů. Objemy O dat bez komprese, při zachováání plné barevnosti, to otiž mohou být obrovsské. Formátt PNG umo ožňuje uklád dat plně barevnéé obrazy, ale a často se s používá i s menším počtem barev, kd dy jeho neztrátová kompreese dává neejlepší výsledky. Formáát GIF se po oužívá pro o obrazy s om mezenou baarevností nebo pro p černobíílé obrazy (max. 256 barev neb bo stupňů šedi). Form mát JPEG (JPG) je nejrozšíířenější pro o ukládání fotografický f ých snímků; umožňujee plnou barrevnost a poměrně p malý daatový objem m. Vzhledeem ke ztráttové komprresi ale nen ní vhodný pro uložení čárové kresby (např. map p nebo texxtů), tj. ob brazů s prudkými bareevnými přeechody (baarevnými hranam mi) nebo velkkých obrazů ů s malým p počtem barev. Formát TIFF poskyttuje velké m množství voleb (p počet barevv, kompressní algoritm mus), takže jeho správné použití závisí na vhodném nastaveení. Využívá se pro přen nos dat mezzi různými ssoftwary.
10
Pro někkteré formátyy lze ve specializovaných so oftwarech velikost kompressního poměru nastavit.
8
Digittální poze emní fottogramm metrie •
T Tvorba bare evného obrrazu
Všecchny tři uveedené postu upy vytvářejjí barevné o obrazy v sysstému RGB. Jejich úkole em je získat digitální výsttup pro tři zzákladní barrvy (červeno ou, zelenou a modrou): – tři t průchod dy (Three Pass) P – předloha je sn nímána třikkrát pomocíí jednoho senzoru, s p pokaždé s jiným předřřazeným baarevným filttrem (R, G,, B); používvá se ve ske enerech; v výhodou jee jednoducchá konstru ukce zaříze ení a kvaliitní barevn né podání; naopak n nevýhodou velká časovvá prodlevaa, – tři t senzory – světlo see rozkládá do d barevné ého spektra (hranolem m nebo mřížžkou), ze k kterého se třemi filtry vymezí a třřemi senzorry zaznamenávají záklaadní barvy ((R, G, B); p používá se v v profesionálních komo orách, kvalitních video okamerách aa skenerech h, – jedna j expo ozice (Onee Shot) – barevné filtry f jsou naneseny přímo na čidlech u uspořádaný ých do řád dek a sloup pců v senzo oru (čipu), sousední čidla tvoří čtveřici 11 s s barvami R RGBG – to oto uspořádání se nazzývá Bayero ova mřížka nebo filtr; 12 každá
č čtveřice čid del dává výsstupní bareevný signál pro jeden p pixel; výsled dný počet pixelů je p v v každé řád dce a v každ dém sloupcci o jeden menší m než jee počet čid del v řádku resp. ve s sloupci; pln ně barevnýý obraz vzn niká během m jedné exxpozice; používá se u většiny d digitálních f fotoaparátů ů.
Pou užitý zdroj – a autor textu
11
Zelená barva se opakuje dvakrát aa její výstupní í signál (G) se proto musí děělit dvěma. Dů ůvodem pro to oto řešení je zvýšená citlivost lidsského oka na žžlutozelenou barvu. 12 Podle ssvého vynálezce Bryce E. Ba ayera z firmy K Kodak.
9
Digittální poze emní fottogramm metrie
3. Vlíícovací body •
V Vlastnosti v vlícovacích bodů
Pom mocí vlícovacích bodů (V VB) určujem me vztah me ezi snímkem m (pro jedno osnímkovou u fot.) nebo prrostorovým modelem ((pro dvousn nímkovou fo ot.) a mapou (při analo ogovém vyhodno ocení) nebo o geodetickými souřadnicemi (při analytickém m a digitálníím vyhodno ocení). Používáme je jako identické body při tran nsformacích h. •
V Vlastnosti v vlícovacích bodů
– leží na vyho l odnocovanéém terénu n nebo objekttu, – jsou jednoz j načně identifikovateln né (rozpoznaatelné) na ssnímku i v teerénu, – mají určeny m y geodetickéé souřadnicce dvojím ne ezávislým ggeodetickým m měřením v terénu n nebo fotogr rammetrickky pomocí snímkové triiangulace, – přesnost p urrčení a identifikace záávisí na mě ěřítku snímku: má býtt dvakrát vyšší v než p přesnost výýsledného plánu nebo o mapy (naapř. grafickká přesnostt výslednéh ho plánu 0 mm, pro vlícovaccí body dvaakrát vyšší 0,1 mm, v 0,2 v měřítku 1:100 to znamená z p přesnost po ožadovaná p pro určení vvlícovacího bodu 0,01 m m), – mohou mít m přirozenou u nebo umělou signalizaci, – velikost sig v nálu s závissí na měřítkkovém čísle e snímku ms a velikosti měřické značky d,
s = d ⋅ ms = d ⋅
y (pro pozemní fo ot.), kde d = = 0,05 mm je průměr měřické zn načky ve f
v vyhodnocov vacím přístrroji, 13 y – vzzdálenost p předmětů přřed objektivvem a f – ko onstanta k komory. 13
Velikosst měřické znaačky se liší pod dle konkrétníh ho výrobce a vvýrobku; obvyykle se pohybuje mezi 0,04 až 0,06 mm.
10
Digittální poze emní fottogramm metrie •
V Volba vlíco vacích bodů ů
– jednosnímk j ková fotogra ammetrie Pro překreslen ní snímku nebo kolin neární rovinnou transsformaci raastru potře ebujeme ň 4 vlícovaací body o dvou sou uřadnicích [X, Y] rovn noměrně ro ozmístěné v rovině alespoň překreslení (např. vv rozích sním mku) na vyh hodnocovan ném terénu u nebo objeektu. d ová a průseková fotogrrammetrie – dvousnímko Pro vnější orientaci pro ostorového modelu nebo prosstorovou p podobnostn ní (resp. projektiivní) transfformaci po otřebujeme alespoň 3 3 vlícovacíí body o ttřech souřadnicích [X, Y, Z]; pro dvoussnímkovou m metodu mu usejí ležet v překrytové části snímkků. Uvedené počtyy vlícovacích h bodů jsou u minimální pro danou metodu. Běžně ovšem m volíme nadbyteečný počet bodů tak, aaby mohla být při vyho odnocení provedena kkontrola a p případně i vyrovn nání zpřesňu ující výsledkky vyhodnoccení. 14 •
S Signalizace vlícovacích h bodů v po ozemní foto ogrammetrii
– přirozená si p ignalizace: rohy oken, dveří, křížení říms, vrcholy stožárů ů, apod. – umělá signa u alizace: pap pírové čtverce a kruhovvé terče na kůlu, cílováá zařízení naa stativu, s samolepící reflexní terčíky (pro menší objektyy, na kratší vzdálenosti).
14
Použiitý zdroj – arch hiv autora texxtu
Pro dvo ousnímkové m metody nejčasstěji 4‐5 VB v p překrytu. Pro jednosnímkovvé metody maax. 8‐12 VB.
11
