Czimber Kornél:
Számítógépes fotogrammetria - "A jövõ térképezõ eszköze"
Bevezetés
A fotogrammetria a földrajzi információk gyûjtésének leggyorsabb és egyben leginformatívabb alternatívája. Az utóbbi évtizedben a geomatika területén robbanásszerû változás figyelhetõ meg. A hagyományos technikák mindinkább átadják a helyet a korszerû digitális technikáknak. Az egyik legszembetûnõbb fejlõdés a fotogrammetria és kapcsolódó területein tapasztalható. A fotogrammetria, képfeldolgozás, térképezés, terepmodellezés, ortofotó készítés egyre fejlettebb digitális módszereket alkalmaz.
A digitális fotogrammetria elõnye az analóg technikával szemben a gyorsaságban és a pontosságban mutatkozik meg. Hátránya a viszonylag drága mûszerezettség. Ezt mérlegelve egy olyan programrendszer megalkotását tûztem ki magamnak célul, mely mellõzi a milliós értékû fotogrammetriai mûszereket (sztereóplotter) és csak egy képolvasót és egy személyi számítógépet kíván. A digitális fotogrammetria ilyetén megoldása a softcopy (nem papíron lévõ kép) vagy on-screen (képernyõn történõ) vagy számítógépes fotogrammetria. Ez utóbbi elnevezést tartom célszerûnek, amely a tájékozási-, kiértékelési folyamat egészének számítógép segítségével történõ megoldását jelenti.
Grafikus felhasználói felület
A program egy általam fejlesztett valódi 32 bites, többszálú programfuttatásra alkalmas, felhasználó-barát grafikus felületen fut. A grafikus felbontás menet közben változtatható egészen 1280 x 1024 -ig 16.8 millió szín mellet. A felületen ún. panelek tartalmazzák a különbözõ grafikus objektumokat, amelyek legtöbbjéhez ún. buborék segítség tartozik. Ez utóbbi nagyban megkönnyíti a betanulási folyamatot.
Képek el- és elõkészítése
A számítógépes fotogrammetria elsõ lépéseként a képanyagot kell elkészítenünk, elõhívnunk és digitális formára alakítanunk. A képek elkészítéséhez használható tetszõleges légi-, földi mérõkamera, CCD kamera, de amatõr fényképezõgép is. Utóbbi esetben fontos, hogy a gép lencséjének elrajzolása minimális vagy egy képlettel leírható legyen. A kép helyzetét tekintve lehet nadír, vízszintes és ferde helyzetû is. A filmek elõhívása a hagyományos módszerekkel történik. Az elõhívott képanyagot digitális formára kell hozni egy képolvasó (scanner-szkenner) segítségével. Bizonyos képolvasók egy speciális adapterrel közvetlenül a negatív filmet is képesek olvasni. A CCD kamera esetén ezen utóbbi két lépés értelemszerûen kimarad. Itt kell azt a fontos dolgot is megemlítenem, hogy a kiértékelés pontossága döntõen csak a digitális kép felbontásától (elemi pixelmérettõl) függ. Egyéb pontosságot befolyásoló tényezõ: a kamera optikájának a hibája, az elõhívás hibája, a földi kontrollpontok koordinátáiban lévõ hibák stb.
A program
A Stereo névre keresztelt fotogrammetriai program BITMAP formátumban fogadja a színes és szürkeárnyalatos képeket. A képek méretére nézve nincs korlátozás. A rendelkezésre álló memória függvényében a program a képek egy bizonyos részét emeli csak be a memóriába, a többit a háttértárolón hagyja. Jelenleg egyszerre két kép tölthetõ be (bal, jobb), de elképzelhetõ egyszerre több kép megnyitása és feldolgozása is. A program funkcióit ikonok segítségével lehet elérni. A képek tetszõleges mértékben nagyíthatók, görgethetõk. Minden képhez tartozik egy áttekintõ ablak, amely kicsinyítve a kép egészét mutatja.
A 'Stereo' program munka közben.
Tájékozás
A képek tájékozása egymástól függetlenül történik. A tájékozás elsõ lépése a belsõ tájékozás, melynek célja egy olyan koordináta-rendszer illesztése a képre a sarokpontok ismeretében, amelynek az origója a kameratengely és a kép döféspontja. A belsõ tájékozás a kép sarokpontjainak megjelölésébõl és képi koordinátáinak megadásából áll. A képi koordináták dimenziója lesz a kijelzett hibák dimenziója is. Az abszolút tájékozás az orientáció második lépése, melynek célja ismert vetületi koordinátájú pontok felhasználásával földrajzi koordinátarendszerbe illesztés. Az eljárás a pont képi pozíciójának megjelölésébõl és vetületi koordinátáinak megadásából áll. A vetületi koordinátákat a program képes egy listából átvenni. A tájékozás egy kvadratikus iterációs eljárás, mely a kép tájékozási paramétereit számítja: a perspektív centrum térbeli pozícióját (x,y,z) és három elforgatási szöget (a,b,g). Az egyértelmû tájékozáshoz 3 pont szükséges, több pont megadása esetén a program a legkisebb négyzetek módszerével számítja a paramétereket. Az egyes pontok esetében jelentkezõ hiba kiíródik. Lehetõség van az elméleti fókusztávolság vagy kameraállandó számítására is. Ez esetben legalább négy abszolút pont megjelölése és koordinátáinak beírása szükséges. A tájékozási paraméterek közelítõ megadása segíti az iterációt. A tájékozási eljárás alkalmas tetszõleges tájékozási paraméterek számítására is (például ferde helyzetû képek esetében). A tájékozási paramétereket a gép a tájékozás után elmenti és a kép újbóli betöltésével automatikusan azokat is betölti.
Térbeli szemlélés
A modell térbeli szemlélése általában speciális hardvert igényel. A program fejlesztésénél lemondtam a térbeli szemlélésrõl. Célom egy gyors és interaktív térbeli térképezõ rendszer elkészítése volt. Lehetõség van azonban a tájékozási paraméterek ismeretében két kép átfedõ területérõl egy anaglif kép (bal:vörös, jobb:cián) készítésére, amely vörös-cián szemüvegen át szemlélhetõ, továbbá sztereoszkóp elhelyezésére a számítógép képernyõje elõtt. A legjobb megoldást a polarizációs- és a kitakaró szemüvegek adják, de ezek speciális monitort esetleg speciális szemüveget követelnek.
Manuális irányzás
Az irányzás tetszõleges képrõl indulhat. A mérés metodikája a következõ: az egyik képen rákattintok egy pontra és a másik képen egy segédegyenesen megjelölöm a hozzá tartozó képi pontot. A megirányzott pont és a kép perspektív centruma között egy térbeli egyenes jön létre, melynek egy szakaszát (munkatartomány) a másik képre vetítem. Ezen vetített szakaszon kell lennie az irányzott ponthoz tartozó analóg képi pontnak. Az egyenesre kattintva már térbeli koordinátákhoz jutok. Az esetleges irányzási hibákat a rendszer egy algoritmussal csökkenti.
Automatikus irányzás
Az automatikus irányzás elve hasonló a manuális irányzásnál leírtakkal, de a kiértékelõnek elegendõ csak az egyik képen megjelölni a mérendõ pontot. A program a létrejövõ térbeli egyenes másik képre vetített szakaszán a pixelek intenzitásértékeinek összehasonlításával kiválasztja az összetartozó pontot és térbeli koordinátákat szolgáltat.
Vektor modul
A program integráns része egy vektoros szerkesztõ, mely pontokat, vonalakat, poligonokat, görbéket kezel. A vektorokat ki- bekapcsolható rétegekbe szervezi. Szerkesztés során hivatkozhatok egy már megrajzolt vektoros elem végpontjára, középpontjára és legközelebbi pontjára. A vektorok elmenthetõk és betölthetõk a szabványos vektoros formátumok valamelyikében (DXF, Atlas). Ezáltal már meglévõ térképek kiegészítésére, átszerkesztésére ad lehetõséget. A vektorok az aktuális képre leképzõdnek és a réteghez rendelt színben kirajzolódnak, ezzel is segítve a kiértékelõ munkáját, a gyors és könnyed tájékozódást.
Digitális terepmodell készítése
Az automatikus irányzás számos automatizált mérési módszer alkalmazási lehetõségét villantja fel. Ezek közül elsõsorban a digitális terepmodell készítését említeném. A kiértékelõ által megadott területen, megadott sûrûségben a program mindkét képen végzett automatikus irányzások eredményeként térbeli koordinátákat számol, és így digitális terepmodellt állít elõ.
Digitális ortofotó készítés
Digitális terepmodell ismeretében, amely az elõbbi módszerrel elõállítható, a képen ún. ortoretrifikációt végezhetünk, melynek eredményeképpen perspektivikus torzításoktól mentes digitális képet kapunk. A felhasználó megadja az ortofotó síkbeli befoglaló koordinátáit és felbontását, majd a program a terepmodell alapján, a rendelkezésre álló tájékozott képek átfedett területén számolja az ortofotó pixeleit.
Következtetések
A számítógépes fotogrammetria azzal, hogy nem igényel speciális mûszereket, egy rendkívül hatékony, kis befektetést igénylõ térképezési eszközt ad a felhasználó kezébe. A kiértékelés egyetlen számítógépen elvégezhetõ, nem igényel a szemnek fárasztó térbeli szemlélést. Az automatikus irányzással a térképezési munka nagyságrendekkel növelhetõ. A rendszer rendkívül alkalmas meglévõ Földrajzi Információs Rendszerek (GIS) térképi adatainak karbantartására, aktualizálására.
Valamennyi erdészeti szervezet hatékonyan használhatná térképezési feladataihoz a számítógépes fotogrammetriát. A jelenlegi erdõrendezési gyakorlat az üzemtervezett területrõl készült fekete-fehér légifényképeket elsõsorban terepi bejárásra, tájékozódásra és térképátrajzolásra használja. Célszerûbb lenne a erdõterületrõl infraszínes légifényképeket készíteni, mely erdõrendezési, erdõvédelmi, fafajpolitikai és egyéb térképezési szempontból is elõnyösebb megoldást jelentene. A magasabb költség kisebb méretarányú fényképek készítésével ellensúlyozható. Az infraszínes anyag elõállítási költsége fele akkora méretarány mellett megegyezik a fekete-fehér fényképekével.
A számítógépes fotogrammetria néhány lehetséges erdészeti alkalmazása:
Amennyiben további információkat szeretne megtudni avagy mûködés közben kívánja látni a szoftvert kérem keressen fel:
Czimber Kornél - DigiTerra Bt.
Soproni Egyetem, Földmérési és Távérzékelési Tanszék
9400 Sopron, Ady Endre út 5.
Tel.: (99)311-100/275, (99)311-100/123. Fax: (99) 311-103