POWRÓT

SEMESTR V

Teledetekcja i fotogrametria jako nauka i technologia pozyskania, przetwarzania i interpretowaniu informacji obrazowej - wykład


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Techniki rejestracji obrazów
Zdjęcia fotogrametryczne
Teledetekcja


 

Techniki rejestracji obrazów

     
   

   Zgodnie z definicją przyjętą w 1998 roku, fotogrametria i teledetekcja to dziedzina nauk technicznych zajmująca się pozyskiwaniem wiarygodnych informacji o obiektach fizycznych i ich otoczeniu, drogą rejestracji, pomiaru i interpretacji obrazów i zdjęć. Sposób powstawania obrazów optycznych opisał Leonardo da Vinci, zaś swój prototyp "kamery fotograficznej" nazwał camera obscura. Technikę zapisywania obrazów optycznych wynaleziono kilka wieków później, gdy Niepce i Daguerre stworzyli podwaliny fotografii. Współczesna "fotogrametria i teledetekcja" wykorzystuje zarówno analogowe jak i cyfrowe sposoby zapisu obrazów.

Fotografia

   Fotografia to technika rejestrowania na materiale światłoczułym obrazów, które utworzyło światło. Na skali promieniowania elektromagnetycznego, które może być nośnikiem rozmaitych informacji (w tym również obrazowych), promieniowanie widzialne zajmuje drobny fragment: od fal o długości 0,4 ľm (początek fioletu), do 0,7 ľm (koniec czerwieni). Chcąc być ścisłym - fotografia pozwala rejestrować także w niewidzialnym zakresie bliskiej podczerwieni (0,7 - 1,5μm) oraz w ultrafiolecie.
   Aparat fotograficzny to współczesna wersja opisanej przez Leonarda da Vinci "camera obscura" (ciemna izba), pokazanej na rys.1.1. Światło odbite od przedmiotu, po przejściu przez otworek w przedniej ściance, tworzy na tylnej ściance obraz rzeczywisty, odwrócony. W przypadku aparatu fotograficznego w otworku umieszcza się obiektyw. Dzięki temu obraz może być jaśniejszy i bardziej wyraźny. Ale aby obraz był ostry, musi być spełnione równanie soczewki: suma odwrotności odległości obrazowej (a) i przedmiotowej (b) równa jest odwrotności ogniskowej (f):

1/a + 1/b = 1/f

Fotografia czarno-biała

   Cykl powstawania obrazu fotograficznego przedstawia się następująco: światło odbite od przedmiotu --> kamera fotograficzna z materiałem światłoczułym --> obraz optyczny --> naświetlenie materiału światłoczułego --> wywołanie negatywu --> kopiowanie (pozytyw). Poszczególne etapy zostaną krótko omówione. Aby obraz fotograficzny miał właściwą gęstość czerni, należy dostosować czas naświetlania do parametrów obiektywu oraz światłoczułości emulsji fotograficznej. Emulsję fotograficzną tworzą sole srebra (bromek, chlorek, jodek) zawieszone w żelatynie (koloid ochronny). Emulsja taka jest niebarwoczuła (wrażliwa prawie wyłącznie na barwę niebieską) i dlatego w trakcie jej produkcji dodaje się substancji uczulających na barwy - tzw. sensybilizatorów optycznych. W rezultacie stosowania różnych sensybilizacji można otrzymać następujące rodzaje emulsji czarno-białych:

  • niebarwoczuła (tzw. ślepa) - reaguje tylko na kolor niebieski,
  • ortochromatyczna - barwoczuła, ale nieczuła na czerwień,
  • panchromatyczna - wszechbarwoczuła,
  • infrachromatyczna - uczulona także na bliską podczerwień (0,76 - 1,5 ľm).

   Drugą - obok barwoczułości - najważniejszą cechą emulsji fotograficznej jest jej światłoczułość. Światłoczułość emulsji bada się laboratoryjnie i określa jej wartość w przyjętej skali. Obecnie powszechnie używa się skali ISO. Jest to skala "arytmetyczna" – podwojona wartość ISO świadczy o dwukrotnym wzroście światłoczułości emulsji (można zatem zastosować o połowę krótszy czas naświetlania). Emulsje niskoczułe cechują wartości ISO: 25, 50; średnioczułe: 100, 200, 400; emulsje wysokoczułe 800, 1600 itd..
   Wywoływanie negatywu polega na poddaniu naświetlonej emulsji obróbce fotochemicznej w trakcie której w miejscach naświetlonych sole srebra zostają zredukowane do srebra metalicznego; ilość czarnego strątu srebrowego jest proporcjonalna do ilości światła (w granicach poprawnych naświetleń). Utrwalanie polega na rozpuszczeniu i wypłukaniu resztek halogenków srebra (niezredukowane do srebra są wciąż wrażliwe na światło).
   Naświetlenie papieru światłoczułego przez negatyw a następnie jego wywołanie i utrwalenie - daje pozytyw; do wytwarzania papierów światłoczułych wykorzystuje się niskoczułe emulsje niebarwoczułe. W przypadku kopiowania negatywu na materiale o podłożu przezroczystym, otrzymuje się diapozytyw (przeźrocze).
   Na ostateczny efekt procesu fotograficznego można wpływać przez dobór materiału światłoczułego o odpowiednich cechach (światłoczułość, kontrastowość, barwoczułość, rozdzielczość), dobór obiektywu o określonych cechach, sposób i rodzaj oświetlenia, sposób obróbki fotochemicznej (dobór właściwego wywoływacza i czasu wywoływania). Można w rezultacie kształtować - w pewnych granicach - cechy obrazu: gęstość optyczną negatywu, jego kontrastowość, rozdzielczość, zniekształcenia geometryczne i inne.

Fotografia barwna

   Metody fotografii barwnej wynikają z teorii barw. Zasadę "dodawania" barw wyjaśnia rys.: jeśli na biały ekran rzucimy barwne okręgi: niebieski, zielony i czerwony, to w miejscach nakładania się tych barw podstawowych otrzymamy nowe barwy (niebieskozieloną, żółtą i purpurową), co można zapisać matematycznie:

n+z=nieb-ziel, z+cz=ż, cz+n=purp; n+z+cz=biały

Na tej zasadzie "dodawania" barw oparto addytywną metodę fotografii barwnej (łacińskie addo - dodaję). Metoda addytywna - pozwalająca tworzyć barwne przezrocza miała poważne wady: powodowała znaczne straty światła i nie nadawała się do tworzenia barwnych pozytywów; umożliwiła to dopiero metoda subtraktywna. Jest to metoda "odejmowania" (pochłaniania) barw podstawowych przez filtry w barwach dopełniających (do czerni): żółtej, purpurowej i niebiesko-zielonej.Są to barwy wyjściowe metody subtraktywnej. Funkcję odjęcia od bieli (pochłonięcia) koloru niebieskiego spełnia filtr żółty, zielonego - purpurowy, czerwonego - niebiesko-zielony;

Obrazy cyfrowe

   Obrazy cyfrowe stanowią alternatywę dla obrazów zapisanych analogowo (w fotograficznej emulsji światłoczułej). Obraz optyczny tworzony przez wiązkę promieni w płaszczyźnie obrazowej kamery jest zapisywany liczbowo - intensywność promieniowania oceniają detektory, dostarczając informacji o każdym z elementarnych pól obrazu cyfrowego - pikseli (ang. picture element). Obraz cyfrowy ma strukturę macierzową; jest to uporządkowany (w wiersze i kolumny) zapis odpowiedzi spektralnych, określających intensywność promieniowania w polu każdego piksela. Jasność piksela (wartość odpowiedzi spektralnej) jest zapisywana na ustalonej liczbie bitów - najczęściej są to liczby od 0 do 255. Na tej skali, wynikającej z rachunku: 1 bajt = 8 bitów (28 = 256), liczba 0 oznacza czerń , zaś 255 oznacza biel; ogólniej: 0 - oznacza brak promieniowania, 255- maksimum promieniowania.
   W przypadku obrazów barwnych, pojedynczy piksel ma przypisane zwykle trzy wartości składowych koloru (RGB): R - czerwony, G - zielony i B - niebieski. Każda z nich może przyjmować wartości w zakresie 0-255, przez co obraz kolorowy jest najczęściej trzy razy większy od obrazu monochromatycznego.

Zasada tworzenia obrazu cyfrowego

   Cechami charakteryzującymi obrazy cyfrowe są: rozdzielczość geometryczna, radiometryczna i spektralna. Rozdzielczość geometryczna charakteryzuje wielkość najmniejszego elementu obrazu (piksela) i jest najczęściej wyrażana liczbą pikseli przypadających na jeden cal (obrazu optycznego), zapisywana skrótem dpi (ang. dot per inch). Rozdzielczość radiometryczna charakteryzuje liczbę poziomów jasności, w której zapisywany jest obraz cyfrowy. Najczęściej obraz zapisywany jest na 256 poziomach jasności co pozwala na zapisanie wartości piksela na jednym bajcie. Natomiast rozdzielczość spektralna podaje w jakim zakresie spektrum promieniowania elektromagnetycznego rejestrowany jest obraz.

Do góry


 

Zdjęcia fotogrametryczne

     
   

   Fotogrametria jest sztuką i nauką o lokalizowaniu pozycji i kształtu obiektów na podstawie obrazów, z których można uzyskać ich położenie, orientację, kształt oraz rozmiar. Definicję rozszerzoną można odnaleźć w statucie Międzynarodowego Towarzystwa Fotogrametrii i Teledetekcji ISPRS (2009).
   Fotogrametria to wykonywanie pomiarów na podstawie zarejestrowanych obrazów. W praktyce oznacza to, że w terenie wykonuje się jedynie zdjęcia fotograficzne odpowiednią kamerą a cały proces pomiarowy przenoszony jest do biura. Fotogrametria jest metodą niezwykle obiektywną. Zarejestrowany obraz zawiera dużo więcej treści niż została by ona odzwierciedlona tradycyjnym pomiarem. Stanowi też wartościowy materiał archiwalny. Sam sposób wykonania fotogramów, które w ułamku sekundy są wykonywane z pewnej odległości powoduje, że jest to metoda niezastąpiona przy pomiarach obiektów niedostępnych, w ruchu, czy też szybko zmieniających swoje właściwości.

   Źródłem obrazów mogą być zdjęcia obiektów uzyskiwane w wyniku procesów fotochemicznych (fotografia analogowa) lub fotoelektrycznych (fotografia cyfrowa). W ostatnich latach powstała też technologia, która generuje trzecią grupę obrazów, czyli obraz przestrzeni z zawartą informacją o odległości dla każdego punktu. Są o obrazy generowane przez skanery laserowe.
Wynik opracowania fotogrametrycznego może przyjąć następujące formy

  • graficzna (rysunki analogowe) - w postaci map z naniesionymi szczegółami planimetrycznymi, liniami konturowymi oraz innymi graficznymi reprezentantami obiektów (np. mapy sytuacyjno-wysokościowe części lub całego fotografowanego obiektu),
  • numeryczna - współrzędne pojedynczych punktów w przestrzennym układzie odniesienia (chmura punków) wybranego obiektu, oraz dane stanowiące dane wejściowe do systemów informacji przestrzennej (modele wysokościowe, mapy cyfrowe,)
  • obrazowe (analogowe, cyfrowe) - obrazy przedstawiające obrazowany teren lub obiekt w postaci rektyfikowanych fotografii (ortofotomapa, ortofotoplan) oraz przestrzenne fotomodele, czyli modele przestrzenne obiektów z naniesioną teksturą pozyskaną z obrazów, przeznaczone do obróbki w programach typu CAD.

   Dziedzina fotogrametrii wykorzystująca analogową postać danych, szczególnie pozyskiwanych kamerami na film zwojowy, analogowe metody (optyczno-mechaniczne) ich opracowania nazywana jest fotogrametrią analogową.
   Wynik takiego opracowania ma również postać analogową. W przypadku, kiedy analogowa postać danych zostanie opracowana przy pomocy metod analitycznych z wykorzystaniem komputerów, a wynik opracowania ma postać wektorową, fotogrametrię taką nazywamy analityczną.
   Kolejnym etapem rozwoju fotogrametrii jest fotogrametria cyfrowa, która wykorzystuje cyfrową postać danych. Obrazy w takim procesie powstają w wyniku padania fali elektromagnetycznej (światła) nie na emulsję światłoczułą (tak jak to jest w przypadku fotogrametrii analogowej), a na elektroniczny detektor.
   W dziedzinie fotogrametrii cyfrowej można wykorzystać nie tylko obrazy uzyskiwane bezpośrednio z detektora elektronicznego (kamery cyfrowe) ale też będące wynikiem skanowania zdjęć analogowych. W tej dziedzinie wykorzystuje się cyfrowe metody obróbki i analizy obrazu. Metody fotogrametrii cyfrowej umożliwiają bardzo wysoki poziom automatyzacji procesu opracowania. Fotogrametria cyfrowa jest obecnie ściśle połączona i rozwijana równocześnie z dziedzinami takimi jak widzenie komputerowe lub widzenie maszynowe.

Podział

Ze względu na miejsce fotografowania fotogrametrię dzieli się na:

  • fotogrametrię naziemną (terrofotogrametrię),
  • fotogrametrię lotniczą (aerofotogrametrie),
  • satelitarną.



Zestawienie metod pomiarowych

   Fotogrametria satelitarna została wydzielona z fotogrametrii lotniczej ze względu na specyficzne problemy opracowania zdjęć i obrazów. Fotogrametria naziemna wykorzystuje zdjęcia wykonane ze stanowisk naziemnych, natomiast fotogrametria lotnicza zdjęcia wykonane z samolotu, śmigłowca.

Do góry


 

Teledetekcja

     
   

   Teledetekcja - zdalne rozpoznawanie obiektów i zjawisk - polega na wykrywaniu (detekcji) i analizie promieniowania elektromagnetycznego (nie tylko światła - widzialnego dla człowieka). To technologia pozyskiwania danych o obiektach, zjawiskach i procesach, które zachodzą na powierzchni ziemi łącznie z ich późniejszym przetwarzaniem i interpretacją. Dane mają postać informacji obrazowej. Informacje uzyskuje się za pomocą urządzeń niewchodzących w bezpośredni kontakt z badanym obiektem. Wykorzystuje się do tego zjawiska występujące w przyrodzie, tj. promieniowanie elektromagnetyczne, magnetyzm, grawitację, fale akustyczne oraz promieniotwórczość. Za typowe pomiary teledetekcyjne uważa się zazwyczaj te, które wykorzystują zjawisko promieniowania elektromagnetycznego. Pozostałe metody są bliższe dziedzinie geofizyki.

>

   Teledetekcja w połączeniu z innymi dziedzinami nauki i techniki pozwala na rozpoznawanie i lokalizację konkretnych obiektów i zjawisk, a także na analizę zmian zachodzących na powierzchni ziemi. Jest ściśle związana z fotogrametrią, która w geodezji wykorzystywana jest do sporządzania map na podstawie zdjęć obiektów czy terenu.
   Dane teledetekcyjne pozyskiwane są na różnych pułapach i za pomocą różnych sensorów. Przede wszystkim rozróżniamy sensory aktywne - te, które emitują własną energię oraz sensory pasywne - takie, które potrzebują zewnętrznego źródła promieniowania do pracy i pozyskiwania danych. Do sensorów aktywnych zaliczamy radary - SAR oraz skanery - LiDAR. Natomiast sensory pasywne - kamery lub skanery termalne - umieszczane są na pokładach satelitów, samolotów i dronów. Powyższe sensory obrazują w różnych zakresach promieniowania elektromagnetycznego. W zależności od tych zakresów rozróżniamy dane na panchromatyczne - jedno kanałowe, wielospektralne - kilku i kilkunastu kanałów, hiperspektralne - posiadające od kilkunastu do kilkuset kanałów.
   Pozyskane dane mogą być wykorzystane w bardzo wielu dziedzinach do różnych potrzeb. Zobrazowania najczęściej wykorzystywane są w monitoringu środowiska, w planowaniu przestrzennym, zarządzaniu kryzysowym czy w zastosowaniach wojskowych. Inne ciekawe obszary to między innymi archeologia, medycyna czy materiałoznawstwo.
Edukacja - Szybki rozwój teledetekcji sprawił, że również ośrodki akademickie mocniej zainteresowały się tą dziedziną. Wiele uniwersytetów, akademii i politechnik oferuje specjalizacje lub kursy mające na celu przekazanie studentom teorii i praktyki z zakresu teledetekcji, a tym samym wykształcenie przyszłych specjalistów.

Do góry


 

 (C) 2011 - 2020 Wydział Przyrodniczo - Techniczny KPSW. All Rights Reserved