Definicja fotogrametrii i teledetekcji,
Fotogrametria i Teledetekcja - dziedzina nauk technicznych zajmująca się pozyskiwaniem wiarygodnych informacji o obiektach fizycznych i ich otoczeniu drogą rejestracji pomiaru i interpretacji obrazów lub ich reprezantacji numerycznych otrzymanych z sensorów nie będących w bezpośrednim kontakcie z tymi obiektami.
Słowo teledetekcja zostało utworzone w wyniku połączenia greckiego tele - daleko i łacińskiego detectio - wykrywać, ujawniać.
Obecnie pojęciem teledetekcja określa się metody pozyskiwania danych o obiektach, zjawiskach i procesach zachodzących na powierzchni Ziemi za pomocą urządzeń niebędących w bezpośrednim (fizycznym) kontakcie z badanym obiektem, a także metody przetwarzania pozyskanych danych na użyteczne informacje, charakteryzujące te obiekty, zjawiska oraz procesy.
Fotogrametria: photos – światło gramma – zapis metreo – pomiar
Fotogrametria: pomiar na obrazach zapisanych światłem
Teledetekcja to nauka i technologia wytwarzania (pozyskiwania) obiektywnych informacji o przedmiotach, obiektach i ich otoczeniu, a także zjawiskach (procesach) fizycznych, poprzez zapis, przetwarzanie, analizę, pomiar i interpretację obrazów lub zróżnicowanych rozkładów odbitej, czy też emitowanej energii elektromagnetycznej lub akustycznej (def. MTFiT).
Teledetekcja jest zespołem metod pozwalających określić naturę lub stan obiektów istniejących na powierzchni Ziemi, identyfikować zjawiska (procesy), które występują na tej powierzchni, poniżej lub nad nią za pomocą obserwacji dokonywanych z pokładu statku powietrznego lub satelity (def. ONZ).
TELEDETCJA (Remote Sensing, RS) – jest to nauka i technika wykrywania i analizowania obiektów na podstawie zdalnego (bezkontaktowego) pomiaru energii promieniowania elektromagnetycznego, które jest przez obiekt odbijane lub emitowane.
Urządzenie (instrument) które mierzy energię to "remote sensor" lub sensor.
Element sensora który wykonuje pomiar to detektor (czujnik).
różnica między fotogrametrią a teledetekcją.
Zakresy promieniowania elektromagnetycznego wykorzystywanego w fotogrametrii i teledetekcji, okna atmosferyczne – zakresy i znaczenie, krzywe spektralne.
Promieniowanie elektromagnetyczne jest to promieniowanie wydzielane przez różne źródła w postaci fali w której wektory pola elektrycznego i magnetycznego są wzajemnie prostopadłe; rozchodzi się z prędkością światła w próżni c=300 000 km/s.
Im większa długość fali λ, tym mniejsza energia – dlatego trudniej wykrywać dłuższe promieniowanie.
Im dłuższe promieniowanie tym detektor musi być czulszy.
Promieniowanie elektromagnetyczne Q (każda energia) padające na obiekt jest w części:
przepuszczana – transmisja T
odbijana – refleksja R
rozpraszana – S
pochłaniana – absorpcja A
Q = T + R + S + A
KRZYWA SPEKTRALNA:
Stosunek promieniowania odbitego od powierzchni obiektu do promieniowania padającego w danym zakresie spektralnym
Współczynniki odbicia promieniowania roślin zielonych są najbardziej zróżnicowane zakresie podczerwieni. Dlatego też do badań związanych z określaniem rodzajów roślinności oraz jej stanu zdrowotnego, wykorzystywany jest ten zakres promieniowania.
Woda tylko w niewielkim stopniu odbija promieniowanie elektromagnetyczne. Najbardziej w ultrafiolecie, potem odbicie stopniowo maleje do zera w podczerwieni.
Największym odbiciem charakteryzuje się pokrywa śnieżna. Gleby wykazują duże zróżnicowanie odbicia w każdym zakresie promieniowania.
Zakres długości promieniowania elektromagnetycznego: od 10-13 m do 108 m (spektrum, zakres spektralny)
Teledetekcja nie wykorzystuje całego spektrum lecz te jego podzakresy w których pochłanianie promieniowania przez atmosferę jest niewielkie; podzakresy spektrum przepuszczane przez atmosferę są określane jako okna atmosferyczne.
Jednostki w których wyrażana jest długość promieniowania:
1 μm = 0,001 mm = 10-3 mm
1 mm = 0,001 m = 10-3 m
1 μm = 10-6 m
okna atmosferyczne
1. promieniowanie widzialne (światło) - fale o długości: 0,4 -0,7 μm,
2. krótkofalowe promieniowanie podczerwone (podczerwień fotograficzna): 0,7-1,5 μm,
3. podczerwień środkowa: 3,0 - 5,0 μm,
4. podczerwień długofalowa (termalna): 8 -12 μm,
5. promieniowanie mikrofalowe:1-100 cm,
6. promieniowanie radiowe > 1 m
Zakres fal o długościach 0,3-12 μm jest nazywany widmem optycznym.
Zakresy rejestrowane fotograficznie
fioletowy 0,400 – 0,446 μm
niebieski 0,446 – 0,500 μm
zielony 0,500 – 0,578 μm
żółty 0,578 – 0,592 μm
pomarańczowy 0,592 – 0,620 μm
czerwony 0,620 – 0,700 μm
podczerwień 0,700 – 1,3 (max 1.5) μm
Rozdzielczość w teledetekcji.
• Rozdzielczość spektralna - liczba osobno rejestrowanych kanałów spektralnych
• Kanał spektralny – określony (wąski) zakres spektrum elektromagnetycznego
Rozdzielczość w teledetekcji
• geometryczna - rozmiar piksela (piksel to pojedynczy elementu obrazu), podawana jako rozmiar piksela: w terenie [m,cm], na obrazie [μm, dpi]
Obraz cyfrowy nie ma skali – rozdzielczość geometryczna nie może być identyfikowana ze skalą ale jest z nią związana: obraz o mniejszym pikselu nadaje się do wyświetlania w większej skali
• radiometryczna - liczba poziomów kwantyzacji mierzonej energii elektromagnetycznej („jasność spektralna”)
• spektralna – liczba osobno rejestrowanych kanałów spektralnych
• czasowa
System wzrokowy człowieka
podstawy fotografii analogowej
Rzut środkowy w fotogrametrii i teledetekcji.
Rzut środkowy: odwzorowanie geometryczne przyporządkowujące każdemu punktowi przestrzeni przedmiotowej (A) jego obraz na rzutni (A’), który powstaje w przecięciu rzutni przez promień rzutujący (prosta AO)
Jeśli znamy położenie środka rzutów w stosunku do rzutni potrafimy odtworzyć bieg promieni rzutujących
Fotointerpretacja - cel, cechy fotointerpretacyjne.
Etapy procesu fotointerpretacji
• wykrycie obiektów - pierwsze stwierdzenie istnienia obiektów na podstawie ich cech zewnętrznych (cechy bezpośrednie)
• rozpoznanie - przeprowadzenie głębszej analizy w celu potwierdzenia wyniku wykrycia (cechy pośrednie)
• identyfikacja - ostateczna kwalifikacja obiektu wg. przyjętej listy (np. kategoria las z listy wydzieleń na tworzonej lub aktualizowanej mapie) wraz z wymaganymi atrybutami (np. las liściasty, iglasty)
Cechy fotointerpretacyjne
• bezpośrednie
Kształt- jedna z najważniejszych cech rozpoznawczych kształty prostoliniowe, regularne figury geometryczne wiążą się na ogół z działalnością człowieka; kształty nieregularne lub obłe ale o szybko zmiennych krzywiznach wskazują na obiekt naturalny;
wielkość obrazu- zależy od rzeczywistych rozmiarów obiektu a także od skali obrazu (rozdzielczości geometrycznej) zwykle określa się wielkość względną przez porównanie do obiektów o znanej w przybliżeniu wielkości (np. budynek jednorodzinny, samochód)
Na pojedynczym obrazie – tylko dwa wymiary ( 2D )
Na stereogramie – trzy wymiary ( 3D )
ton (jasność) - nasilająca się zmienność światła, interpretowana jako zmiany od ciemnego do jasnego, limitowana istnieniem czerni i bieli; w przypadku obrazów czarno-białych jasność jest określana stopniem w szeregu nasilających się zmian szarości: np.: czarna, bardzo ciemna szara, ciemna szara, szara, jasna szara, bardzo jasna szara, biała; jasność jest właściwa każdej barwie chromatycznej (np.: żółta jest jaśniejsza niż fioletowa);
zależy od :
• rzeczywistej jasności obiektu;
• kąta padania promieni słonecznych (najjaśniejsza jest ta część obiektu na którą światło pada prostopadle);
• charakteru powierzchni (właściwości odbiciowych) , gładkie odbijają a chropowate rozpraszają np. droga gruntowa jest jasna a pole orne - ciemne, chociaż są zbudowane z tej samej gleby;
• pogody - przy pełnym słońcu mamy duże różnice jasności;
• od czułości detektora (np. materiału fotograficznego).
barwa - opis barwy składa się z trzech atrybutów: jasności, koloru i nasycenia;
atrybut koloru jest właściwy kazdej barwie chromatycznej i stanowi jej główny wyróżnik, jako czerwona, żółta, zielona, niebieska, purpurowa, lub jako pośrednia, np.: czerwono-żółta (w znaczeniu tyleż czerwona co żółta) albo czerwona żółtawa (w znaczeniu czerwonej w odcieniu żółtawym);
atrybut nasycenia (chromatu) barwy jest właściwy każdej barwie chromatycznej i jest utożsamiany z nasilającą się zmiennością koloru w barwie, tworząc uporządkowany szereg typu: kolorowa zszarzona, szarawa, umiarkowanie kolorowa, mocna i żywa (osiągnięta pełna kolorowość w barwie na określonym poziomie jasności albo przy odpowiednim dla tej barwy chromatycznej nasileniu światła),,
• kompleksowe
Struktura - odzwierciedlenie w obrazie charakteru powierzchni, jego stopnia szorstkości; struktura może być gładka (amorficzna), drobnoziarnista, gruboziarnista; jest cechą silnie związana ze skalą (rozdzielczością geometryczną)
Tekstura - przestrzenne ułożenie poszczególnych elementów obrazu, układ geometryczny - wzór tworzony przez elementy obrazu; tekstura może być np. plamista, szachownicowa, rzędowa lub bezładna
Przykłady:
sad - struktura ziarnista, tekstura kratowa
las - struktura ziarnista, tekstura nieregularna
łąka - struktura gładka lub drobnoziarnista, tekstura brak lub drobnoplamista (trawa mniej/bardziej zwarta) lub pasmowa (pasy po koszeniu)
pastwisko - struktura gładka lub drobnoziarnista, tekstura plamista (ślady po wypasaniu, luźne kępki wyższej trawy)
• pośrednie- są to cechy pochodzące od pewnych obiektów a wskazujące na obecność innych (albo na ich właściwości), które nie znalazły bezpośredniego odwzorowania na obrazie analizowanego obiektu
cień
cień własny - nieoświetlona bezpośrednio część obiektu np. ściana, stok skarpy
cień rzucany - rzut obiektu na podłoże, zależy od kierunku oświetlenia i wysokości słońca
położenie- miejsce i charakter rozmieszczenia obiektów , np. teren podmiejski, malutkie parcele, niewielkie obiekty kubaturowe na każdej parceli -> ogrody działkowe
powiązania (asocjacje) zależności wiążące sąsiednie obiekty, np. parking i obiekt użyteczności publicznej, rzeka i most, zagroda i sad
wskaźniki (indykatory) -obiekty które pozwalają wnioskować o istnieniu lub cechach innych obiektów przykrytych przez obiekty-wskaźniki, np. wysychanie drzew może wskazywać na obniżenie poziomu wód gruntowych albo na zanieczyszczenie gleby albo na zanieczyszczenie powietrza; drogą dedukcji można określić prawdopodobieństwo jednej z hipotez (np. czy jest w pobliżu zakład emitujący gazy do atmosfery)
Definicja obrazu cyfrowego, metody pozyskiwania, model barw RGB.
Obraz cyfrowy - Uporządkowany w wiersze i kolumny zbiór jasności ( w teledetekcji – jasności spektralnych )
Model barw RGB
• Podstawą modelu są trzy barwy podstawowe RGB
• Pozostałe barwy powstają na drodze addytywnej
• Addytywność polega na wspólnym wyświetlaniu warstw RGB jedna na drugiej (dodawanie barw RGB)
• Stosowany jest w wyświetlaniu obrazów (monitory, telewizory)
• Barwy powstałe przez dodanie parami barw podstawowych to tzw. barwy dopełniające CMY
• Barwy dopełniające są stosowane w modelu barw CMYK tzw. subtraktywnym (mieszanie farb, drukowanie atramentowe)
Podział fotogrametrii.
Podział fotogrametrii:
ze względu na zastosowania:
fotogrametria topograficzna
fotogrametria nietopograficzna
ze względu na miejsce fotografowania:
fotogrametria lotnicza (aerofotogrametria)
fotogrametria satelitarna
fotogrametria naziemna (terrofotogrametria)
ze względu na metody opracowania:
fotogrametria jednoobrazowa
fotogrametria dwuobrazowa (stereofotogrametria)
ze względu na formę danych (zdjęć) i wyników opracowania:
fotogrametria analogowa
fotogrametria numeryczna (analityczna)
fotogrametria cyfrowa
Lotnicze kamery analogowe i cyfrowe do pozyskiwania danych. Kamery naziemne.
Kamera fotogrametryczna charakteryzuje tym, że zachodząca w niej fizyczna realizacja rzutu środkowego jest bliska realizacji matematycznej.
Elementy orientacji wewnętrznej są znane i stałe (proces wyznaczania EOW nazywa się kalibracją kamery, wyniki są zapisywane w metryce kamery)
Bardzo niski poziom błędów obrazu (dystorsja < 3 μm)
Precyzyjna realizacja płaskiej rzutni
Obrazy wielospektralne. Cel i metody pozyskiwania
Każdemu obiektowi można przypisać jego krzywą spektralną.
Aby porównywać krzywe spektralne należałoby rejestrować odbicie promieniowania w sposób ciągły dla szerokiego spektrum.
W praktyce rejestruje się jedynie wybrane zakresy promieniowania, zwane kanałami spektralnymi.
Taki sposób obrazowania nazywa się rejestracją wielospektralną (wielokanałową).
Obraz wielospektralny rozpoznaje się po tym, ze składa się z kilku, pozornie podobnych, obrazów czarno-białych.
Sensory do pozyskiwania danych wielospektralnych.
Obrazowanie w rzucie środkowym (kamery)
• Kamery (aparaty) „fotograficzne” z filmem barwnym lub macierzą CCD w których następuje separacja kanałów (obrazy pseudo-wielospektralne)
• kamery wielospektralne - kamera posiada kilka obiektywów, na każdym jest odpowiedni filtr, rejestracja obrazu na materiale fotograficznym lub macierzy CCD;
Obrazowanie na drodze skanowanie (skanery) zamiast filmu są czujniki elektryczne (detektory); zakres rejestracji promieniowania bardzo szeroki, praktycznie każde okno atmosferyczne.
Gdy detektorem jest emulsja fotograficzna („film”) to zakres rejestracji promieniowania ograniczony do okna widzialnego i podczerwieni fotograficznej.
Gdy detektorem są czujniki elektryczne (CCD) to zakres rejestracji promieniowania bardzo szeroki, praktycznie każde okno atmosferyczne (ale jest ograniczenie „energetyczne”)
Podział systemów rejestracji / sensorów
wg. pochodzenia źródła mierzonego promieniowanie
- aktywny
- pasywny
(Satelity gospodarcze:
- mała rozdzielczość: np. Landsat ...
- średnia rozdzielczość: np. Spot, IRS, Aster, JERS ...
- wysoka rozdzielczość: np. Ikonos, Quick Bird...)
wg. sposobu zapisu mierzonego sygnału
- nieobrazujące – tylko suma zbieranej energii z całej sceny; wynik w
postaci jednej liczby
- obrazujące – energia od każdego elementu sceny jest zapisywana osobno;
wynik w postaci obrazu
Metody klasyfikacji treści obrazów wielospektralnych.
Obraz pomiarowy i jego cechy.
Zdjęcie pomiarowe to takie zdjęcie dla którego są określone elementy orientacji wewnętrznej: stała kamery i punkt główny.
Punkt główny to rzut ortogonalny środka rzutów na płaszczyznę tłową (rzutnię).
Definicja układu tłowego.
Definicja elementów orientacji wewnętrznej zdjęcia.
Przykłady znaczków tłowych występujących na zdjęciach.
Układ pikselowy.
Dystorsja obiektywu.
Definicja elementów orientacji zewnętrznej zdjęcia.
Zdjęcie lotnicze a mapa
Mapa – odwzorowanie modelu rzeczywistości geograficznej na płaszczyźnie
Zdjęcie pomiarowe – rezultat rzutowania środkowego rzeczywistości geograficznej, powstaje poglądowy model rzeczywistości
Modele rzeczywistości geograficznej
- znakowy (kartograficzny)
- poglądowy (pozaznakowy)
Mapa – posiada określoną kartometryczność: wierność kątów/odległości/powierzchni
Zdjęcie (lotnicze) w porównaniu z mapą tego samego obszaru posiada
zniekształcenia geometryczne (brak kartometryczności)
Zniekształcenia zdjęć lotniczych.
Zniekształcenie z tytułu nachylenia zdjęcia - największe wzdłuż LNS
Zniekształcenia spowodowane rzeźbą terenu
Modele rzutu środkowego.
Parametryczny - równanie kolinearności
nieparametryczny - przekształcenie rzutowe („DLT”) wiązka prostych jest odwzorowana na płaszczyznę punktów
Przetwarzanie rzutowe. Ortorektyfikacja.
1. metoda fotomechaniczna
Strojenie polega na takim dopasowaniu położenia obrazu i ekranu aby uzyskać zgodność położenia 4 punktów homologicznych (znane położenie na zdjęciu i na podkładzie)
Płaszczyzna główna obiektywu przecina się z płaszczyzna obrazu i płaszczyzną ekranu wzdłuż jednej prostej
2. metoda cyfrowa
Ortorektyfikacja to proces rektyfikacji obrazów źródłowych (zdjęć lotniczych, naziemnych, obrazów satelitarnych) którego celem jest uzyskanie obrazu terenu jaki powstałby przy rzutowaniu ortogonalnym na wybraną powierzchnię odniesienia
Ortoobraz to wynik ortorektyfikacji przeprowadzonej dla pojedynczego zdjęcia (obrazu); także ortofotografia
Ortofotomapa jest mapą opracowaną na podstawie ortoobrazu lub ortoobrazów, posiada następujące cechy:
jest fotograficznym (poglądowym) modelem rzeczywistości; jest wykonana w określonym odwzorowaniu kartograficznym; gwarantuje odpowiednią dla skali dokładność sytuacyjną dobrze identyfikowanychelementów treści; zachowuje ustalony krój arkuszowy, posiada siatkę kartograficzną i kilometrową, ramkę, opis pozaramkowy oraz opcjonalnie elementy uzupełniające w tym warstwice.
Do przeprowadzenia ortorektyfikacji są niezbędne:
• źródłowe obrazy cyfr...
m.pokora