fotogrametria_rozdz2.pdf

2. Zdjęcia fotogrametryczne

2. 1. Zdjęcie pomiarowe

2.1.1. Zdjęcie pomiarowe jako odwzorowanie perspektywiczne.

Fotogrametryczne obserwacje – w odróżnieniu od geodezyjnych -nie są wykonywane

bezpośrednio na mierzonym obiekcie, ale pośrednio - na odpowiednio wykonanych jego

zdjęciach; nazywamy je z djęciami pomiarowymi lub fotogramami. Podstawowym wymogiem

stawianym zdjęciom pomiarowym jest ich wierność z rzutem środkowym (który wobec

niedoskonałości technik uzyskiwania obrazów jest jedynie jego najbliższym modelem

matematycznym).

Rzutem środkowym (rys. 2.1) punktu A jest punkt A’ - ślad przebicia rzutni π przez

prostą wyznaczoną przez punkty A i O ; proste takie nazywamy promieniami rzucającymi. O – to

środek rzutów, O’ (rzut ortgonalny środka rzutów na rzutnię) - to punkt główny, odcinek OO’ –

nazywamy odległością obrazową.

O’

B’

O C’

A’

D’

Rys.2.1. Rzut środkowy ostrosłupa ABCD - figura A’B’C’D’.

Podkreślmy pewne, oczywiste cechy rzutu środkowego, które następnie porównamy z

cechami zdjęcia pomiarowego:

- wszystkie promienie rzucające są prostymi, przechodzącymi przez środek rzutów O ,

- rzutnia π na której uzyskujemy obraz jest płaszczyzną.

Urządzeniem umożliwiającym uzyskanie rzutu środkowego jest kamera fotograficzna

(analogowa lub cyfrowa); za jej pomocą otrzymujemy zdjęcie. Aby mogło ono być traktowane

jako rzut środkowy, powinny być spełnione następujące warunki:

- obiektyw kamery wolny od dystorsji (ortoskopowy),

- powierzchnia (materiału fotograficznego lub matrycy CCD) na której tworzy się obraz powinna

być płaska,

- obraz nie powinien ulegać deformacjom w trakcie obróbki, oraz podczas przechowywania.

Jeżeli zniekształcenia wynikające z niespełnienia powyższych warunków mieszczą się w

granicach dopuszczalnych, to zdjęcia możemy nazwać zdjęciami pomiarowymi .

2.1.2. Elementy orientacji wewnętrznej

Większość fotogrametrycznych rozwiązań pomiarowych może być traktowana jak przestrzenne

wcięcie w przód. Dwa promienie biegnące od wcinanego punktu, które utworzyły obrazy tego

punktu na zdjęciach wykonanych z dwu stanowisk, są rekonstruowane w trakcie

fotogrametrycznego wcięcia w przód. Pozwala to określić przestrzenne położenie tego punktu na

podstawie jego obrazów na dwu fotogramach. Ogół promieni rzucających danego zdjęcia

określamy jako wiązkę promieni. Jak wynika z teorii rzutu środkowego, dla zrekonstruowania

wiązki promieni rzucających niezbędna jest znajomość położenia punktu głównego O’ i jego

odległości obrazowej OO’ (rys. 2.1). Dane te nazywa się w fotogrametrii elementami orientacji

wewnętrznej (zdjęcia pomiarowego lub kamery pomiarowej) . Ich znajomość umożliwia

rekonstrukcję wiązki promieni, które naświetliły zdjęcie (zbiór odwzorowanych punktów).

Rys. 2.2. Główne elementy kamer pomiarowych (naziemnej - z lewej, lotniczej - z prawej):

korpus z obiektywem (1), ramka tłowa (2), znaczki tłowe (3).

Aby możliwe było jednoznaczne określenie elementów orientacji wewnętrznej, każda

kamera pomiarowa jest wyposażona w znaczki tłowe: 4 (lub 8) naświetlane krzyżyki (albo

wycięcia w race tłowej) odwzorowujące się na zdjęciu pomiarowym (rys. 2.2). Znaczki tłowe są

rozmieszczone w taki sposób, aby przecięcia prostych łączących przeciwległe znaczki

wyznaczały punkt główny. Ponieważ mechaniczna precyzja takiego wyznaczenia jest

niewystarczająca, położenie punktu głównego O’ w układzie wyznaczonym przez znaczki tłowe

określają dwie współrzędne: x o , z o (lub x o , y o ) (rys. 2.2). Są to zwykle wielkości rzędu setnych

części milimetra. Zalicza się je do elementów orientacji wewnętrznej. Wyznaczanie elementów

orientacji wewnętrznej (obejmujące także określanie parametrów dystorsji) nazywamy

kalibracją kamery.

W kamerze pomiarowej odległość obrazowa OO’ - to odległość obrazowego punktu

węzłowego obiektywu od płaszczyzny tłowej (na której powstaje obraz). Poza kilkoma

wyjątkami, odległość OO’ jest w kamerach niezmienna i nazywana jest wtedy stałą kamery (c k ).

Stałość elementów orientacji wewnętrznej jest podstawowym warunkiem, którego spełnienie

musi gwarantować konstrukcja kamery pomiarowej (czasem stawia się jedynie warunek

powtarzalności tych elementów). Punkty: O i O’ wyznaczają kierunek osi kamery . Punkt główny

O’ jest początkiem prostokątnego układu współrzędnych tłowych (rys. 2.3). Osie tego układu są

równoległe do odpowiednich łącznic znaczków tłowych, lub – w kamerach lotniczych –

przyjmowane pod kątem 45 o względem łącznicy znaczków narożnych.

O’

Rys.2.3. Ramki tłowe i układy współrzędnych tłowych.

2.1.3. Elementy orientacji zewnętrznej

Przestrzenne usytuowanie kamery pomiarowej określają elementy orientacji zewnętrznej. Należą

do nich współrzędne terenowe środka rzutów: X o , Y o , Z o , oraz trzy kąty ( ω , ϕ , κ ) - rys. 2.4.

Rys. 2.4. Elementy orientacji zdjęć fotogrametrycznych: naziemnego (z lewej) i lotniczego.

Znajomość tych elementów pozwala odtworzyć przestrzenne usytuowanie zrekonstruowanych

wiązek promieni (które uczestniczą w fotogrametrycznym wcięciu w przód). Wymienione kąty

mają swoje nazwy i można je zdefiniować.

Dla zdjęcia naziemnego:

ω - kąt nachylenia osi kamery (pionowy),

ϕ - kąt zwrotu - kąt poziomy określający kierunek osi kamery (względem bazy lub innego

znanego kierunku),

κ - kąt skręcenia (ramki tłowej) - niepoziomość linii łączącej boczne znaczki tłowe.

Dla zdjęć lotniczych:

ω - kąt nachylenia poprzecznego,

ϕ - kąt nachylenia podłużnego,

κ - kąt skręcenia.

Kąty te objaśnia rysunek 2.4.

Czasem stosuje się inne kątowe elementy orientacji zewnętrznej zdjęcia lotniczego; z

pośród nich najczęściej używany jest kąt nachylenia ν - kąt zawarty między osią kamery a

pionem.

2.2. Kamery fotogrametryczne i wykonywanie zdjęć pomiarowych.

2.2.1. Kamery naziemne

Naziemne kamery pomiarowe często (nie zawsze słusznie) są nazywane fototeodolitami.

Spełniając warunki określone w podrozdziałach 2.1.1 i 2.1.2 posiadają sztywny korpus (z

ramką tłową) w którym osadzany jest obiektyw. Na korpusie zainstalowane są libelle, oraz

urządzenie kątomiercze (luneta z limbusem koła poziomego). Wymienione urządzenia służą do

nadawania kamerze założonej orientacji zewnętrznej . W zrektyfikowanej kamerze , przy

spoziomowanych libellach, ramka tłowa powinna być pionowa (lub nachylona nominalnie), zaś

oś kamery skierowana zgodnie z osią lunety, gdy na limbusie jest odczyt O o . Jest to podstawowy

warunek fototeodolitu.

Z punktu widzenia rozległości przestrzeni którą można sfotografować, dzieli się kamery

na normalnokątne, szerokokątne i nadszerokokątne; za normalnokątną uważa się kamerę, której

odległość obrazowa jest równa (w przybliżeniu) przekątnej formatu.

Terenowy zasięg pionowy kamery zależy nie tylko od jej szerokokątności - można go

kształtować przez zmianę nachylenia kamery (rys. 2.5 a, albo dzięki urządzeniu

umożliwiającemu pionowy przesuw obiektywu (o ściśle znany odcinek), przy niezmienionym,

pionowym położeniu ramki tłowej (rys. 2.5 b.) - zastosowano je w zeissowskiej kamerze

Photheo.

Rys.2.5. Dwa rozwiązania zmienności zasięgu pionowego kamery naziemnej: a) nachylenie

kamery, b) przesunięcie obiektywu.

Odległość obrazowa kamery naziemnej może być stała, lub nastawiana (z dokładnością

0,01mm). W przypadku stałej odległości obrazowej, może ona być równa ogniskowej

obiektywu, albo równa tzw. odległości hiperfokalnej (co pozwala osiągnąć maksymalną głębię

ostrości). Najbardziej uniwersalnym jest oczywiście rozwiązanie konstrukcyjne umożliwiające

precyzyjną, znaną zmianę odległości obrazowej; pozwala to wykonywać zdjęcia z niewielkich

odległości, bez straty ostrości obrazu. Najpopularniejszym w Polsce przedstawicielem kamer o

niezmiennej odległości obrazowej jest fototeodolit Photheo 19/1318, zaś wśród kamer o

zmiennej odległości obrazowej - UMK 10/1318 (rys. 2.6).

Rys.2.6. Kamera pomiarowa UMK 10/1318.

Rys. 2.7. Kamera stereometryczna SMK (Zeiss Jena)

Do szybkiego wykonywania stereogramów z bliskiej odlegości stosuje się czasem

kamery stereometryczne (rys. 2.7); znajdują one zastosowanie przy dokumentowaniu wypadków,

odsłonięć archeologicznych, oraz w ciasnych pomieszczeniach (np. wyrobiska górnicze).

Kamerę stereometryczną stanowi para sprzężonych kamer (zwykle małoformatowych),

osadzonych na wspólnej bazie (stalowej, poziomej ramie). Baza wraz z kamerami, zamocowana

na statywie, może być wysuwana do góry. Kamery te nie są na ogół wyposażone w teodolit, ale

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: