1 Základy fotogrammetrie 1. Základní pojmy a definice, rozdělení metod fotogrammetrie, historický přehled Fotogrammetrie je měřická metoda, která se zabývá rekonstrukcí tvaru, velikosti a polohy předmětů z jejich fotografických snímků. Fotogrammetrie se zabývá měřickými vlastnostmi leteckých a družicových snímků s cílem přesných měření polohy bodů a získáváním map nebo digitálních modelů terénu z těchto snímků. Fotogrammetrie je měřická metoda umožňující modelování v 3D prostoru s využitím 2D snímků. (Kasser, Egels, 2002) Obr. 1.1 Letecký měřický snímek Základy fotogrammetrie jsou důležité i pro interpretační část DPZ, protože kvantifikují výsledky interpretace ve smyslu jejich rozsahu a polohy. Otázka interpreta "co?" je na snímku je obvykle doprovázena otázkou "kde?" se daný jev nebo objekt nachází a také jaký je jeho rozsah (plocha, velikost). 2 S postupným zlepšováním geometrických vlastností družicových dat dochází ke konvergenci fotogrammetrie a DPZ v oblasti geometrické transformace snímků. Vysoká geometrická rozlišovací schopnost, větší stabilita nosičů, využití metod GPS pro přesné určování polohy nosiče v prostoru a schopnost vytvářet snímkové stereopáry umožňují principy fotogrammetrie aplikovat i na snímky z družic jako SPOT, IKONOS či QuickBird. Obr. 1.2 Fotografický snímek jako model krajiny Fotografický snímek představuje model studovaného území - je za určitých podmínek exaktním perspektivním zobrazením předmětů vzniklým tzv. centrální projekcí (středovým promítáním). Jednoznačné geometrické vztahy, které byly mezi předmětem a jeho obrazem v době snímkování je možné rekonstruovat na základě geometrických veličin zachycených na snímku a tedy nahradit měření na snímku měřením přímo na předmětu. Informace ze snímků mohou mít trojí povahu: 1. Grafickou (mapy, plány) 2. Číselnou (trojrozměrné souřadnice bodů) 3. Obrazovou (fotoplány, fotomapy či ortofotosnímky ­ tzv. překreslené snímky) To, že se měření nerealizuje na předmětu, ale na jeho obraze (snímku), má určité výhody: * měření se provádí bez přímého dotyku s předmětem * informace na snímku zachycují stav předmětu v určitém časovém okamžiku ­ má dokumentační hodnotu pro studium dynamiky jevů * vlastní mapování se děje mimo prostor předmětu, lze ho snadno opakovat * postup zpracování umožňuje vysoký stupeň automatizace. Fotogrammetrické metody zabírají velkou šíři postupů od zjišťování přibližných vzdáleností a výšek ze snímku pomocí relativně jednoduchých grafických metod či relativně jednoduchých přístrojů až po tvorbu velmi přesných topografických map za pomoci složité výpočetní techniky a komplexních metod trojrozměrné geometrie. Podle polohy stanoviště lze fotogrammetrii dělit na pozemní, kdy snímky jsou pořízeny z pevného stanoviště, jehož poloha je většinou přesně zaměřena. Hlavní využití pozemní fotogrammetrie je v oblasti architektury, archeologie, hornictví, atd. V následujícím textu je věnována pozornost výhradně fotogrammetrii letecké, při níž jsou snímky většinou pořizovány z palub letadel. Metodami letecké fotogrammetrie však lze zpracovávat i družicové obrazové záznamy. Největší využití má letecká fotogrammetrie v mapové tvorbě 3 (geodézii a kartografii) ­ v tvorbě topografických map a map tématických, potřebných v nejrůznějších oborech lidské činnosti (lesnictví, zemědělství, pozemkové úpravy, geologie, archeologie, vojenství, plánování atd.). V poslední době se jí využívá hojně také ke konstrukci tzv. ortofotomap. Přednosti využití metod fotogrammetrie v geografii a kartografii spočívají především v jsou především v tom, že mapované území nemusí být bezprostředně přístupné, informaci o mapovaném území lze získat poměrně levně a především velmi rychle. Rozdělení fotogrammetrie Podle polohy stanoviska se fotogrammetrie dělí na * pozemní (architektura, stavebnictví, kriminalistika, lékařství) * leteckou (topografické mapování, archeologie, pozemkové úpravy, ...) Podle počtu snímků: * jednosnímková ­ umožňuje vyhodnotit předměty (území) jen ve dvou rozměrech - půdorys * dvousnímková ­ průseková fotogrammetrie, stereofotogrammetrie, paralaxová fotogrammetrie s časovou základnou Podle způsobu zpracování letecké fotografie: * analogová ­ vytvoření analogického modelu, rekonstruujícího polohu bodů v prostoru * analytická ­ měří se snímkové souřadnice ­ další transformace probíhají jako výpočty na počítačích * digitální ­ využití snímků v digitální podobě Historie fotogrammetrie - přehled Obr. 1.3 Fotografie z balónu, NADAR, 1858 Vývoj fotogrammetrie byl ovlivněn vynálezem fotografie, rozvojem letectví, jemné mechaniky, optiky, výpočetní techniky. Její počátky se však datují hluboko v minulosti, ještě před vynálezem fotografie. * ,,Camera obscura" ­ Aristoteles, Roger Bacon (1214-1294), Leonardo da Vinci * 1558 - J.B. Porta použil spojné čočky * 1726 ­ Švýcar M.A Cappeler vytvořil mapu pohoří Pilatus ze dvou perspektivních obrázků kreslených volnou rukou (tzv. ikonometrie) ­ princip průsekové fotogrammetrie. * 1839 ­ zveřejnění vynálezu fotografie (Francouzi Niepce, Daguerre) 4 * 1851 ­ A. Laussedat ­ zakladatel fotogrammetrie ­ použití snímků pro měřické účely. Podle jeho návrhu byl vytvořen Brunnerem r. 1859 první fototeodolit. Topografická mapování ve vysokých horách. * 1858 ­ první fotografie pořízená z balónu * Mapování Vysokých Tater ­ 1893-1897 (1 : 25 000). Analogová fotogrammetrie a zavedení principů stereofotogrammetrie. 1901 ­ prof. Pulfrich sestrojil tzv. Stereokomparátor ­ stereoskopické vyměřování modelu vytvořeného z dvojice překrývajících se fotografií optickou cestou. 1911 ­ v Zeissových závodech vytvořil V. Orel stereoautograf ­ umožňoval zákres polohopisu a vykreslování vrstevnic Obr. 1.4 Multiplex Analytická fotogrammetrie ­ 1960 ­ 1980, 1957 ­ Helava ­ princip analytického vyhodnocovacího přístroje. Obr. 1.5 Analytický stereoplotter Digitální fotogrammetrie ­ použití digitálních snímků zpracovávaných pomocí VT, vytvoření prvních digitálních fotogrammetrických pracovních stanic (DPW), 90. léta 20. století. Nejprve spec vybavení (Imagestation , OS CLIX), dnes na běžných stolních počítačích. Obr. 1.6 Digitálních fotogrammetrická stanice 5 Česká republika: 1862 ­ prof. K. Kořistka u A. Laussedata 1. republika ­ Vojenský zeměpisný ústav v Praze ­ fotogrammetrické oddělení topografického odboru. 923 ­ mapování oblasti Váhu a 1927 ­ oblast Hlučínska (19 km2 ), 1 : 10 000, 1930 ­ založena Čs. fotogrammetrická společnost. V současné době ­ Společnost pro fotogrammetrii a dálkový průzkum Země 1933 ­ VZÚ začal čtvrté vojenské mapování v měřítku 1 : 20 000. Do r. 1939 ­ mapy s pomocí letecké fotogrammetrie pohraničních území o rozloze 67 000 km2 . 1955-1965 - fotogrammetrie jako hlavní mapovací metoda mapování v měřítku 1 : 10 000. ISPRS ­ mezinárodní společnost pro fotogrammetrii a dálkový průzkum Země. Každých 5 roků pořádá kongres, poslední kongres se konal v Amsterdamu v r 2002. Základní zdroje informací KASSER, M., EGELS, Z. (2002): Digital Photogrammetry. Taylor & Francis, New York, 351 s. LILLESAND, T.M., KIEFER, R.W. (1994): Remote sensing and image interpretation. John Wiley & Sons, New York, Chichester, Brisbane, Toronto, Singapore, 750 s. PAVELKA, K. Fotogrammetrie 20. ČVUT, Praha, 153 s. PIVNIČKA, F. (1996): Digitální fotogrammetrie. CAD, č. 3, s. 18-22. ŠMIDRKAL, J. (1982): Fotogrammetrie I, II, III. ČVUT, Praha, 226 s., 217 s., 155 s. Internetové odkazy Úvod do fotogrammetrie (TU Vienna): http://www.univie.ac.at/Luftbildarchiv/wgv/intro.htm University of Melbourne: http://www.isprs.org/links/tutorial.html University of California (RS Tutorial): http://umbc7.umbc.edu/~tbenja1/santabar/rscc.html http://www.sfdp.upol.cz/ http://www.isprs.org/ Obsah přednášky: 1. Základní pojmy, rozdělení metod fotogrammetrie, historický přehled 2. Optické a fotografické základy fotogrammetrie 3. Letecké snímkování a snímkový let 4. Matematické základy fotogrammetrie 5. Jednosnímkové metody. 6. Stereofotogrammetrie ­ princip tzv. snímkové paralaxy. 7. Orientace letecké fotografie, použití vlícovacích bodů 8. Tvorba map na tzv. stereoplotrech 9. Digitální fotogrammetrie ­principy, specifika 10. Základní produkty digitální fotogrammetrie, tvorba digitálního ortofoto 11. Družicová fotogrammetrie, nové zdroje dat pro digitální fotogrammetrii Cvičení: Programové vybavení OrthoEngine www.pci.on.ca