65
8. Stereofotogrammetrie a orientace snímkové dvojice
Ve fotogrammetrii vyhodnocujeme častěji stereodvojice snímků než jednotlivé snímky. Pro
vyhodnocení překrývajících se snímků a získání stereo-vjemu je nutné provést jejich
orientaci. Orientace stereopáru a stereoskopické vyhodnocení má oproti jedno snímkovým
metodám svá specifika.
Při vyhodnocování mohou obecně nastat dva případy. V prvním případě známe prvky vnější
orientace a potom můžeme k orientaci přímo využít kolineárních rovnic a vlícovacích bodů.
V druhém případě neznáme prvky vnější orientace a určujeme je prostřednictvím tzv.
relativní a absolutní orientace.
Prvky vnější orientace jsou známy
Známe-li prvky vnější orientace můžeme určit hodnoty prvků matice rotace M a využijeme
kolineárních rovnic:
( )
)()()(
)()()(
33
''
32
''
31
13
''
12
''
11
fmyymxxm
fmyymxxm
ZZXX
OO
OO
Oo
−+−+−
−+−+−
−+=
( )
)()()(
)()()(
33
''
32
''
31
23
''
22
''
21
fmyymxxm
fmyymxxm
ZZYY
OO
OO
Oo
−+−+−
−+−+−
−+=
Změříme na obou snímcích snímkové souřadnice x1’, y1‘ a x2’, y2‘ určovaného bodu. Pro
libovolný bod se třemi neznámými skutečnými souřadnicemi X, Y, Z můžeme sestavit čtyři
kolineární rovnice (pro každý snímek ze sterepáru po dvou), které řešíme pro jednotlivé
geodetické souřadnice. Z rovnic pro 1. a 2. snímek vypočteme nejprve hodnotu zlomku a
označíme ji kx1, ky1 pro 1.snímek a kx2, ky2 pro 2. snímek.
Soustava čtyř rovnic má potom tvar:
10101 )( xkZZXX −+=
10101 )( ykZZYY −+=
20202 )( xkZZXX −+=
20202 )( ykZZYY −+=
Z nich můžeme vypočíst souřadnice X, Y, souřadnici Z vypočteme z 1. a 3. rovnice“
21
0110120202
xx
xx
kk
XkZkZX
Z
−
−+−
=
Prvky vnější orientace nejsou známy
Pro řešení orientace snímkové dvojice v případě neznámých prvků vnější orientace můžeme
použít jeden ze tří postupů:
• Určení prvků vnější orientace samostatně pro každý snímek (space resection)
• Určení prvků vnější orientace společně pro oba snímky (space forward intersection)
• Určení prvků vnější orientace ve dvou krocích: relativní a absolutní orientace
1. Určení prvků vnější orientace samostatně pro každý snímek (space resection)
Analogicky jako v případě jednosnímkových metod potřebujeme souřadnice minimálně 3
vlícovacích bodů na každém snímku. Pro každý vlícovací bod můžeme sestavit 2 kolineární
rovnice pro snímkové souřadnice x, y. Tyto snímkové souřadnice jsou funkcí šesti
neznámých prvků vnější orientace:
),,,,,( κϕωOOO ZYXfx =
),,,,,( κϕωOOO ZYXfy =
Z minimálně tří vlícovacích bodů získáme soustavu minimálně šesti rovnic, které řešíme pro
šest neznámých parametrů vnější orientace. Uvedený postup se označuje jako prostorové
66
protínání zpět (space resection). Jeho nevýhodou je potřeba velkého počtu vlícovacích bodů,
které navíc musejí být body úplnými (musíme znát všechny tři souřadnice X, Y, Z).
2. Určení prvků vnější orientace společně pro oba snímky (space forward intersection)
V případě stereopáru můžeme sestavit pro jeden úplný vlícovací bod 4 rovnice:
),,,,,( 1111111 κϕωOOO ZYXfx =
),,,,,( 1111111 κϕωOOO ZYXfy =
),,,,,( 2222222 κϕωOOO ZYXfx =
),,,,,( 2222222 κϕωOOO ZYXfy =
Pro libovolný určovaný bod P potom lze sestavit opět 4 rovnice, kde však jsou navíc tři
neznámé (Xp,Yp,Zp):
),,,,,,,,( 1111111 PPPOOO ZYXZYXfx κϕω=
),,,,,,,,( 1111111 PPPOOO ZYXZYXfy κϕω=
),,,,,,,,( 2222222 PPPOOO ZYXZYXfx κϕω=
),,,,,,,,( 2222222 PPPOOO ZYXZYXfy κϕω=
Vzhledem k počtu neznámých tak získáme soustavu rovnic s velkým počtem nadbytečných
rovnic. Neznámé prvky vnější orientace i souřadnice nových bodů získáme řešením této
soustavy s využitím vyrovnání metodou nejmenších čtverců.
Princip určení prvků vnější orientace společně pro překrývající se dvojici snímků metodou
prostorového protínání vpřed (space forward intersection) ukazuje obr. 8.1. Jak je
z obrázku patrné, paprsky procházející obrazem identického bodu P na levé a pravé
fotografii orientovaného stereopáru se v prostoru protínají v jednom bodě, pro který lze
sestavit čtyři rovnice kolinearity (2 snímky x 2 souřadnice).
Obr. 8.1. Určení souřadnic X,Y,Z na modelu vytvořeném ze sereopáru
Výhodou tohoto postupu je, že vyžaduje daleko menší počet vlícovacích bodů než v případě
předchozí metody a navíc lze použít i tzv. neúplné body. Řešení je např. možné, pokud
máme dva vlícovací body s rovinnými souřadnicemi a tři vlícovací body s výškami.
67
Příklad:
Máme k dispozici jeden úplný vlícovací bod, 2 body neúplné (známe jen x,y a další dva
neúplné body, kde známe pouze z. Určujeme souřadnice pěti nových bodů.
Počet neznámých: 2 * 6 prvků vnější orientace
5 * 3 souřadnic určovaných bodů
2 * 1 a 2 * 2 neznámých souřadnic vlícovacích bodů
Celkem: 33 neznámých
Počet rovnic: 5 + 5 tj. 10 bodů krát 4 rovnice pro každý z nich tj. 40 rovnic
3. Určení prvků vnější orientace ve dvou krocích: relativní a absolutní orientace
Orientace se provádí ve dvou krocích . Relativní orientací se vytvoří libovolně prostorově
orientovaný stereomodel. Ten je následně transformován pomocí vlícovacích bodů tzv.
absolutní orientací (pootočením, posunem a změnou měřítka) do gedetického souřadného
systému. Pro orientaci dvojice snímků potřebujeme znát 12 prvků vnější orientace (dva
snímky po šesti prvcích – tři souřadnice a tři úhly rotace). Při absolutní orientaci je určeno 7
prvků, zbývajících pět musí být určeno při orientaci relativní.
Relativní orientace
Relativní orientace je vzájemná orientace mezi oběma stereosnímky a zajišťuje se rotací
kolem os x, y a z – tedy nastavením původní pozice a úhlové orientace fotografií v době
jejich expozice.
Relativní orientace je určena bez vztahu k geodetickému systému souřadnic a proto
nevyžaduje vlícovací body, ale pouze body, které jsou dobře identifikovatelné na obou
snímcích stereoskopické dvojice. Stereoskopický model vznikne tehdy, nebudou-li rušivě
působit tzv. vertikální paralaxy q. Tato podmínka je obecně splněna, jsou-li vertikální
paralaxy odstraněny na pěti dobře rozmístěných orientačních bodech stereomodelu. Tedy
relativní orientace modelu je dosaženo, pokud se odpovídající si paprsky (tzv. homologické)
protnou alespoň v 5 bodech. Při určování prvků relativní orientace se vychází z různých
podmínek, jejichž splnění zaručuje vyřešení relativní orientace. Mezi tyto podmínky patří
podmínka koplanarity a podmínka nulových vertikálních paralax.
• podmínka koplanarity – odpovídající si paprsky stereodvojice musí ležet v jedné
rovině s fotogrammetrickou základnou. Tuto podmínku vyjadřuje obr. 8.2.
Obr. 8.2. Podmínka koplanarity při relativní orientaci stereopáru
68
Matematicky lze podmínku koplanarity vyjádřit součinem tří vektorů
• podmínka nulových vertikálních paralax – vertikální paralaxy jednotlivých bodů ve
stereoskopickém modelu jsou rovny nule (obr. 8.3)
Obr. 8.3. Podmínka nulových vertikálních paralax při relativní orientaci stereopáru
Prakticky se relativní orientace provádí dvěma postupy. Postup označovaný jako „nezávislá
dvojice“ spočívá v pouhé rotaci, kdy se snímky otáčejí, ale nemění polohu (mění se
orientace obou snímků). Druhý postup, tzv. „připojení snímku“ nechává první snímek fixní,
otáčí a posouvá se pouze druhý snímek.
Relativní orientace se řeší numericky s využitím kolineárních rovnic sestavených mezi
snímkovými (x’, y‘, z‘) a modelovými souřadnicemi (xm, ym, zm). Lze využít jakýchkoliv dobře
identifikovatelných bodů na snímcích, není třeba znát jejich geodetické souřadnice. Rovnice
se však většinou řeší pro body vhodně rozmístěné na stereopáru – např. podle tzv. von
Gruberova schématu (viz. obr. 8.4). Pokud se rozmístění bodů liší od ideálních poloh,
přesnost určení prvků relativní orientace klesá.
Obr. 8.4 Rozmístění bodů podle tzv. von Gruberova schématu
Během relativní orientace se určí pět neznámých prvků vnější orientace: rozdíl příčných úhlů
sklonu levého a pravého snímku dω=ω1 - ω2, podélný sklon levého a pravého snímku ϕ1, ϕ2,
pootočení levého a pravého snímku κ1,κ2.
69
(Pozn. V tomto případě jsou modelové souřadnice xm, ym, zm. souřadnicemi relativně orientovaného stereopáru a
nemusí mít osy rovnoběžné se systémem geodetických souřadnic – viz. odvození matice rotace).
Absolutní (geodetická) orientace řeší vztah mezi modelovými a geodetickými
souřadnicemi vlícovacích bodů a to posunem, pootočením a náklonem relativně
orientovaného modelu do referenčního geodetického systému souřadnic. Absolutní orientaci
můžeme vyjádřit vztahem:
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
+
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
=
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
'
'
'
z
y
x
kM
Z
Y
X
Z
Y
X
O
O
O
V tomto vztahu je sedm parametrů (Xo, Yo, Zo, ω,ϕ, κ, k) označováno jako prvky absolutní
orientace. Pro jejich určení je zapotřebí minimálně sedmi rovnic. Absolutní orientace zajišťuje
změnu měřítka tak, aby obrazy vlícovacích bodů na snímku se ztotožnily s jejich obrazy na
mapě. Určení zbývajících sedmi neznámých prvků vnější orientace se provádí nejčastěji
pomocí vlícovacích bodů metodou nejmenších čtverců s využitím rotační matice M (viz.
výše).
Absolutní orientace vyžaduje minimálně dva úplné vlícovací body a jeden výškový bod,
případně dva rovinné body a tři body výškové. Tyto body přitom nesmí ležet v jedné přímce.
V průběhu absolutní orientace stereopáru se určuje měřítko modelu (základna bx, X‘‘-X‘,
posun modelu ve směru os X, Y, Z, pootočení celého modelu a horizontace modelu.
Tvorba topografických map fotogrammetrickými metodami
Po provedení relativní a absolutní orientace stereopáru je možné provádět jeho
vyhodnocování. To může spočívat v možnosti určování geodetických souřadnic X,Y,Z
jakéhokoliv bodu na překrývajících se fotografiích. Jsou-li známy prvky vnější orientace,
potom v těchto čtyřech rovnicích jsou pouze tři neznámé – souřadnice X,Y,Z vyšetřovaného
bodu. Řešením soustavy čtyř rovnic obdržíme hledané geodetické souřadnice bodu.
Postupným řešením soustavy rovnic pro každý bod (pixel v digitálním snímku) lze např.
sestavit výškový model pro překrytovou část stereopáru. Tohoto postupu lze velmi výhodně
využít v případě digitální fotogrammetrie pro tvorbu DTM metodou tzv. obrazové korelace
(viz. dále).
Diferenciální překreslování, Stereoskopická kreslící zařízení.
Jednou z hlavních aplikací fotogrammetrických metod je přesné topografické mapování.
Přesnými přístroji, které slouží k tomuto účelu jsou tzv. stereoplottery (stereoskopická
kreslící zařízení – obr. 8.5). Stejně jako v případě celé fotogrammetrie, lze i stereoskopická
kreslící zařízení dělit na zařízení analogová, analytická a digitální. Jejich princip fungování
je však stejný. Je založen na rekonstrukci polohy všech bodů na stereoskopické dvojici
snímků. Paprsky jsou rekonstruovány analogovou či analytickou metodou a nebo pomocí
počítače (digitální stereoplotter).
Každá fotografie ve stereopáru je výsledkem projekce paprsků z terénu skrze optický systém
na snímkovou rovinu. Ve stereoplotteru je směr projekce opačný. Paprsky z fotografie jsou
promítány ve stejné relativní orientaci, ve které byly vytvořeny tak, že vytvářejí zdánlivý
trojrozměrný model z překrývajících se částí. Model lze nejenom prohlížet, ale lze na něm i
měřit a převést ho do mapy.
Klasický stereoplotter má tři základní součásti:
1. projekční systém (vytváří model terénu)
2. zobrazovací systém (umožňuje stereoskopické pozorování)
3. měřící systém (měření výšek či překreslování objektů na mapu)
70
Obr. 8.5 Analogový stereoplotter
Opticko mechanický stereoplotter
Stereomodel je promítán na stůl s malým světelným bodem ve středu. Tento bod je „plovoucí
značkou“, jejíž výšku lze upravovat pohybem stolu ve vertikálním směru tak, aby tato
měřičská značka se nacházela přímo na povrchu stereomodelu. Protože stereomodel byl
absolutně orientován ke skutečným souřadnicím, lze výšku měřičské značky převést přímo
na nadmořskou výšku. Objekty ze snímku jsou přenášeny planimetricky jejich
„překreslováním“ a upravováním polohy plovoucí značky tak, aby byla vždy v kontaktu se
stereomodelem. Tímto „diferenciálním“ překreslováním jsou postupně odstraněny chyby
vzniklé centrální projekcí a nestejnou výškou objektů. Uvedený způsob dovoluje překreslovat
vrstevnice - výška měřičské značky (stolu) se upraví na určitou (nadmořskou) výšku vrstevnici
- a plovoucí značkou se pohybuje po stereomodelu tak, aby se ho neustále
dotýkala. Poloha měřičské značky je spojena se souřadnicovým zapisovačem, který
vykresluje postupně prvky výsledné topografické mapy.
Analytický stereoplotter - Stereomodel je vytvářen matematicky, za pomoci výpočetní
techniky. Systém nemá optická či mechanická omezení, je přesnější. Do počítače se
zadávají podpůrná data pro vnitřní orientaci. Externí orientace (relativní a absolutní) probíhá
automaticky na základě znalosti přesné polohy rámových značek a několika vlícovacích
bodů.
Obr. 8.6 Schéma analytického stereoplotteru
71
Tvorba ortofoto
„Ortografická fotografie“ vzniká na základě odstranění všech distorzí včetně relativních změn
v poloze objektů vzniklých v důsledku jejich rozdílné nadmořské výšky. Ortofoto může být
vytvářeno v analogové i digitální podobě, princip vzniku u obou forem je podobný.
V analogové podobě je ortofoto vytvářeno v přístroji zvaném ortofotoskop (obr. 8.7).
Ortofotoskop je založen na stejném principu jako výše popsaný stereoplotter, avšak na místo
překreslování vybraných objektů do mapy jsou postupně přenášeny všechny body
stereomodelu fotografickou cestou do tzv. negativu ortofoto. Měřickou značku v uvedeném
přístroji vytváří úzká štěrbina, kterou dopadá světlo na film. Skrze štěrbinu je malá plocha
negativu exponována. Štěrbina skenuje zdánlivý model vytvořený ze stereopáru v úzkých
proužcích. V průběhu skenování operátor udržuje výšku držáku s filmem v takové výšce, aby
se štěrbina opět neustále dotýkala povrchu stereomodelu. Uvedený způsob vzniku ortofoto
se také označuje jako „on line“. Naproti tomu „off line“ způsob nejprve skenuje
stereomodel plovoucí měřickou značkou a její výška je vždy zaznamenávána v digitální
podobě na vhodné médium. Těchto záznamů je následně využíváno pro automatické
nastavování výšky držáku s filmem a jeho exponování. Tento způsob umožňuje upravit
rychlost skenování podle komplexnosti terénu.
Obr. 8.7 Princip tvorby ortofotomapy
Princip tvorby ortofoto ze steroskopické dvojice snímků je založen na odečítání výšek
jednotlivých elementárních částí obrazu. Nositelem informace o výšce je rozdíl horizontálních
paralax. K jeho určení je nutné identifikovat totožné (sdružené) body na levém a pravém
snímku a odečíst jejich snímkové souřadnice.
Pokud se ze stereopáru vytváří zdánlivý model zpracovávaného území, lze sdružené body
identifikovat pomocí měřické značky nastavované na zdánlivý model (viz. obr. 8.7).
V případě digitálních snímků lze celý proces zautomatizovat s využitím algoritmů obrazové
korelace (viz. dále).
72
Snímkové triangulace a využití vlícovacích bodů ve fotogrammetrii
Pro výpočet prvků vnější orientace je v současné době stále ještě nutné použití tzv.
vlícovacích bodů. Přesné určení jejich souřadnic je rozhodující pro přesnost většiny
fotogrammetrických produktů.
Vlícovací body (GCP - Ground Control Points)
V minulosti se geodetické souřadnice vlícovacích bodů určovaly triangulací a byly vyznačeny
přímo v terénu. V současnosti jsou zaměřeny pomocí GPS a vyvrtány do negativu LMS před
jeho skenováním. Vlícovací body mohou být horizontální – je známo X, Y a nebo body
vertikální (známa souřadnice Z). Nejlepší jsou body se všemi třemi souřadnicemi X, Y, Z.
Body mohou být signalizované (značené) a nesignalizované. Běžné druhy nesignalizovaných
bodů představují:
• křížení komunikací a jiných linií na zemském povrchu
• objekty infrastruktury (hydranty, studny, paty sloupů, …)
• styk hranic zemědělských ploch (?!)
Současné způsoby určování souřadnic GCP:
• klasická geodetická měření (přesnost mm až cm)
• měření totálními stanicemi (přesnost mm až cm)
• pozemní měření metodou GPS (přesnost cm až m)
• určování z topografických map (přesnost závisí na měřítku a přesnosti mapy – řádově
metry)
• digitální ortorektifikované snímky (lze určit X a Y v závislosti na měřítku ortofoto)
• DEM pro určování Z souřadnice (přesnost závisí na měřítku a rozlišení modelu terénu
– řádově metry)
Z metod využívajících postupů aerotriangulace (viz. dále) vyplývá, že je potřebný více než
minimální počet GCP. Minimální počet GCP závisí na počtu snímků a velikosti projektu.
Teoretické minimum je dva body s X, Y a Z souřadnicemi a jeden bod s Z souřadnicí – tedy 7
měření. Toto minimum sedmi měření postačuje k určení sedmi parametrů absolutní
orientace, kterými určíme vztah mezi snímkovýni (image space) a reálnými souřadnicemi
(object space):
• změna měřítka
• tři hodnoty X, Y a Z určující rozdíl v poloze
• tři hodnoty rotačních úhlů (ω, ϕ, κ) zaznamenávajících rozdíly v orientaci
Jednoznačné řešení tedy vyžaduje znalost minimálně sedmi parametrů. Znalost souřadnic
dalších GCP je nezbytná k zvýšení přesnosti vyrovnání. Následující scénáře uvádějí
potřebný (optimální) počet parametrů:
Zpracování jednoho snímku - minimální počet GCP je tři u nichž jsou známy X, Y a
Z souřadnice a body jsou vhodně rozmístěny (neleží v přímce)
Zpracování řady snímků – je doporučeno mít dva GCP pro každý třetí snímek. Pro zvýšení
přesnosti se navíc doporučuje mít tři body na začátku a konci řady (viz. obr. 8.8)
Obr. 8.8 GCP body pro zpracování řady snímků
73
Zpracování bloku snímků – v závislosti na počtu snímků v bloku vytvářejí GCP síť. Je
doporučeno mít minimálně jeden bod na každý třetí snímek v bloku. Pokud to umožňuje větší
překryv snímků je výhodné mít body v místech vícenásobných překryvů. Dále je vhodné mít
GCP rozmístěny po vnějších okrajích bloku (viz. obr. 8.9)
Obr. 8.9 GCP body pro zpracování bloku snímků
Vázací body (tie points)
Jsou to body, jejichž geodetické souřadnice nejsou známy, jsou však dobře lokalizovatelné a
tedy změřitelné na překrývajících se částech dvou či více snímků. Reálné souřadnice těchto
bodů jsou vypočteny v procesu aerotriangulace. Vázací body mohou být určovány manuálně
i automatickým vyhledáváním. Musí být definovány na všech snímcích a to v místech
s dobrým kontrastem obrazu. Dále by měly být vhodně rozmístěny po ploše snímku.
Typickou konfiguraci devíti vázacích bodů vhodnou pro aerotriangulaci a rozmístění vázacích
bodů v bloku snímků se standardním podélným překryvem 60% a 25-30% příčným
překryvem ukazuje obr. 8.10.
Obr. 8.10 Vhodné rozmístěni vázacích bodů pro aeritriangulaci na jednom snímku a na bloku
snímků
Automatický sběr vázacích bodů
Manuální sběr souřadnic vázacích bodů je značně namáhavý a neekonomický. Proto byla
v posledních letech věnována značná pozornost zautomatizování tohoto procesu. Existuje
několik metod, většina je založena na obrazové korelaci. Algoritmy mimo jité také
automatizují transfer vázacích bodů na překrývajících se snímcích, detekci hrubých chyb,
výběr bodů apod.
74
Snímkové triangulace (Aerotriangulace)
Metody GPS značně zjednodušily práce spojené s určováním souřadnic vlícovacích bodů ve
srovnání s jejich určováním klasickými geodetickými metodami. Práce spojené se
získáváním souřadnic vlícovacích bodů stále významně ovlivňují jak přesnost, rychlost i
hospodárnost fotogrammetrických prací. Pro projekty mapování zpracovávající více než dva
snímky je využití výše zmíněných technik zpětného protínání (metoda pro jeden snímek se
třemi lícovacími body) a prostorového protínání vpřed (metoda pro překrývající se dvojici
snímků s využitím kolineárních rovnic) omezené. Například prvky vnější orientace nejsou
dostatečně přesně známy pro všechny snímky. Metodami GPS a IMS jsou určeny pouze
jejich první přibližné aproximace. Metody dále vyžadují velký počet GCP. Např. zpracování
30 snímků metodou zpětného protínání vyžaduje minimálně 90 GCP. Navíc jejich zaměření
je časově i finančně náročné. Z těchto důvodu byly vyvinuty metody tzv. snímkových
triangulací. Snímkové triangulace řeší, jak se vyhnout měření velkého množství bodů,
případně jak překlenout území bez vlícovacích bodů. Princip aerotriangulace může
vyjadřovat obr. 8.11.
Obr. 8.11Princip aerotriangulace
U metod snímkové aerotriangulace jsou parametry vnější orientace určeny pro všechny
snímky v bloku vyrovnáním metodou nejmenších čtverců. Je to statistická metoda, kterou se
definuje vztah mezi všemi snímky v bloku, kamerou a terénem. Přitom se hledá řešení
s nejmenší možnou chybou, která je zároveň rozdělena (distribuována) do všech
vyrovnávaných GCP bodů (a tedy i snímků).
Obr. 8.12 Schematické znázornění komplexního a etapového řešení analytické
aerotriangulace
Svazkové vyrovnání bloku
Metody analytické aerotrinagulace lze rozdělit na metody využívající etapového řešení a
metody komplexní. Při tzv. komplexním řešení (obr. 8.12 vlevo) se všechny modely orientují
současně metodami relativní a absolutní orientace s využitím vyrovnání souřadnic
vlícovacích bodů. Tento postup je dnes nejvyužívanější a označuje se jako svazkové
vyrovnání bloku (block bundle adjustment). Výpočet probíhá na základě kolineárních rovnic
(viz. kapitola 5) iteračním postupem (opakovaným výpočtem), kdy na počátku jsou určeny
75
přibližné hodnoty neznámých, které se v následujících iteracích dále zpřesňují. Neznámými
jsou jednak prvky vnější orientace, jednak souřadnice nově určovaných bodů. Přibližné
hodnoty neznámých prvků vnější orientace se získávají z měření GPS a nebo jsou
souřadnice projekčních center určeny v projektu snímkového letu (vykreslením do mapy a
odečtením souřadnic). V případě blokového vyrovnání se jedná o řešení rozsáhlých soustav
rovnic, které jsou tzv. „silně přeurčené“. To znamená, že máme k dispozici větší počet rovnic
než počet neznámých. Každý podrobný bod P určovaný na stereopáru přináší 4 rovnice (2
snímky X 2 souřadnice x,y) a dále tři neznámé souřadnice XP, YP, ZP. Vyrovnání potom
probíhá metodou nejmenších čtverců.
Při etapovém řešení (obr. 8.12 vpravo) se postupně sestavují do jednoho bloku jednotlivé
snímky řešením jejich vzájemné orientace. Tedy snímkové souřadnice ze všech snímků se
transformují do soustavy prvního snímku, například za podmínky, že body předcházejícího
modelu musí ležet na odpovídajících si paprscích modelu následujícího.
Příklad metody blokového vyrovnání
Obr. 8.13 Dvojice překrývajících se snímků s lícovacími a vázacími body
Jak je patrné z obrázku 8.13 máme dva překrývající se snímky se třemi vlícovacími body
(GCP), jejichž geodetické souřadnice X, Y, Z známe. Dále je k dispozici šest tzv. vázacích
bodů (tie points). Nyní je třeba sestavit rovnice kolinearity. Pro každý měřený GCP bod
máme dvě snímkové souřadnice (x, y). Tedy lze sestavit dvě kolineární rovnice pro
definování vztahu mezi GCP bodem a jeho obrazem na snímku. V metodě svazkového
blokového vyrovnání se tyto označují jako pozorovací (observační rovnice). Tedy GCP bodu
A měřenému na překrývající se části obou snímků příslušejí čtyři kolineární rovnice:
kde xa1, ya1 jsou snímkové souřadnice na prvním (levém) snímku a xa2, ya2 jsou snímkové
souřadnice na druhém (pravém) snímku a dále Xo1, Yo1, Zo1 resp. Xo2, Yo2, Zo2 jsou tři prvky
vnější orientace prvního resp. druhého snímku. Členy m11 až m33 resp. m’11 až m‘33 jsou
prvky rotační matice pro první resp. druhý snímek.
76
Jsou-li tedy k dispozici 3 GCP na překrývající se části dvou snímků, lze sestavit 12
kolineárních rovnic (4 rovnice pro každý GCP). Navíc, pokud bylo změřeno 6 vázacích bodů
na překrývající se části dvou snímků, lze z nich sestavit dalších 24 rovnic. Tedy celkem je
k dispozici soustava 36 rovnic.
Tato soustava rovnic má pro výše uvedený scénář následující počet neznámých:
• Šest prvků vnější orientace pro levý snímek (Xo1, Yo1, Zo1, ω1, ϕ1, κ1)
• Šest prvků vnější orientace pro pravý snímek (Xo2, Yo2, Zo2, ω2, ϕ2, κ2)
• Osmnáct souřadnic X, Y, Z pro šest vázacích bodů
Celkový počet neznámých je tedy 30. Celková kvalita svazkového vyrovnání bloku metodou
nejmenších čtverců je funkcí redundance (nadbytečnosti). Ta je rozdílem počtu známých
parametrů vzhledem k počtu neznámých parametrů v soustavě rovnic. V našem případě tedy
36 (známých) minus 30 (neznámých) dává 6 nadbytečných rovnic. Tento počet se označuje
jako stupně volnosti.
Metoda nejmenších čtverců (MNČ) je v rámci svazkového vyrovnání využita k následujícím
výpočtům:
• odhad a vyrovnání prvků vnější orientace
• odhad souřadnic X, Y vázacích bodů
• odhad a vyrovnání prvků vnitřní orientace
• minimalizace a distribuce (vyrovnání) chyb v souřadnicích GCP ve svazku
Přitom celková nepřesnost vyrovnání bloku může souviset s nepřesnostmi souřadnic
vstupních GCP, ale i měřených souřadnic vlícovacích i vázacích bodů, kalibračními
konstantami kamery, systematickými chybami apod.
MNČ je iterační výpočet, který probíhá tak dlouho, něž je chyba reziduí minimální. Přitom
rezidua jsou rozdílem mezi hodnotami vstupními (změřenými) a hodnotami vypočtenými
z modelu (ze soustavy kolineárních rovnic).
Na počátku do výpočtu vstupují inicializační hodnoty prvků vnější orientace, které získáme
z měření GPS a IMS. MNČ jsou zjištěny korekce, o které se v další iteraci hodnoty opraví.
Tento iterační výpočet zpřesňování hodnot prvků vnější orientace probíhá tak dlouho, dokud
korekce neznámých parametrů nejsou menší než uživatelem zadaná prahová hodnota
(běžně označovaná jako hodnota konvergence).
Výsledkem svazkového vyrovnání bloku jsou:
• konečné hodnoty parametrů vnitřní orientace pro každý snímek v bloku a jejich
přesnost
• konečné hodnoty parametrů vnější orientace pro každý snímek v bloku a jejich
přesnost
• souřadnice X, Y, Z vázacích bodů a jejich přesnost
• vyrovnané hodnoty souřadnic GCP a jejich reziduální hodnoty
• reziduální hodnoty snímkových souřadnic
Hodnoty poskytované metodou svazkového vyrovnání pak slouží k řešení těchto úkolů:
• tvorba stereomodelu
• fotogrammetrický sběr dat (feature collection)
• přesné určování 3D polohy bodů
• extrakce DEM
• ortorektifikace
Postupů aerotriangulace se používá také jako metody tzv. připojování snímků. Snímky mají
standardní překryt 60 % a po provedení orientace prvního modelu vzniká každý další model
přímým připojením snímku k předcházejícímu modelu. Postupně tak dostáváme model
celého pásu. Volí se tzv. spojovací body v oblasti trojnásobného překryvu (nahoře, dole a
uprostřed). Krajní body tvoří trojúhelníkový řetězec a vytváří se trojúhelníková síť (obr. 8.14).
77
Obr. 8.14 Aerotriangulační síť
V procesu aerotriangulace se využívá metod označovaných jako self-calibration k odstranění
systematických chyb, proces dále obsahuje algoritmy k detekci hrubých (řádových) chyb –
tzv. robustní algoritmy. Jsou založeny na systému vah při MNČ. Hodnoty souřadnic GCP
by měly mít v procesu vyrovnání větší přesnost a tudíž větší váhu než vázací body. Možnost
odhalit hrubé chyby také přímo souvisí s počtem vázacích bodů. Současné postupy
umožňují jejich automatické vyhledávání (viz dále).
Metody snímkové triangulace dále umožňují zahustit přímo fotogrammetrickou metodou
bodové pole s dostatečnou přesností, tak aby bylo nové body možné použít jako vlícovací.
Nutnost pracného geodetického zaměřování těchto bodů klesá na minimum. Postupy jsou
analogové, grafické i mechanické. Analytické určování souřadnic vlícovacích bodů dovoluje
řešit úlohy, které jich potřebují velké množství a dříve byly obtížně řešitelné (např. tvorba
modelu terénu). Snímkové aerotriangulace tedy s využitím vlícovacích bodů základního
bodového pole počítají souřadnice dalších bodů a vytvářejí tak kostru podrobného bodového
pole.
Pro snímkovou triangulaci se někdy využívá snímků ze speciálního náletu zpracovávaného
území, pořízených z větší výšky z důvodů redukce počtu snímků. Např. pro tvorbu
topografických map ZM 1: 10 000 bylo zhušťování bodového pole prováděno se snímky
v měřítku 1 : 25 000.
Aerotriangulace se využívá se využívá především pro tyto úkoly:
• blokové vyrovnání snímků
• zahuštění bodového pole vlícovacích bodů pro podrobné vyhodnocení
• pro digitální ortofoto
• pro extrakci DTM
Vyhodnocovací přístroje
Přístroje pro přesná vyhodnocování se podle stupně obnovy prvků vnější orientace (PVO)
dělí do těchto 4 skupin (Pavelka, 1998):
1. Stroje s obnovením PVO – analogové analytické a semianalytické
2. Stroje s přibližným řešením – stereotop, stereokord
3. Stroje bez obnovy PVO – stereoskopy, interpretoskop, stereopret
4. Komparátory – mono a stereo
78
Analogové přístroje
Používaly se většinou do konce 80. let. Byly velmi přesné a kvalitní, často v závěru
propojovány s počítači. Veškeré postupy se dějí na principu analogie modelu se skutečným
stavem. Nevýhodou je nutnost odborného zaškolení, nutnost provádění mechanické údržby.
Výstupem je jediný originál. Později vybaveny registrátory souřadnic. Dosahovaná přesnost
se pohybuje u snímkových souřadnic (střední chyba) do 10 mikrometrů, střední chyby
v určení výšek do jednoho promile z výšky letu (h).
Dělí se na stroje
• s optickou projekcí – do projektoru se založí snímky a projektory se nastaví do takové
polohy, jako byla komora při snímkování – orientace snímků. Vytvoří se skutečný
stereoskopický model, který se proměřuje skutečnou měřickou značkou. Projektorů je
v rámu zavěšeno několik – lze tak rekonstruovat celý pás snímků. Hlavní představitel –
projekční multiplex. Tzv. srereoplanigraf vytváří neskutečný, zdánlivý model
• s mechanickou projekcí – modernější – nemají objektivy, ale kardanové závěsy pro
řídící tyče, které nahrazují promítací paprsky. Na horním konci tyče je měřická značka,
spodní konec je na základovém vozíku. Umožňují vyhodnocovat snímky pořízené
různými komorami (nemají objektiv). Nemají optické části choulostivé na poškození, ale
naopak se např. musejí uchovávat v prostředí se stálou teplotou – tepelná roztažnost
kovů (laboratorní).
Příklady analogových přístrojů: Topokart (Zeiss) používá rovinná pravítka na místo tyčí, má
nastavitelnou konstantu komory. Autograf A-7 a A-10 (Wild) se vyznačuje vysokou
přesností, možností provádět aerotriangulaci. Má nastavitelné f v rozsahu od 86 do 310 mm.
Lze k němu připojit mechanický kreslící stůl a registrační zařízení. Autograf A-10 obsahuje
zřízení na odstranění vlivů zakřivení země a atmosférické refrakce, umožňuje zpracování
snímků o rozměru 23 x 23 cm. Výškopis se na analogových přístrojích vyhodnocuje metodou
určování uzlových bodů mřížky a výškovým určením význačných bodů s následnou
interpolací.
Analytické stroje
Analytické metody fotogrammetrie byly známy po dlouhou dobu, z důvodů početní náročnosti
nebyly dlouho implementovány. Až po uvedení počítačů dostatečně rychlých s dostatečnou
pamětí. Měření snímkových souřadnic na mono či stereokomparátorech je absolutně
nejpřesnější. Máme-li snímkové souřadnice jednotlivých bodů, lze je početně opravovat o
nejrůznější vlivy. Výstupy lze uchovávat v digitální podobě. Princip analytického
vyhodnocovacího přístroje navrhl Helava v r.1957. Základem je stereokomparátor s
motorickým pohybem snímků založených v nosičích, digitální odečítání polohy ovládacích
prvků a výkonný počítač s obslužným programem.
Postup vyhodnocování: Založí se snímky a dostředí na značky. Do počítače se vloží prvky
vnitřní orientace, soubor s měřeným rámovými značkami, zavedou se případné eliminace
chyb (např. radiální distorze). Dále se zadá soubor se souřadnicemi vlícovacích bodů.
Ručními koly se nastaví levý obrazový bod. Poté se nastaví totožný bod i na pravém snímku
tak, že měřická značka je viděna stereoskopicky jako jeden bod. V tomto okamžiku jsou
známy snímkové souřadnice pro určovaný bod na obou snímcích. Tento postup se aplikuje
na rámové značky a takto se provede vnitřní orientace. Dále proběhne vnější orientace –
jako komplexní či ve dvou krocích (relativní a absolutní) s využitím vlícovacích bodů. Dále se
zapojí i nožní kotouč, kterým se odečítají souřadnice bodů x, y, z a okamžitě se transformují
na geodetické souřadnice X, Y, Z.
Přesnost je srovnatelná s precizními komparátory. Snímkové souřadnice jsou odečítány
s přesností 0,5-1 mikrometr, skutečná přesnost se pohybuje v rozmezí 1-4 mikrometry.
Přesnost ve výškách se udává 0,03 promile h (m).
Pro podrobné vyhodnocení je dodávána celá sada podprogramů (kartografické značky,
moduly pro DTM, automatická tvorba vrstevnic plynulou kresbou, moduly pro analytickou
79
aerotriangulaci., tvorbu profilů, měření bodů v pravidelné mřížce (gridu) pro DTM, počítačem
se určí krok gridu a automaticky se najíždí na vrcholy gridu, zpracovatel pouze výškově
dorovná měřickou značku, lze ukládat souřadnice lomových bodů v časovém či polohovém
intervalu. Vylepšení umožňují promítnout vektorovou mapu do obrazu – vyhodnocování
změn. Analytické přístroje komunikují s plotrem, na kterém se vykresluje originál – a to on
line či off line.
První analytické plottery vzniky v polovině 70. let: PLANICOMP (Opton Oberkochen) –
digitální mapování, analytická aerotriangulace, DTM. Speciální P kurzor, tablet, Spolupracuje
s ARC/INFO, Microstation. Dalšími příklady analytických plotterů jsou SD 3000, SD 2000
(Leica, dnes LH Systems) či DICOMAT (Zeiss). Přesnost vyhodnocení se pohybuje v řádu
jednotek mikrometrů.
Obr. 8.15 Příklad analogového přístroje s mechanickou projekcí
Obr.8.16 Příklad analytického stereoplotteru