Principi di Fotogrammetria. Cartografia numerica e GIS

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1 Principi di Fotogrammetria Cartografia numerica e GIS

2 Obiettivi Si vuole determinare la posizione di punti a partire da immagini Fotogrammetria: La fotogrammetria è l arte e la scienza per determinare la posizione e la forma degli oggetti a partire da fotografie. Risultati possono essere: - Numeri (es. coordinate 3D) - disegni (es. carte topografiche) - immagini (es. ortofoto) [da Krauss] Principio di funzionamento: Utilizzando due fotogrammi dello stesso oggetto presi da due punti di vista diversi, si costruisce un modello 3D dell oggetto stesso, e su di esso si eseguono operazioni geometriche (proiezioni) e metriche (misure).

3 Evoluzione della Fotogrammetria Fotogrammetria analogica immagini analogiche cartografia al tratto ( anni 20) (analogica) Fotogrammetria analitica immagini analogiche file coord. 3D ( anni 60) + info associate Fotogrammetria digitale immagini digitali file coord. 3D ( anni 80-90) + info associate

4 Principali impieghi della Fotogrammetria Aerea Realizzazione di rilievi su vasta area a partire dal volo per giungere alla restituzione aero-fotogrammetrica (produzione cartografia anni 20) Controllo di movimenti del terreno (frane, etc) e per indagini qualitative sullo stati dei suoli (fotointerpretazione) Restituzione di talune caratteristiche del territorio, da integrare in futuro Principali impieghi della Fotogrammetria Terrestre Rilievo automatizzato di moltitudine di particolari noti a priori (rilievo di laboratorio) Rilievo di oggetti, in particolare di prospetti di edifici, strutture industriali, manufatti stradali e idraulici, etc. Rilievo istantaneo delle condizioni di degrado delle strutture e degli edifici

5 Principio di funzionamento: 1) Fotografia = proiezione centrale del punto dell oggetto sul piano dell immagine Fase di presa di 1 immagine Restituzione difficile

6 Principio di funzionamento: 2) Necessità di acquisire 2 immagini stereoscopiche dello stesso oggetto Fase di presa di 2 immagini stereo A e A sono detti punti omologhi Le rette che uniscono tali punti omologhi al punto a terra o dell oggetto si dicono raggi omologhi Fase di restituzione!

7 Fase di presa Fase di restituzione Immagini stereo stereovisione o visione stereoscopica o visione 3D

8 Fasi del rilevamento 1) Progettazione 2) Presa dei fotogrammi Differenti per fotog. aerea e terrestre 3) Scelta e rilevamento dei punti di appoggio 4) Orientamento dei fotogrammi (e costruzione del modello 3D) 5) Restituzione 6) Costruzione della carta (editing)

9 FOTOGRAMMETRIA AEREA Camera fotogrammetrica metrica Pellicole di grande formato 23 x 23 cm Obiettivi: normale p, distanza principale circa 30 cm grandangolare p circa 15 cm supergrandangolare circa 8 cm p nota con incertezza di 1/100 mm! Terreno + ampio Edifici

10 Otturatore con brevi tempi di apertura: 1/500 1/1000 s Parametri di orientamento interno: p, distanza principale = f, distanza focale xp e yp coordinate del punto principale 3 parametri di distorsione dell obiettivo Repères o marche fiduciali sulla lastra

11 Presa aerea dei fotogrammi L asse della camera si deve mantenere pressoché perpendicolare alla linea di volo. La quota di volo media è H = f * (L/l) = f * (scala del fotogramma) (x es: f =15 cm, Sf = H=1500m) Ogni porzione del terreno deve essere presente in 2 fotogrammi Ricoprimento pari circa al 60% di L Imp che la % sia costante! ottenuto variando l intervallo di scatto t = H / v (x es. t = 10 sec) Strisciata

12 Ogni strisciata deve sovrapporsi a quella adiacente di almeno il 20% Ricoprimento trasversale Blocco fotogrammetrico

13 Scala del fotogramma e scala cartografica Fattore di scala medio del fotogramma (fsf) = L/l = H/f La precisione sull immagine è di pochi micron, ma proiettata al suolo sqm_planim_suolo (x,y) P H/f sqm_altim z P H o H 2 a seconda dell attenzione che pongo in fase di presa quando ho territorio orograficamente complesso Per restituzioni di linee «facili» (asse stradale, tetto di un edificio, ): sqm_planim_suolo (x,y) P = 45 micron * H/f [1 micron = 10-6 m] Fissata la scala cartografica (fsc) alla quale voglio restituire il mio rilievo, l errore di restituzione deve essere inferiore all errore di graficismo (0,2 mm *fsc) quindi: 45*10-6 m * fsf 0,2*10-3 m * fsc fsf/fsc 5 rapporto di ingrandimento quindi devo progettare il volo in modo che: - scelgo la focale (x es. f=150mm) - scelgo la fsc (x es ) fsf 5*fsc = H 7500 m [quota di volo tipica 4000m]

14 Punti di appoggio Punti di appoggio naturali (x es. campanile) individuati dopo la presa o artificiali definiti prima, laborioso perché piastre di 1m * 1m che devono essere viste da 1500m Quanti? Per ogni modello ne basterebbero 3 (x,y,z di 2 punti + z di 1 punto) ma meglio 5 o + per modello Dove? Possibilmente vicino al perimetro del modello, più qualche punto interno, specie in corrispondenza di notevoli dislivelli Se blocco fotogrammetrico molto vasto, con procedimenti di triangolazione aerea possono bastare pochi punti lungo il perimetro del blocco + alcuni punti interni solo altimetrici

15 FOTOGRAMMETRIA TERRESTRE Camere da presa semimetriche o non metriche (amatoriali, di buon livello, di cui non si conoscono i parametri interni) Generalmente prese normali o pressochè normali, ma anche convergenti (no stereovisione) Base di presa / distanza = 1/4-1/8 per una buona visione stereoscopica Punti di appoggio naturali, spigoli ben individuati, da scegliere dopo la presa o artificiali: adesivi da apporre sull oggetto, nel caso di rilievo di oggetti estremamente lisci (es. serbatoio) da materializzare prima della presa

16 Fase di restituzione orientamento di una immagine rispetto all altra orientamento relativo (O.R.) modello stereoscopico ( rapporti tra lunghezze) aggancio alla realtà orientamento assoluto (O.A.) attraverso p.ti di appoggio = p.ti noti nel SR oggetto/esterno (es. Roma40/WGS84) rilevati sul terreno (misure tradizionali/gps) O.R. poco dispendioso O.A. molto dispendioso (perché sul terreno) Fasi dispendiose della Fotogrammetria aerea: volo appoggio a terra restituzione

17 Orientamento dei fotogrammi (e costruzione del modello 3D) Orientamento relativo: asimmetrico, muovendo 1 fotogramma rispetto all altro 5 movimenti (b y2, b z2, f 2, w 2, k 2 ) simmetrico, muovendo entrambi i fotogrammi 5 movimenti (f 1, w 1, k 1, f 2, k 2 ) Eliminazione della parallasse (distanza tra i raggi omologhi sghembi) trasversale in 5 coppie di punti omologhi, ben distribuiti lungo il perimetro Modello simile al terreno/oggetto ma non omotetico e di scala ignota Dimensionamento: 1 movimento (b x ) Misuro la Dreale e la dmodello tra 2 punti D r / d m = Scala modello Vario b x in modo che la scala del modello sia quella voluta Orientamento assoluto: Oriento il modello rispetto al S.R. del terreno mediante la conoscenza delle coordinate di almeno 3 punti di appoggio Tot: (5+1+6) = 12 g.d.l.

18 Appendice Omotetia: similitudine e uguale posizionamento Le congiungenti di 2 punti analoghi devono essere parallele nei due modelli Modelli simili ma non omotetici

19 Ortofoto digitali Cartografia numerica e GIS

20 L ortofoto è la realizzazione di una proiezione ortogonale a partire da una proiezione centrale (l immagine). A partire quindi da una immagine digitale (ad es. tabella di valori di grigio) devo costruire l ortofoto riempiendo la relativa tabella. Quale colore dovrei associare a ciascun pixel dell ortofoto? quello dell areola di terreno corrispondente (superficie oggetto) Da dove posso avere tale informazione? dall immagine; quindi dall areola sull immagine corrispondente a quella dell oggetto. Si entra perciò sull immagine con le coordinate (x, y) ottenute attraverso le eq.ni di collinearità [che mettono in relazione il punto oggetto con il punto immagine attraverso il centro di proiezione e i parametri di orientamento esterno dell immagine stessa] e si associa il colore del punto sull immagine al pixel ortofoto.

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22 La produzione di ortofoto necessita di: DTM (informazione geometrica dell oggetto) immagine (informazione radiometrica dell oggetto) posizione spaziale dell immagine nello stesso S.R. del DTM di possibile determinazione attraverso la conoscenza delle coordinate di alcuni punti noti sull oggetto (orientamento esterno dell immmagine Fotogrammetria) La sua produzione è molto più veloce di quella della cartografia per contro non contiene l interpretazione dell operatore

23 Visualizzazione 3D di una ortofoto sovraimposta al DTM

24 Occorre un bilanciamento tra le dimensioni dei diversi pixel di: - immagine - DTM - ortofoto da realizzare Da un punto di vista geometrico è ragionevole che il pixel ortofoto sia di dimensioni paragonabili a quelle del pixel immagine proiettato al suolo; spesso però l ortofoto deve potersi comparare con la C.T.R. (Carta Tecnica Regionale), per cui la definizione dell ortofoto va anche confrontata con l errore di graficismo del C.T.R. Spesso si accetta che le dimensioni dei pixel DTM possano essere invece più lasche, tanto più per territori orograficamente semplici.

25 Valutazione della qualità attesa di un ortofoto: (0,3 x 0,3) m immagine volo basso (5 x 5)m DTM space resection (orientamento esterno) valutazione coordinate punti di appoggio (1 x 1) m CTR confronto qualità ortofoto prodotte (1 x 1) m Ortofoto (5 x 5) m qualità attesa

26 Realizzazione Ortofoto digitali (in Grass) Applicazione parametri Orientamento Interno: p, x0, y0 + coord immagine delle marche fiduciali scarti collimazione marche fiduciali s ~ 0,02 mm Individuazione punti di appoggio: 4 punti opportuni coordinate planimetriche da CTR coordinate altimetriche da DTM Determinazione parametri Orientamento Esterno: scarti eq.ni oss.ne (eq.ni di collinearità) Ortofoto: pixel 1x1 m Segue esempio di punti d appoggio

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31 Questa presentazione è 2010 Bianca Federici e Domenico Sguerso, disponibile come

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