Georreferenciação direta de fotografia aérea digital

Transcrição

1 IV Jornadas de Engenharia Topográfica 23 e 24 de Maio 2012, Guarda Georreferenciação direta de fotografia aérea digital José A. Gonçalves jagoncal@fc.up.pt

2 Sumário Motivação e objetivos Georreferenciação direta Câmaras digitais fotogramétricas Avaliação de rigor posicional de imagens de uma câmara ZI-DMC Correção da orientação Aplicações monitorização de praias e dunas 2

3 Motivação A automatização de algumas operações na Fotogrametria permite reduzir custos e reduzir tempo de execução. Aquisição de pontos de controlo requer trabalho de campo que seria de interesse evitar. Em algumas situações, por exemplo em determinados meios naturais, pode ser difícil ou mesmo impossível a identificação de pontos de controlo. Georreferenciação direta permite obter parâmetros de orientação externa que, se tiverem rigor suficiente, podem substituir a triangulação aérea. 3

4 Objetivos Avaliar os parâmetros de orientação externa fornecidos em voos fotogramétricos de uma região costeira. Determinar se será suficiente obter correções sistemáticas aos parâmetros de orientação. Extrair modelo do terreno das praias e avaliar a sua exatidão. 4

5 Câmarasfotogramétricasdigitais Exemplo da câmara Zeiss-Intergraph DMC. Dimensão da imagem 7680x13824 pixeis. CCDs de mm (pan-cromático). Distorsões desprezáveis. Pan-cromático + 4 bandas (R, G, B, NIR). Imagem a cores obtida por fusão ( pan-sharpening ). Distância focal 120 mm. Altura de voo 1000 metros produz resolução de 10 cm no terreno. 5

6 Câmarasfotogramétricasdigitais Pares estereoscópicos obtidos com 60 % de sobreposição na direção da menor dimensão. Razão base-altura: B/H = 0.3 B Para uma resolução no terreno de 10 cm, um erro de 1 pixel numa paralaxe produz um erro altimétrico de 30 cm. Identificação de pontos conjugados (manual ou automática) é feita com precisão sub-pixel, permitindo uma boa precisão altimétrica. 6

7 Georreferenciaçãodireta Equipamento GNSS+INS associado à câmara (ou a outros sensores) permite determinar posição e ângulos de atitude (orientação externa). Posição: (E, N, h), Atitude: ω, ϕ, κ Sensores em que pode ser usado um sistema de georreferenciação direta (SGD) Câmaras digitais ( frame camera ) Sensores lineares (ADS-40, ADS-80) Sensores de varrimento laser No caso dos dois últimos o uso de um SGD é obrigatório. 7

8 Georreferenciaçãodireta Nas câmaras a determinação dos parâmetros de orientação externa pode ser feita pelo processo convencional da triangulação aérea. Frequentemente os parâmetros fornecidos são tomados apenas como aproximações iniciais para a triangulação aérea. Mantém-se o mesmo número de incógnitas e são necessários pontos de controlo e ligação. A possibilidade de dispensar a triangulação aérea permitiria um processamento bastante mais rápido de trabalhos fotogramétricos. 8

9 Georreferenciaçãodireta # ********************************************************************** # AEROoffice V5.1d # Copyright by IGI mbh, # # Dongle-ID: AO-0427 # Owner: Intergraph # # Datamanager Outputfile # :35:43 # # ********************************************************************** # # Project: P01821_GaiaCosta # Projectfile: D:\IMU\m24.10_06Maio2010\P01821_UMinho_GaiaCosta_M24.10_06Maio2010\Aero_office\P01821_GaiaCosta.aop # # Event Marks: D:\IMU\m24.10_06Maio2010\P01821_UMinho_GaiaCosta_M24.10_06Maio2010\DADOS_GPS\IMU\Gaia_costa.aom # # Format Type: DMC PPS # # Strip Photo TimeStamp Easting Northing Height Omega Phi Kappa F F F F F F

10 Georreferenciaçãodireta Possíveis fontes de erro Ligação a uma rede local com transformação de 7 parâmetros. Introduz erros planimétricos da ordem do metro. Utilização de modelo do geóide global Introduz erro altimétrico de vários decímetros. Incorreto tratamento da projeção cartográfica: A projeção causa deformações que podem ser de alguns decímetros por km. Essa deformação tem de ser aplicada às altitudes também. Efeito da convergência dos meridianos (afeta ângulo K). 10

11 Área de estudo Restinga do rio Douro 11

12 Área de estudo Restinga do rio Douro 12

13 Área de estudo Restinga do rio Douro Programa de monitorização do litoral do concelho de V. N. de Gaia. Cobertura com resolução no terreno de 10 cm. Voo # Data 1 14-Nov Abr Nov Mai

14 Área de estudo Restinga do rio Douro A Restinga é coberta por dois pares estereoscópicos do final da fiada, que cobrem essencialmente areia e água. Não há possibilidade de obter pontos de controlo para uma triangulação aérea convencional. 14

15 Áreade estudo Foz do rio Douro Restinga 15

16 Áreade estudo Foz do rio Douro Restinga 16

17 Áreade estudo Foz do rio Douro Restinga 17

18 Georreferenciaçãodireta # ********************************************************************** # AEROoffice V5.1d # Copyright by IGI mbh, # # Dongle-ID: AO-0427 # Owner: Intergraph # # Datamanager Outputfile # :35:43 # # ********************************************************************** # # Project: P01821_GaiaCosta # Projectfile: D:\IMU\m24.10_06Maio2010\P01821_UMinho_GaiaCosta_M24.10_06Maio2010\Aero_office\P01821_GaiaCosta.aop # # Event Marks: D:\IMU\m24.10_06Maio2010\P01821_UMinho_GaiaCosta_M24.10_06Maio2010\DADOS_GPS\IMU\Gaia_costa.aom # # Format Type: DMC PPS # # Strip Photo TimeStamp Easting Northing Height Omega Phi Kappa F F F F F F

19 Avaliação dos parâmetros Com estes parâmetros podemos efetuar o cálculo de coordenadas 3D de pontos conjugados observados em pares estereoscópicos. Isso pode ser feito por exemplo numa estação fotogramétrica. Uma primeira avaliação consiste em verificar se os parâmetros proporcionam uma interseção correta de feixes, ou de forma equivalente, se permitem visão estereoscópica sem paralaxe em Y. No caso presente, em vários pares por voo, identificaram-se 15 pontos conjugados por par e calcularam-se as paralaxes Y. Voo # RMS da paralaxe em Y (pixeis)

20 Avaliação da exatidão dos parâmetros Para verificar a exatidão das coordenadas tridimensionais obtidas com estes parâmetros de orientação externa fez-se o levantamento de um número considerável de pontos com GNSS. 20

21 Pontosusadosnaverificação 21

22 Avaliação da exatidão dos parâmetros Calcularam-se as coordenadas por via fotogramétrica e compararam-se com as obtidas no terreno. Exemplo para um dos voos (22 pontos): Voo E (m) N (m) h (m) Média Desv. padrão EMQ

23 Correção aos parâmetros de orientação Vamos assumir que os parâmetros sofrem de um efeito sistemático devido a um desalinhamento entre o sistema de coordenadas do SGD e o sistema de coordenadas associado à câmara. Consideramos 3 sistemas de coordenadas: (X, Y, Z) Sistema de coordenadas no terreno (projeção cartográfica). (U,V,W) Sistema em que são fornecidos os parâmetros de orientação externa. Deveria ser o sistema de coordenadas ligado à câmara: eixos X e Y coincidentes com os da imagem, eixo Z perpendicular ao plano da imagem. (U,V,W ) Sistema efetivamente ligado à câmara. 23

24 Correção aos parâmetros de orientação ( ) = = ,, Z Z Y Y X X m m m m m m m m m Z Z Y Y X X R W V U κ ω ϕ = ϕ ω ϕ ω ϕ κ ω κ ϕ ω κ ω κ ϕ ω κ ϕ κ ω κ ϕ ω κ ω κ ϕ ω κ ϕ cos cos cos sin sin cos sin sin sin cos cos cos sin sin sin sin cos sin sin cos sin cos sin cos cos sin sin cos cos m m m m m m m m m W V f y W U f x = = Equações de colinearidade: Ainda requerem correção

25 Correção aos parâmetros de orientação ( ) = = ,, ' ' ' W W V V U U W W V V U U R W V U α β α γ β γ γ β α Com estas equações é possível utilizar pontos de controlo para determinar os 6 parâmetros que relacionam os sistemas de coordenadas (U,V,W) e (U,V,W ). 25 ' ' ' ' W V f y W U f x = = Equações de colinearidade:

26 Correção aos parâmetros de orientação Os pontos levantados no terreno foram observados (medição de coordenadas fotográficas) em todas as imagens em que aparecem. É construído um sistema de equações de observação que é resolvido pelo método dos mínimos quadrados. Voo Nº de RMS antes(m) RMS depois(m) α β γ U 0 V 0 W 0 # pontos RMSx RMSy RMSx RMSy (deg) (deg) (deg) (m) (m) (m) As correções são aplicadas a todas as imagens.

27 Correção aos parâmetros de orientação Exemplo de estatística dos erros para um conjunto de 19 pontos numa zona diferente da de calibração Voo E (m) N (m) h (m) Média Desv. padrão EMQ

28 Geraçãoautomáticade MDT Foi efectuada a extração de pontos conjugados (stereo-matching) com o programa DPCOR, da Univ. de Hannover, Dept. Photogrammetry and Geoinformation. Foi usado um espaçamento de 3 pixeis, com tolerância de correlação 0.8 e uma janela de matching de 10 por 10 pixeis.

29 Geraçãoautomáticade MDT Foi efectuada a extração de pontos conjugados (stereo-matching) com o programa DPCOR, da Univ. de Hannover, Dept. Photogrammetry and Geoinformation. As imagens foram obtidas de manhã, com o sol baixo. Este fato produz padrões de sombra na areia, que facilitou o matching.

30 Geraçãoautomáticade MDT Foram calculadas coordenadas 3D e criado um MDT com espaçamento de 1 m por média de valores Possíveis falhas, normalmente pequenas foram preenchidas por interpolação.

31 Avaliaçãodaqualidadedo MDT gerado A avaliação do rigor altmétrico do MDT fez-se com pontos levantados no terreno, com GNSS em modo cinemático, em data próxima do primeiro voo.

32 Avaliaçãodaqualidadedo MDT gerado A análise estatística efectuada para todos os pontos apresenta erros grandes, devido às alterações. Foi repetida para um subconjunto de pontos na zona mais estável da restinga. Todos os pontos (5176) Pontos na parte estável (2123) Voo Mínimo Máximo Média Desv. Padrão

33 Avaliaçãodaqualidadedo MDT gerado A análise estatística efectuada para todos os pontos apresenta erros grandes, devido às alterações. Foi repetida para um subconjunto de pontos na zona mais estável da restinga. Todos os pontos (5176) Pontos na parte estável (2123) Voo Mínimo Máximo Média Desv. Padrão

34 Comparaçãode MDTs Subtração de MDTs (DEM4-DEM1) Diferença > +1 m Diferença < -1 m

35 Comparaçãode MDTs

36 Campanha 1 Área de 710 x 430 m 2

37 Campanha 2 Área de 710 x 430 m 2

38 Campanha 3 Área de 710 x 430 m 2

39 Campanha 4 Área de 710 x 430 m 2

40 Campanha 1 Área de 710 x 430 m 2

41 Campanha 2 Área de 710 x 430 m 2

42 Campanha 3 Área de 710 x 430 m 2

43 Campanha 4 Área de 710 x 430 m 2

44 Conclusões Sistemas de georreferenciação direta permitem obter parâmetros de orientação externa, podendo dispensar a triangulação aérea. Calibração de orientação de sistemas de eixos é importante e poderá ser efectuada regularmente pelas empresas fornecedoras. Utilizador poderá também fazer essa calibração. Resultado dos testes efectuados evidenciou que os parâmetros fornecidos têm precisão adequada para a resolução das imagens, requerendo apenas uma calibração aplicável a todo o voo. Esta técnica é de grande utilidade quando o levantamento de pontos de controlo não é possível. 44