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Fotogrametria Digital Objetivo da Fotogrametria: Reconstrução de um espaço tridimensional (espaço objeto), a partir de imagens bidimensionais (espaço imagem). Espaço Objeto: Qualquer elemento, ou conjunto de elementos tridimensionais a serem imageados. OBS: O sistema tridimensional representa o sistema de coordenadas do terreno sobre o qual obtém-se as imagens, o qual pode estar sendo representado em coordenadas geodésicas (latitude, longitude e altura ou altitude), planialtimétricas (E, N e altitude) ou cartesianas (X, Y, Z). Objetivo da Fotogrametria Digital: Reconstrução automática do espaço tridimensional (espaço objeto), a partir de imagens bidimensionais (espaço imagem). OBS: Na imagem digital, a resolução espacial está diretamente relacionada com o “tamanho do pixel”. Quanto menor o tamanho do pixel, maior é a resolução espacial da imagem digital. Cada pixel equivale a um quadrado de 1m x 1m no terreno. Métodos de aquisição de imagens fotogramétricas digitais: Scanners ou partir de câmaras fotogramétricas digitais. ORIENTAÇÃO INTERIOR: É a reconstrução do feixe perspectivo, ou seja, o referenciamento da imagem em relação à câmara. A orientação interior consiste em colocar as imagens em posição semelhante à que exerciam no momento em que foram tiradas em um sistema de coordenadas métrico. Pixels Unidade métrica. Razões para transformação de Pixels Milímetros Uniformização das unidades utilizadas, uma vez que o sistema fotográfico é expresso em milímetros, que são unidades métricas; O terreno também é expresso em unidades métricas (metros, por exemplo); Desde a criação da fotogrametria digital considerava-se um sistema métrico para a imagem, definido pelo certificado de calibração da câmara; Serve para corrigir vários erros de aquisição das imagens e erros sistemáticos: Má colocação do diafilme no scanner, Deformações no filme, Efeitos atmosféricos não-modelados, Distorção na digitalização via scanner ou aquisição da imagem digital via câmera; Refração atmosférica e efeitos da curvatura da Terra (erros sistemáticos). Em fotogrametria digital, a orientação interior constitui-se no cálculo dos parâmetros de transformação entre o sistema de coordenadas da imagem digital (linha e coluna do pixel) e o sistema fotográfico. Há três modelos fundamentais de transformação utilizados: afim, ortogonal e isogonal, sendo as duas últimas particularizações da primeira; MODELOS MATEMÁTICOS PARA A ORIENTAÇÃO INTERIOR 1. Transformação Afim Geral - Mantém o paralelismo Modela seis parâmetros. 1.1.Não-ortogonalidade dos eixos (1) Embora o sistema de coordenadas de uma imagem digital sempre seja ortogonal, pode haver distorções sistemáticas do scanner ou câmara como se a imagem estivesse ortogonal e os eixos distorcidos. 1.2.Rotação da imagem (1) Caso em que a imagem esteja rotacionada, tornando o sistema pixel rotacionado de mesmo ângulo do sistema fotográfico. 1.3.Translação em x e y (2) Causado devido à não coincidência dos centros dos dois sistemas. 1.4.Escalas Diferentes em x e em y (2) Os sistemas de imagem digital e analógica têm unidades diferentes. Formulação genérica para os seis parâmetros: Forma Linear: OBS: Resolução através de ajustamento de observações. O modelo paramétrico é o mais adequado, uma vez que ajusta simultaneamente as observações e os parâmetros (incógnitas). a0, a1, a2, b0, b1 e b2 = Incógnitas. A0 = Translação em x A1 = Fator de escala em x e rotação A2 = Fator de escala em y e rotação B0 = Translação em y B1 = Fator de escala em x, rotação e não-ortogonalidade B2 = Fator de escala em y, rotação e não-ortogonalidade. Valores de “x” e “y” = Marcas fidúcias do certificado de calibração. Seus equivalentes linha e coluna: identificados automaticamente por softwares. 4 marcas fiduciais = 8 coordenadas (x1, y1, x2, y2, x3, y3, x4 e y4), e (linha1, coluna1 - linha2, coluna2 - linha3, coluna3 - linha4, coluna4) MÉTODO PARAMÉTRICO Xa é o vetor dos parâmetros ajustados a0, a1, a2, b0, b1, b2. A é a matriz dos coeficientes dos parâmetros (coordenadas pixel das marcas fiduciais) Lb é o vetor das observações (coordenadas em mm das marcas fiduciais). P é a matriz peso das observações (Matriz identidade). V é a matriz dos resíduos. La é o vetor das observações ajustadas. 2. Transformação ortogonal ou afim ortogonal - Mantém o comprimento É uma variante da afim geral para o caso em que ambos os sistemas são ortogonais ( = 0). Parâmetros: (1) Rotação e (2) Translação Ajustamento pelo modelo paramétrico não-linear. 3. Transformação Isogonal - Mantém a forma Trata-se de uma variação do caso ortogonal. Considera-se que o fator de escala é constante, ou seja, Cx = Cy. Parâmetros: (1) Rotação, (2) Translação e (1) Fator de Escala Formulação geométrica Forma Linear Forma Matricial SOLUÇÃO AO PROBLEMA DE REBATIMENTO DO EIXO Y Forma Linear Forma matricial QUALIDADE DO AJUSTAMENTO TESTE 1: utilização dos parâmetros em uma transformação a partir das coordenadas pixel das marcas fiduciais. As diferenças entre as coordenadas obtidas com os parâmetros de transformação e as coordenadas do certificado de calibração devem ser pequenas. TESTE 2: Verificação do desvio padrão dos resíduos. Valores empíricos entre 0,3 e 0,4 pixel para estes desvios-padrão indicam um bom ajustamento. OBS: Obtém-se o desvio padrão dos resíduos a partir das variâncias dos resíduos que estão contidas na diagonal principal da matriz, extraindo-se a raiz de tais valores. Conversão Milímetros Pixels Sabe-se que: Ou seja, em 1 mm há 23,62 px. Para um desvio-padrão de um dos resíduos igual a 0,019 mm, por exemplo: Neste caso, o desvio padrão é igual a x = 0,4488 px. Está um pouco acima dos padrões desejáveis. O cálculo da variância da unidade de peso a posteriori pode ser calculado para cada imagem conforme equação 01 a seguir: Onde: V é o vetor dos resíduos; P é a matriz dos pesos (matriz identidade) n é o número de observações e m é o número de incógnitas. Desvio padrão dos resíduos= raiz quadrada da variância da unidade de peso a posteriori. ORIENTAÇÃO EXTERIOR O objetivo da orientação exterior é a obtenção da posição e atitude de cada foto em relação ao referencial do espaço objeto. Assim uma imagem está orientada exteriormente se são conhecidos os seus seis parâmetros de orientação exterior: coordenadas no espaço-objeto para o centro de perspectiva e ângulos de rotação do sensor (, e ). OBS: Entre vários métodos para se obter os parâmetros de orientação exterior, ressaltam-se as soluções por ajustamentos por equações de colinearidade; PARÂMETROS DA ORIENTAÇÃO EXTERIOR São definidos seis parâmetros, a saber: X0 - posição do centro de perspectiva no eixo X do espaço objeto. Y0 - posição do centro de perspectiva no eixo Y do espaço objeto. Z0 - posição do centro de perspectiva no eixo Z do espaço objeto - rotação do eixo x em relação a X, contado no sentido anti-horário, não devendo ultrapassar 5º em valor absoluto. - rotação do eixo y em relação a Y, contado no sentido anti-horário, não devendo ultrapassar 5º em valor absoluto. k - rotação do eixo z em relação a Z, contado no sentido é anti-horário. OBS: Os ângulos de Euler (, e ) representam rotações sofridas pelo sistema de coordenadas x, y ez do sensor, em relação ao sistema de coordenadas X, Y e Z do terreno. EQUAÇÃO DE COLINEARIDADE: Relaciona os parâmetros da orientação exterior, as coordenadas fotográficas de um ponto e as coordenadas tridimensionais do mesmo ponto. Condição de Colinearidade: “No momento da tomada da fotografia, o ponto objeto (P), o centro de projeção (CP) e o ponto imagem (p') formam uma linha reta”. RESSEÇÃO ESPACIAL A partir das equações de colinearidade, pode-se determinar os seis parâmetros de orientação exterior de uma fotografia (X0, Y0, Z0, , e ) a partir de, no mínimo três pontos de controle. Resumo: Resseção espacial é o método de obtenção dos seis parâmetros de orientação exterior para cada imagem. OBS: Através de pontos de controle é possível realizar os cálculos da orientação das imagens em relação ao sistema de coordenadas do terreno (processo de Orientação Exterior). Distância focal = c Coordenadas do ponto principal: 0e Coordenadas de 4 pontos (espaço imagem): 1e1,2e2,3e3,4e Coordenadas de 4 pontos (espaço objeto): X1, Y1, Z1, X2, Y2, Z2, X3, Y3, Z3, X4, Y4, Z4 OBS: A ressecção espacial deve ser executada para cada uma das imagens fotogramétricas do projeto fotogramétrico. INTERSEÇÃO ESPACIAL Conhecidos os parâmetros da orientação exterior para um par de fotografias com superposição (X01, Y01, Z01, 1, 1, 1, X02, Y02, Z02, , , ,) pode-se a partir das equações de colinearidade, gerar as coordenadas tridimensionais de um ponto. OBS: Interação de pontos homólogos no espaço objeto. OBS: Conhecidos os parâmetros da orientação exterior, pode-se conhecer as coordenadas de campo de qualquer ponto que se localize em, pelo menos, duas imagens. Este algoritmo é chamado de interseção espacial. Para duas imagens têm-se os seguintes parâmetros: São conhecidos os parâmetros para cada foto, mais as coordenadas do ponto principal no sistema fotográfico e a distância focal. X01, Y01, Z01, 1, 1, 1, 01e01, f X02, Y02, Z02, 2, 2, 2, 02e02, f AEROTRIANGULAÇÃO ANALÍTICA (POR AJUSTAMENTO DE FEIXES PERSPECTIVOS) A FOTOTRIANGULAÇÃO POR AJUSTAMENTO DE FEIXES PERSPECTIVOS (bundle adjustment) pode ser definida como sendo “a execução de uma resseção espacial simultaneamente à execução da interseção espacial para um conjunto de imagens digitais” OBS: Ajusta-se um bloco inteiro, simultaneamente, com diversas possibilidades de superposição, que podem localizar um determinado ponto em até seis imagens. OBS: Este método possibilita que todas as imagens tenham suas coordenadas do centro de perspectiva e ângulos de atitude ajustados de forma conjunta e simultânea. O resultado final são os parâmetros da orientação exterior para todas as imagens do bloco, mais as coordenadas tridimensionais dos pontos fotogramétricos. OBS: A aerotriangulação trata-se de um processo de interpolação, permitindo obtenção de coordenadas de vários pontos no terreno a partir da interpolação de apenas alguns pontos de campo. OBS: É um método de densificação de pontos de campo. OBS: O método por ajustamento de feixes perspectivos é o único que pode ser considerado totalmente analítico. OBS: Os parâmetros obtidos na aerotriangulação são essenciais nas práticas posteriores da retificação, ortorretificação e restituição. OBS: Um processo utilizando ajustamento por feixes perspectivos, por exemplo, une as etapas da orientação exterior e aerotriangulação em uma só, permitindo resultados muito mais rápidos. RMSE: O erro médio quadrático também conhecido como RMSE (Root Mean Square Error) pode ser entendido como a medida do desvio dos valores calculados (pontos da imagem) em relação aos valores originais (pontos de controle). RETIFICAR Retificar uma imagem consiste em projetá-la, segundo seu próprio feixe perspectivo, para um plano horizontal. Através da retificação, é possível modificar e até mesmo eliminar completamente os ângulos de atitude da câmara em relação a um dado referencial, bem como a distância focal da imagem resultante. Retificação é a eliminação das distorções causadas pelos ângulos de atitude da câmara. O objetivo da retificação para a fotogrametria aérea/orbital é gerar uma nova imagem vertical sem as distorções introduzidas pela atitude do sensor durante a tomada da imagem. Formas para a realização das operações de retificação: Transformações (afim, polinomial, projetiva, etc.) e Princípio da colinearidade. REAMOSTRAGEM Métodos mais utilizados: vizinho mais próximo, interpolação bilinear, splines bicúbicas e polinômios de Lagrange. 1. Vizinho mais próximo Atribui o valor do nível de cinza de determinado pixel da imagem reamostrada ao pixel da imagem original que estiver mais próximo. Trata-se então, apenas de um arredondamento. 2. Interpolação bilinear O valor do nível de cinza será determinado a partir dos quatro pixels da imagem inicial que a ele são vizinhos. Maior precisão geométrica e o desaparecimento de descontinuidades. 3. Métodos de vizinhança 4 x 4 pixels Apresentam um resultado de melhor visualização, incorrendo em menos erros de interpolação. NORMALIZAÇÃO DE IMAGENS A normalização é “orientada” ao par estereoscópico, porém sem restringir-se à área de superposição das imagens. O objetivo principal da normalização é gerar um novo par de imagens digitais que se adeque à assim chamada geometria epipolar. GERAÇÃO DE MODELOS NUMÉRICOS DE ELEVAÇÕES Os processos fotogramétricos extraem, geralmente, altitudes ou alturas. Por isso, neste capítulo, será tratada a extração de modelos numéricos de elevações apenas. MDT = Modelo Digital do Terreno: somente o relevo. MDS = Modelo Digital de Superfície: somente os elementos da superfície, altitude. “Qualquer representação numérica para uma determinada superfície física (relevo, por exemplo) do terreno a ser representada”. MDE = Modelo Digital de Elevação: altura dos elementos da superfície. (MDE = MDS - MDT) “Quando um MDS exprime altitudes, chama-se de MDE (modelo digital de elevações) ”. Aquisição de dados via GPS para obtenção de MDE. Método de extração fotogramétrica digital para obtenção de MDE. Formas de aquisição de dados: 1) Forma dispersa: não segue qualquer ordem de aquisição. Os pontos são adquiridos livremente no espaço a ser representado no MDE. 2) Forma semi-regular: segue algum arranjo específico, sem, no entanto, possuir espaçamento constante entre os pontos. Exemplos: Coleta de pontos via GPS. 3) Forma regular é aquela em que todos os pontos estão igualmente espaçados em X e Y. Só pode ser conseguida por meio de métodos de fotogrametria analítica ou digital. EXTRAÇÃO FOTOGRAMÉTRICA DE UM MNE 1) Conversão das imagens para o meio digital; 2) Orientação interior; 3) Orientação exterior - por resseção espacial; 4) Normalização do par estereoscópico (Não obrigatório) 5) Extração dos pontos tridimensionais propriamente ditos; 6) Interseção espacial, chegando-se, ao final, às coordenadas tridimensionais para um conjunto de pontos PROBLEMAS DA EXTRAÇÃO AUTOMÁTICA DO MNE 1) Definição do espaçamento dos pontos da grade, bem como a direção que esta deve seguir. Terrenos planos não exigem uma densidade muito grande de pontos; Terrenos heterogêneos (acidentados) exigem uma densidade muito grande de pontos; Estratégia: Dividira área heterogênea em áreas homogêneas onde não se exige uma densidade muito grande de pontos 2) Áreas onde a correlação falha. Solução: “extração manual”. O processo de extração do Modelo Digital de Elevação (MDE) pode ser dividido em duas etapas: 1) Obtenção de pontos homólogos de cada par estereoscópico de um projeto fotogramétrico, bem como extração e identificação dos pontos homólogos, e cálculo de suas coordenadas no espaço objeto [X, Y, Z]. 2) Interpolação desses pontos para gerar uma grade regular. Após a execução da Extração do MDE, pode- se observar se as correlações estão boas ou ruins através do Painel Matchin Accuracy Histogram. Trata-se de um histograma de acurácia da extração automática. O que estiver relacionado ao valor 1 indica que foram perfeitos no processo, o que é raro acontecer. Geralmente a maior concentração está entre 0,7 e 0,8 de acurácia. OBS: Após a geração de um MDE pode-se observar em alguns casos uma grande concentração de “buracos” na área do projeto. Afim de melhorar o preenchimento desses buracos, sementes podem ser inseridas, aumentando assim o número de pares de pontos homólogos, e melhorando relativamente o resultado. Para que os resultados sejam mais satisfatórios, o usuário deve inserir mais sementes nas áreas de falhas até que o seu preenchimento seja dado de forma completa, e assim extrair um novo MDE. Condições de para se ter ESTEREOSCOPIA: Fotos coplanares; Escala constante; Recobrimento de 50%; e Afastamento mínimo. GERAÇÃO DE ORTO-IMAGENS Uma orto-imagem pode ser definida como uma imagem orto-retificada, ou seja, que passou pelo processo de orto-retificação. Orto-Imagem traz uma definição simples para o tema: imagens em perspectiva ortogonal. Orto-imagem é uma imagem retificada livre de distorções devido a geometria e deslocamento devido ao relevo. Orto-retificação: consiste na transformação da perspectiva cônica ou central de uma imagem fotográfica, numa perspectiva ortogonal, onde os raios projetivos que formam a orto-imagem são paralelos entre si. OBS: A ortoimagem não possui distorções devido ao relevo tampouco rotações devido à inclinação da câmara no momento da tomada das imagens originais. OBS: A qualidade do MNE utilizado influi diretamente na Ortoimagem final. Orto-retificação x Retificação A ortorretificação é “um passo a mais”, pois, além de retirar as distorções relativas à rotação da câmara, elimina a distorção relativa ao relevo (através da transformação da perspectiva cônica em ortogonal). Ortomosaico é um conjunto de ortofotos que com auxílio de pontos homólogos, possibilita a geração de um mosaico em perspectiva ortogonal. OBS: Uma imagem em perspectiva central não pode ser tomada como fonte de informação métrica segura, uma vez que possui erros devido à rotação do sensor e deslocamentos devido ao relevo. Perspectiva cônica ou central: Perspectiva ortogonal: A ortorretificação é realizada através de transformações sobre números digitais dos inúmeros pixels das imagens origem e ortorretificadas. Modelos Matemáticos: transformação afim / polinomial e a projetiva, e a retificação diferencial. 1) Transformação afim: empregada quando o centro de perspectiva está bem longe do terreno imageado (ex.: imagens orbitais). É um método aproximado. 2) Transformação projetiva: deve ser empregada quando trata-se de uma região bastante plana. É um método aproximado. 3) Retificação diferencial: Seu objetivo é gerar uma nova imagem digital em perspectiva ortogonal, através da reconstrução dos feixes perspectivos. Define-se uma “orto-matriz” vazia sobre o terreno; Determinam-se as coordenadas tridimensionais conhecidas do centro de cada pixel da orto- matriz vazia. A partir dessas coordenadas, por meio das equações de colinearidade, determinam-se as coordenadas no espaço imagem para aquele ponto. Erros das Ortoimagens digitais: Má determinação de plano de voo; Má resolução dos sistemas fotográficos; Má resolução imagens digitais ou digitalizadas; Má reamostragem dos níveis de cinza; Incompatibilidade entre o modelo numérico de elevações empregado e a realidade do terreno. Ortofotocarta ou carta-ortoimagem: É a junção de uma imagem ortorretificada com uma carta. Modelos empregados para a Orto-retificação Transformação afim / polinomial Transformação projetiva Retificação diferencial. 1. Transformação afim / polinomial É empregada quando o centro de perspectiva está longe do terreno imageado (ex.: imagens orbitais). É um método aproximado. 2. Transformação projetiva Deve ser empregada quando se tratar de uma região bastante plana, como uma fachada de uma edificação ou um campo de futebol0d MÉTODO DIRETO Consiste, inicialmente, em projetar os pixels da imagem de entrada para a retificada aplicando-se as correções de erros sistemáticos na equação de colinearidade inversa. Etapas: Transformação do referencial da imagem digital para o referencial fotogramétrico; Transformação do referencial fotogramétrico para o referencial da imagem retificada; Reamostragem da malha da imagem retificada. MÉTODO INDIRETO O método indireto realiza, em relação ao método direto, um processo inverso para transferência dos tons de cinza da imagem de entrada para a ortofoto digital. Método indireto consiste, inicialmente, na busca dos pixels da ortofoto digital na imagem digital original, através da equação de colinearidade direta, e um processo “inverso” de correção de erros sistemático No método inverso, utilizando as equações de colinearidade direta, parte-se de um pixel da imagem ortorretificada e procura-se na imagem original o pixel correspondente Etapas: A segunda etapa desse método corresponde a primeira etapa do método direito, só que agora é realizado no sentido “inverso” permitindo a transformação dos pixels do referencial fotogramétrico para o referencial da imagem digital. O resultado das 2 primeiras etapas é uma malha irregular a qual não coincide com a malha regular da imagem de entrada. A terceira etapa deste método consiste na reamostragem dos pixels da ortofoto digital. Transformação linear direta (DLT) Este modelo permite relacionar o espaço imagem ao espaço objeto mesmo sem o conhecimento prévio dos parâmetros de orientação interior e exterior do sensor. É um modelo matemático usado para a correção geométrica de imagens. É um método que permite o livre posicionamento e orientação das câmeras, exigindo a presença de uma adequada estrutura de calibração a ser previamente fotografada no espaço onde ocorrerá o evento. Método pelo qual as coordenadas espaciais de pontos são obtidas através de uma transformação direta de coordenadas da imagem de um analisador para as coordenadas no espaço-objeto, utilizando princípios da estereofotogrametria. MOISAICAGEM Denomina-se Mosaico Fotogramétrico ao conjunto de fotografias aéreas, em que as fotos são montadas e ajustadas (cortadas e coladas) sistematicamente umas às outras, através dos detalhes do terreno, possibilitando uma visão global (completa) de toda a região fotografada. Mosaicos controlados: fotografias retificadas e devidamente posicionadas em relação ao datum tanto horizontal como vertical e suficiente número de pontos de controle para a retificação correta. Mosaicos não controlados: usam fotos originais, eventualmente alterando-se a escala, sema preocupação de retificá-la sobre o terreno. Estas fotos não servem para os mapeamentos temáticos. Mosaicos semi-controlados: expressa uma coletânea de fotos não retificadas, mas de escala homogênea ou vice-versa
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