Karl Kraus | Fotogrametrija. (1. dio) Osnove i standardni procesi

Prof. dr. sc. Karl Kraus

F O T O G R A M E T R I J A 1. DIO

OSNOVE I STANDARDNI PROCESI

SY N OP SIS Zagr eb – S Y N OP S IS S ar ajevo

Prof. dr. sc. Karl Kraus FOTOGRAMETRIJA 1. DIO OSNOVE I STANDARDNI PROCESI Uz pomoć prof. dr. sc. Petera Waldhäusla Institut za fotogrametriju i daljinska istraživanja Tehničkog sveučilišta u Beču Izdavači

SYNOPSIS d.o.o. Zagreb Bunićeva 22, Zagreb

SYNOPSIS d.o.o. Sarajevo Kralja Tvrtka 9, Sarajevo

Za izdavače

IVAN PANDŽIĆ ALEKSANDRIDA KOSIĆ Prijevod na hrvatski jezik

Mr. sc. ADMIR MULAHUSIĆ i suradnici 1. poglavlje prof. dr. sc. FARUK SELESKOVIĆ dio 3. poglavlja EMIR RIZVIĆ

Recenzenti

Prof. dr. TEODOR FIEDLER (također savjetnik pri prevođenju)

Prof. dr. LADISLAV FEIL Prof. dr. MILJENKO LAPAINE Lektura

IRENA BRATIČEVIĆ, prof.

Tehnička obrada teksta

Mr. sc. ADMIR MULAHUSIĆ © Copyright: ADMIR MULAHUSIĆ Nijedan dio ove knjige ne smije se umnožavati, fotokopirati ni na bilo koji način reproducirati bez pismenog dopuštenja autora i nakladnika

Prof. dr. sc. Karl Kraus

FOTOGRAMETRIJA 1. DIO

OSNOVE I STANDARDNI PROCESI uz pomoć

prof. dr. sc. Petera Waldhäusla Institut za fotogrametriju i daljinska istraživanja Tehničkog sveučilišta u Beču

Četvrto i prošireno izdanje s 210 ilustracija i jednom ilustracijom u boji Prijevod na hrvatski jezik

mr. sc. Admir Mulahusić i suradnici

S YN O P S I S Z a g r eb – S YNOP S I S S a r a jevo

IV

Predgovor prijevodu knjige Ovom prilikom želim, prije svega, zahvaliti tvrtkama koje su svojim donacijama omogućile da se ova knjiga štampa. Svoje riječi zahvale upućujem i gospodinu Ivanu Pandžiću, čovjeku koji cijeni i voli pisanu riječ i koji je omogućio da izdavanje ove knjige protekne u što je moguće kraćem periodu.

Također zahvaljujem i recenzentima na ukazanim primjedbama, kao i autoru profesoru Karlu Krausu na ukazanome povjerenju prilikom prevođenja ove knjige.

Dakako, najveću zahvalnost dugujem svojoj familiji: supruzi Lejli, kćerki Moni i roditeljima Nasihu i Lejli, koji su bili više nego strpljivi u čestim izbivanjima njihova supruga, oca i sina.

Potrudio sam se jer vjerujem da čovjek ne živi svoj život samo radi materijalnih bogatstava već i radi onoga što će koristiti drugima i pokoljenjima koja dolaze.

Admir Mulahusić Sarajevo, 2005.

V

Upute čitateljima:

Stranice su kontinuirano numerirane, a istodobno imaju i oznake poglavlja. Pripadajući indeksi odnose se na kontinuirane brojeve stranica. Oznake poglavlja sadrže slovo glavnog poglavlja i decimalni broj koji označava potpoglavlje (npr. A 4.3.5.). Slike ili tablice zajedno s jednadžbama i zadacima za vježbu numerirane su u svakom poglavlju. Npr. Slika A 4.1-12 odnosi se na dvanaestu sliku ili tablicu u poglavlju A 4.1.; jednadžba A(3.3-5) odnosi se na petu jednadžbu u poglavlju A 3. 3.

Oznake poglavlja, slika, jednadžbi, itd. unutar glavnog poglavlja ne nose slovo poglavlja, prema tome Vježba 4.2-50 u glavnom poglavlju A odnosi se na pedesetu vježbu u poglavlju A 4. 2.

Kako Prva knjiga sadrži samo glavno poglavlje A, reference poglavlja B....., C...., D... , E......, F.... uvijek se odnose na Drugu knjigu.

Reference za znanstvene i stručne članke u fusnoti skraćene su što je više moguće. Dodatna pojašnjenja stoga se nalaze ispred indeksa.

VI

SADRŽAJ 1. UVOD ................................................................................................................. 1 1.1. Definicija i mogućnosti primjene .................................................................... 1 1.2. Nekoliko napomena o povijesnome razvoju ................................................... 2 2. PRETHODNE MATEMATIČKE NAPOMENE ...................................................... 4 2.1. Rotacija u ravnini ........................................................................................... 4 2.2. Rotacija u prostoru ........................................................................................ 7 2.3. Centralna projekcija u prostoru .................................................................... 12 2.4. Centralna projekcija ravnine ........................................................................ 17 2.5. Centralna projekcija pravca ......................................................................... 22 2.6. Normalni slučaj stereorestitucije .................................................................. 24 2.7. Teorija pogrešaka normalnog slučaja stereorestitucije ................................. 27 3. FIZIKALNA REALNOST FOTOGRAMETRIJSKE SNIMKE .............................. 29 3.1. Unutarnja orijentacija ................................................................................... 29 3.1.1. Unutarnja orijentacija mjerne kamere ................................................. 29 3.1.2. Unutarnja orijentacija mjerne snimke .................................................. 37 3.1.3. Rekonstrukcija unutarnje orijentacije .................................................. 39 3.2. Fotografske osobine .................................................................................... 41 3.2.1. Općenito ............................................................................................ 41 3.2.2. Boje i filtri ........................................................................................... 42 3.2.3. Fotografski proces kod crno-bijele fotografije ..................................... 46 3.2.4. Gradacija ........................................................................................... 47 3.2.5. Opća osjetljivost ................................................................................ 50 3.2.6. Fotografski proces za fotografiju u boji ............................................... 52 3.2.6.1. Pozitiv i negativ kolor-film ...................................................... 52 3.2.6.2. Pozitiv - infracrveni kolor-film ................................................. 54 3.2.7. Spektralna osjetljivost ........................................................................ 55 3.2.8. Fotografski djelotvorno osvjetljavanje ................................................. 58

VII

3.2.9. Filmovi za aerosnimanje .................................................................... 61 3.2.10. Kopiranje s reguliranjem kontrasta ................................................... 63 3.3. Oštrina preslikavanja ................................................................................... 64 3.3.1. Dubina oštrine ................................................................................... 64 3.3.2. Iskrivljenja oštrine .............................................................................. 69 3.3.3. Optička i fotografska moć razdvajanja ................................................ 70 3.3.4. Kontrast i prijenos kontrasta ............................................................... 73 3.3.5. Pomak snimke ................................................................................... 76 3.4. Terestrička mjerna kamera .......................................................................... 80 3.4.1. Zahtjevi koji se postavljaju terestričkim mjernim kamerama ................ 80 3.4.2. Opća konstrukcija terestričkih mjernih kamera .................................... 82 3.4.2.1. Stereokamera ....................................................................... 82 3.4.2.2. Pojedinačna (jednostruka) mjerna kamera ............................. 83 3.4.3. Tehnički podaci i konstruktivne karakteristike pojedinih terestričkih mjernih kamera ................................................................................. 84 3.4.3.1. Stereokamere ....................................................................... 84 3.4.3.1.1. Wild C 120 i C 40 .................................................. 84 3.4.3.1.2. Zeiss SMK 120 i SMK 40 ....................................... 84 3.4.3.2. Pojedinačne mjerne kamere .................................................. 85 3.4.3.2.1. Wild P 31 .............................................................. 85 3.4.3.2.2. Wild P 32 .............................................................. 86 3.4.3.2.3. UMK Carl Zeiss Jena ............................................ 86 3.5. Planiranje i izvođenje terestričkog snimanja ................................................. 87 3.6. Napomena u vezi nazivlja i podjela .............................................................. 94 3.7. Mjerne kamere za aerosnimanje .................................................................. 96 3.7.1. Zahtjevi koji se postavljaju pred mjerne aerokamere .......................... 96 3.7.2. Opća konstrukcija i primjeri mjernih kamera za aerosnimke ............. 101 3.8. Plan leta .................................................................................................... 108 3.9. Zrakoplovi za aerosnimanje ....................................................................... 111

VIII

4. STEREORESTITUCIJA ................................................................................... 114 4.1. S poznatom vanjskom orijentacijom ........................................................... 115 4.1.1. Numerički ........................................................................................ 115 4.1.2. Na analognim stereoinstrumentima ................................................. 116 4.2. S nepoznatom vanjskom orijentacijom ....................................................... 117 4.2.1. Odvojena orijentacija dviju snimki .................................................... 117 4.2.2. Zajednička orijentacija dviju snimki (u jednom koraku) ...................... 119 4.2.3. Zajednička orijentacija dviju snimki (dva koraka) .............................. 120 4.2.3.1. Numerička relativna orijentacija sa slikovnim koordinatama 123 4.2.3.2. Numerička relativna orijentacija na analognim stereoinstrumentima .......................................................... 129 4.2.3.3. Empirijska relativna orijentacija na analognom stereoinstrumentu ............................................................................................ 137 4.2.3.4. Opasne površine kod relativne orijentacije ........................... 144 4.2.3.5. Teorija pogrešaka relativne orijentacije ................................ 149 4.2.3.6. Apsolutna orijentacija na analognim stereoinstrumentima ... 155 4.2.3.7. Numerička apsolutna orijentacija ......................................... 161 4.3. Stereoinstrumenti i neki postupci restitucije ............................................... 166 4.3.1. Stereoskopski sustav promatranja ................................................... 166 4.3.1.1. Prirodno prostorno promatranje ........................................... 166 4.3.1.2. Promatranje stereosnimki .................................................... 167 4.3.2. Princip stereoskopskog mjerenja ...................................................... 174 4.3.3. Stereometar ..................................................................................... 175 4.3.4. Stereo i monokomparatori ................................................................ 179 4.3.4.1. Stereokomparatori ............................................................... 179 4.3.4.2. Monokomparatori i uređaji za prenošenje točaka ................. 181 4.3.5. Pročišćavanje slikovnih koordinata ................................................... 186 4.3.6. Utjecaj Zemljine zakrivljenosti .......................................................... 191 4.3.7. Završne napomene .......................................................................... 198 4.3.8. Univerzalni analitički stereoinstrumenti ............................................. 199 4.3.8.1. Principi građe (osnovna konstrukcija) .................................. 199

IX

4.3.8.2. Metode restitucije (prikupljanja podataka) ............................ 204 4.3.8.3. Neke osobine instrumenata i uređaja ................................... 206 4.3.9. Pojednostavljeni analitički stereoinstrumenti .................................... 211 4.3.10. Analogni stereoinstrumenti ............................................................. 215 4.3.10.1. Princip optičkog projiciranja ............................................... 215 4.3.10.2. Princip mehaničkog projiciranja ......................................... 218 4.3.10.3. Analogni stereoinstrumenti s mehaničkim projiciranjem .... 223 4.3.10.3.1. Leica Heerbrugg, Švicarska (Wild instrumenti) .. 223 4.3.10.3.2. Officine Galileo, Italija ........................................ 224 4.3.10.3.3. Zeiss, Oberkochen, Njemačka ........................... 225 4.3.10.3.4. Leica Heerbrugg, Švicarska (Kern instrumenti) . 227 4.3.10.3.5. Zeiss Jena, Njemačka ....................................... 228 4.3.10.4. Periferni uređaji ................................................................. 229 4.4. Točnost stereoskopskog prikupljanja podataka .......................................... 231 4.4.1. Aerofotogrametrija ........................................................................... 231 4.4.1.1. Koordinate pojedinačnih točaka ........................................... 231 4.4.1.2. Linije horizontalne predodžbe .............................................. 234 4.4.1.3. Izohipse .............................................................................. 236 4.4.1.4. Profili i rasteri ...................................................................... 238 4.4.2. Terestrička fotogrametrija i posebni slučajevi aerofotogrametrije ..... 239 4.5. Neki praktični savjeti za stereoskopsko prikupljanje podataka ................... 241 4.5.1. Fotografski materijal ......................................................................... 241 4.5.2. Orijentacija ...................................................................................... 242 4.5.3. Kartiranje detalja .............................................................................. 243 5. FOTOGRAMETRIJSKA TRIANGULACIJA ...................................................... 248 5.1. Uvodne napomene .................................................................................... 248 5.2. Izjednačenje u bloku pomoću nezavisnih modela ...................................... 250 5.2.1. Planimetrijsko (položajno) izjednačenje bloka .................................. 250 5.2.2. Prostorno izjednačenje bloka ........................................................... 260

X

5.2.3. Položajna i visinska točnost izjednačenja bloka pomoću nezavisnih modela ........................................................................................... 262 5.2.3.1. Položajna točnost ................................................................ 262 5.2.3.2. Visinska točnost .................................................................. 269 5.2.3.3. Empirijska položajna i visinska točnost ................................ 271 5.2.3.4. Položajna i visinska točnost triangulacije pojasa .................. 271 5.2.4. Instrumentalna razmatranja .............................................................. 273 5.2.5. Napomene vezane za aplikacije ....................................................... 275 5.3. Skupno izjednačenje u bloku ..................................................................... 276 5.3.1. Matematički odnos između slikovnih i zemljišnih koordinata ............ 277 5.3.2. Diferencijalni odnosi ......................................................................... 279 5.3.3. Opažanja i normalne jednadžbe za blok fotografija ........................... 280 5.3.4. Rješenje normalnih jednadžbi .......................................................... 282 5.3.5. Nepoznate vrijednosti unutarnje orijentacije i dodatni parametri ....... 283 5.3.6. Točnost, prednosti i nedostaci skupnog izjednačenja ....................... 284 5.3.7. Posebni slučajevi skupnog izjednačenja u bloku .............................. 285 5.3.7.1. Prostorno presijecanje natrag .............................................. 285 5.3.7.2. Orijentacija stereopara ........................................................ 286 5.3.7.3. Prostorno presijecanje naprijed ........................................... 287 5.3.8. Skupno izjednačenje u bloku u blizupredmetnoj fotogrametriji ......... 287 6. ORTOFOTOGRAFIJA ..................................................................................... 291 6.1. Deformacije mjerne snimke ....................................................................... 291 6.2. Redresiranje preko centralno-perspektivne transformacije ......................... 300 6.2.1. Perspektivno redresiranje s ponovnim uspostavljanjem unutarnje orijentacije ....................................................................................... 300 6.2.2. Perspektivno redresiranje bez ponovnog namještanja unutarnje orijentacije ....................................................................................... 302 6.2.2.1. Optički uvjeti ....................................................................... 302 6.2.2.2. Geometrijski uvjeti ............................................................... 304 6.2.2.3. Redresiranje s poznatim postavima instrumenta .................. 309

XI

6.2.2.4. Redresiranje s kontrolnim točkama i poznatom unutarnjom orijentacijom ................................................................................... 312 6.2.2.5. Redresiranje sa kontrolnim točkama, ali bez poznavanja unutarnje orijentacije .......................................................... 314 6.2.2.6. Redresiranje bez kontrolnih točaka ...................................... 314 6.2.3. Redreseri ........................................................................................ 315 6.2.4. Točnost perspektivnog redresiranja .................................................. 317 6.3. Redresiranje pomoću diferencijalne transformacije .................................... 320 6.3.1. Teorijski i instrumentalni principi diferencijalnog redresiranja ........... 320 6.3.2. Redresiranje nagnutih snimki ravnih objekata .................................. 325 6.3.3. Redresiranje zakrivljenih objekata .................................................... 328 6.3.3.1. Različite metode prikupljanja podataka ................................ 329 6.3.3.2. Točnost diferencijalnog redresiranja .................................... 332 6.4. Praktične upute vezane za ortofotografiju .................................................. 342 6.4.1. Fotomaterijal .................................................................................... 342 6.4.2. Format ortofota ................................................................................ 342 6.4.3. Ortofotokarte ................................................................................... 343 7. DIGITALNA FOTOGRAMETRIJA .................................................................... 344 7.1. Definicija digitalne fotogrametrijske slike .................................................... 344 7.2. Kreiranje (stvaranje) digitalnih slika ........................................................... 346 7.2.1. Digitaliziranje fotografija ................................................................... 346 7.2.2. Digitalne kamere .............................................................................. 350 7.3. Automatsko mjerenje mreže i slikovnih rubnih markica .............................. 352 7.4. Automatsko fotogrametrijsko određivanje točke ......................................... 358 7.5. Digitalni ortofoto ........................................................................................ 359 7.6. Orijentacija digitalnih fotogrametrijskih snimki ............................................ 362 7.7. Automatizirano modeliranje (rekonstrukcija) površine ................................ 367 7.7.1. Jednodimenzionalna korelacija ........................................................ 367 7.7.2. Interesni operatori ............................................................................ 368 7.7.3. Usuglašavanje snimki markantnih linija ............................................ 369

XII

7.7.4. Piramida slike (hijerarhijska višestupanjska korelacija) .................... 374 7.7.5. Uključivanje objektnog prostora u dodijeljenu snimku ...................... 375 7.8. Digitalna fotogrametrijska radna stanica .................................................... 377 Dodatak 2.2-1: Prostorna rotacijska matrica ........................................................ 379 Dodatak 4.2-1: Izjednačenje metodom najmanjih kvadrata .................................. 384

XIII