УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ГРАЂЕВИНСКИ ФАКУЛТЕТ
КАТЕДРАЗА ГЕОДЕЗИЈУ И ГЕОИНФОРМАТИКУ
Фотограметрија и даљинска детекција 2
Вежба број 5
Мерења дигиталног модела терена (ДТМ) и орторектификација
Садржај
1
2
Дигитални модел терена ..................................................................................................... 3
1.1
Интерполације код дигиталног моделирања терена ............................................................... 3
1.2
Основни типови ДМТ- а ........................................................................................................... 3
Орторектификација ............................................................................................................ 6
2.1
Орторектификација коришћењем ДТМ-а ................................................................................ 7
3
Модул за генерисање дигиталног модела висина (D.E.M Generator) ......................... 8
4
Задатак ................................................................................................................................. 13
2
Дигитални мпдел терена
1 Дигитални модел терена
Дигитални модел терена - ДМТ (Digital Terrain Model - DTM) је просто статистичка
представа континуалне површи земљишта преко великог броја изабраних тачака са познатим X, Y
и Z координатама у произвољном координатном систему. У страној литератури је до сада у
употреби више сличних дефиниција и назива. Неки од њих се односе на исте или сличне ствари,
док се неки значајно разликују, па о томе треба водити рачуна. У пракси се најчешће срећу следећа
два назива:
 Дигитални модел висина - ДМВ (Digital Elevation Model - DEM или ређе Digital Height
Model - DHM) се по правилу односи на систем висина у правилној мрежи тачака, и
обично је то правоугаони растер који прекрива површ терена.
 Дигитални модел терена - ДМТ (Digital Terrain Model - DTM) представља много
сложенији и свеобухватнији концепт, који укључује не само висине тачака већ и друге
карактеристике терена (прекидне и структурне линије терена, карактеристичне тачке, и
сл.). Поред ових, може садржати и неке изведене информације, као што су нагиби,
аспекти, видљивост и слично. У ужем смислу ДМТ представља рељеф терена, док у
ширем он може да обухвати поред рељефа и објекте и појаве који се налазе на површи
терена (Digital Surface Model – DSM).
1.1 Интерполације код дигиталног моделирања терена
Код дигиталног моделирања терена интерполација има изузетан значај. Задатак
интерполације је да се на основу података мерења, која се састоје од измерених висина у
појединим тачкама терена и неких карактеристика терена (структурне и прекидне линије и сл.),
што реалније математички представи површ терена. Код ДМТ-а се интерполација користи не само
за прорачун висина већ и за представљање других појава везаних за терен као што су вредности
нагиба, правци нагиба и сл. Поред ових површинских интерполација, у дигиталом моделирању
терена се интерполација користи и за представљање кривих линија (углавном су то криве у равни,
а понекад и у простору. Најчешће се примењује код глачања разних изолинија (изохипсе, линије
једнаких нагиба, линије једнаких висинских разлика и сл).
Интерполација се користи у фази израде ДМТ-а, али и касније, током његове експлоатације.
У фази израде ДМТ-а интерполација је нарочито битна због провере квалитета ДМТ-а. ДМТ се
генерише за сет података који оператер контролише. Интерполоване изохипсе (приказане у
стереоскопском моду) помажу опрератеру да провери квалитет прикупљених података и уочи
евентуалне грешке.
1.2 Основни типови ДМТ- а
Као што се да закључити из саме дефиниције ДМТ-а, за представљање реалне површи
терена у дигиталном облику се користи један дискретизовани модел. Овај модел се обавезно
састоји из одабраних тачака са тродимензионалним координатама које на довољно
репрезентативан начин описују површ модела. Осим ових тачака, за постизање што боље
представе терена, у модел се уграђују и друге корисне информације, као што су карактеристичне
3
Дигитални мпдел терена
линије терена, подаци о заравњеним површинама и сл. Уз све ове податке се обавезно дају и
методе које на основу овако реализоване дискретне представе терена, а користећи све додатне
информације о терену, дају једну континуалну површ терена.
У зависности од тога како је решен избор тачака и других неопходних података за
представљање површи терена које се чувају у оквиру ДМТ-а, те начина на који су ти подаци
организовани, може се генерално говорити о два основна типа ДМТ-а:
системи базирани на подацима уређеним у правилну мрежу тачака - грид и
системима који податке држе у облику мреже неправилних троуглова тј. TIN-у (TIN
- Triangulated Irregular Network), где су тачке са познатим висинама темена
троуглова.
Слика 1.1 : Типови ДМТ-а
ДМТ са правилном мрежом тачака
Организовање података ДМТ-а на бази правилне мреже тачака представља најједноставнији
начин моделирања површи терена (Слика 1.2). Мрежа се обично састоји из квадрата чија темена
представљају тачке са познатим висинама, али постоје и решења која су базирана на мрежама са
правоугаоницима, правилним троугловима или шестоугаоницима. У даљем тексту ће се
претпостављати да се ради о мрежи квадрата (ређе правоугаоника) за коју се обично у литератури
користи термин "грид".
Слика 1.2 : ДМТ са правилном мрежом тачака
Оваква организација података представља израз тежње да се на један систематски начин
површина терена прекрије тачкама довољне густине, а да се при томе омогући што једноставнија
манипулација овим подацима.
4
Дигитални мпдел терена
Примењени алгоритми за манипулацију подацима су, у поређењу са онима који се користе
код модела са другачијом организацијом података, једноставнији и ефикаснији. Захваљујући
једноставној организацији и брзој манипулацији подацима, на овај начин се може релативно лако
успоставитити модел терена који прекрива територију целе једне државе, са изузетно великим
бројем тачака (више милиона) без већих губитака у перформансама система.
Међутим, јавља се проблем избора оптималне густине тачака, тј. величине грида. Тако је она
за поједине делове терена непотребно велика, док је у другим недовољна да би се представили
најситнији земљишни облици. Резултат представља релативно велика редундантност података и
генералисана представа терена са мало карактеристичних детаља. Решење које се код неких
система користи за превазилажење овог проблема је слично ономе примењеном код прогресивног
самплинга, и заснива се на кориштењу грида променљиве величине. Подаци се организују по
хијерархијском принципу тако да се на највишем нивоу налази најкрупнији, а на најнижем
најситнији грид. На нивоима са ситнијим гридом се чувају подаци само уколико за то постоји
потреба. Као последица тога добија се нешто компликованија структура података и сложенији
алгоритми за манипулацију њима, али су губици у брзини рада релативно мали с обзиром на
уштеде у меморијском погледу. Додатно побољшање квалитета интерполације код ових модела
представља уградња карактеристичних линија терена у базу ДМТ-а.
Додатни проблем код оваквих дигиталних модела је да се често, сем у случајевима
фотограметријске реституције на дигиталним фотограметријским системима, не располаже са
висинама мереним непосредно у тачкама мреже ДМТ-а. Ово у извесној мери умањује
перформансе овако конципираних ДМТ-а. То се пре свега огледа у брзини израде дигиталног
модела терена, где утрошак времена на прорачуну (интерполацији) висина у тачкама грида може
да представља изузетно велики део укупног посла. Други недостатак у том случају представља и
то што се за даље прорачуне користе интерполоване, а не директно мерене висине, што може
значајно умањити тачност ДМТ-а.
ДМТ базиран на мрежи неправилних троуглова
Суштина приступа код оваквог ДМТ-а је да се површ терена дискретизује просторним
непреклапајућим троугловима (Слика 1.3). Темена троуглова, који су у општем случају
неправилног облика, су тачке са познатим висинама - обично резултат непосредних мерења. Уз
познате координате тачака троуглова у модел се могу једноставно уградити и друге неопходне
информације, као што су карактеристичне линије терена и површине са посебним значењем
(заравњене површине, површине у којима не треба вршити конструкцију изохипса и сл.), што се
реализује додељивањем одговарајућих атрибута тачкама, линијама или површинама самих
троуглова.
5
Ортпректификација
Слика 1.3 : ДМТ базиран на мрежи неправилних троуглова
Модели који се заснивају на овом принципу се данас све више користе за дигитално
моделирање терена, нарочито у инжењерским применама. Разлог за то је пре свега чињеница да се
у бази података код ових ДМТ-а чувају тачке са директно мереним висинама, а не тачке са
интерполованим висинама, као што је то углавном случај код модела базираних на гриду. Поред
тога, распоред тачака у моделу зависи од конкретне ситуације на терену, па се са минималном
количином редундантних података може врло ефикасно моделирати површ терена. Увођење
додатних информација као што су преломне и прекидне линије терена и површине са посебним
значењем је једноставно и уопште не ремети основну структуру података.
Примедба која се може ставити на рачун оваквог приступа се односи на компликованију
структуру података, па самим тим и компликованије и спорије анализе са овим моделима. Ово
нарочито долази до изражаја код ДМТ-а са изузетно великим бројем тачака. Поред тога,
визуелизацију ДМТ-а је далеко лакше остварити преко правилне мреже тачака, него преко мреже
троуглова, па се код ових модела обично пре израде перспективних приказа иде на претходну
интерполацију висина тачака у правилној мрежи, што додатно умањује брзину рада. Ови модели
се врло често користе код примена при интерактивном пројектовању разних објеката, као и за
контролу прикупљања примарних података ДМТ.
2 Орторектификација
Ректификација топографске карте је веома једноставан процес, потребно је узети неколико
контролних тачака (X, Y), измерити њихове позиције на карти, и применити просту афину
трансформацију у равни. Разлог да тако просто 2Д решење води ка добрим резултатима је у
чињеници да је карта направљена са такозваном стереоскопском пројекцијом где су сви
пројекциони зраци паралелни и управни (ортогонални) на пројекцијску раван. Међутим ако се
жели ректификовати аероснимак мора се решити неколико проблема, многи од њих потичу од
рељефа (природног и вештачког) и централне пројекције (Слика 2.1), доводећи до радиално симетричних померања. Централна пројекција је предуслов за стереоскопско посматрање и 3D
мерење, али код ректификације аероснимака може довести до компликација.
6
Ортпректификација
Слика 2.1 : Централна пројекција - разлика дужина d1 и d2 (горње и доње ивице) објекта
Решење или продукт који се добија након ректификације аероснимака назива се ортофото
или орто снимак.
Дигитални ортофото јесте дигитални снимак површи терена начињен из ваздуха који је
подвргнут дигиталној орторектификацији ради отклањања ефеката: централне пројекције,
позиције и нагиба камере(сензора) и рељефа терена.
Разлози за израду дигиталних ортофотоа су следећи:
хронични недостатак ажурних геодетских подлога
дуг рок и висока цена израде нових подлога
дигитална геодетска подлога – услов изградње сваког просторног система
вишенаменски аспект геодетских подлога – услов за снижавање трошкова.
Омогућава:
повезивање суседних планова у целину
приказивање у произвољној размери
дигиталну обраду (контраст, боја, анализе, ...)
положајну тачност
коришћење свих информација садржаних у изворном снимку.
2.1Орторектификација коришћењем ДТМ-а
Ако нпр. имамо један или више комплетно оријентисаних снимка (позната унутрашња и
спољашња оријентација) и информацију о површини терена, креиран дигитални модел терена
(ДТМ), тада једино што треба да се уради јесте да пошаље зрак кроз сваки пиксел снимка управно
ка земљи (Слика 2.2).
7
Мпдул за генерисаое дигиталнпг мпдела висина (D.E.M Generator)
Слика 2.2 : Орторектификација снимка на основу ДМТ-а
Пресек зрака и површ терена дају тачну позицију почетног пиксела нашег излазног
снимка. Овај процес, остварен пиксел по пиксел, понекад се назива диференцијална ректификација
(differential rectification) или орторектификација (orthorectification). Орторектификација је у ствари
геометријска корекција снимака који захтева рачунање дисторзије сваког пиксела снимка и његов
премештај на одговарајућу позицију.Веома стрми нагиби, природни или вештачки (зидови, куће,
зграде...), довешће до осенчених или заклоњених површина на снимку, услед централне пројекције
снимка. Наравно овај ефекат се повећава са јачим рељефом, већим нагибом камере и већом
дистанцом од центра снимка.
Треба напоменути да се геометријска тачност једног орто снимка је у високој зависности
од тачности ДМТ-а.
Детаљније о поступку орторектификације погледати на:
http://147.91.21.108/f2/Vezba6/Ortofotografija i redresiranje.pdf
3 Модул за генерисање дигиталног модела висина (D.E.M
Generator)
Модул за генерисање дигиталног модела висина представља модул за стварање дигиталног
модела висина одређеног стереоподручја два снимка. Дакле основни циљ јесте формирање мреже
или грида тачака стереоскопског подручја са познатим висинама.
Такође овај модул није показао добре резултате стварања дигиталног модела висина за
снимке у колору (RGB снимци), тако да су за овај модул кориштени црно бели снимци (Grayscale).
8
Мпдул за генерисаое дигиталнпг мпдела висина (D.E.M Generator)
Слика 3.1 : Модул за генерисање дигиталног модела висина (Д.Е.М. Генератор)
Унос података се врши на исти начин као код стереоплотера за дефинисање
стереоподручја два суседна снимка снимка, без којих се не може користити модул за генерисање
дигиталног модела висина.
- Adjust дугме има исту функцију као и Center Imgs дугме код стереоплотера, тј. да
подешава међусобну позицију снимака на основу унетих података.
- Marks дугме омогућава означавање тачке мреже (Слика 3.2).
9
Мпдул за генерисаое дигиталнпг мпдела висина (D.E.M Generator)
Слика 3.2 : Означавање тачке мреже помоћу дугмета Marks
- Parallax Bar дугме омогућава отклањање паралакси довођењем крстића унутар
правоугаоника на идентичне тачке два снимка. Приказивање координата у сликовном и
пикселском координатном систему за оба снимка (Parallax Bar values) као и просторно пресецање
(Spatial Interception) су приказани у левом доњем углу прозора модула за генерисање дигиталног
модела висина (Слика 3.1)
- Options дугме отвара дијалог прозор у коме се уносе основни подаци везани за
постављање грида.
Слика 3.3 : Дијалог прозор General options
10
Мпдул за генерисаое дигиталнпг мпдела висина (D.E.M Generator)
У делу прозора Area уносе се координате доњег десног и горњег левог угла подручја које
ће да обухвати мрежа тачака (Grid). У делу прозора Divisons уноси се број врста по X оси и број
колона по Y оси грида којима се дефинише број тачака мреже.
У делу прозора Color могу се подесити вредности за три канал (Red, Blue and Green), чиме
се побољшава јасноћа и контраст снимка.
Кликом на дугме Date Base формира се база података са положајним координатама тачака
мреже.
У делу прозора Automatic Mesuerement уноси се минимална (Zmin) и максимална (Zmax)
вредност висина за дефинисано подручје мрежом тачака као и корак (Zstep) којим ће се оне
заокруживати. У поље Correlation Treshold уноси се коефицијент корелације којим се дефинише да
ли су тачке грида на левом и десном снимку добро корелисане или не. Свака вредност корелације
тачака грида на оба снимка упоређиваће се са задатим коефицијентом корелације. Уколико
корелација буде испод задате вредности та тачка се сматра непоузданом и слабо корелисаном.
Дугме Locate служи за одређивање висина тачака на основу корелације унутар самог
модела, тако да можемо одредити висину и њен коефицијент корелације. У дијалог прозору
понуђене су опције за локализацију тренутне тачке грида (Current Point) и све тачке грида (All Grid
Points). Локализацијом свих тачака грида у доњем десном углу дијалог прозора General Options
показана је статистика где се види број тачака које су задовољиле задати коефицијент корелације
(Success) и тачке које нису (Failures).
- View дугме служи за приказивање/сакривање дефинисане мреже тачака.
Слика 3.4 : Формирани дигитални модел висина грид методом (D.E.M)
11
Задатак
- Ortho дугме отвара дијалог прозор Orthorectification (Слика 3.5), које омогућава
орторектификацију подручја обухваћеног мрежом тачака
Слика 3.5 : Дијалог прозор Orthorectification
У дијалог прозору пре саме орторектификације могу се видети основни подаци у вези
подручја који је обухваћен мрежом тачака. То су подаци везани за резолуцију снимака (Image
Resolution), размера снимка (Image Scale), координате почетне и крајње тачке мреže (Grid Origin
and Ending), број тачака пo X i Y осi (Points in X and Y), вредност једног пиксела у метрима (Pixel
Resolution), укупан број тачака мреже (Total grid points), конацна резолуција (Final Resolution).
Левим кликом на дугме Ортхо извршава се орторектификација обухваћеног подручја.
Кликом на дугме Save IMG омогућено је чување орторектификованог подручја у бмп сликовну
датотеку.
12
Задатак
4 Задатак
а)
Прпграм за решаваое задатка: \e-foto-0.0.8\dem_2.0\dem.exe
1. Учитати стерео пар (водите рачуна да правилно учитате леви и десни снимак из вежбе
4. Користећи MatLab пребацити снимке у grayscale).
матлаб скрипт за слику 1001.bmp
cd('D:\student\F2\V5\Snimci'); %definisanje radnog foldera – unutar ’’ uneti putanju do
svojih snimaka
i=imread('1002.bmp');
%učitavanje slike u radno okruženje MatLab-a, pojaviće se kao
trodimezionalna matrica brojeva u Workspace-u
igr=rgb2gray(i); %konverzija kolorne slike (RGB) i u sivu (grayscale) sliku igr
imwrite(igr,'1001gr.bmp'); %čuvanje sive slike u BMP formatu u radnom folderu
2. У форми
учитати податке о стереопару
ImeLevogSnimkaImeDesnogSnimka-ImePrezime-stereo.txt
3. Укључити стерео мод за мерење Scope
4.
из
вежбе
4
-
.
Поништити паралаксу у измерити неколико (најмање 5) карактеристичних тачака у
моделу које имају највише и најниже висине.
5. У форми Data
уписати средњу висину терана одређену на основу
мерених карактеристичних тачака (тачка 4).
6. У менију Grid - Options









Подручје за мерење је цео модел
Доње-лево теме подручја грида Area (Yi, Xi)
Горње-десно теме подручја грида Area (Yf, Xf)
Дефинисати величину грида - Division x=10 y=20
У поље Automatic Measurement на основу мерених карактеристицних тачака (тачка
4) уписати минималну висину Zmin из модела и максималну висину Zmax
У поље Zstep уписати вредност корака
Размотрити коришћење различитих параметара за Template size и Corr. threshol.
Почетне вредности треба да буду редом 50 и 0.95
Кликом на трастер Data Base креирати грид
Са OK потврдити параметре
7. Активирати са View визуелизацију грида
13
Задатак
8. Стрелицама
мерење
се треба померати по моделу, а са алатом за аутоматско
треба мерити једну по једну тачку грида уз визулену контролу мерења
9. Отоворити мени
. Снимити резултате мерења у датотеку:
ImeLevogSnimkaImeDesnogSnimka-ImePrezime-DMT.txt
10. Подаци који се предају:
Word која садржи тражене коментаре и садржај фајла
ImeLevogSnimkaImeDesnogSnimka-ImePrezime-DMT.txt
б)
1. У форми
2.
унети средњу висину терена
За поступак орторектификације снимка потребни су елементи спољне оријентације и
дигитални модел терена. Како су оба услова испуњена опцију орторектификацијe
покрећемо из дијалога
кликом на дугме Ortho.
У дијалогу орторектификација за ImageResolution задаје се 300 DPI, а за Users Resolution 1
метар.
Прво се кликом на дугме Ortho покрене поступак оррторектификације, а потом на дугме
Save IMG покрене поступак снимања орторектификованог снимка у BMP формату.
Орторектификаовани снимак именовати као ImeLevogSnimka-ImePrezime-Ortho1.bmp
14
Задатак
3. Сада је потребно урадити прецизнији дигитални модел тако што ће тачке грида бити на
мањем међусобном растојању.
У дијалогу Grid - Options
уписати параметре као и у вежби број 6.
Подручје за мерење је цео модел
Доње-лево теме подручја грида Area (Yi, Xi)
Горње-десно теме подручја грида Area (Yf, Xf)
Дефинисати величину гридa - Division x=20 y=40
У поље Automatic Mesaurment уписати минималну висину Zmin из модела и
максималну висину Zmax
У поље Zstep уписати вредност корака (0.5 m)
Размотрити коришћење различитих параметара за Template size и Corr.
threshold. Почетне вредности треба да буду редом 50 i 0.95
Кликом на дугме Data Base креирати грид
Са OK потврдити параметре
4.
Потом је потребно у дијалогу Grid - Options
доње слике.
покренути опцију Locate из
15
Задатак
.
Покретањем ове опције програм ће сам да изврши мерења тачака грида и о томе дати
извештај као број успешно мерених тачака (Success) и неуспешно мерених тачака
(Failures). Извршење ове операције може да потраје уколико се зада мерење већег броја
тачака.
5. Након успешно извршеног мерења потребно је кликом да дугме View
визуелизацију грида.
укључити
6. Потом је потребно извршити орторектификацију снимка на основу овако мереног
дигиталног модела терена по истој процедури и са истим параметрима као у тачки 4 изузев
тога што орторектификовани снимак треба именовати по обрасцу ImeLevogSnimkaImePrezime-Ortho2.bmp.
7. На крају је потребно визуелно
орторектификованим снимцима.
упоредити
улазне
снимке
стереопара
са
Напомена:
Као резултат вежбе треба предати оба орторектификована снимка:
1. ImeLevogSnimka-ImePrezime-Ortho1.bmp
2. ImeLevogSnimka-ImePrezime-Ortho2.bmp
16
Download

Фотограметрија и даљинска детекција 2