Fotogrametria inżynierska GEODEZJA WYKŁAD Fotogrametria inżynierska Katedra Geodezji im. K. Weigla ul. Poznańska 2/34

FOTOGRAMETRIA [gr.], nauka zajmującą się pozyskiwaniem, gromadzeniem, przekształcaniem, prezentacją informacji ilościowych i jakościowych dotyczących powierzchni terenu i  położenia obiektów na podstawie zdjęć fotograficznych (fotogramów), wykonywanych za pomocą specjalnych aparatów. Dzieli się na fotogrametrię naziemną (terrofotogrametrię) i lotniczą (aerofotogrametrię). Rozróżnia się fotogrametrię: płaską (jednoobrazową) przestrzenną (dwuobrazową), zwaną stereofotogrametrią, w której uzyskuje się przestrzenny model sfotografowanego przedmiotu. Metody fotogrametryczne wyzyskuje się do pomiaru cech geometrycznych obiektów, wyznaczania pola powierzchni lub określania torów ciał będących w ruchu. W geodezji są stosowane do wykonywania map topograficznych.

HISTORIA Pierwsze naziemne zdjęcia fotogrametryczne wykonał 1859 kamerą pomiarową Aimee Laussedat w Paryżu; podał on także sposób ich odczytywania. Laussedat przeprowadził pierwsze próby z wykorzystaniem rysunków perspektywicznych do rysowania mapy w Pirenejach. Pierwsze zdjęcia lotnicze (z balonu na uwięzi) wykonano 1858 w Paryżu. C. Pulfrich (fizyk) zastosował w fotogrametrii metodę stereoskopii, co umożliwiło dokonywanie pomiarów na przestrzennych modelach terenu i opracowywanie map. W Polsce inicjatorem wykorzystania fotogrametrii był profesor Kasper Weigel, który 1918 zastosował stereofotogrametrię do oprac. mapy części Tatr; wykonano ją 1924–34 w skali 1 : 20 000. Obecnne opracowania fotogrametryczne opierają się na zdjęciach z aparatów (kamer) cyfrowych. Obrazy przetwarzane są metodami analitycznymi pod kontrolą specjalistycznych programów.

Metody fotogrametryczne określają wzajemne położenie, wymiary lub dokładne kształty form terenu. Zdjęcia wykonywane z określonego miejsca co pewien okres czasu pozwalają ocenić deformacje powierzchni terenu np. określić zmiany czynnego osuwiska. Obecnie mamy do czynienia z fotogrametrią cyfrową, w której wykorzystuje się techniki komputerowe. Na podstawie zdjęć fotograficznych i pewnych danych z pomiarów w terenie uzyskujemy potrzebne do wiernego odtworzenia elementy topograficzne. Opracowania w technologii cyfrowej, umożliwiają przetworzenie zdjęć do postaci kartometrycznej. Wykorzystywane m.in. w urbanistyce i architekturze i różnych pracach projektowych, wykonania fotogrametrycznej inwentaryzacji obiektów architektonicznych, pomiary budowli, w tym: mapy elewacji budynków, detale architektoniczne, charakterystyczne przekroje, - pomiary odkształceń i przemieszczeń budowli, tworzenie trójwymiarowych modeli, oddających kształt nietypowych obiektów np. rzeźb, pomiar i wykonanie numerycznego modelu terenu, opracowanie ortofotomapy, map średnio i wielkoskalowych na podstawie zdjęć lotniczych i satelitarnych. ·  

Fotogrametrii inżynieryjna Jest to nietopograficzne zastosowanie fotogrametrii (w zasięgu do 300 metrów) w budownictwie, inżynierii środowiska, przemyśle i górnictwie, a także metody dokumentowania zabytków. Jest alternatywną metodą pomiarów, w przypadku konkretnego pomiaru wybór metody geodezyjnej czy fotogrametrycznej, zależy od zalet i wad metody fotogrametrycznej. W przypadku fotogrametrii cyfrowej, o dokładności decyduje w głównej mierze rozdzielczość geometryczna kamery cyfrowej, wyrażana jako liczba pikseli przypadających na 1 cal. Dla zadań inżynierskich ważna jest jednak nie tyle rozdzielczość geometryczna, ale rozdzielczość kątowa, jako funkcja wymiaru piksela i odległości obrazowej. Dokładności współczesnych teodolitów 1”. dokładność fotogrametrii analogowej kształtuje się na poziomie 3”.

Fotogrametria posługuje się fototeodolitem, w którym luneta zastąpiona jest przez kamerę fotograficzną. Aparatura do wykonania zdjęć w fotogrametrii naziemnej ziemnej - fototeodolity - kamery uniwersalne - kamery stereometryczne kamery stereometryczne Przypadki zdjęć w zależności od orientacji osi kamery: normalny, zwrócony, nachylony, zbieżny Aparatura do opracowania zdjęć: autografy analogowe – służyły do wykonania rysunku obiektów w rzucie ortogonalnym. autografy analityczne, w których wodzidła i liniały zastąpił komputer sterujący w czasie rzeczywistym przesuwającymi się względem siebie zdjęciami obiektu. Oprogramowanie komputera pozwalało natomiast na edycję mapy wektorowej. Niektóre z modeli wyposażono w urządzenia do automatycznego pomiaru danych potrzebnych do budowy numerycznego modelu terenu. autografy cyfrowe do opracowania zdjęć i stereogramów cyfrowych .

Fototeodolit analogowy

Przybliżone obliczenie współrzędnych punktów YA=B/p*f p=x’-x” p – paralaksa, B – długość bazy XA=B/p*x’ = YA/f*x’ f odległość obrazu (ogniskowa) ZA=B/p*z’=YA/f*z’

Autografy cyfrowe i przyrządy do obserwacji stereoskopowych Dawniej używane autografy zostały prawie całkowicie wyparte przez autografy cyfrowe, zwane też fotogrametrycznymi stacjami roboczymi. Zdjęcia analogowe zastąpiono w nich obrazami cyfrowymi powstałymi przez skanowanie klatek filmu albo pozyskanymi z kamer cyfrowych. Stereoskopowe widzenie obrazów wyświetlanych na monitorze uzyskuje się różnymi metodami. Do najprostszych należy obserwacja obrazów wyświetlanych na podzielonym na dwie części ekranie monitora za pomocą stereoskopu lub wykorzystanie właściwości obrazu anaglifowego. Najwyższy komfort zapewniają jednak systemy wykorzystujące aktywne lub pasywne okulary polaryzacyjne. Oprogramowanie stacji fotogrametrycznych pozwala na wyprodukowanie, często w sposób automatyczny, wektorowych i rastrowych map oraz planów, przetwarzanie cyfrowych wyników pomiaru (np. obliczanie objętości czy pól powierzchni). Pomiarowe opracowanie zdjęć i stereogramów cyfrowych przeprowadza się w fotogrametrycznych stacjach cyfrowych lub w autografach cyfrowych. W trakcie pomiaru określa się pozycję mierzonego piksela, aby następnie określić współrzędne tłowe lub terenowe punktu.

Obserwacje stereoskopowe Do opracowania zdjęć stereograficznych wykorzystuje się stereoskopy. Stereoskop zwierciadlany

Inne sposoby obserwacji stereoskopowych: - anaglify, filtry polaryzacyjne, wirujące przysłony (naprzemienne wyświetlanie zdjęć na monitorze i aktywne okulary) +

Analityczne metody stosowane w fotogrametrii inżynieryjnej Większość pomiarów fotogrametrii inżynieryjnej ma na celu wyznaczenie współrzędnych punktów obiektu (budowli). Wyznaczenie współrzędnych może służyć pozyskiwaniu informacji o terenie. Zależność między współrzędnymi tłowymi i terenowymi określa równanie kolinearności: X = m A x gdzie: A – macierz transformacji jako funkcja kątów orientacji zdjęcia , ,  cos  cosκ - sin  sinω sinκ -sin  cosω cos  sinκ + sin  sinω cosκ A = sin  cosκ + cosϕ sinω sinκ cos  cosω , sin  sinκ - cos  sinω cosκ -cosω sinκ sinω , cosω cosω

Interpretacja geometryczna fotogrametrii jednoobrazowej Płaszczyzna zdjęcia L – środek rzutów, f = LO – odległość obrazu xa , za – współrzędne tłowe punktu A, xb , zb – punktu B

Podstawy fotogrametrii jednoobrazowej naziemnej Zdjęcie przedstawia obraz obiektów w rzucie środkowym gdzie podstawą jest perspektywa. W zadaniach inżynierskich korzysta się jednak z rzutów ortogonalnych. Przetworzenie zbiorów {x,z} {X,Z} może być wykonane analitycznie, graficznie lub fotomechanicznie. X=F1(x,z), Z=F2(x,z) Elementy orientacji zdjęć: współrzędne środka rzutów - Xo , Yo , Zo , (punkt L) kąty , ,  - orientacji osi kamery w układzie XYZ, współrzędne punktu głównego na zdjęciu xo ,zo , f – względem układu współrzędnych tłowych. Zasada kolinearności: punkty L, a, A leżą na jednej prostej. Wektory: LA i La = (RA-RL ) są kolinearne Wektory wodzące punktów: f – odległość obrazu (ogniskowa kamery)

Przetwarzanie graficzne cech geometrycznych obiektu Fotogrametrię jednoobrazową można wykorzystać w zadaniach, które bazują na danych geometrycznych płaskich obiektów- pozycje punktów mogą być określone przez dwie współrzędne na płaszczyźnie. Gdy oś kamery w momencie ekspozycji była prostopadła do płaszczyzny obiektu mamy zdjęcie normalne. Dowolna orientacja osi daje zdjęcie zwrócone. Obraz zdjęcia normalnego jest w przybliżeniu rzutem ortogonalnym. Wykorzystanie zasady proporcji długości odcinków.

Interpretacja geometryczna tachimetrii dwuobrazowej naziemnej (stereofotogrametrii) P,L – środki rzutów, o’ , o” – punkty główne, B – baza a’, a” – obrazy punktu A na zdjęciu lewym i prawym

Ramka tłowa, znaczki tłowe, b - punkt główny

Podstawy stereofotogrametrii Fotogrametria dwuobrazowa polega na wykonaniu z dwóch lub więcej stanowisk kamery (w niektórych zadaniach - synchronicznie) Elementy orientacji: zewnętrzne – Xo, Yo, Zo - współrzędne środka rzutów, kąty: , ,  - orientacji osi kamery w układzie XYZ. Wewnętrzne – współrzędne punktu głównego na zdjęciu: xo,zo, f – względem układu współrzędnych tłowych. Stereogram – para zdjęć przedstawiająca obrazy wspólnej części obiektów. Przetworzenie zbiorów {x,z} {X,Y,Z} może być wykonane analitycznie lub fotomechanicznie (autografy). Zasada komplanarności: punkty L, a, A, P, b, B leżą na jednej płaszczyźnie. Zależności współrzędnych punktów w aerofotogrametrii a,b,c – współczynniki transformacji zależne od kątów , ,  - orientacji osi kamery

Przybliżone przetwarzanie rzutu środkowego metoda wcięcia w przód zdjęcie mapa

Wyznaczenie niewiadomych współczynników (a1,b1. c1, a2,b2. c2, a3,b3 Wyznaczenie niewiadomych współczynników (a1,b1.c1, a2,b2.c2, a3,b3.c3,) - wymaga 5 punktów, dla których możemy zapisać 10 równań, z których obliczymy wartości 8 współczynników. Zachowania takiej samej orientacji wewnętrznej (te same kamery) i zewnętrznej (taka sama orientacja kamer). Niewielkie zmiany położenia obiektu mogą być bezpośrednio mierzone jako przyrosty obserwacji, tzw. paralaksy czasowej (p,q). dX = f1 (p, q) , dY = f2 (p, q) , dZ = f3 (p,q) P dx  ∆x = xi – xo. dy  ∆y = yi – yo

Przetwarzanie metodą ortogonalną

Zasady obliczania skali zdjęcia

Przetwarzanie metodą siatki identyfikacyjnej

Przetwarzanie metodą wcięcia wstecz

Zastosowanie metod fotogrametrii w zadaniach geodezyjnych Do wielostanowiskowego określania odchyleń od pionu a także poziomych składowych niewielkich przemieszczeń punktów, służy – opracowany według algorytmu metody różnicowej. Danymi wejściowymi są elementy orientacji zdjęć, przybliżone współrzędne badanego punktu (lub komina), oraz pomierzone przyrosty współrzędnych tłowych, (współrzędne tłowe i paralaksy czasowe), zaś składowe przemieszczenia są obliczane na zasadzie porównania współrzędnych. Umożliwia rozwiązanie wcięcie w przód na podstawie naziemnych zdjęć metrycznych i niemetrycznych. Orientacja pojedynczego zdjęcia jest określana przez przestrzenne wcięcie wstecz do punktów osnowy geodezyjnej. Fotogrametryczne stacje cyfrowe są to systemy, składające się ze sprzętu (ang. hardware) oraz oprogramowania (ang. software) pozwalającego na wykonywanie prac fotogrametrycznych z wykorzystaniem obrazów cyfrowych. Typowa stacja fotogrametryczne pozwala realizować (a także częściowo zautomatyzować) wszystkie procedury pomiarowe pomiar punktów stereogramu, wektoryzację, wytwarzanie cyfrowych ortofotomap .

WSPÓŁCZESNE METODY INWENTARYZACJI BUDOWLI Fotogrametryczna pozwala uzyskać dane geometryczne o położeniu budowli i jej elementów, wymiarach oraz informacji o stanie powierzchni budowli. Termowizyjna jest pomocna w pracach inżynierskich do określania wewnętrznej struktury elementów budowli (ścian, płyty stropów, belek, murów itp.) metodami nieniszczącymi ich powierzchni. Kamera termowizyjna AGA 750 pozwala uzyskać na monitorze obraz detali ściany budynku, układ cegieł, prętów, przewodów, a nawet spękania i ubytki materiału. Za pomocą podpowierzchniowego radaru obserwuje się strukturę gruntów do głębokości 10m pod powierzchnią terenu. Zastosowania do nieinwazyjnego wykrywania: - wad technologicznych przegród budynków, błędów w dociepleniu, mostków cieplnych, zawilgoceń, filtracji powietrza - lokalizacji rur z ciepłą wodą, oraz wycieków i nieszczelności - stanu izolacji cieplnej kotłów, rurociągów, izolowanych kanałów, elektrofiltrów, kadzi ( diagnostyka okresowa i powykonawcza ), - lokalizacji przebiegu sieci ciepłowniczej ( inwentaryzacja ),

Zasada działania termowizyjnej kamery Obiekt o temperaturze powyżej zera bezwzględnego jest źródłem promieniowania w paśmie podczerwieni, a jego intensywność zależy od temperatury i cech powierzchni ciała. Aparatura termowizyjna jest odmianą telewizji wrażliwej na fragment zakresu promieniowania podczerwonego. Tworzenie obrazu polega na rejestracji przez kamerę promieniowania emitowanego przez obserwowany obiekt, a następnie przetworzeniu na kolorową mapę temperatur. System termowizyjny jest rodzajem termometru, który pozwala mierzyć temperaturę na odległość w wielu miejscach jednocześnie. Zastosowanie praktyczne dla kamery termowizyjnej jest wykrywanie wilgoci w budynkach. Obecność wody w mikroporach materiału budowlanego powoduje pogorszenie jego właściwości izolacyjnych, zdolności do wypromieniowania ciepła, a więc i temperatury na powierzchni. Ułatwia lokalizację zawilgoceń w płaskich stropodachach i lokalizację miejsc przecieków.

TERMOGRAM Obraz okna zarejestrowany przez kamerę termowizyjną, temogram pozwala zaobserwować nadmierną ucieczkę ciepła przez okno. Wyraźna różnica pomiędzy temperaturą szyb a ramą.

TERMOGRAM ŚCIANY BUDYNKU Skala temperatury