FOTOGRAMETRIA. Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 1

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1 FOTOGRAMETRIA Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 1 Fotogrametria É a arte, ciência e tecnologia usadas para coligir informação fiável, quer métrica quer semântica, acerca de objectos, por meio da medição e interpretação de imagens obtidas através de registos de radiação visível. Projecções bidimensionais de um cenário tridimensional que se pretende estudar. Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 2 1

2 Objectivo da fotogrametria Fazer a modelação tridimensional de uma cena fotografada a partir de projecções bidimensionais que satisfazem determinadas condições. Baseia-se no funcionamento da visão humana. Recorre a imagens tiradas com sobreposição e de pontos de vista diferentes, para construir o modelo tridimensional de um objecto. Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 3 A construção do modelo é feita a partir do estabelecimento da correspondência entre conteúdos homólogos das imagens (fotografias). Descrição do cenário Aquisição de dados A vectorização tridimensional ou estereoscópica é o processo, manual ou automático, de compilar informação vectorial classificada a partir de imagens com sobreposição, para restituir o cenário fotografado. Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 4 2

3 A informação em formato vectorial permite definir um posicionamento preciso dos elementos no espaço. Linhas, pontos e áreas são definidos sobre um espaço de coordenadas contínuo com tanta precisão quanto se deseje. Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 5 Visão binocular e estereoscópica Um objecto observado pelos dois olhos apresenta, nas imagens que se formam na retina de cada olho, diferentes posições relativas dos seus pontos. paralaxe = diferença das posições relativas dos mesmos pontos em duas imagens. Visão binocular As imagens retinianas são enviadas ao cérebro, o qual funde a informação das duas imagens transformando as paralaxes numa sensação tridimensional (estereo). Visão espacial ou estereoscópica Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 6 3

4 Visão binocular e estereoscópica Na visão estereoscópica artificial são fornecidas ao cérebro duas imagens de um mesmo objecto obtidas de pontos de vista diferentes, mas com os seus eixos quase paralelos. As imagens têm de se orientar de modo a imitar as condições estereoscópicas naturais: cada olho recebe apenas uma das imagens; as imagens não podem ter paralaxe vertical; a paralaxe horizontal tem de estar entre 0 e 1,3 grados. Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 7 A paralaxe horizontal que cada ponto de um objecto apresenta em duas imagens está directamente relacionada com a sua distância ao observador. A partir das diferenças de paralaxes que os pontos do objecto apresentam nas imagens é possível determinar as diferenças de cotas entre esses pontos. Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 8 4

5 A paralaxe horizontal que cada ponto de um objecto apresenta em duas imagens está directamente relacionada com a sua distância ao observador. Paralaxe Marca flutuante: é um cursor tridimensional que vai ser deslocado sobre o modelo estereoscópico pelo operador Sistema de referência Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 9 Técnicas para obter estereoscopia artificialmente: anaglifos (filtros com cores complementares); imagens polarizadas (filtrar radiação luminosa); alternadores de imagem (visão alternada das imagens em cada olho através de óculos de cristal líquido); estereoscópios. Estereoscópio de espelhos Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 10 5

6 As fotografias são digitalizadas para permitirem o tratamento em formato digital da informação. Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 11 Após o cálculo e ajustamento das coordenadas dos pontos de apoio, é extraída a informação semântica da fotografia com auxílio de estereorestituidores. Formam-se modelos estereoscópicos dos quais é restituída, a 3D, toda a informação para uma base de dados e, posteriormente para a carta. Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 12 6

7 Geometria da fotografia aérea O = ponto principal (intersecção do plano do negativo com uma recta perpendicular que passa pelo centro do sistema de lentes) Direcção de voo Sistema de lentes Centro de colimação (intersecção das marcas fiduciais da fotografia) ponto principal) (x,y) = sistema de fotocoordenadas (materializado pelas marcas fiduciais) Vertical do lugar Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 13 A fotografia é uma projecção central e não normal como a cartografia A escala da fotografia depende da distância que cada objecto está do centro de projecção 1 Escala média = = M c H m em que: C = distância focal H m = altitude média Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 14 7

8 Deslocamento da imagem devido à sua altitude acima (ou abaixo) da superfície de referência altimétrica. Não permite medições directas rigorosas. A e A = pontos situados na mesma vertical do lugar Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 15 Câmaras e objectivas A selecção de diversas objectivas permite: Manter escala altura de voo manter altura de voo escala Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 16 8

9 Câmaras e objectivas Leica RC30 Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 17 Constituição de uma câmara aérea Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 18 9

10 Operações elementares Visam preparar as imagens para os processos de vectorização ou de ortorrectificação. 1) Orientação interna (para restituidores convencionais) Relacionar o referencial imagem com o sistema de referência instrumental. Consiste em tornar a geometria interna dos 2 projectores de cada imagem igual à da câmara métrica que adquiriu o par estereoscópico. Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 19 Operações elementares 2) Orientação relativa Operação que possibilita construir e observar um modelo esteroscópico pela determinação da posição relativa das câmaras na altura das duas exposições através da eliminação da paralaxe em x e y recorrendo a estereorestituidores. O modelo estereoscópico fica referenciado a um sistema de coordenadas instrumental (ou calculado), tridimensional e arbitrário (referencial modelo). Consiste em posicionar os projectores da mesma forma que a câmara. Permite determinar a rotação nos 3 eixos. Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 20 10

11 3) Orientação absoluta Permite estabelecer a relação entre o referencial modelo e o referencial cartográfico. Procedimento de georeferenciação Fases da orientação absoluta analógica: determinar e dar escala ao modelo; orientar o modelo em relação ao norte; nivelar o modelo (usar 4 pontos nos cantos do modelo com coordenadas cartográficas conhecidas). Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 21 4) Orientação externa (de uma câmara) Operação que se executa para determinar os parâmetros que posicionam no espaço objecto, terrestre ou cartográfico, a referida câmara (x,y,z). Consiste na determinação das coordenadas do centro de projecção e da sua altitude. Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 22 11

12 Operações complementares Definição do trabalho a realizar Plano do voo fotográfico Sinalização de pontos de apoio no terreno Voo fotográfico Marcação e transferência de pontos de apoio (na foto) (pa) Determinação de coordenadas dos pa Coordenadas de pa conhecidas Aerotriangulação Coordenadas terreno dos pontos de fotogramétricos Elementos de orientação externa ou absoluta Restituição Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 23 Planeamento da geometria da fotografia: base fotográfica; espaçamento entre fiadas; altura de voo; distância focal; dimensão da imagem. Planeamento do voo: especificações técnicas (caract. da camâra fot. e do filme, escala, altitude de voo, sobreposição transversal e longitudinal, tolerâncias do desvio da vertical, altura mínima do sol, % de cobertura de nuvens); mapa de voo (limites da área a cartografar, linhas de voo, pontos onde se pretendem exposições uso de GPS). Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 24 12

13 Cobertura de uma área Cobertura de uma faixa (estrada) Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 25 Sobreposição longitudinal fotos Base (B) direcção de voo base sobreposição longitudinal 60% cobertura de uma fotografia Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 26 13

14 Sobreposição transversal fiada distância entre fiadas (A) cobertura de sobreposição uma fotografia transversal 20 a 30% Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 27 Pontos de apoio São pontos sinalizados no terreno antes do voo de forma a ficarem bem visíveis na fotografia. Estes pontos são coordenados pelos topógrafos no terreno, sendo utilizados na restituição do modelo. A sua marcação na fotografia é feita com um alfinete e os dados correspondentes são escritos no verso. Para ser possível a orientação absoluta do modelo é necessário conhecer-se pelo menos 2 pontos horizontais (com coordenadas x e y conhecidas) e 3 pontos verticais (com altitude conhecida). Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 28 14

15 Ponto de passagem ou ligação São pontos que só existem na imagem. As suas coordenadas são determinadas por um sistema de posicionamento fotogramétrico (triangulação), sendo utilizados para orientar os modelos estereoscópicos. Habitualmente são usados 6 pontos por modelo, no entanto o número mínimo é 3. Ponto de passagem ou ligação Ponto de principal (coincidente com o ponto nadiral em foto vertical) Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 29 fiada 1 linha de voo sobreposição transversal fiada 2 linha de voo sobreposição de 3 fotos modelo útil (área em que se deve vectorizar a informação) Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 30 15

16 Aerotriangulação Técnica de posicionamento que, a partir de alguns pontos de apoio, permite gerar as coordenadas dos 6 pontos que irão servir para a orientação absoluta dos modelos estereoscópicos e posterior compilação dos dados. Fases: 1. introdução das coordenadas dos pa num programa; 2. medição das coordenadas fotogramétricas no estereorestituidor dos pontos de apoio e de passagem; 3. Compensação das medições e ajustamento ao terreno usando os pa; 4. Cálculo das coordenadas terreno de todos os pontos fotogramétricos; 5. Determinação dos elementos de orientação externa das fotografias e de orientação absoluta dos modelos; 6. Controlo do ajustamento através de pontos de controlo não utilizados nos cálculos. Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 31 Pontos fotogramétricos Pontos do terreno cujas fotocoordenadas são determinadas por aerotriangulação (ou fototriangulação) Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 32 16

17 Quais as diferenças entre uma fotografia aérea e uma carta?? Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 33 Uma carta é uma projecção ortogonal do terreno enquanto que a fotografia é uma projecção central do terreno. A carta tem uma escala uniforme enquanto que a fotografia apresenta distorções projectivas (inclinação do eixo óptico) e perspectivas (relevo do terreno) que fazem com que a escala varie. Só existe semelhança geométrica entre uma carta e uma fotografia aérea dum mesmo local se a foto for rigorosamente vertical e o terreno for plano e horizontal. Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 34 17

18 Ortofotografia Correcção das fotografias devido às distorções projectivas e perspectivas: 1) rectificação; 2) ortorectificação. Rectificação Corrige o efeito projectivo, através da projecção do negativo da fotografia em papel fotográfico virgem, de forma a eliminar o desvio do eixo da câmara em relação à vertical. Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 35 Ortorectificação Corrige os efeitos projectivo e perspectivo, tornando a escala da imagem uniforme, recorrendo a modelos numéricos do terreno. Requer informação precisa e densa do relevo. Universidade do Minho/ Escola de Engenharia/ Departamento de Engenharia Civil/Topografia/Elisabete Freitas 36 18