Teza Doctorat Badea Dragos

Embed Size (px)

Citation preview

UNIVERSITATEA TEHNIC DE CONSTRUCII BUCURETI FACULTATEA DE GEODEZIE

TEZ DE DOCTORAT

METODE FOTOGRAMETRICE DE OBINERE A MODELULUI DIGITAL ALTIMETRIC

CONDUCTOR TIINIFIC: Prof. univ. dr. ing. Lucian TURDEANU

DOCTORAND: Asist. univ. ing. Drago BADEA

BUCURETI 2011

Cuprins rezumat Titlu 1. INTRODUCERE 2. REALIZAREA MODELULUI DIGITAL ALTIMETRIC PRIN TEHNOLOGII FOTOGRAMETRICE / surse de imagini 2.1 Tipuri de senzori 2.2 Proceduri de calibrare (etalonare) 2.3 Consideraii privind proiectarea prelurii imaginilor 2.3.1 Rezoluia imaginii 2.3.2.Starea fenologic a vegetaiei 2.3.3 Puncte de sprijin sau de reper (ground control points) 2.3.4 Consideraii privind gps aeropurtat (ABGPS) 2.3.5 Condiii atmosferice 2.4 Tehnologia fotogrametric 2.4.1 Aerotriangulaia 2.4.2Metode fotogrametrice aplicate pentru generarea modelelor digitale altimetrice (MDA) 2.4.3 Rectificarea i georeferenierea imaginilor 2.5 Tehnologii complementare 2.5.1FMC compensarea trenarii 2.5.2Platforma girostabilizatoare 2.5.3 Dispozitivul GPS aeropurtat (ABGPS) i unitatea de msurare inerial UMI/INS 2.5.4 Sisteme de scanare a imaginii 2.6 Metode de culegere a datelor 2.6.1 Stereorestituitoare analitice 2.6.2 Staii fotogrametrice digitale 2.6.3 Abordri ale exploatrii 2.6.4 Abordri hibride pentru culegerea datelor digitale de cot 2.7. Situaia actual 2.7.1 Capabiliti i limitri 2.7.2 Comparaie cu tehnologiile alternative/ complementare 2.8 Postprelucrarea i controlul calitii 3. APLICAII ALE MDA 3.1 Progrese tehnologice 3.2 Produse fotogrametrice generate pe baza mda 3.2.1 Hri planimetrice digitale 3.2.2 Hri topografice digitale (cu elemente planimetrice i altimetrice) 3.2.3 Ortofotoplanuri digitale 3.2.4 Hri de risc pentru calamiti naturale 3.3 Concluzii privind aplicaiile fotogrametriei 4. METODE DE OBINERE A MODELULUI GENERAL AL SUPRAFEEI DE REFLECTAN I A MODELULUI DIGITAL ALTIMETRIC AL TERENULUI. SURSE DE DATE 4.1 Clasificarea modelelor 3D 4.2. Metode fotogrametrice i de teledetecie de culegere a datelor de baz 4.3 LiDAR 4.4 Crearea mda prin scanarea i digitizarea materialelor cartografice existente 4.5 Reprezentarea modelului 3D 4.5.1 Reprezentarea prin puncte si/sau segmente de dreapta a modelului 3D 4.5.2 Reprezentarea prin suprafee elementare a modelului 3D 4.5.3 Reprezentarea prin elemente de volum a modelului 3d 4.5.4 Reprezentarea prin muchiile obiectului (rmo) 4.5.5 Reprezentarea prin reconstructia geometrica a obiectelor (RGO) 4.5.6 Modele 3D reprezentate prin metode hibride Pag. 1 3 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 6 6 6 7 7 7 7 8 8 10 10 10 10 11 12 13 13 13 13 14 14 14 15 15 15 16 16 16 16 16 16 16 16 16

5. STRATEGII DE MODELARE A SUPRAFEEI TERENULUI 5.1 Generarea convenional a modelelor digitale altimetrice 5.1.1 Principii matematice 5.1.2 Modelarea global 5.2 Generarea MDA din date LiDAR 5.2.1 Culegerea datelor prin sistemul laser-scanerului 5.2.2 Filtrarea MDSR i obinerea MDA 5.2.3 Programul Rascor 5.2.4 Elementele caracteristice ale reliefului folosite n procesul de filtrare 5.3 Reprezentarea MDA 5.4 Surse de date i metode de eantionare pentru mda 5.5 Interpolarea spaial 5.6 Consideraii tehnice pentru conceperea filtrelor 5.6.1 Caracteristici fundamentale utilizate pentru filtrarea de baz LiDAR 5.6.2 Caracteristicile filtrrii datelor LiDAR 5.6.3 Proceduri de filtrare generale 5.6.5 Analiza preciziei 5.6.6 Evaluarea metodelor de filtrare 5.7 Tipuri de filtre 5.7.1 Filtre bazate pe segmentare i clasificare 5.7.2 Filtre morfologice 5.7.3 Filtrele cu scanare direcional 5.7.4 Filtre de contur 5.7.5 Filtre TIN 5.7.6 Filtre bazate pe interpolare 5.8 Factori care afecteaz filtrarea 5.9 Calculul coordonatelor punctelor nregistrate de LiDAR 5.10 Programul Lisa 5.11 Programul Surfer 6. FILTRAREA MODELULUI DIGITAL AL SUPRAFEEI DE REFLECTAN PENTRU OBINEREA MODELULUI DIGITAL ALTIMETRIC AL TERENULUI STUDIUL DE CAZ 6.1 Prezentarea celor 2 sisteme de preluare a datelor 6.1.1 Prezentare general a sistemului Fly-Map 6.1.1.1 Principiul de funcionare 6.1.2 Prezentare generala a sistemului Leica ALS 50 II 6.2 Etape de lucru 6.2.1 Operaii de teren pentru Fly-Map 6.2.2.Operatii de teren pentru Leica ALS 50 6.3 Prezentarea zonelor de lucru 6.4.1. Zona 1 din zona grii Cmpina 6.4.2. Zona 2 Valea Ialomitei conduct suspendat 6.4.3. Zona de studiu 3 - regiunea Nehoiu 6.4.5 Zona de studiu 5 - Gifhorn, Niedersachsen la 50 km de Hannovra 6.4.6 Zona de studiu 6 WILLIAMSTOWN - USA 6.5 Produse finale obinute 6.6 Contribuii la filtrarea datelor provenite din msuratori LIDAR 6.6.1 Introducerea in procesul de filtrare a liniilor de schimbare a pantei 6.6.2 Sintaxe implementate n MATLAB pentru rezolvarea interpolrii i filtrrii prin metoda MINIM-MAXIM 6.6.3 Metoda propusa de prelucrare a datelor 7. Concluzii Bibliografie

17 17 17 17 17 19 19 20 20 20 21 21 22 22 23 23 24 25 25 25 25 26 26 26 27 27 27 28 28 28 28 28 29 29 30 30 31 31 32 33 36 37 40 44 44 44 45 45 46 48

Metode fotogrametrice de obtinere a modelului digital altimetric

1. INTRODUCERE Motivaie Modelarea i descrierea 3D a lumii reale nconjurtoare nregistrat printr-un sistem de achiziie fotogrametric sau de teledetecie a devenit un subiect de importan cresctoare pentru multe domenii. Dintre acestea, telecomunicaiile pentru planificarea reelelor, sistemele virtuale pentru informaii turistice, organismele militare pentru antrenamente n spaii virtuale, naturale, simulri virtuale, etc. Aceast varietate de domenii n care Modelul Digital al Terenului capt o importan crescut odat cu dezvoltarea tehnicilor de culegere a datelor din teren, deschid o serie de subiecte de discuii. Acestea constituie o motivaie puternic i evoc o provocare a cercetrii i a interaciunii dintre discipline diferite, cum sunt: fotogrametria, viziunea asistat de calculator, grafica computerizat, baze de date, programarea, etc. care sunt necesare pentru modelarea unui sistem informaional virtual 3D. Fiecare domeniu avnd nevoi i cerine specifice, n lucrare se va insista doar asupra aspectelor ce privesc modelarea datelor din punct de vedere fotogrametric. Necesitile de dezvoltare a terenului impun realizarea de produse adecvate proiectrii care s in cont de realitatea terenului. Modelarea numeric a spaiului st la baza generrii de mijloace pentru realizarea modelului digital al terenului. planificare peisagistic, monitorizarea diferitelor fenomene

Obiectivul tezei Teza se adreseaz filtrrii datelor culese n urma msuratorilor cu LIDAR i construciei MDA. Obiectivul principal este de a introduce un nou concept, o nou metod semi-automat de filtrare i interpolare a datelor ntr-un proces ierarhic combinnd tehnici de fotogrametrie i algoritmi matematici. Teza de doctorat urmrete obinerea unei metode de modelare i filtrare MDS prin analiza n detaliu a pailor tehnologici i dezvoltarea unor metodologii i algoritmi care sa permit obinerea de MDA ct mai realiste. Totodat se urmrete i un studiu comparativ al tuturor metodelor disponibile pentru a ghida un utilizator s aleag o metod adecvat pentru o zon dat. Abordarea lucrrii Tehnologiile bazate pe senzorii utilizai n fotogrametrie i teledetecie reprezint unele dintre cele mai adecvate mijloace disponibile operaional folosite pentru culegerea datelor digitale planimetrice i altimetrice. Ele ofer flexibilitate sporit procesului de eantionaj i de determinare a datelor altimetrice i planimetrice, asigur precizia necesar i realizarea unui nivel superior de automatizare, pe fondul unor parametri de calitate, randament i pre de cost, foarte apropiai de valoarea lor optim. n acest context, se prezint capabilitile i limitrile tehnologiei fotogrametrice analitice i digitale, precum i schimbrile care urmez ca rezultat al

1

Metode fotogrametrice de obtinere a modelului digital altimetric

apariiei noilor camere digitale, elemente actuale specifice, care definesc evoluia superior ascendent i dinamic a acestei tehnologii. La nceput sunt prezentate sintetic metodele aplicate pentru generarea modelelor digitale altimetrice sau de relief (MDA / MDR), sursele de imagini i aspectele care privesc tehnicile de georefereniere. Urmeaz apoi o trecere n revist a tehnologiilor suport pentru abordarea fotogrametric a generrii MDA / MDSR: sistemele de scanare a imaginii, unitile de msurare ineriale (UMI), sistemele GPS aeropurtate (ABGPS) i aerotriangulaia realizat automat. Acestea sunt n prezent tehnologii de sprijin importante, ce au o evoluie rapid i un impact semnificativ asupra procesului de producie. Metodele de culegere a datelor planimetrice i altimetrice, includ sublinieri legate de echipamentul analitic, staiile fotogrametrice digitale i abordrile aplicate n cadrul procesului de compilare (stereocompilare, dac sunt utilizate echipamente cu potenial stereoscopic) sau producia de hri i planuri noi, respectiv de reactualizare a unor pri din acestea, pornind de la documente cartografice existente, imagini (fotograme) convenionale n format analogic sau digital, imagini satelitare, ridicri topografice, precum i alte surse de date noi. Este evideniat generarea automat a MDA prin tehnica corelrii digitale, precum i abordarea hibrid. n cadrul tipurilor de senzori sunt reliefate elementele specifice camerelor care opereaz cu senzor clasic (film fotografic), imaginile satelitare preluate cu senzori electronici i sistemele digitale aeropurtate. Procedurile de calibrare descriu pe scurt aspectele ce caracterizeaz sistemele clasice (bazate pe film fotografic), precum i sistemele satelitare i respectiv digitale aeropurtate. Apoi, este trecut n revist proiectarea prelurii imaginilor evideniindu-se: rezoluia, data (sezonul) cnd trebuie efectuat preluarea imaginilor, punctele de sprijin (de reper) i se fac consideraii referitore la GPS aeropurtat i condiiile atmosferice. Urmeaz tratarea elementelor care privesc capabilitile i limitrile tehnologiei fotogrametrice de culegere a datelor altimetrice, compararea cu tehnologiile concurente/complementare, aspectele referitore la faza de postprocesare i controlul calitii MDA produse fotogrametrice. Apoi se fac consideraii privind aplicaiile principale n cadrul crora sunt utilizate datele altimetrice coninute n modelele digitale, livrarea acestor date i costurile implicate, dup care sunt expuse dezvoltrile tehnologice suport al generrii fotogrametrice a modelelor digitale altimetrice, modele care n contextul actual reprezint unul dintre elementele principale ale bazelor de date altimetrice stocate n SIG. Fotogrametria joac un rol foarte important n culegerea de informaii pentru multe baze de date coninute ntr-un SIG. Produsele fotogrametrice frecvent utilizate ca surse de informaii pentru bazele de date din SIG, sunt de trei tipuri: imagini, hri i fiiere de date digitale. Cele din categoria imagine includ: fotografiile (fotogramele) aeriene, fotohrile, mozaicurile de imagini aeriene, imaginile satelitare i mozaicurile acestora, ortofotoimaginile aeriene i respectiv satelitare. n ntregime, sau numai anumite date selectate din imagini, pot fi digitizate i introduse n bazele de date. n particular, imaginile sunt utile ca substitueni ai hrii i pot fi folosite ca un cadru de lucru principal (de referin) pentru anumite aplicaii la care sunt folosite datele din SIG. Fiierele de date digitale fotogrametrice constau din modele digitale altimetrice (MDA), date digitale ale reprezentrii digitale a detaliilor planimetrice, seciuni transversale i profile, precum i alte fiiere de date digitale. Rezumnd utilizrile inovative majore ale MDA: cartarea terenului, aplicaiile din domeniul transporturilor, diversele aplicaii realizate n domeniul subacvatic, multitudinea aplicaiilor inginereti, aplicaiile militare, comerciale i cele individuale din sectorul de stat respectiv particular, este clar c multe alte utilizri ateapt s fie documentate, iar cnd se definete un MDA generic ,,ca date digitale topografice / sau

2

Metode fotogrametrice de obtinere a modelului digital altimetric

batimetrice n toate formele lor multiplu variate, atunci aplicaiile MDA se pot considera virtual nelimitate. n acest context tehnologic modern, n partea final, sunt prezentate sintetic elementele cartrii terenului, pe baza produselor crora se poate fundamenta o strategie pentru identificarea i delimitarea zonelor de risc a fenomenelor naturale. Principalele produse ale cartrii realizat prin fotogrametrie teledetecie, ce implic direct datele altimetrice sunt: hrile topografice, ortofotoimaginile aeriene i satelitare i hrile de risc la inundaii, lista lor rmnnd deschis unei tematici foarte diverse i inovative. 2. REALIZAREA MODELULUI DIGITAL ALTIMETRIC PRIN TEHNOLOGII FOTOGRAMETRICE. STADIUL ACTUAL 2.1 Tipuri de senzori / Surse de imagini Camerele fotogrametrice tradiionale Sistemele satelitare comerciale Sistemele (camerele) aeropurtate digitale 2.2 Proceduri de calibrare (etalonare) n general, calibrarea se aplic echipamentelor folosite la preluarea imaginilor i a datelor suport. Abordrile pentru calibrarea sistemului includ multe puncte de verificare din proiectele executate, sau sunt focusate pe o zon (arie) pilot i examinarea foarte atent i minuioas a rezultatelor produselor obinute. Calibrarea sistemelor de culegere a datelor, astfel cum sunt staiile de lucru pentru exploatare analitic i digital, consider mai nti certificarea c parametrizarea matematic din aceste staii de lucru, reflect perfect sistemul de culegere a datelor i orice rezultate ale aerotriangulaiei. n al doilea rnd, procedurile de conversie a datelor culese ntrun format de MDA final, vor fi supuse unui proces de revedere i acceptare.

2.3 Consideraii privind proiectarea prelurii imaginilor Proiectarea culegerii tuturor tipurilor de date fotogrametrice, include consideraii, care privesc urmtoarele aspecte: Scara imaginii comparativ cu scra produsului final; Consideraii privind sezonul (perioada) din an de preluare (nregistrare) a imaginilor, legat de starea fenologic a vegetaiei (nfrunzit / des frunzit); Numrul i distribuia punctelor de sprijin sau reper, respectiv a punctelor de verificare; Consideraii legate de GPS aeropurtat (ABGPS). Condiii atmosferice. Abordrile bazate pe camerele clasice, care operaz cu film fotografic sunt foarte bine parametrizate. 2.3.1 Rezoluia imaginii Rezoluia imaginii este legat de tipurile de produse solicitate i preciziile impuse acestora. n cazul sistemelor care operaz cu film fotografic, diferitele clase de precizie, specifice fiecrui tip de produs, sunt

3

Metode fotogrametrice de obtinere a modelului digital altimetric

legate de scara fotografic sau scara imaginii (fotogramei), prin intermediul specificaiilor. Pentru sistemele de senzori satelitari sau cele corespunztoare camerelor digitale aeropurtate, conceptul de scar este nlocuit cu conceptul GSD (ground sampling distance distan de eantionaj la nivelul terenului), sau rezoluia imaginii. Astfel, compararea sistemelor care opereaz cu film, cu sistemele bazate pe senzori digitali (electronici), este mult mai uoar, prin compararea rezoluiei imaginii sau a GSD corespunztor fiecruia. GSD = scara fotografic (1/dpi). Trebuie foarte mult atenie s nu se confunde GSD cu rezoluia interpretativ. n timp ce aceasta este rezoluia adevrat (real), GSD reprezint amprenta pixelului la nivelul terenului, iar interpretarea (identificarea) unei trsturi (linii) este adesea mai bun dect valoarea GSD. 2.3.2 Starea fenologic a vegetaiei Pentru toate hrile la scri mari, aproape toate inregistrarile de imaginii trebuie s fie realizate n timpul perioadelor fenologice caracterizate prin lipsa frunziului, pentru a se realiza culegerea optim a datelor de cot necesare generrii MDA. 2.3.3 Puncte de sprijin sau de reper (Ground control points) Numrul i distribuia punctelor de sprijin sau de reper (ground control points) se bazeaz primar pe prezena suprafeelor ocupate de ap, n interiorul perimetrului proiectului i pe implicaia, dac echipamentele ABGPS / UMI sunt folosite pentru culegerea datelor. Punctele de reper sunt n general marcate cu panouri, anterior aerofotografierii. Dar, aceast operaie implic consum de timp i planificarea unor costuri. n unele cazuri, pot fi utilizate pentru control (reperi), puncte fotoidentificabile, care sunt uor de identificat i msurat (determinat), la toate scrile solicitate n proiect. 2.3.4 Consideraii privind GPS aeropurtat ( ABGPS) Proiectarea zborului (aerofotografierii) lund n consideraie implicaiile utilizrii echipamentului ABGPS, schimb substanial acoperirea general cu imaginii a zonei cuprins ntrun proiect. Prin utilizarea GPS aeropurtat, benzile tradiionale transversale, care menin rigoarea unui bloc de imagini, n general nu mai sunt necesare. Numai proiectele care cuprind o zon configurat neuniform, sau includ suprafee cu luciuri de ap, vor solicita unele tipuri de benzi transversale. 2.3.5 Condiii atmosferice n general, condiiile atmosferice se refer la zilele lipsite de acoperire cu nori i preferabil fr condiii de cea jos, cauzat de nivelul ridicat al umiditii. Pentru generarea MDA preluarea de imagini sub acoperirea cu nori poate fi considerat c ofer o iluminare nc suficient, pentru a se msura i interpreta zonele cu contrast sczut. n cazul imaginilor satelitare, acoperirea cu nori nu trbuie s depeasc 10%, n marea majoritate a situaiilor. Aa cum sa specificat anterior, acesta este poate factorul cel mai limitativ, pentru imaginile satelitare din multe zone ale lumii.

4

Metode fotogrametrice de obtinere a modelului digital altimetric

2.4 Tehnologia fotogrametric Acest paragraf cuprinde tehnologiile fotogrametrice utilizate n practica actual, accentul fiind pus pe extragerea datelor altimetrice i planimetrice. Este inclus o scurt trecere n revist a echipamentelor (aparaturii) i a procedurilor, subliniinduse abordrile noi. Ca referine pentru cartarea cu camerele fotoaeriene clasice au fost utilizate specificaiile i liniile directoare internaionale. 2.4.1 Aerotriangulaia Progresele din aerotriangulaia automat au influenat foarte mult ntregul flux tehnologic al prelucrrii digitale. Implementrile robuste reduc masiv proiectele, prin generarea punctelor de legtur (pass points ntre imaginile unei benzi i tie points ntre benzi), lsnd numai ordonarea i msurarea punctelor de reper, pentru cei ce execut aerotriangulaia. Cu fiecare cretere de ncredere bazat pe echipamentele ABGPS/UMI, aerotriangulaia automat pune la dispoziie costuri eficiente ale controlului calitii, prin verificarea rezultatelor nainte ca ele s fie produse. Aa dup cum viteza i robusteea aerotriangulaiei automate cresc, abilitatea pentru controlul calitii rezultatelor culegerii i prelucrrii datelor ABGPS / UMI devine critic, att pentru productor ct i pentru satisfacerea utilizatorului final cu produsele livrate. La un nivel minim, aceast capabilitate poate fi folosit pentru a aprecia orientarea relativ a imaginillor de la una la alta, naintea cercetrii detaliate a zonelor suspecte cerut operatorului. La nivel complet, ea poate stabili dac se scade cadrul de timp i n consecin, preul de cost. 2.4.2 Metode fotogrametrice aplicate pentru generarea modelelor digitale altimetrice (MDA) Metodele fotogrametrice pentru extragerea datelor utilizate la costrucia MDA, pot fi grupate n trei clase: a). Metode bazate pe stereocompilare b). Culegerea automat a datelor de cot prin corelare digital c). Aplicarea pentru culegerea datelor altimetrice a unei proceduri hibride. 2.4.3 Rectificarea i georeferenierea imaginilor Imaginile georefereniate sunt definite ca fiind acele imagini n care coordonatele teren 3D pot fi reprezentate (cartate) matematic n spaiul imagine 2D i invers. Toate imaginile trebuiesc legate de cadrul de referin al terenului. n multe cazuri, aceast operaie solicit efectuarea unui proces de aerotriangulaie, dar pentru unele situaii poate fi realizat cu ajutorul datelor culese de GPS aeropurtat (ABGPS Air Borne GPS) i unitatea de msurare inerial (UMI). Imaginile georefereniate solicit ntotdeauna un model geometric al senzorului, care s modeleze foarte precis urmtoarele componente: h Orientarea interioar;

5

h Transformarea imaginilor din format analogic (hardcopy) n format digital prin scanare, n cazul folosirii camerelor clasice (cu film) la preluare; h Orientarea exterioar; h Efectele atmosferice care afectez coordonatele imagine i corectarea lor; h Efectul de curbur a Pmntului i sistemul de corectare a coordonatelor pentru acest efect. Distorsiunile obiectivului sunt modelate n general ca fiind alctuite din componente radiale i tangeniale, fa de punctul principal. Fig. 2.5 Distorsiunile obiectivului fa de punctul principal

2.5 Tehnologii complementare Prezentarea abordrilor fotogrametrice necesit ntotdeauna o trecere n revist a tehnologiilor care evolueaz rapid, manifestnd un puternic impact asupra procesului de producie. Aceste tehnologii sunt : sistemele de scanare (digitizare sau transpunere n format digital) a imaginii. aerotriangulaia efectuat automat. 2.5.1 FMC Compensarea trenarii

Platforma este prevazuta cu un mecanism ce deplaseaza intreaga camera sau senzorul acesteia pentru eliminarea fenomenului de imagine miscata pe directia de zbor. Aceast fenomen este cu atat mai pronuntat cu cat obturatorul camerei sta mai mult timp pe pozitia deschis, timp dictat de contitiile de luminozitate in momentul achizitiei. 2.5.2 Platforma girostabilizatoare

Utilizand datele de la unitatea inertiala (UMI) platforma incearca sa compenseze in timp real inclinarile pe cele 3 axe prin inclinarea acesteia in sensuri contrare. Miscarile sunt realizate de servomotoare rapide. In urma acestor corectii raman totusi inclinari mici care vor fi luate in calcul la post-prelucrare.

2.5.3 Dispozitivul GPS aeropurtat (ABGPS) i unitatea de msurare inerial UMI/INS Fotogrametritii au nceput s utilizeze GPS aeropurtat, pentru a ntri rezultatele aerotriangulaiei, prin nregistrarea precis a poziiilor spaiale ale tuturor punctelor de staie de preluare a imaginilor, cu aproximativ 15 ani n urm. Cu datele culese de GPS aeropurtat, sunt necesare mai puine puncte de sprijin (reperi la sol), deoarece coordonatele X,Y,Z, aferente staiilor pot funciona efectiv ca puncte de sprijin, n procesul de aerotriangulaie. Echipamentele reprezentate de GPS aeropurtat (ABGPS) i unitatea de msurare inerial (UMI) integrate, pot pune la dispoziie suficient precizie, fr aerotriangulaie pentru a se ndeplini aproape toate specificaiile ASPRS din clasa a II a i multe din clasa I a pentru unele produse n care sunt incluse i modelele digitale altimetrice. n plus, aerotriangulaia bazat pe GPS aeropurtat i unitatea inerial de msurare va necesita numai numrul minim de puncte de reper pentru a se atinge clasa I a pentru toate proiectele. Aceast tehnologie este de asemenea extrem de critic pentru operarea corespunztoare a sistemelor LIDAR i de preluare aeropurtat a imaginilor. 2.5.4 Sisteme de scanare a imaginii Cu sistemele de nalt precizie i vitez superioar de operare disponibile acum, companiile i firmele pot continua s utilizeze att extragerea de date din imaginile analogice (hardcopy) ct i digitale (softcopy), pentru a satisface cerinele de cost, precum i termenele solicitate n proiecte. Practic, aceste sisteme continu s asigure c echipamentele clasice de preluare a imaginilor (camerele ce opereaz cu film) au o perioad de via extins. Sistemele de scanare au progresat n ultimii 10 15 ani n urmtoarele direcii critice: timpul de acionarea automat a bobinelor de film preciziile de ordinul 0,2 pixeli progresele din domeniul subsistemelor de senzori digitali asigur culegerea informaiei de pe film (emulsia fotografic) la cel puin 8 bii pe pixel creterea continu a raportului eficien / pre de cost 2.6 Metode de culegere a datelor 3D 2.6.1. Stereorestituitoare analitice Proliferarea acestor sisteme s-a bazat n primul rnd, pe utilizarea zilnic i nivelul nalt de precizie atins pentru realizarea aerotriangulaiei, generarea modelelor digitale altimetrice i a datelor planimetrice. n structura lor includ sisteme puternice de calcul (hardware), iar pachetele de programe (software) utilizate la culegerea i prelucrarea datelor sunt n general similare cu cele folosite de sistemele staiilor fotogrametrice digitale, ceea ce asigur utilizarea combinat n cadrul unui proiect. Avantajele primare ale acestui tip de sisteme rezid n proliferarea lor i marea cantitate de proceduri i specificaii publicate, referitore la tehnicile de utilizare. Obinerea de personal calificat i experimentat este oarecum uoar pentru firmele i companiile de producie. Principale lor dezavantaje se refer la:

Lipsa graficii stereoscopice suprapuse (superimposed), ceea ce face reactualizarea datelor mai dificil. Setarea (orientarea interioar, relativ i absolut) manual a fiecrui stereomodel. Discutabil, mult mai multe cerine pentru instruire, dect cele solicitate pentru sistemele staiilor fotogrametrice digitale. Calibrarea continu i cerine generale de operare n condiii de lumin diminuat (semi-ntuneric) i fixarea rigid (ferm) a echipamentului de podea. Inabilitatea pentru utilizarea imaginilor preluate direct n format digital (softcopy). 2.6.2 Staii fotogrametrice digitale Sistemele digitale au fost pentru prima dat introduse n mediul de producie digital, la nceputul anilor 90. Dup o perioad de verificare a preciziei i ctigarea acceptanei operaoinale, ele au nceput s nlocuiasc masiv, echipamentele (aparatele) analitice. Principale avantaje ale exploatrii digitale la staiile fotogrametrice de lucru se refer la: Suprapunerea steroscopic grafic (grafics superimposition) a tuturor tipurilor de date geospaiale peste imagine. Abilitatea de a utiliza fie imagini digitizate (scanate) de pe film, ct i imagini culese direct n format digital. Abilitatea de realiza culegerea cu uurin a datelor detaliilor planimetrice din produsele ortofoto Abilitatea de a se utiliza n comun mediul de lucru al biroului, cu toate c lumina redus nc este inerea la zi (upgrading) cu uurin a sistemului de calcul al staiei i a programelor de operare Poziia relativ liber a capului operatorului n timpul operrii, comparativ cu cea de la sistemele n privina dezavantajelor, se pot meniona urmtoarele aspecte: Trecerea prin faza de instruire ca operator n exploatarea fotogra grametric stereoscopic, familiar Discutabil, calitatea mai sczut a obsevrii stereoscopice, dect cea oferit de sistemele analitice i Poate cel mai mare avantaj al staiilor de lucru digitale, este abilitatea lor de a suprapune grafic datele n mediul stereoscopic. n contextul generrii unui model digital altimetric, aceasta nseamn c toate punctele de cot i chiar curbele de nivel, pot fi suprapuse peste imaginea efectiv a formei terenului. Abilitatea de a revedea datele existente, datele noi i datele modificate (schimbate) este facil, dac toate acestea pot fi revzute selectiv, n aceeai afiare stereoscopic. 2.6.3 Abordri ale exploatrii Cnd se folosesc staiile de lucru analitice sau digitale este utilizat un numr de abordri standard: Se extrag cotele punctelor caracteristice (reprezentative) i liniile de frngere a pantei. Este culeas o matrice de valori digitale de cot, care se ntrete cu datele liniilor de frngere a pantei i cotele digitale ale punctelor caracteristice. operrii la sistemele staiilor de lucru analitice. analogice, unde este folosit observarea direct a imaginilor nregistrate pe film. digitale sau utilizarea produselor ortofoto digitale drept cadru al activitii de culegere. preferat sau chiar cerut n unele cazuri. (hardware and software) cu progresele din tehnologie. staiilor analitice.

8

Dac trebuie s se realizeze exploatarea planimetric, datele de cot sunt adesea iniializate (indicate) de la datele planimetrice, cu cotele punctelor caracteristice i date ale liniilor de frngere a pantei adugate, aa dup cum sunt cerute pentru a se finaliza un model digital altimetric (M.D.A). Dac datele planimetrice reprezint o parte a proiectului de ansamblu, n plus fa de modelul digital altimetric (MDA) i / sau curbele de nivel, atunci se obinuiete s se culeag la nceput, datele aferente trsturilor sau detaliilor planimetrice, caracterizate prin atribute i apoi s se deduc punctele de cot prin filtrarea codurilor coresunztoare datelor. Deoarece multe din detaliile planimetrice sunt culese la nivelul terenului descoperit, codurile lor pot fi folosite la extragerea cotelor i chiar a liniilor de frngere a pantei (cum sunt de exemplu cele din lungul marginilor rurilor sau cilor de comunicaii). n general, se culege numai o cantitate redus de linii adiionale de frngere a pantei. ns, relativ multe puncte cu cote proeminte pot fi adugate, adesea folosind o reea (gril) cu un pas mare, pentru a asigura c forma terenului este culeas. Corelarea digital Culegerea automat a MDA prin intermediul corelrii digitale a imaginii, a fost o topic de cercetare i implementare de peste 40 de ani. Odat cu apariia sistemelor de calcul foarte performante din ultima decad, au fost implementai algoritmi mult mai intensivi i robuti. Dintr-un punct de vedere mai larg, totui, corelarea digital a fost vzut a fi puin cam limitat, n ceea ce privete aplicarea sa n producia de zi cu zi. Raiunile primare pentru aceasta includ lipsa de nelegere, lipsa de ncredere i mai nti de toate, experiena foarte slab. Deducerea (derivarea) automat a cotelor prin corelare digital, echivaleaz fundamental cu compararea direct a micilor elemente de suprafa ale pixelilor de pe imaginile conjugate sau cu compararea indirect a informaiei derivat din imaginile digitale. Una din cheile folosirii cu succes a culegerii automate a cotelor n producia zilnic, este nelegerea capabilitilor i limitrilor acestei tehnologii, vzut ca un ntreg sau ca o singur entitate. Capabilitile generale pot fi stabilite dup cum urmeaz: Abilitate de a genera matrice foarte dense de puncte de cot, n intervale scurte de timp, perioade cnd atenia operatorului staiei de lucru este practic aprope nesolicitat. n general, o bun eantionare a suprafeei generale aparinnd unei imagini (scene) din teren. Rezultate de calitate superioar, obinute la precizii nalte. Rezultate foarte bune pentru hrile realizate la scri mici (rezoluii szute). Specificaiile generale referitoare la limitrile acestei tehnologii, pot fi sintetizate subliniind urmtoarele aspecte: Necesitatea editrii unor cantiti foarte mari de date Necesitatea ,,reglrii diferiilor parametri de culegere a datelor de cota ztoare scrilor mari. Generarea modelelor altimetrice pentru suprafee ntinse

Dificultatea utilizrii efective a datelor, pentru produsele corespun Generarea modelelor digitale ale suprafeei (MDS) Aprecierea automat a schimbrilor suprafeei

9

2.6.4 Abordri hibride pentru culegerea datelor digitale de cot Acest tip de procedur, suport adesea executarea de produse digitale ortofoto provizorii sau expeditiv livrate, unde exploatarea digital este folosit pentru a dezvolta informaia liniilor de frngere a pantei, cerute pentru curbele de nivel topografice. Pentru hrile la scar mic, aceast abordare poate fi foarte eficient. La hrile la scar mare ns, abordarea devine marginal eficient, deoarece editarea extensiv a datelor corelrii digitale poate depi timpul de realizare a exploatrii digitale de la nceput. 2.7. Situaia actual 2.7.1 Capabiliti i limitri Dac pentru operaia de generare a modelului digital altimetric, sunt solicitate cote culese la nivelul terenului descoperit, mijloacele fotogrametrice n general nregistreaz limitri sau constrngeri referitoare la cost, cauzate numai de acoperirea dens cu vegetaie. Avantajele primare ale abordrii fotogrametrice a culegerii (eantionrii) datelor din imagini, impune sublinierea urmtoarelor aspecte: Imaginile pot fi reutililizate i pentru alte scopuri, astfel cum este culegerea de date planimetrice; Imaginile se pot folosi ntotdeuna pentru a corecta erorile comise sau datorate omiterilor, din ultimul timp; Etapele astfel cum sunt editarea i finisarea, se pot sprijini ntotdeauna pe un stereomodel, pentru a rezolva discrepanele i corecta erorile la cea mai nalt precizie pus la dispoziie de sistem; Este o abordare probat i verificat o perioad lung de timp i de asemenea foarte temeinic neleas. 2.7.2 Comparaie cu tehnologiile alternative /

complementare Mijloacele de ridicare terestr a terenului, sunt n general mai puin eficiente dect cele fotogrametrice i au fost abandonate pentru unele scopuri. Dei ofer o precizie superioar, tehnologia topografic se dovedete a fi eficient numai n cazul aplicaiilor ce acoper zone de teren restrnse, astfel cum sunt: proiectele de detaliu pentru aeroporturi, obiective industriale, cvartale de locuine, realizarea interseciilor (nodurilor) de ci de comunicaii, a unor tronsoane din traseul cilor de comunicaii, etc. Principala alternativ a tehnologiei fotogrametrice este tehnologia LIDAR, sau o combinaie eficient a acesteia, cu cea fotogrametric. Echipamentele specifice tehnologiei LIDAR i prelucrarea datelor culese prin intermediul acesteia, au parcurs faza de nceput, iar peste civa ani se apreciaz c vor fi n plin maturitate. Avantajele tehnologiei LiDAR includ: Culegerea rapid a unei cantiti foarte mari de date de cot; Culegerea unei cantiti foarte mari de detalii; Cmp de vedere mic (ngust), care nu pune probleme de acoperire a detaliilor ( construcii, teren accidentat etc.);

Culegerea datelor direct n format digital; Abilitate de ,,vedere prin vegetaia foarte dens, substanial mai bun dect cea oferit de abordarea Precizie adecvat pentru toate scrile i n special pentru scrile foarte mari; Mult permisivitate privind condiiile de zbor ( sub acoperire cu nori, ziua / noaptea etc.). n privina dezavantajelor tehnologiei LIDAR n raport cu tehnologia fotogrametric, sunt de menionat

fotogrametric;

umtoarele aspecte: Solicit prelucrarea unor cantitii mari de date n general de sute de ori mai mult informaie de ct cea preluat cu mijloacele foto grametrice. n consecin acest aspect implic mai mult timp de editare i

programe (software) mult mai specializate. Editarea datelor poate deveni att de extensiv, nct ea s depasc cu mult varianta fotogrametric a culegerii datelor folosind operatori bine instruii i cu experien; Multe cote sunt culese pe suprafaa elementelor (detaliilor) rezultate n urma activitii umane (astfel cum s fie reduse la suprafaa ,,terenului descoperit bare earth, pentru a putea sunt construciile) i trebuie

ulterior s fie utilizate n cadrul cartrii topografice, la generarea MDA i trasarea nivelmentului/trasarea curbelor de nivel (contouring). Cu toate c au fost dezvoltate unele tehnici automate pentru ,,filtrarea datelor, n sensul aducerii lor la nivelul terenului descoperit, trebuie menionat c acestea sunt nc n faza de nceput, de cercetare, investigare i experimentare. Cmpul de vedere ngust presupune mai mult timp de zbor. Acesta necesar pentru capabilitatea LIDAR; exemplu echidistana de 0,25 0,30 cm. Aceast situaie se datoreaz este totui socotit pe zi / noapte i aproape tot timpul pare s fie nc problematice astfel ca de

Precizia este acceptabil pentru aproape toate produsele, dar preci ziile nalte de la scrile mari sunt

parial netezirii (nivelrii) datelor la o suprafa exact de reprezentare de asemenea faptului c valorile de cot extrase prin tehnologia LiDAR sunt o mediere a cotelol finite reprezentative ale terenului. Dac valorile de cot reprezentative locale sunt de asemenea mari n raport cu precizia vertical cerut, n special n zonele cu teren accidentat, specificaiile produselor pot s nu fie ndeplinite; Curbelor de nivel generate automat prin procesul tehnologiei LIDAR le lipsete netezimea trasate manual prin exploatare fotogrametric i care (desfurarea aparent neted), specific celor

urmeaz principiile licenierii cartografice. Acest aspect se evideniaz n special la curbele de nivel trasate n lungul liniilor de mal ale rurilor i la la felul (maniera) cum traverseaz curbele de nivel rul, de pe un mal pe cellalt; Dependen foarte puternic de date de calitate superioar culese cu ABGPS i UMI. Echipamentul necorespunztoare), condiiile atmosferice, sau rezultatele slabe provenite de neperformant (cu funcionare

la ABGPS, pot invalida un zbor i solicita repetarea culegerii datelor. Abordrile fotogrametrice folosesc adesea datele provenite de la UMI, ca suport (ntrire) al prelucrrii n timp ce LiDARUL le solicit pentru coordonatele teren. n cadrul abordrilor fotogrametrice refacerea culegerii de date poate s nu fie solicitat, cu condiia ca s fie disponibile suficiente puncte de reper pentru aerotriangulaie; multe Fr imagini, verificarea datelor i rezolvarea ambiguitilor de cot devine problematic. Mijoacele posibilitatea de a reface culegera de cote, ceea ce explic de ce sisteme LIDAR utilizeaz asociera cu camerele fotografice (senzori optici digitali). 2.8 Postprelucrarea i controlul calitii Dup generarea fotogrametric a MDA, postprelucrarea intervine numai n urmtorele situaii: fotogrametrice de asemenea ofer

editarea datelor de cot generate prin corelare digital; generarea cubelor de nivel de la datele de cot; conversia de format a datelor de cot; Cantitatea editrii interactive solicitat n cazul corelrii digitale devine un factor limitator, numai n varianta culegerii automate a datelor de cot. Ea pune probleme n urmtoarele situaii: Reducerea cotelor la nivelul terenului descoperit n zonele urbane sau cu vegetaie foarte dens; Editarea zonelor susceptibile de erori, astfel cum sunt cele cu contrast foarte mic i variaii de cot nivel afectate de ,,zgomot. Aceast situaie apare n special pentru curbelor; Pierderea n procesul de culegere a cotelor de suficiente detalii n jurul liniilor de frngere a pantei, naturale sau artificiale; Corelri false (cote eronate) din zonele cu contrast i coninut mic; Limite insuficient detaliate ntre teren i suprafeele ocupate de ap. Muli utilizatori ai abordrilor bazate pe corelarea digital, regleaz parametrii corelrii pentru alinierea lor cu caracteristicile din proiecte, sau chiar zone din interiorul proiectelor. Generarea curbelor de nivel de la datele de cot este parial automat, pentru c nc implic o mare cantitate de intervenie pentru operare interactiv. Situaiile care aproape ntotdeauna implic intervenia operrii interactive includ: Asigurarea c traseele curbelor intersectez (traverseaz) liniile de frngere a pantei la unghiuri corecte i sunt ,,ascuite spre cota superioar. Asigurarea c traseele curbelor nu se intersecteaz sau se suprapun i astfel s prezinte probleme de interpretare n teren accidentat. Plasarea curbelor intermediare (auxiliare) n terenul uor variat pentru a asigura precizie. Plasarea cotelor reprezentative (spot elevation) pentru a marca minimele i maximele locale n toate tipurile de teren i de asemenea pentru a Controlul calitii Modelele digitale altimetrice produse prin intermediul mijloacelor fotogrametrice sunt controlate calitativ pe baza urmtoarelor elemente: Eantionarea statistic a cotelor msurate n punctele de verificare i/sau de reper (control points). stereoscopic. Forma corespunztoare a curbelor de nivel, implic de asemenea o verificare vizual rapid, comparat cu nsi calitatea MDA. Un numr de pachete de programe pun la dispoziie capabilitatea de a vizualiza suprafaa TIN (laturile triunghiurilor) pentru a se determina conformana cu suprafaa terenului. 3. APLICAII ALE MDA Utilizrile MDA deduse fotogrametric, se mpart n mai multe clase. Pe ansamblu, se disting urmtoarele clase principale: suport al trasrii curbelor de nivel topografice, Inspectarea curbelor de nivel i / sau a suprafeei reelei TIN, suprapuse peste o imagine servi ca valori de cot absolute, dispuse la intervale periodice. echidistanele foarte mici ale extensiv localizate, care produc curbe de

generarea produselor ortofoto digitale, multiplele solicitri din domeniile inginereti. 3.1 Progrese tehnologice Progresele tehnologice din ultima perioad, care ajut abordrile fotogrametrice includ: utilizarea sistemelor digitale de preluare a imaginilor; progresele realizate n domeniul echipamentelor UMI; progresele realizate n domeniul tehnicii de corelare digital; progresele fr suprapuneri din domeniul stocrii, regsirii i prelucrrii datelor de cot. 3.2 Produse fotogrametrice generate pe baza MDA 3.2.1 Hri planimetrice digitale O hart planimetric red (arat) poziia orizontal a detaliilor planimetrice, dar fr s aib trasate pe ea traseele liniilor curbelor de nivel sau alte mijloace pentru afiarea 3D a topografiei terenului. Raiunea principal a acestui aspect sunt deplasrile datorate reliefului terenului. O imagine aerian este o vedere perspectiv a terenului, aa cum acesta este vzut de deasupra. Dac imaginea sau fotograma este preluat exact vertical, de exemplu este fotografiat cu o camer al crei ax optic coincide cu direcia verticalei locului, detaliile planimetrice mai nalte, vor avea pe imaginea fotogramei o scar diferit fa de cea a detaliilor aflate la o cot mai mic n raport cu nivelul mediu al mrii. Deplasarea datorat reliefului este corectat prin procedurile stereofotogrametrice, care prin natura lor intrinsec, iau n considerare aceste variabile. Rezultatul efectiv este c hrile planimetrice nu sunt n mod normal produse de precizie sub aspect orizontal, dac la efectuarea procesului de cartare nu se ia n considerare efectul cotelor terenului. Excepie de la aceast regul fac limitele administrative, limitele parcelelor ce aparin diverilor proprietari precum i alte detalii planimetrice, care nu apar pe imaginile aeriene i n mod practic nu sunt cartate stereofotogrametric, ci pe baza msurtorilor de unghiuri i distane, realizate folosind tehnologiile topografice. Cartarea terenului Aa dup cum este cunoscut, n prezent hrile topografice i Sistemele Informaionale Geografice ( SIG) sunt larg folosite la toate nivelele guvernamentale, academice i ale economiei de stat i particulare. Cu toate c utilizrile lor sunt extrem de diverse, ele tipic se sprijin pe straturile (,,layers) fundamentului SIG, care includ: (1) ortofotoimaginile digitale, (2) datele digitale de cot i (3) datele corespunztoare straturilor de baz ce cuprind datele digitale aferente punctelor, vectorilor i poligoanelor, corespunztoare structurilor hidrografice, de transporturi, precum i altor detalii planimetrice, care pot fi cartate fotogrametric, de la perechile de imagini stereoscopice (stereograme). De asemenea acestea includ i limitele administrative i denumirile toponimice sau ale proprietarilor, care nu sunt vizibile pe imaginile fotogramelor aeriene. n vrful acestor straturi ale fundamentului SIG, sunt georefereniate straturi adiionale cu scop special, astfel nct ele s se muleze exact pe datele care alctuiesc fundaia de baz. 3.2.2 Hri topografice digitale (cu elemente planimetrice i altimetrice) Hrile topografice n mod normal includ detaliile planimetrice precum i traseele curbelor de nivel topografice, la care se adaug punctele din teren cu cote reprezentative sau dominante (spot heights

Toate cerinele cartrii topografice pot fi satisfcute prin stereofotogrametrie sau n combinaie cu datele digitale de cot produse de echipamentele IFSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) ori cele LIDAR. 3.2.3 Ortofotoplanuri digitale Ortofotohrile digitale nu includ datele de cot n sine, dar ele nu pot fi produse eficient din punct de vedere al costului, fr datele digitale de cot, coninute n MDA. Aa dup cum s-a menionat anterior, la baza hrilor planimetrice stau imaginile (fotografiile sau fotogramele aeriene), care practic sunt vederi perspective ale terenului. Cnd aceste imagini sunt digitizate, ele nc includ deplasrile datorate reliefului i nclinrilor platformei purttoare ale senzorului de preluare a imaginii. Aerotriangulaia produce cele ase elemente de orientare exterioar, pentru fiecare imagine (fotogram) aa dup cum se cunoate, iar staia fotogrametric digital (calculatorul) poate compensa (corecta) deplasrile datorate nclinrii platformei, dar cele datorate reliefului terenului sunt nc prezente n imagine. Prin proiectarea imaginii peste MDA corespunztor zonei de teren cuprins n imagine, imaginea vedere ortogonal din spaiu. 3.2.4 Hri de risc pentru calamiti naturale n acest paragraf se prezint o modalitate de realizarea hrilor de risc pentru inundaii pe baza produselor fotogrametrice digitale. ,,drapat peste MDA compenseaz mult din deplasarea datorat reliefului, punnd la dispoziie o proiecie ortografic aproximativ, care se apropie foarte mult teoretic, de o

3.3 Concluzii privind aplicaiile fotogrametriei Modelarea digital a terenului reprezint o operaie important n cadrul diverselor aplicaii ale informaiei geospaiale. Modelele digitale ale terenului, n special cele care se refer la modelarea digital altimetric a reliefului, se folosesc n prezent la realizarea unui larg diapazon de aplicaii, cum sunt: generarea produselor ortofoto (ortofotoplanuri i ortofotohri), modelarea 3D a oraelor, simularea diferitelor categorii de zbor ale vehiculelor aeriene i spaiale, sau instruirea n cmpul (teatrul) virtual de lupt, efectiv numrul aplicaiilor modelelor digitale fiind virtual nelimitat. Recent, Digital Earth (DE)(de exemplu Microsoft Virtual Earth i Google Earth) au explorat i implementat, ca un cadru de lucru organizaional pentru informare despre Pmnt (Earth), prin facilitarea permiterii utilizatorilor s interacioneze, s cerceteze i chiar s fac simulri pe redarea virtual a planetei. Deci, modelele digitale ale terenului vor deveni critic permisive pentru diversele aplicaii anticipate ale Pmntului Digital (DE). Metodele de culegere a datelor iniiale aferente MDA sunt condiionate direct de echipamentele folosite, iar n cadrul acestora, actualmente staiile fotogrametrice digitale au devenit echipamentul dominant. Totui, sunt folosite i staiile analitice, avnd n vedere c acestea integreaz n structura lor platforme de calcul puternice i performante, dar n Romnia achiziionarea unor astfel de echipamente nu se mai justific, datorit depirii lor tehnologice. Practic, partea de software este acum elementul principal. Tipurile de senzori s-au diversificat, principalii senzori folosii pentru preluarea imaginilor din care se extrag (eantioneaz) datele modelelor digitale fiind senzorii electronici.

Un factor de importan major al obinerii datelor modelului digital este condiionat de proiectarea prelurii imaginilor, n cadrul creia se subliniaz rezoluia imaginii, starea fenologic a vegetaiei i punctele de sprijin sau de reper. Tot n legtur cu proiectarea prelurii de imagini, se impun consideraii privind GPS aeropurtat (ABGPS) i condiiile atmosferice. Evident, tehnologia fotogrametric are importante capabiliti, iar aspectele sale limitative evidenia clar, prin comparaia cu tehnologiile concurente / complementare. Ansamblul cadrului tehnologiei este completat cu aspectele legate de controlul calitii, principale aplicaii ale utilizatorilor i progresele tehnolgice. Ultima parte a capitolului evideniaz produsele fotogrametrice generate pe baza MDA, folosite la identificarea i delimitarea zonelor de risc a fenomenelor naturale. 4. METODE DE OBINERE A MODELULUI GENERAL AL SUPRAFEEI DE REFLECTAN I A MODELULUI DIGITAL ALTIMETRIC AL TERENULUI. SURSE DE DATE Introducere Descrierea unui obiect se face adesea prin rezolvarea unor probleme tipice reprezentat. Reprezentarea pe calculator a spaiului obiect este o sintez a modelului algoritmului adoptat i a structurii datelor de baz. 4.1 Clasificarea modelelor 3D n principiu modelele 3D se mpart n trei clase independente funcie de modul de reprezentare a datelor de baz n calculator precum i de domeniul de utilizare a acestor modele. Modele 3D reprezentate prin puncte, Modele 3D reprezentate prin suprafee, Modele 3D reprezentate prin elemente de volum, legate de descrierea se pot

componentelor sale simple cu atributele i proprietile lor a relaiilor dintre ele n contextul ntregului de

- Modele 3D reprezentate prin metode hibride. 4.2. Metode fotogrametrice i de teledetecie de culegere a datelor de baz Fotogrametria i teledetecia sunt cele mai economice metode de culegere a datelor pentru suprafee mari. Fotogrametria a cunoscut n ultima perioad mari transformri n ceea ce privete senzorii de preluare ct i a tehnologiei clasice de exploatare a fotogramei i stereogramei. Dezvoltarea senzorilor optoelectronici de tipul dispozitivelor cuplate prin sarcin (DCS) sau cu transfer de sarcin (DTS) pentru preluarea fotogramelor digitale i dezvoltarea ntregii tehnologii bazate pe exploatarea stereoscopic a stereogramei i a produselor bazate pe aceast tehnologie.Prin metode fotogrametice aferente MDA pot fi obinute astfel: a) prin prelucrarea geometric i radiometric a imaginii digitale folosind tonurile de gri ale imaginii. b) prin exploatarea stereoscopic a stereogramei digitale c) dezvoltarea sistemelor laser-scanner, d) prin metode de radargrametrie,

e) prin metode de interferometrie 4.3 LiDAR Sistemul este compus din sistemul laser montat pe un avion sau elicopter echipat cu platforma inerial IMU i receptoare GPS. Actualele sisteme laser pot emite pn la cteva mii de impulsuri pe secund, fiecare impuls avnd o durat de 10-9

secunde.

Sistemul se bazeaz pe o diod laser cu rol de surs de radiaie

luminoas care emite impulsuri cu o anumit frecven i un receptor. Masurnd perioadele de timp dintre emisie i recepie cu mare precizie i innd cont de viteza de propagare a luminii, se determin distana obiect. Sistemul emitor folosete o oglind rotativ pentru a baleia sub un anumit unghi o poriune de teren de forma unei linii perpendiculare pe direcia de zbor. Aceasta, mpreuna cu micarea pe direcia de zbor a ntregului sistem va avea ca rezultat scanarea unei benzi de teren. Sistemul Lidar are nevoie de cteva staii GPS la sol, una montat pe avion, i corecii difereniale. Erorile de poziie i orientare a avionului, unghiul de baleere, refracia atmosferic i alte surse de erori n determinarea coordonatelor punctelor induc o precizie de 1m n plan i o precizie de 10-20 cm la cot. 4.4 Crearea MDA prin scanarea i digitizarea materialelor cartografice existente Hrile i planurile topografice existente pot constitui o surs important de date atunci cnd metodele fotogrametrice nu se pot utiliza, vectorizarea curbelor de nivel n baz de timp sau spaiu pot genera MDA. Modelul Digital al Suprafeei Topografice (MDSR) n exploatrile stereo fotogrametrice digitale rezult n urma procesului de corelaie a celor dou imagini ce compun stereograma digital i conine pentru fiecare punct i informaia altimetric pentru obiectele situate suprafee precum cldiri, pomi etc. n cazul datelor obinute prin scanare este suprafaa obinut cu datele din prima reflexie i reprezint ca i n cazul anterior suprafaa la nivelul coroanei arborilor, acoperiurilor etc. Pe baza acestor suprafee prin filtrare se determin MDA. Corelaia n spaiu imagine [Toni Schenk , 1999] se este cea mai veche metod dezvoltat n fotogrametria digital pentru identificarea punctelor corespondente n scopul determinrii elementelor orientrii exterioare ale stereogramei precum i pentru exploatarea acesteia. a) Prima metod este corelarea plan b) Metoda gradientului c) Corelarea formelor liniare d) Corelarea dup liniile nucleale 4.5 Reprezentarea modelului 3D 4.5.1 Reprezentarea prin puncte i/sau segmente de dreapt a modelului 3D 4.5.2 Reprezentarea prin suprafee elementare a modelului 3D 4.5.3 Reprezentarea prin elemente de volum a modelului 3D 4.5.4 Modele 3D reprezentate prin metode hibride la suprafaa solului, n general deasupra acestei

16

5. STRATEGII DE MODELARE A SUPRAFEEI TERENULUI 5.1 Generarea convenional a modelelor digitale altimetrice 5.1.1 Principii matematice Modelul digital al reliefului, este o reprezentare a suprafeei fizice terestre sub form matematic numeric, se implic definirea unui model matematic prin intermediul cruia poate fi descris o suprafa nematematic, complex. Rezolvarea analitic clasic a acestei probleme, const n segmentele unui ir de curbe plane, obinute secionnd segmentele de suprafa reprezentate ntr-un sistem de axe tridimensional, cu planuri perpendiculare pe axa Ox (sau Oy). Dac se noteaz cu Aiy, parametrii funciei:

F(x) = A ij i x0

n

(5.1)

care reprezint curba de rang j, corespunztoare seciunii planului Pj, exist pentru toate valorile lui i, o funcie de forma:

A i (y) =

0

k

i

(5.2)

Bij yce ia valorile Aij, ori se d lui y, valoarea coordonatei planului, care conine curba de rang j. Astfel, pentru toate punctele pk (x, y), va corespunde o valoare zk, dat de funcia:

Z k = F(x, y) = ( Bijj ) x i yi=0 j=0

n

k

(5.3)

Relaia (5.3) reprezint ecuaia prin care poate fi modelat suprafaa terenului. 5.1.2 Modelarea global a). Modelare global cu funcii polinomiale b). Metoda nsumrii suprafeelor c). Modelarea pe elemente de suprafa d).Elemente mari de suprafa modelate cu funcii armonice 5.2 Generarea MDA din date LiDAR Culegerea datelor pentru generarea modelelor digitale altimetrice constituie un proces informatic prin care se nregistreaz numeric, elementele descriptive ale formelor scoarei terestre, fcnd abstracie de suprastructuri (vegetaie, construcii etc.). Preponderent datele eantionate sunt alctuite din cotele (zi) i poziiile planimetrice (xi, yi) corespunztoare unor grupuri de puncte ce redau variaia spaial i caracteristicile reliefului din zona de teren modelat. La nivelul actual al echipamentelor (aparaturii) utilizate n fotogrametrie teledetecie, geodezie i topografie, acest proces poate fi realizat prin msurtori fizice directe ale terenului, sau msurri i determinri indirecte conform extragerii informaiilor din produse cartografice, imagini fotografice

17

convenionale (fotograme) i imagini (nregistrri) preluate cu senzorii comerciali utilizai n programele de cartare i teledetecie. Tradiional, datele de referin folosite la construcia modelelor digitale se pot obine cu diferite tipuri de echipamente (instrumente) topografice. Este avantajoas utilizarea staiilor de teren totale aparinnd ultimelor generaii. Acestea integreaz n structura lor dispozitive de msurare i programe de calcul, care

18

faciliteaz determinarea rapid i precis a coordonatelor (x, y, z) i subsecvent stocarea lor automat. De asemenea dispun de interfee pentru exportul datelor culese n sistemele de prelucrare. Tot n clasa ridicrilor de teren poate fi ncadrat i culegerea de date realizat prin intermediul staiilor GPS cu operare cinematic. Dei ofer o precizie superioar, metodele i aparatura topografic se dovedesc eficiente numai n cazul modelelor ce acoper zone de teren restrnse. Pentru crearea modelelor ce cuprind suprafee mari de teren utilizate la realizarea de hri i planuri topografice, hri tematice, proiectarea lucrrilor de mbuntirii funciare, a cilor de comunicaii, exploatarea imaginilor (nregistrrilor) de teledetecie, studiul anumitor fenomene la nivel regional, sau diverse alte scopuri, unde apare necesitatea culegerii unui volum apreciabil de informaii altimetrice, experiena acumulat pn acum atest tehnologia i echipamentele fotogrametrice ca fiind unele dintre cele mai adecvate mijloace disponibile operaional. Ele confer flexibilitate sporit procesului de eantionaj, asigur precizia necesar i realizarea unui grad avansat de automatizare, pe fondul unor parametrii de calitate, randament i pre de cost foarte apropiai de nivelul optim. Dac se iau n considerare sursele de date bazate pe imagini folosite n cadrul procesului de eantionaj, acestea sunt: produsele cartografice (hri i planuri) la diferite scri, rezultate n urma activitilor de cartare, executate prin metode fotogrametrice; imaginile tradiionale (fotogramele) provenite de la camerele aeriene care folosesc ca senzor de imagine emulsia filmului fotografic; imaginile preluate cu noua generaie de camere aeriene ce opereaz n format digital, utiliznd ca senzor de imagine matricile sau baretele (irurile) de elemente fotosenzoare alctuite din semiconductori (CCD charge coupled device (dispozitiv cuplat prin sarcin)); imaginile de nalt rezoluie provenite de la senzorii digitali sau analogici (emulsii fotografice) amplasai la bordul sateliilor comerciali i navelor spaiale. diapazon de scri, care faciliteaz realizarea tuturor categoriilor de modele digitale. Imaginile (nregistrrile) provenite de la senzorii digitali sau uneori analogici, amplasai la bordul sateliilor comerciali i navelor spaiale, ating n prezent rezoluii la nivelul solului ce ajung pn la valoarea de 0,6 1 m. Acest aspect face ca aceast surs de date s fie utilizat n prezent cu preponderen pentru generarea modelelor digitale, care satisfac cerinele aplicaiilor la scri medii i mici. Referitor la imaginile preluate cu camere aeriene digitale, se ateapt ca ele s nlocuiasc n perioada urmtoare, imaginile obinute de la camerele ce opereaz cu film. Cele preluate cu primele tipuri de camere digitale au o calitate metric mai redus datorit dimensiunii nc mari a pixelului de imagine n planul focal al camerei. S-au realizat i sisteme digitale care utilizeaz barete (linii) de senzori cuplate cu dispozitive G.P.S. i uniti ineriale de msurare, care pot livra imagini digitale echivalente practic cu imaginile (fotogramele) preluate pe film. Modelarea suprafeei topografice este o etap foarte important n procesul tehnologic fotogrametric. Are aplicaii dintre cele mai diverse servind la ntocmirea ortofotohrilor, n studii hidrografice, telecomunicaii etc. ntocmirea MDA nu este propriu zis o problem strict fotogrametric, dar fotogrametria este metoda cea mai economic i ca atare cea mai utilizat metod pentru colectarea datelor necesare ntocmirii MDA. n cele ce urmeaz vor fi fcute o serie de consideraii privind modul de culegere a datelor de baz, cum se definete MDA pe baza acestor puncte de coordonate cunoscute. MDA este o reprezentare matematic a

18

altitudinilor unei suprafee topografice din spaiul obiect pentru o zon de teren bine definit n timp ce MDT (Modelul Digital al Terenului) este reprezentarea matematic planimetric i altimetric a obiectelor din spaiu i a mediului lor nconjurtor precum cldiri, elemente de infrastructur etc, pentru o zon de teren bine definit. MDT constituie baza de date pentru hrile digitale tridimensionale. Modelul Digital al Suprafeei Topografice (MDSR) conine pentru fiecare punct i informaia altimetric pentru obiectele situate la suprafaa solului, deasupra sau sub aceast suprafa (nlimea caselor, pomilor , adncimea conductelor etc.). Aceast suprafa a aprut datorit metodelor fotogrametrice automate de determinare a punctelor corespondente la exploatarea stereogramei digitale sau n cazul laser-scanerului la determinarea punctelor obinute pe baza datelor din prima i din cea de-a doua reflexie. 5.2.1 Culegerea datelor prin sistemul Laser-Scanerului Sistemul Lidar este capabil de a transmite pn la 5 impulsuri pe secund, ceea ce demonstreaz abilitatea de a face deosebirea de exemplu ntre coroanele pomilor i suprafaa terenului n cazul unei zone mpdurite. n zonele urbane, primul impuls msoar numai acoperiurile i suprafeele opace. Deci pentru a obine numai punctele de pe suprafaa terenului avem nevoie de ultimul impuls reflectat. Un avantaj distinct al sistemului laser-scanner este acela c datele sunt georefereniate nc din faza culegerii datorit utilizrii mpreun cu GPS. Dup o scurt procesare a datelor prin care se elimin eventualele interferene va rezulta o list de coordonate XYZ. Pentru c este un senzor activ, sistemul poate fi folosit att noaptea dar i n absolut orice condiii atmosferice i n orice perioad a zilei spre deosebire de metodele tradiionale ale fotogrametriei. Mai mult, acest sistem permite obinerea unui volum mare de date cu costuri relativ mici i ntr-un timp scurt. Prin colectarea datelor cu ajutorul laser-scanerului se obine un nor de puncte de coordonate cunoscute care aproximeaz MDSR avnd o densitate de 2, 4, 8, pn la 25 puncte pe mp. ntruct sistemul este activ i msoar distanele nclinate de la senzor la spaiu obiect punctele rezultate sunt fie la suprafaa acoperiului fie la sol. Pentru a trece de la aceast suprafa MDSR la suprafaa MDA trebuie creat o reea ordonat de puncte prin interpolare i filtrate toate structurile de altitudine diferite ale zonelor adiacente (construcii , pduri etc.) puncte prezentnd un contrast maxim cu altitudinile mediului. 5.2.2 Filtrarea MDSR i obinerea MDA mbinarea filtrrii cu a interpolrii punctelor se numete predicie liniar robust. Algoritmul se bazeaz pe o analiz ierarhic i anume : prima dat se face o aproximare a suprafeei, apoi se calculeaz erorile reziduale n funcie de distanele dintre suprafa i punctele msurate, i fiecare valoare Z va primi o pondere. Suprafaa este din nou analizat. Un punct situat deasupra suprafeei va atrage spre el suprafaa rezultnd o eroare rezidual mai mic. Dac distana dintre punct i suprafaa depeste o anumit valoare, punctul este clasificat ca fiind n afara suprafeei i eliminat. Procesul de interpolare este iterativ.

19

Fig. 5.4 Filtrarea MDSR i obinerea MDA 5.2.3 Programul Rascor Rascor a fost conceput pentru filtrarea automat a MDSR i obinerea MDA. Pe parcursul proiectului acest program a fost modificat pentru a ine cont de break lines. De asemenea programul detecteaz automat cldirile prin urmrirea schimbrii brute a valorii cotei prima dat urcnd brusc i apoi cobornd cu aceeai valoare. Algoritmul este valabil i n situaiile n care lng cldiri exist zone cu vegetaie. 5.2.4 Elementele caracteristice ale reliefului folosite n procesul de filtrare Informaia cartografic existent poate juca un rol esenial. n extravilan ne referim n special la rupturile de teren i schimbrile de pant iar pentru zonele intravilan i imaginile la scar mare pentru construciile existente. n cadrul unor astfel de elemente al cror eantionaj influeneaz direct calitatea morfologic a modelelor digitale altimetrice, sunt incluse: - liniile de frngere, - liniile de structur, - liniile de delimitare, - liniile de fractur, Rolul lor n reconstrucia digital a reliefului este acela de a ine ct mai mic numrul de necunoscute geometrice pentru a putea fi procesat un volum ct mai mare de date ntr-un timp ct mai scurt. 5.3 Reprezentarea MDA Pentru reprezentarea MDA se pot evidenia urmtoarele clase i sub-clase de reprezentare: A. Metode matematice: I. Globale - serii Fourier sau polinoame de diferite ordine, II. Locale - elemente areale (parcele) regulate i neregulate. B. Metode imagine: I. Modele de linii II. Modele de puncte, II.1 Reea sau gril rectangular regulat cu densitate uniform i variabil (matrici de cote),

20

II.2 Reea neregulat, folosind triangulaia (reea de triunghiuri oarecare sau - TIN) sau analiza proximitii. Determinarea prin interpolare a valorii Z Uneori este necesar determinarea cotei unui punct de pe hart sau din teren, situat ntre mai multe puncte vecine. Punctul P se afl ntre punctele notate cu cifrele 1, 2, 3, 4 i 5, n aceste cinci puncte cunoscnduse valorile cotei Z. Din aceste puncte este posibil ca unele s nu influeneze cota punctului P. Metodele de interpolare presupun folosirea unor funcii matematice i a unor date iniiale. 5.4 Surse de date i metode de eantionare pentru MDA Datele Z n puncte de coordonate X,Y ale suprafeei terestre sunt obinute, de regul, din determinri cu receptoare GPS, din aerofotogramele stereoscopice, folosind aparate fotogrametrice analogice, analitice sau digitale, LiDAR etc. Valorile Z sunt obinute i prin digitizarea hrilor existente, din ridicri topografice pe suprafaa terestr, prin msurarea cu sonarul sau cu un sistem radar etc. Exist numeroase metode de alegere a punctelor pentru MDA, n care se determin cota, cunoscute i ca metode de eantionare, ca de exemplu: a) selective - punctele sunt alese nainte de msurare sau n timpul msurrii; b) adaptive - punctele redundante sunt nlturate pe timpul msurrii; c) progresive - analiza datelor dicteaz cum va fi fcut selecia (analiza i selecia sunt fcute mpreun, stabilindu-se o serie de subreele succesive de densiti din ce n ce mai mari, plecnd de la grile de densitate mai mic a punctelor noduri, n funcie de curbura terenului, calculat din diferenele cotelor ntre perechile de puncte vecine); d) compuse - ca i la metodele progresive, mai nti sunt stabilite zonele de schimbare semnificativ a cotelor, apoi la selecie se ine seama i de microrelief, aplicnd primele metode combinate pe zone (metod bun pentru teren cu forme moderate, cu caracteristici morfologice distincte). 5.5 Interpolarea spaial Interpolarea spaial implic gsirea unei funcii f(x,y) care reprezint ntreaga suprafa a valorilor Z asociate cu puncte P(x,y) dispuse neregulat. n plus, aceast funcie face o predicie a valorilor Z pentru alte poziii dispuse regulat. O asemenea funcie este cunoscut ca funcie de interpolare. Exist dou tipuri de funcii de interpolare, exacte i aproximative (netezirea datelor). Se deosebesc i funciile de interpolare locale i globale. Metodele exacte fac ca ntr-un punct n care se d o valoare Z, dac se aplic i aici interpolarea, se determin exact acea valoare Z. Cu alte cuvinte, analiznd probabilistic, n acel punct ponderea este infinit, probabilitatea de determinare a cotei devine 1 (eveniment cert). De fapt, o metod este exact doar atunci cnd se cunoate dinainte expresia funciei Z, dac aceasta exist. Chiar i unele metode exacte pot folosi un factor de netezire, n acest caz metodele trecnd de la o grup la alta. Dac se ia cazul reliefului, este imposibil ca suprafaa acestuia s fie exprimat printr-o funcie exact. Metodele probabilistice constau n determinarea unei funcii de interpolare folosind un numr limitat de puncte n care se cunosc valorile X, Y i Z. O reprezentare analitic a suprafeei se poate obine doar pentru o zon limitat, dar punctele cu valori Z trebuie s fie dispuse n punctele i pe liniile caracteristice. Ca mod de

21

aplicare, se pot determina mai inti valorile Z n punctele unei grile (reele) rectangulare regulate, a crei densitate poate fi aleas de ctre utilizator, n funcie de mrimea de interpolat, caracteristicile calculatorului i ale memoriei externe unde se depun datele etc. Dintre metodele exacte se pot aminti: interpolarea cu ponderea egal cu valoarea invers a distanei (fr specificarea factorului de netezire); kriging (fr specificarea efectului erorii nugget - pepit); metoda celui mai apropiat vecin; metoda funciei bazei radiale; metoda Shepard modificat (fr specificarea factorului de netezire); metoda prin triangularizare cu interpolare liniar; metoda vecinului natural. Metodele de interpolare prin netezire sau aproximare presupun folosirea unui factor de netezire, aa cum se va vedea la fiecare metod. Acest tip de interpolare reduce efectele variabilitii la scar mic ntre datele Z din puncte vecine. Aceste metode nu consider c n punctul n care se cunoate valoarea Z ponderea este infinit, respectiv probabilitatea s fie egal cu 1. Metode aproximative: metoda regresiei polinomiale; variograme; elipsa de selecie; metoda mediei glisante; interpolarea polinomial local. Metoda de interpolare const dintr-o serie de iteraii de operaiuni de netezire a suprafeei. Sunt calculate diferenele finite de diferite ordine i se aplic o formul de interpolare bidimensional. Valorile Z originale cunoscute n puncte date prin coordonatele X,Y rmn neschimbate. Exist trei opiuni care pot fi alese pentru oprirea iteraiilor, cnd este realizat o condiie din cele specificate. Prima opiune specific numrul maxim de iteraii pe care rutina trebuie s le realizeze asupra datelor geografice nainte de oprire. A doua opiune specific tolerana de convergen (diferena maxim a mrimilor calculate din dou iteraii succesive, exprimat n procente din precizia cotei). A treia opiune este tolerana absolut de convergen, care oprete iteraiile cnd diferena maxim a mrimilor calculate din dou iteraii succesive este mai mic dect o valoare specificat. Valoarea este dat n uniti ale altitudinilor reprezentate pe hart, de exemplu n metri. 5.6 Consideraii tehnice pentru conceperea filtrelor 5.6.1 Caracteristici fundamentale utilizate pentru filtrarea de baz LiDAR Msurtorile de puncte LiDAR sunt influenate de trei componente: terenul descoperit, obiectele de pe suprafaa terenului i zgomotul. Msensor = Eground + Enon-ground + Mnoise Msensor reprezint msurtorile de la senzorul LiDAR; Eground reprezint altitudinea terenului; Enon-ground reprezint nimea obiectelor de pe suprafaa terenului;

22

Mnoise reprezint msurtorile nedorite, cum ar fi zgomotul de la senzori, avioane sau psri.

23

La datele LiDAR, punctele la sol sunt msurtori de pe terenul descoperit care sunt de obicei detalii ale celei mai mici suprafee ntr-o reea local. Punctele care nu se afl pe suprafaa solului reprezint msurtorile efectuate asupra obiectelor de pe teren, cum ar fi copaci, cldiri, poduri i arbuti. Pentru a identifica n mod corespunztor punctele la sol, este important s se neleag caracteristicile fizice ale acestora, care le difereniaz de punctele care nu se afl pe suprafaa solului. Suprafeele la sol pot fi mprite n patru categorii n funcie de caracteristicile lor fizice: 1. Altitudinile cele mai joase. 2. Caracterul abrupt al suprafeelor la sol. 3. Diferenele de cot pentru suprafeele la sol. 4. Omogenitatea suprafeei. Acestea sunt caracteristici comune care devin ipoteze pentru filtre. n unele cazuri, terenul poate s nu aib aceste caracteristici, iar filtrele s caracterizeze punctele ca neaparinnd solului, de exemplu stncile, pentru c au muchii ascuite. 5.6.2 Caracteristicile filtrrii datelor LiDAR Algoritmii de filtrare pentru datele LiDAR au n vedere diferite ipoteze pentru caracteristicile terenului pentru a le diferenia de caracteristicile obiectelor artificiale. n realitate, terenul poate avea caracteristici confundabile cu cele ale obiectelor artificiale. Urmtoarele caracteristici sunt confundate cel mai des: tufiuri, n special cele cu nlime mai mic de 1m, perei nu foarte nali n lungul aleilor, poduri, aglomerri de cldiri cu forme i dimensiuni foarte variate, coamele dealurilor, acoperiri mixte de cldiri i vegetaie, zone cu relief variat. Tufiurile reprezint puncte eronate deoarece sunt catalogate ca fiind pe sol. Dimensiunile diferite ale cldirilor pot cauza probleme pentru cteva filtre. Rupturile de teren sunt greu de identificat pentru majoritatea filtrelor. 5.6.3 Proceduri de filtrare generale Cele patru proceduri principale folosite n generarea MDA sunt prezentate n continuare: 1. Filtrarea erorilor aleatoare ale setului de msurtori. 2. Interpolarea, reeantionarea i reorganizarea. 3. Filtru de baz 4. Generarea MDA.

24

De exemplu un utilizator primete date LiDAR rasterizate i interpolate dar fr a avea informaii despre faza de preprocesare a acestora. n mod similar, multe filtre combine a doua i a treia procedur, iar altele combin chiar ultimele 3 proceduri, ceea ce nseamn c folosesc interpolarea ca metoda de obinere a MDA iar filtrarea se face iterativ n acest proces. Metodele de filtrare pot avea performane variabile cnd sunt aplicate pe zone i condiii la sol diferite. De aceea, selectarea cu grij a zonelor este important pentru evaluarea performanelor algoritmilor de filtrare. Cele mai multe filtre utilizeaz prima reflexie, iar celelalte pe ultima reflexie. Majoritatea cercettorilor aleg cel puin dou zone de test pentru algoritmii implementai, pentru analiza calitativ a rezultatelor finale. Urmtoarele elemente sunt consideraii cheie pentru alegerea zonelor de studiu pentru evaluarea ncrederii filtrelor: 1. Panta i diferena maxim de nivel. 2. Dimensiunile obiectelor. 3. Suprafaa acoperit. 4. Densitatea. 5. Aria zonei de studiu. 6. Numrul zonelor de studiu. 5.6.5 Analiza preciziei Precizia de evaluare joac un rol important att n teren ct i pentru metodele de filtrare i dezvoltarea algoritmului. Cu toate acestea, evaluarea de precizie cantitativ a fost o provocare pentru filtrare din cauza lipsei de date aparinnd solului. Unii cercettori folosesc analiza vizual iar alii aplic un filtru cu caracter aleator pe o zon restrns i compar rezultatele. Experimentele recente demonstreaz totui c analiza preciziei bazat pe filtrarea unei zone aleatoare poate duce la o supraestimare a capacitii filtrului deoarece erorile sunt distribuite pe muchiile obiectelor. O revizuire a preciziei metodelor utilizate este esenial pentru studiul de ctre utilizatorii datelor LiDAR. Exist trei categorii principale de analiz a preciziei metodelor incluznd inspecia vizual, analiza unei zone aleas aleator, i analiza statistic a distribuiei punctelor de pe sol i compararea cu o situaie cert. Inspecia vizual este o tehnic manual de analiz des utilizat cnd nu sunt disponibile alte date referitoare la teren. Aceast tehnic este potrivit la detectarea erorilor identificabile vizual, dar are dezavantajul c este subiectiv operatorului. Unii cercettori folosesc eantioane la interpretarea vizual. De exemplu, eantioanele au fost extrase, filtrate iar rezultatele comparate cu date de referin. De obicei, se aleg eantioane omogene cu date pe sol i pe alte obiecte. Aceast abordare este rapid i convenabil, dei aceste zone omogene sunt de obicei gsite n zone uor de recunoscut i interpretat i nu n zone cu muchi i teren dificil unde apar cele mai multe erori. De fapt, studiile recente au descoperit c erorile apar la obiectele cu caracteristici dificil de interpretat cum sunt arbutii, zidurile cu nlime mic etc. De aceea, eantionarea duce de cele mai multe ori la supraestimarea performanelor filtrelor. O abordare alternativ, este selectarea unor zone de studiu restrnse i clasificarea fiecrui pixel ca aparinnd sau nu terenului n urma segmentrii i editrii manuale.

25

5.6.6 Evaluarea metodelor de filtrare Algoritmi Cercettorii au dezvoltat o gam larg de filtre pentru a separa terenul de obiectele de pe acesta, din date LiDAR. La alegerea unui filtru trebuie inut seama de numrul i tipul reflexiilor LiDAR, de paii de preprocesare, formatul datelor, caracteristici iterative, definirea vecintii, dar i de ali factori implicai n procesul de filtrare. Una dintre primele consideraii la algerea algoritmului de filtrare este reflexia optim pentru filtrare. Chiar dac sunt disponibile mai multe reflexii, cei mai muli cercettori aleg prima reflexie. Cei care se ocup de zone cu teren mpdurit aleg a doua reflexie i ultima, sau o combinaie de prima cu ultima reflexie pentru c LiDAR poate ptrunde prin coronamentul copacilor msurnd astfel puncte pe sol. Tehnica cutarii vecintii unui punct este o alt abordare n nregistrarea punctelor pe suprafaa terenului. nlimea este definit n contextul vecintii incluznd algoritmi liniari pe o direcie de scanare, circulari sau ferestre rectangulare. Studiile au artat c dimensiunea unei vecinti bidimensionale este critic pentru performanele filtrului. Kilian a propus o metod care lucreaz cu ferestre de dimensiuni diferite i atribuirea de ponderi fiecrui punct ntr-o vecintate pentru stabilirea nlimilor. Alii au dezvoltat o morfologie de cretere gradual a dimensiunii vecintii. Practic, cei mai muli algoritmi de filtrare modific iterativ dimensiunea vecintii pentru mbuntirea preciziei filtrrii. 5.7 Tipuri de filtre 5.7.1 Filtre bazate pe segmentare i clasificare Segmentarea i gruparea sunt tehnici obinuite pentru clasificare, iar ncercrile de implementare n analiza datelor LiDAR nu sunt noi. Filin a realizat o clasificare pe grupuri n patru clase de caracteristici pentru separarea terenului de alte obiecte: poziia punctului, diferena de cot ntre punctele nvecinate i descrierea parametrilor de la punct la planul tangent n acel punct. Jacobsen i Lohmann au aplicat metoda segmentrii din programele de recunoatere pentru clasificarea datelor LiDAR n apte clase pentru separarea punctelor. Tovari i Pfeifer au propus o clasificare bazat pe filtrare n doi pai, o clasificare bazat pe creterea iterativ a suprafeei de analiz. Apoi, adugarea punctelor n vecintate bazat pe trei msuratori matematice n planul reprezentat de un grup de puncte, ceea ce duce la separarea punctelor LiDAR n clase ce corespund diferitor obiecte. Al doilea pas folosete mprirea n elemente de baz pentru o interpolare liniar ponderat. Experimentele pe o zon relativ plan cu cteva cldiri au artat c metoda este supraestimat i c terenul este modelat mpreun cu pri din cldiri. Acest lucru se datoreaz faptului c obiectele de deasupra solului au participat la interpolare cu o pondere mic n loc s fie eliminate. Multe segmentri i clasificri experimentale sunt fcute pe terenuri relativ plane. Sunt necesare experimente pe suprafee mult mai complicate, cu teren accidentat, pentru evaluarea performanelor filtrelor. 5.7.2 Filtre morfologice Morfologia matematic lucreaz cu forma obietului sau msurarea formei acestuia, iar experimentele pe date LiDAR au aratat ca filtrele morfologice au abilitatea de a elimina obiectele ce nu apartin terenului cum sunt cladirile si copacii. Procesul tipic include nchideri, deschideri, dilatri si eroziuni bazate pe operatori logici. Spre exemplu, Lohmann a testat un filtru dual care implic dilatare morfologic i eroziune pentru a clasifica punctele candidate la eliminare. Autorul promite rezultate bune ale metodei, dar cu limitri.

26

Filtrele progresive morfologice mai demonstreaz o abilitate sporit la pstrarea limitelor obiectelor care sunt mai mari dect fereastra de lucru. Chen a dezvoltat un filtru morflogic bazat pe lrgirea sporit a ferestrei de lucru. n plus, autorul propune un proces n doi pai pentru minimalizarea limitrilor impuse de fereastra de lucru. Algoritmul elimin n primul rnd punctele de pe copaci cu o fereastr mic iar apoi cldirile cu o fereastr mai mare. 5.7.3 Filtrele cu scanare direcional Cele mai multe filtre i definesc vecintatea ntr-un spaiu bidimensional, dar puine calculeaz panta i diferena de cot de-a lungul unei linii de scanare unidimensional. Shan i Sampath au dezvoltat un algoritm de eliminare a punctelor ce nu aparin solului bazat pe pant i diferena de cot calculat n lungul liniei de scanare, dar cu referine la punctele catalogate la sol din vecintatea cea mai apropiat, aflate pe linia scanat anterior. n loc s se raporteze la valorile estimate bazat pe punctele nconjurtoare, aceast metod bidimensional compar punctele cu punctele din imediata vecintate i s-a dovedit a fi mai sensibil n zonele cu vegetaie joas. Totui, metodele direcionale sunt cteodat sensibile la schimbrile brute ale suprafeei ceea ce are ca efect crearea de linii artificiale pe suprafaa solului. 5.7.4 Filtre de contur Un model activ al formei este o metod folosit pentru cartografiere i a fost recent introdus n detectarea obiectelor din date LiDAR. Algoritmul utilizeaz modele de forme pentru reprezentarea tridimensional a contururilor care funcioneaz ca o reea gradual de eliminare a punctelor ce nu aparin solului, bazat pe msurtori ale forelor precum gravitaia i atracia. Filtrele bazate pe contururi ofer o alternativ unic pentru cartarea suprafeelor LiDAR, totui, trebuie i acetia testai pe mai multe zone pentru a putea fi comparai cu ali algoritmi. 5.7.5 Filtre TIN Un filtru TIN iterativ elimin punctele care nu se afl pe sol bazndu-se pe textura solului. Algoritmul presupune c suprafaa terenului este de obicei neteda i fr deviaii. De aceea, punctele ce nu se afl pe suprafaa neted sunt definite ca puncte ce nu aparin soului. Metoda presupune n prima faz construirea unui model TIN iar apoi face dou conversii. Prima convertete TIN-ul ntr-o baz de date de puncte, iar cea de-a doua convertete modelul TIN n reea rectangular, calculeaz o valoare medie pentru o fereastr de 3 X 3 puncte si atribuie media punctului din centru. Deviaiile sunt definite ca valori negative ce corespund punctelor din baza de date convertit din modelul TIN iniial. Exist dou praguri, primul este pentru eliminarea punctelor de deasupra terenului iar cellalt pentru eliminarea punctelor eronate. Bazat pe acestea, filtrul elimin punctele ce nu aparin solului i creeaz un nou TIN. Procesul este iterativ, oprindu-se cnd nu mai sunt eliminate puncte. Filtrul poate utiliza prima, ultima sau mai multe reflexii. Rezultatele au artat c sunt eliminate cldirile mici i podurile, dar au dat gre la eliminarea cldirilor mari sau cu nlime mic. Aceasta se ntampl deoarece filtrul folosete ferestre cu dimensiune fix. Axelson a dezvoltat un filtru care aproximeaz suprafaa terenului cu o reea TIN. Algoritmul elimin gradual punctele ce nu se afl pe sol bazndu-se pe diferena de cot i unghiul dintre punct i suprafaa

27

triunghiului cel mai apropiat. Studiile au artat c metoda este una dintre cele mai bune ca performan i precizie general dintre toate metodele bazate pe TIN. 5.7.6 Filtre bazate pe interpolare Principiul const n compararea cotelor punctelor cu valori estimate, prin diferite metode de interpolare. Cercettorii care adopt interpolarea liniar au de obiei nevoie de un proces interactiv pentru a minimiza influena punctelor care nu se afla pe sol. De exemplu, Kraus a prezentat o metoda interactiv bazat pe interpolare prin metoda celor mai mici ptrate cu un set de funcii de atribuire a ponderilor. Cercettorii au testat cu succes acest filtru n proiecte de cartografiere, n aplicaii cu pduri i cu linii de schimbare a pantei. Studiile au artat ns limitari n zone cu teren accidentat i cu pante mari. O alt metod de interpolare este cu funcii spline. Evans i Hudak au dezvoltat un proces de filtrare interactiv ale crui rezultate au avut ca efect eliminarea punctelor de pe vegetaia joas. O nou metod estimeaz cotele terenului bazndu-se pe transformri Hermite ntr-un proces iterativ. Alte metode de interpolare includ faetri i metode statistice pentru cotele minime. 5.8 Factori care afecteaz filtrarea a). Metode de interpolare b). Rezoluia c). Densitatea i reducerea datelor d). Erorile cauzate de echipamentul LiDAR i de obiectele de la sol e). Alegerea reflexiei optime pentru filtrare 5.9 Calculul coordonatelor punctelor nregistrate de LiDAR Datele furnizate de LiDAR, cele obinute prin GPS i INS, i parametrii care rezult din etalonarea aeronavelor - laser - GPS - INS ne permit calcularea coordonatelor (x, y, z) din sistemul platformei de captur n sistem WGS 84 Aa cum explic Lindenberger n 1992 n cartea sa despre laser scanner, calculele se fac n cteva etape: trecerea din sistemul de coordonate al echipamentului laser la cel al platformei aeropurtate trecerea din sistemul coordonatelor avion n sistemul local folosind unghiurile de nclinare ale avionului msurate de IMU. Cele dou etape pot fi scrise mpreun sub forma:

x y z Local

xLaser = R( , , ) R( , , ) y Laser z Laser

0 + R(dr, d ,0) 0 Avion

(5.33)

S Laser

Trecerea din permit local in WGS 84 sistematice ale sistemul GPS. (Gau-Krger). Parametrii translaieisistemulcorectarea erorilorse face folosind poziiilorGPS de la bord.

28

5.10 Programul LISA Lisa-basic este un program conceput pentru lucrul cu Modele Digitale Altimetrice. DEM pot fi create pe baza codarii valorilor cotelor cu nuante de gri. Avantajul acestei metode este acela al constructiei foarte rapide a tuturor produselor derivate cum ar fi curbele de nivel, sau modele 3D. Programul nu e limitat la generarea modelelor digitale altimetrice ci include toate functiile necesare analizei imaginii raster. Rezultatele grafice sunt create ca imagini si pot fi exportate ca BMP, JPG, PCX si DXF. 5.11 Programul SURFER Surfer este un pachet software performant destinat generrii curbelor de nivel i al planurilor de diferite tipuri. Surfer transform datele XYZ n rezultate editabile, de nalt calitate, cu tematici multiple, de tipul:

Curbe de nivel Suprafat Reea spatial Model de teren Imagine spaial virtual Plan vectorial 6. FILTRAREA MODELULUI DIGITAL AL SUPRAFEEI DE REFLECTAN PENTRU OBINEREA MODELULUI DIGITAL ALTIMETRIC AL TERENULUI. STUDIU DE CAZ Introducere Ultimele lucrri publicate de mine despre precizia MDA (Modelului Digital Altimetric) rezultat din date

LiDAR s-au concentrat asupra preciziei influenate de factori ca precizia de navigaie, precizia punctelor de referin de modul de filtrare a datelor brute. n timp au fost dezvoltate multe tipuri de filtrare, algoritmii acestora i rezultatele sunt discutai pe larg n lucrare. Totodat, va fi prezentat pe larg, ca o contribuie personal o metod de filtrare propus, mpreun cu rezultatele obinute, i o comparaie cu celelalte metode. Metoda descrie interpolarea norului de puncte i filtrarea datelor bazat pe informaii caracteristice i derivate din coordonatele spaiale: poziie i altitudine. Scopul urmrit de filtrare este de a extrage din setul de date brute care reprezint MDSR ( Modelul Digital al Suprafetei de Reflectan), MDA (Modelul Digital Altimetric). Problemele apar la eliminarea punctelor care nu se afl pe teren. Acestea pot fi eliminate printr-o serie de algoritmi de filtrare. Noua metod propus folosete ultima reflexie pentru determinarea suprafeei terenului. 6.1 Prezentarea celor doua sisteme de preluare a datelor 6.1.1 Prezentare general a sistemului Fly-Map Principalul avantaj al sistemului FLY-MAP n studiul MDA este acela al preciziei foarte ridicate a coordonatelor punctelor ceea ce l face util ntr-o gam foarte larg de aplicaii ale fotogrametriei de la scurt distan. Un alt avantaj este acela al sincronizrii datelor laser-scanner cu imaginea digital sau analogic ceea ce faciliteaz interpretarea datelor.

n cadrul managementului marilor obiective cu dispunere teritorial pe coridoare (cile ferate, cile rutiere, apele curgtoare mai ales cele cu zone inundabile, reele electrice, etc.), operaiile de cartografiere utilizate n diverse scopuri, constituie un proces de cele mai multe ori dificil, foarte costisitor i de lung durat. Accesul prin metode clasice este de regul greoi, cile ferate intersecteaz drumuri la doar 5 km n medie, reelele electrice traverseaz vi, cmpii fr nici un acces auto i chiar drumurile, fiind circulate din ce n ce mai intens, nu permit execuii la un ritm convenabil. Compania FUGRO a dezvoltat un sistem care permite obinerea aceluiai rezultat ca n metodologia clasice dar la costuri mult reduse i ntr-un timp mult mai scurt comparat cu oricare alt metod. Integrnd ultimele inovaii tehnologice din domeniu (scanarea laser, sistemele ineriale, GPS, imaginile digitale de mare rezoluie i programe dedicate aplicaiilor CAD i GIS), a rezultat un sistem puternic i rapid de cartografiere automat i generare a modelului digital al terenului pe zone liniare numit FLY-MAP (Fastest Laser Imaging Mapping Airborne Platforme). 6.1.1.1 Principiul de funcionare La bordul unui elicopter, pe o platform special este montat un sistem complet portabil compus din echipament de scanare laser, dou GPS-uri i camere video. Sistemul de scanare laser obine date transversale pe zona de baleiere n interiorul unui unghi de 60 grade.Cu ajutorul INS i GPS sunt nregistrate date privind coreciile difereniale ce asigur o poziionare n timp real, cu o precizie sub-metric, a elicopterului n scopuri de navigaie. Se nregistreaz toate datele msurate pentru post procesarea soluiei ineriale i corelarea cu nregistrrile GPS de la staia fix la sol, obinnd n final o precizie de poziionare sub 10cm. 6.1.2 Prezentare generala a sistemului Leica ALS 50 II Cu Leica ALS50-II, Leica Geosystems se pot inregistra date cu o frecventa de 150khz. Precizia planimetrica de 11cm se pastreaza indiferent de viteza de scanare. Fata de prima varianta, ALS50-II poate opera la inaltime mai mare (200-6000m), toate functiile sunt controlate de la o interfata grafica si include un sistem inertial nou cu 54% mai mic si cu 33% mai usor. Descrierea fizica a echipamentelor Dimensiuni si mase pentru LiDAR 22.0 x 13.4 x 9.5 inches, 65 lb 56 x 37 x 24 cm, 30 kg Dimensiuni si mase pentru platforma 19.0 x 20.6 x 25.0 inches, 140 lb 48 x 52 x 64 cm, 64 kg Laptop Software post-procesare Determina lat/lon/alt punctelor la sol bazandu-se pe: Pozitia avionului (lat/lon/alt) Orientarea avionului (roll/pitch/heading) Unghiul de scanare Timpul de propagare al impulsului laser de la emitator la receptor Conditiile atmosferice Date brute inregistrate la sol si in aer (DGPS si ABGPS)

6.2 Etape de lucru : Recunoaterea terenului i a punctelor de sprijin Recunoaterea traseului de zbor Proiectarea reelei GPS de sprijin i zbor Materializarea punctelor noi din reeaua GPS Executarea msurtorilor GPS Survolarea traseelor cu FLY-MAP respectiv cu Leica ALS 50 Verificarea nregistrrilor Obinerea imaginilor digitale i analogice Crearea modelului digital al terenului seturi de date laser-scanner Realizarea planului de situaie Generarea profilelor longitudinale i transversale Prelucrri speciale cu programele FLYP7, 3Dtools, Surfer, Bluh-Lisa, Rascor si programul conceput de mine pentru filtrare Integrarea datelor n sisteme GIS

Fig. 6.8 Proiect de zbor 6.2.1 Operaii de teren pentru Fly-Map Pentru desfurarea unei sesiuni de msurtori se amplaseaz la sol, de-a lungul traseului de survol, 57 staii GPS ce funcioneaz n tot timpul zborului nregistrnd date la intervalul de 0,5 secunde, la fel ca GPSurile montate pe elicopter. Aceste staii le vom numi staii de referin i formeaz reeaua GPS de survol. Coordonatele punctelor scanate se vor determina n funcie de aceste staii de referin cu ajutorul sistemului GPS amplasat pe elicopter. Fiecare operator de la staia de referin completeaz la sfrit o fis cu ora de start i de sfrit a msurtorilor, cu nlimea antenei GPS msurat la nceput i la sfrit n trei puncte diferite

dispuse n vrfurile unui triunghi echilateral nscris n cercul de circumferin al antenei, numele punctului i alte observaii utile celui care va procesa msurtorile. Pentru controlul msurtorilor, punctele din reeaua de survol se amplaseaz n general n banda de survol pentru a putea fi determinate i prin sistemul FLY-MA