curso técnico em geomática 2006/1 prof. josé aguilar pilon

Curso Técnico em Geomática 2006/1

Prof. José Aguilar PilonProf. José Aguilar Pilon


Introdução

O que é Fotogrametria? Fotogrametria CiênciaCiência e TecnologiaTecnologia de se obter Informação Informação

ConfiávelConfiável, através de ImagensImagens adquiridas por SensoresSensores.• CiênciaCiência: : utiliza-se de métodos científicos;• TecnologiaTecnologia: lança mão do estado da arte da tecnologia;• Informação ConfiávelInformação Confiável: depende do tipo de usuário;• ImagensImagens: representações das interações da energia

eletromagnética;• SensoresSensores:: segundo (Novo, 1992), um sensor é “qualquer

equipamento capaz de transformar alguma forma de energia em um sinal passível de ser convertido em informação sobre o ambiente, sem contato físico entre este sensor e os alvos de interesse”.


Fotogrametria X Sensoriamento Remoto


Faixas de Aquisição das Imagens/Fotografias

Sensores Aerotransportáveis

12 km / 40.000 pés 1,3

mil

hõ

es

- p

és

a

2

,5 m

ilh

ôe

s (

pé

s)

1 km / 3.000 pés

Sensores Espaciais

800 km / 500 milhas

400 km / 250 miles


Objetivo da Fotogrametria

O objetivo principal da fotogrametria pode ser enunciado como: a reconstrução de um espaço tridimensional, chamado de espaço objeto, a partir de imagens bidimensionais, chamadas de espaço imagem.


Divisão da fotogrametria:De acordo com a forma de reconstrução do espaço tridimensional podemos clasificar a fotogrametria em:

Fotogrametria Analógica;Fotogrametria Analítica;Fotogrametria Digital.

Divisão da Fotogrametria


Divisão da Fotogrametria

Fotogrametria Terrestre;Fotogrametria Aérea;

Divisão da fotogrametria:De acordo com a posição da câmera:


“O maior avanço já ocorrido na Fotogrametria é o aparecimento da Fotogrametria Digital .... O avanço que ora se iniciou é tão fantástico e de potencial tão ilimitado que eu não estou preocupado com os futuros desenvolvimentos .... O resultado irá ultrapassar qualquer expectativa que nós podíamos ter sonhado, simplesmente devido ao poder da tecnologia digital.”

Entrevista do Prof. Friedrich Ackermann para a revista Geomatics Info Magazine, 1995.

Fotogrametria Digital


Fluxograma do Processo Fotogramétrico

FLUXOGRAMA DAS ATIVIDADES DE RESTITUIÇÃO E ORTORETIFICAÇÃO

01 NECESSIDADE DO TRABALHO

02 CONTATO COM EMPRESAS

03 PLANEJAMENTO DO VÔO FOTOGRAMÉTRICO

04 EXECUÇÃO DO VÔO

05 PLANEJAMENTO DO APOIO DE CAMPO (APOIO BÁSICO E FOTOGRAMÉTRICO) 07

DIGITALIZAÇÃO DA IMAGEM (FILME/DIAFILME/FOTOGRAFIAS)

06 APOIO BÁSICO E FOTOGRAMÉTRICO 08 ORIENTAÇÃO INTERNA, E ORIENTAÇÃO RELATIVA

09 PLANEJAMENTO

DA AEROTRIANGULAÇÃO

10 LEITURA DA AEROTRIANGULAÇÃO E PROCESSAMENTO

11 ORIENTAÇÃO ABSOLUTA E RESTITUIÇÃO

12 VERIFICAÇÃO E CORREÇÃO DE MODELOS ESTEREOSCÓPICOS

13 GERAÇÃO DE DTM

14 ORTORETIFICAÇÃO

15 MOSAICAGEM E CORTE DAS FOLHAS

16 TRATAMENTO DIGITAL DE IMAGEM

17 EDIÇÃO DA RESTITUIÇÃO

18 EDIÇÃO FINAL DA ORTOFOTOCARTA


Aquisição da Fotografia


Histórico da Fotogrametria

Breve histórico da Fotogrametria 18391839 - NIEPCE e DAGUERRE desenvolveram o processo da

fotografia; 18491849 - NADAR apresenta o primeiro trabalho de fotogrametria; 19131913 - TARDIV apresenta o primeiro trabalho de fotogrametria

utilizando fotografias tiradas de avião (AerofotogrametriaAerofotogrametria); 19201920 - Primeiro trabalho de fotogrametria no Brasil; A partir de 1990 a surgimento da Fotogrametria Digital.


Histórico da Fotogrametria


O Avanço Tecnológico na Fotogrametria

1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

0 10 20 30 40 50 60

Tempo (Anos)

Tip

os

de

Pro

du

tos

Tec

no

lóg

ico

s (Q

tds)

19951945 1976

Linha do Tempo

Analóg

icos

Analíti

cos

Digita

is


Fotogrametria Analógica (1/2)

O que é a fotogrametria Analógica? A Fotogrametria Analógica é a parte da fotogrametria que trata dos

aspectos geométricos do uso de fotografias, com a finalidade de obter valores precisos de comprimentos, alturas e formas, baseando-se no uso de equipamentos ótico-mecânicos analógicos. Ela é totalmente baseada no princípio da estereoscopia e na orientação analógica das fotos.


Exemplo de um restituidor analógico

Fotogrametria Analógica (2/2)


Fotogrametria Analítica (1/2)

O que é a fotogrametria Analítica? A Fotogrametria Analítica é a parte da fotogrametria que trata dos

aspéctos geométricos do uso de fotografias, com a finalidade de obter valores precisos de comprimentos, alturas e formas, baseando-se no uso de equipamentos eletrônicos analíticos. Ela é totalmente baseada no princípio da estereoscopia e na orientação analítica das fotos.


Fotogrametria Analítica (2/2)

Exemplo de um Restituidor Analítico


Fotogrametria Digital (1/2)

O que é a fotogrametria Digital? Fotogrametria Digital é a parte da fotogrametria que trata dos

aspectos geométricos do uso de fotografias, com a finalidade de obter valores precisos de comprimentos, alturas e formas, baseando-se no uso de imagens digitais, armazenadas em meio magnético, na forma de pixels. Ela é totalmente baseada no princípio da estereoscopia e na orientação analítico-digital das fotos.


Fotogrametria Digital (2/2)

Exemplo de um Restituidor Digital


Bases Fundamentais da Fotogrametria (1/6)

Suposições:

1. Objeto invariável durante a tomada da foto;

2. Objeto composto de um conjunto de pontos no espaço;

3. Objeto reproduzido em duas ou mais imagens.



O modelo matemático considera que a relação entre um ponto objeto, no terreno, e o seu homólogo, na imagem, é uma perpectiva central, cujos elementos principais são:1. Imagem Plana;2. Centro de projeção;3. Feixe de raios espaciais.



O = Centro de Projeção (X,Y,Z)PP = Ponto principal (0, 0)c = Distância principal calibradaFC = Centro fiducial (0,0)P’ = Imagem do Ponto P (, )P = Ponto Objeto (X,Y,Z), = Coordenadas imagemX,Y,Z = Coordenadas terreno

FC PP

P’

M



caaa

caaaZZXX

***

****)(

33032031

1301201100

033023013

0310210110 ***

****

ZZaYYaXXa

ZZaYYaXXac

033023013

0320220120 ***

****

ZZaYYaXXa

ZZaYYaXXac

caaa

caaaZZYY

***

****)(

33032031

2302202100

(Eq-2)

(Eq-1)



Das equações Eq-1 e Eq-2:

0, 0 e c - são os 3 parâmetros da orientação interior (dados pelo certificado de calibração da câmara); , - são as coordenadas imagem dos pontos (medidas) X0, Y0, Z0 - são as coordenadas espaciais do centro de projeção (calculadas pela orientação do modelo estereoscópico); , , - são os ângulos de rotação da câmara (ou da foto) em relação ao sistema de coordenadas terrestre (calculados pela orientação do modelo estereoscópico – 3 ângulos para cada foto);, - são as distorções da imagem devido a:

- distorção da lente;- distorção do filme;- refração atmosférica, e- curvatura da Terra.



1. A equação Eq-1 mostra que para cada ponto objeto existe um ponto imagem correspondente.

Por isso é que se trabalha com modelos esteroscópicos aonde se tem a possibilidade de estabelecer um sistema de equações para a solução das incógnitas envolvidas: X01, Y01, Z01 e X02, Y02, Z02, 1, 1, 1, 2, 2, 2 – 12 incógitas.

2. A equação Eq-2 mostra que para cada ponto imagem existem infinitos pontos objetos, devido a existência da coordenada Z no lado direito das equações. Isso mostra que é impossível reconstruir o espaço objeto a partir de apenas uma foto. É necessário ter uma segunda foto dos mesmos objetos ou conhecer a coordenada Z.


Orientação do Modelo Estereoscópico (1/2)

A orientação de um modelo estereoscópico possui duas fases principais:

1. Reconstrução do feixe de raios luminosos;2. Orientação do feixe de raios luminosos.

A reconstrução do feixe de raios luminosos é feita a partir da orientação dita “interior”.

A orientação do feixe de raios luminosos divide-se em:

1. Orientação relativa;2. Orientação absoluta.


Orientação do Modelo Estereoscópico (2/2)

O modelo esterescópico estará orientado quando a situação indicada acima for alcançada, ou seja, quando todos os raios luminosos do pontos conjugados se cruzarem e produzirem valores de coordenadas coerentes.


Orientação Interior (1/2)

Terreno

Modelo

A orientação interior é feita para reconstruir o feixe de raios luminosos, ou seja, para permitir a existência do modelo.


Orientação Interior (1/2)

Orientação interiorAo processo de reconstrução do feixe de raios luminosos dá-se o nome de orientação interior.

Nessa fase é preciso conhecer:1. A distância principal calibrada (c) da câmara aérea;2. A localização do ponto principal da imagem PP (0, 0);3. As coordenadas das marcas fiduciais, e4. Os valores das distorções da imagem.

- Os valores das variáveis dos itens 1, 2 e 3 são dados pelo certificado de calibração da câmara aérea que foi usada na produção das fotos em uso.- Os valores das distorções podem ser calculados através de fórmulas empíricas conhecidas.


Orientação Relativa (1/5)

Orientação relativa

É o processo de formação do modelo, ou seja, a orientação de uma imagem em relação a outra. Trata-se, fundamentalmente, de garantir a interseção de todos os raios homólogos.O processo consiste, basicamente, em eliminar as paralaxes em X , Y e Z.O processo consiste, basicamente, em eliminar as paralaxes em X , Y e Z.


Orientação Relativa – Componentes (2/5)


Orientação Relativa – Rotações (3/5)


Na prática as paralaxes são eliminadas em 6 pontos da imagem. Estes pontos são denominados de pontos de Von Gruber.

Foto 1

Foto 2

1

3 4

2

5 6

modelo

Orientação Relativa – Pontos de Von Gruber (4/5)


Orientação Relativa - Modelo orientado (5/5)


Orientação Absoluta (1/2)

Orientação AbsolutaÉ o processo de orientação do modelo em relação ao sistema de coordenadas de referência, ou seja, o estabelecimento da escala do modelo com suas respectivas rotações e translações.O processo consiste, basicamente, em ajustar o modelo às coordenadas de apoio medidas no campo ou geradas por um processo denominado Aerotriangulação.


Orientação Absoluta – Componentes (2/2)

Rotação + colocação em escala


Aerotriangulação (1/4)

Aerotriangulação é o termo frequentemente usado para designar o processo pelo qual se determinam as coordenadas do terreno X, Y e Z de pontos cujas foto-coordenadas são conhecidas. A Aerotriangulação consiste em calcular as coordenadas de pontos do terreno baseando-se no ajustamento de um bloco de fotos no qual foram medidos alguns pontos de controle suficientes para permitir o ajustamento do bloco.

Existem basicamente dois métodos de aerotriangulação:

1. Aerotriangulação por modelos independentes;2. Aerotriangulação por ajustamento de bloco.



Aerotriangulação por bloco

Este método consiste em medir os pontos de ligação entre os modelos adjacentes, medir os pontos de controle e ajustar todas as medidas de uma única vez.

1. Formação do bloco;

2. Escolha e medição dos pontos de ligação “Pugagem”;

3. Medição dos pontos de controle

4. Ajustamento;

5. Detecção de erros grosseiros;

6. Novo ajustamento.



Aerotriangulação com suporte do GPS


A Imagem Digital (1/22)

Uma imagem digital consiste de uma matriz G com elementos gij. Cada elemento é denominado pixel. A dimensão de cada pixel é e . Cada pixel possui um valor que varia de 0 a 255 (255 branco, 0 preto), os quais podem ser armazenados em 8 bits (28 combinações), que corresponde a 1 byte.

A foto coordenada , por exemplo, é obtida multiplicando-se o índice i pelo valor .


A Imagem Digital – Resolução radiométrica (2/22)

Para as imagens em preto e branco, os valores dos pixels representam os tons de cinza da imagem. Para as imagens coloridas tem-se três matrizes da mesma imagem. Ver tabela abaixo.

Notar que 1 pixel = 1 byte = resolução radiométrica (256 tons de cinza)


A Imagem Digital - Informações do Pixel (3/22)

Cada pixel armazena informações, tais como: tom de cinza; cor; posição na imagem (linha

e coluna)


A Imagem Digital - Fontes (4/22)

Filmes fotográficos numerizados através de scanners; Câmara aérea digital; Imagens de satélite – Landsat, SPOT, Ikonos, Quick Bird, ...; Câmaras de pequeno formato – CCD; video câmaras.


imagine uma grelha sobre um objeto

mais ou menos assim...

A Imagem Digital – Formação (5/22)


A Imagem Digital – Formação (6/22)


A Imagem Digital – Resolução (7/22)

Esta é a letra "e" numerizada a 10 dpi(100 bytes)

dpi = ponto por polegada tamanho do pixel

= 0.1“ (100 pixels)= 2540 m


A Imagem Digital – Resolução (8/22)

Esta é a letra "e" numerizada a 20 dpi (400 bytes)

- ela está 4x mais detalhada- ela toma 4x mais espaço de

armazenamento,e

- o campo de visão é 4x menor do que a 10 dpi.


A Imagem Digital – Armazenamento (9/22)

20 dpi 10 dpi


20 dpi 10 dpi

A Imagem Digital - Campo de visão (10/22)


A imagem Digital – exemplo (11/22)

PixelPixel

Imagem Digital

0 20 70 150 13010 15 100 180 2000 15 30 120 1000 12 25 130 1000 12 30 90 100


A imagem Digital – Numerizar (14/22)

Tome uma foto aérea...

Tome uma foto aérea...



capture o seu conteúdo em uma malha de pixels...

capture o seu conteúdo em uma malha de pixels...



e então você tem uma imagem numerizada!

e então você tem uma imagem numerizada!


A imagem Digital - Scanner! (17/22)

Tipo flatbed imagem original posta na

horizontal; sensor CCD; veloz; aceita rolos de filmes.


A imagem Digital (18/22)

Façamos alguns cálculos...


A imagem Digital – Armazenamento (19/22)

Tamanho do pixel: 25 m formato da imagem: 230 x 230 mm qtde de pixel/linha: 230/0.025 = 9200 qtde de pixel/coluna : 230/0.025 = 9200 qtde de pixels na imagem: 9200 x 9200 = 84.640.000 armazenamento B/P : 84 MB armazenamento em cores : 252 MB

e tudo isso para apenas uma imagem!e tudo isso para apenas uma imagem!



Estéreopar B/P: 168 MB Estéreopar colorido: 504 MB filme c/ 500 imagens B/P: 42 GB filme c/ 500 imagens coloridas: 126 GB



Tam. do dpi Tam. da imagem (MB)pixel (µm) (23 cm x 23 cm)

B/P Colorida5 5080 2116 63487,5 3386 940 282110 2540 529 158715 1693 235 70520 1270 132 39625 1016 84 25230 847 58 174


A imagem Digital - De microns para dpi (22/22)

O tamanho do pixel é normalmente expresso em dpi, ao invés de microns: dpi = 1”/(resolução em µm), Por exemplo: Tamanho do pixel = 15 µm

= 1”/(15 µm) dpi = 25,4 mm/ (15 µm) dpi= 25.400 µm/ (15 µm) dpi = 25.400/15 dpi = 1693 dpi


Sensores Digitais Aéreos (1/4)

Câmara digital Câmara analógica



Giro-estabilizador PAV30


Sistema Fotogramétrico Digital (1/3)

CâmeraDigital

CâmeraDigital

Imagensde

Satélite

Imagensde

Satélite

CâmeraFotográfica

CâmeraFotográfica

SAÍDASAÍDA

Cartas Carta-imagemOrtofotosmosaicos

Cartas Carta-imagemOrtofotosmosaicos

Mapeamento Digital

Dados para SIG

Mapeamento Digital

Dados para SIG

SiSTEMA FOTOGRAMÉTRICO DIGITAL

ScannerScanner

Estaçãode

TrabalhoFotogramétric

aDigital(DPW)

Estaçãode

TrabalhoFotogramétric

aDigital(DPW)

ENTRADAENTRADA

A/DD/A

A

DD

D

D

D

D

D

A

PlotterPlotter

D



Hardware:

Monitor

estéreo

Monitor

console

Mouse

Teclado

Sistema para estereoscopia

Mouse 3D

Suporte dos monitores

Placa gráfica para os monitores

CPU e RAM

Diskette

CD-ROM

Hard disk(s)



Imagens digitais

Imagem esquerda

Imagem direita

x’ y’ x” y”

X YZ

Computador


Restituição (1/5)

Restituição, na sua origem, significa a “reconstrução” do terreno fotografado, a partir de suas fotografias. O resultado da restituição é o modelo óptico tridimensional, também denominado de estereomodelo ou modelo estereoscópico do terreno fotografado.


Diagrama de Trabalho no DVPDiagrama de Trabalho no DVP

Agora com interface “on-

line” com MicroStation

e/ou AutoCAD

AUTOMÁTICAEntrada dos

parâmetros da câmera (formato txt)

Busca automática a

partir do terceiro ponto registrado

Com funções de Correlação, facilitando a busca dos pontos de

controle.

CRIAR PROJETO

Parâm. Câmera Imagens

INTERNA

Pts. de Grubber

RELATIVA

Pts de Controle

ABSOLUTA

ORIENTAÇÃO

Especificações

Preparação do Projeto Estruturação Produção

COLETA DE DADOS

PLOTAGEM

* .DAT contém dados e parâmetros da orientação* .VAR contém as variáveis do modelo

*.dvp - vetor*.lst - códigos*.asc - ascii*.pts - pontos*.fil - macro*.tgl - TIN

Entrada do arquivo ASCII dos pontos de

Contrôle

Tratamento de Imagens

Arquivo de calibração do SCANNER


Restituidor Digital – Tela de operação (3/5)


Restituidor Digital – Vetorização (4/5)


Restituidor Digital – Vetorização (5/5)


Ortofoto (1/5)

Uma ortofoto é uma imagem ortoretificada, ou seja, é uma imagem aérea sem as deformações das inclinações da foto e do relevo do terreno. Possui as características de projeção ortogonal e é uma imagem geocodificado.

Requerimentos: Imagem orientada DTM Resolução desejada deve ser maior do que a resolução da imagem de

base.


Ortofoto – Princípio (2/5)


Ortofoto – DTM (3/5)

DTM = modelo digital de terreno (termo geral) um DTM é, fundamentalmente, uma malha de elementos finitos 3D, com

a elevação descrita pela função matemática z=f(x,y) breaklines são variações bruscas no terreno TIN = malha de elementos finitos triangulares contendo um ponto de

coordenadas (x,y,z) conhecidas, em cada vértice.

x, y, z = ?

x

y


Ortofoto – DTM (4/5)

A elevação está diretamente relacionada com a paralaxe em X, na imagem orientada.

Veja a equação da paralaxe!! A posição dos objetos no espaço pode ser calculada desde que se

conheça a posição dos pontos conjugados.

Na fotogrametria digital: Geração automática: Através do uso de métodos de correlação de imagens (image matching).


Ortofotos – Algorítimo (5/5)

Algorítimo: Com base na imagem orientada e em um DTM gerado, determina-

se a localização do pixel na imagem de entrada. Com base nos pixels vizinhos determina-se o novo tom de cinza do

novo pixel os algorítimos de interpolação mais populares são: nearest

neighbor, bilinear e bicubic Isso representa total automação!


Mosaico (1/2)


Mosaico + vetores sobrepostos (2/2)


Precisão da Fotogrametria Digital (1/3)

Depende de vários fatores, tais como: escala da imagem tamanho do pixel qualidade da imagem, por exemplo, variação radiométrica conteúdo da imagem, por exemplo, contraste e textura precisão visual e visibilidade dos pontos de controle relação base/altura de vôo operador


Precisão da Fotogrametria Digital (2/3)

Valores típicos, assumindo que não existam erros grosseiros: precisão de um ponto (sobre uma imagem bem definida): 0.5 pixel

(0.3 pixel com zoom) Correlação por feature based matching: 0.2-0.5 pixels Correlação por comparação dos coeficientes de correlação : 0.1-0.4

pixel Correlação por mínimos quadrados: 0.1-0.2 pixel precisão de triangulação (medição automática de pontos de ligação):

0.3 pixel DTM: 0.6 pixel x (base/altura de vôo)


Regras a seguir – sempre que possível!! (3/3)

O tamanho do pixel deve ser menor do que a precisão desejada, por exemplo, por um fator de dois.

O tamanho do pixel é determinado pela resolução do scanner. Ou seja, o scanner é um fator determinante de precisão! assumindo que o scanner seja preciso rádio e geometricamente.


Sistemas de visualização (1/3)

Split Screen



Polarização Passiva



Polarização Ativa


Acessórios de Controle (1/1)

Mouse padrão para os movimentos X e Y trackball para Z Mouse 3D (para x, y e z) manivelas e disco pedal

curso técnico em geomática 2006/1 prof. josé aguilar pilon

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