Digital fotogrametrik ortofoto üretimine yönelik bir SYM bilgisayar programı ve uygulamaları

Abstract

Son zamanlar bilgisayar teknolojisinde çok büyük gelişmeler oluşmuştur. Sayısal bilgi ve otomasyona olan talebin artması nedeniyle haritaların sayısal tekniklerle üretilmesi de popular hale gelmektedir. Klasik haritaciliğin bu karşılaması mümkün olmayan bu talebi digital olarak üretilmiş ortofotolar karşılayabilirler. Bir ortofoto, fotoğraf geometrisinden dolayı oluşan distorsiyonu ortadan kaldırmak için diferansiyel anlamda düşeye çevrilmiş bir fotoğrafik görüntüdür. Ortofotolar geometrik olarak standart bir çizgi ve sembol haritasına eşdeğerdir; sadece semboller ve çizgileri değil, aynı zamanda gerçek fotogrametrik görüntü içerirler. Bir ortofoto üretimi için topografya nedeniyle ortaya çıkacak görüntü distorsiyonlannı düzeltmek amacıyla bir sayısal arazi modeline (SAM) gereksinim duyulur. Bir SYM, normal olarak topoğrafik haritaları veya uydu görüntülerinden türetilen yükseklik verilerinin bir düzgün ağda modellemesiyle oluşur. Bir sayısal arazi modeli, enterpolasyon yöntemi ve yazılım ile ilgilidir. "SAM nedir" sorusuna basit bir cevap bir sonraki paragrafla verilmiştir. Bir sayısal yükseklik modeli (SYM) yeryüzeyinin beli bir bölümünün iki boyutlu bir yüzeyde digital olarak temsil edilmesini sağlar. Görüşler bir SYM de "yükseklik" yerine "arazi" kullanılması konusunda farklılaşmaktadır. Buradaki yükseklik sadece arazi yüzeyi temsil edildiğinde tercih edilir oysa arazinin yüksekliğinden çok öznhelikleri önemli ise o zaman arazi kullanır. Arazi ifadesinin kullanımı, topografyanın yayında diğer arazi özniteliklerininde eklenmesine alanak tanır ki bu durum arazinin bir kısmının digital olarak temsil edilmesi olanağım artırır. SAM kullanımı ile tek değerli bir sayısal model oluşturulabilir, örneğin nüfus yoğunluğu, erezyon veya sahil yüzeyi. Sayısal yükseklik modelleri, özellikle drenaj ve potansiyel su baskınları gibi topografyanın etkili olduğu, GIS uygumalannda, kullanım bölgesi analizde, görüş analizi proplemleri ve güneş ve rüzgar patlamaları konularında özellikle yararlıdır. Bu tür dosyalar bütün ülke için oluşturulabilir. SAM üretiminde kullanılan bazı temel aşamalar daha sonraki paragraflarda özlenmiştir. SYM üretiminde kullanılan temel veriler, eşyükselti eğrilerinin sayısallaştınlması, fotogrametrik veri üretimi (hava fotogrametrisi ve uydu verileri dahil) ve ölçmeler yardımıyla elde edilen arazi yükseklik verileridir. En yaygın olarak kullanılanı eşyükselti eğrilerinden üretilendir. Eş yükselti eğrileri çizgisel haritalardan el ile, yarı otomatik, ix çizgi izleme veya otomatik tarama yöntemlerinden birisi ile sayısallaştınlır veya oluşturulan stereomodelden fotogrametrik olarak doğrudan doğruya elde edilir. SYM işleme, mevcut SYM lerinin kalibre edilmesi, iyileştirilmesi ve tamamlanması için gereklidir. Bunların arasında SYM lerini bir yapıdan diğer bir yapıya dönüştürme işlemlerinin yanında editleme, filtreleme ve birleştirme işlemleri de vardır. Editleme SYM lerinde hataları düzeltme ve güncelleştirme için gereklidir. Filtreleme, düşük ve yüksek geçiş fidelemelerinin sayısal kullanımı ile çoğaltma ve yumuşatma fonksiyonlarını içerir. Yumuşatma fonksiyonu ile SYM indeki detaylar azaltılır veya ortadan kaldırılır. Ağırlıklı Ortalama ile Enterpolasyon seçilen dayanak noktalarına uzaklıklarına göre ağırlıklar verilmektedir, bu yöntemin matematik modeli aşağıdaki gibidir k z<=-k (D 7=1 burada Wy ağırlığı enterpolasyon noktası ile dayanak noktası arasındaki fonksiyonudur. Çok yüksek çözünülürlüklü görüntü elde etme, çok fazla miktarda ham verinin depolanması gibi bazı problemlere sebep olabilir. Ortofoto üretimi için üç kısma ayrılabilir. Bunlar; geometrik parametrelerin hesaplanması, sabit nokta vektörlerinin v projeksiyonların hesaplanması. Ortofoto işlemi için çeşitli giriş verileri vardır, bunlardan bazıları; üç boyutlu arazi koordinatlarının içeren sayısal arazi modelleri, etkileşimli olarak sayısallaştınlmış orta nokta bulucuları, digital görüntüdeki yaklaşık orta nokta bulucuları, fotoğraf üzerinde sayılaştınlmış kontrol noktalan, yeryüzünde bunlarla karşılık gelen kontrol noktalan ve iç yöneltme parametrelerinin, kalibre edilmiş odak uzaklığının, mercek distorsiyon değerlerinin, bozulmuş kamera görüntüdeki kalibre edilmiş sonra orta nokta bulucuları, uçuş yüksekliği gibi ilgilerin yer aldığı uçağın dış yöneltmesinin içinde aldığı kamera kalibrasyon raporu. Digital ortofotolann kullanımı üretiminde bilinen doğruluğa bağlıdır. Digital ortofotonun doğruluğu aşağıdaki etkenler bağlıdır.. Kamera ve odak uzaklığı. Çıktı ölçeğine büyütme. Diapozitiflerin yoğunluk oranı veya tarayıcının çözünülürlük kalitesi. Tarayıcının işlenmemiş ham veri tarama kalitesi ve geometrik doğruluğu. Mikron veya fotoğraf ölçeğinde dpi ile ifade edilen tarama örneklerinin kalitesi. Diferansiyel düşeye çevirme yöntemleri . Sonuç piksellerinin boyutu. Radyometrik düzeltme. Kontrol noktalarının tanımlanması. Kamera odak uzaklığına bağlı arazi veya binadaki varyans. (Sayısal Yükseklik Modeli) DEM'in yoğunluğu ve kalitesi Ortofoto aşağıda belirtilen iki üretim yöntemi ile hesaplanabilir.. Piksel-piksel diferansiyel düşeye çevirme yöntemi: Bu yönteme göre, ters distorsiyona eşit olan local yerdeğiştirme vektörü bütün dönüşüm formüllerine göre her bir piksel için hesaplanır.. Sabit nokta Yöntemi: Bu yöntemde geometrik dönüşüm sayısal arazi modeli (SAM) tarama formatındaki noktalara uygulanır. Ortofoto projeksiyon sırasında dört komşu grid köşesi bilineer enterpolasyonu ile her piksel için geometrik düzeltme vektörleri elde edilir. Komparatörde Koordinat Ölçmesi İç Yöneltmenin Bulunması 1 Kompaıatör koordinatlarının resim koordinatlarına dönüştürülmesi 2 Distorsiyon ve ışık yansımasının belirlenmesi Tüm yöneltme elemanlarının hesaplanması Cisim koordinatlarının hesaplanması Karşılıklı yöneltmenin belirlenmesi Model koordinatlarının hesaplanması Mutlak yöneltmenin belirlenmesi Şekil 1. Fotogrametride çözüm Algoritmaları xı Bu çalışmanın amacı kaliteli ortofoto üretilmesi ve bu amaçla araziye en uygun SYM elde edilmesidir. Bu amaç için VB 5.0 programlama dili kullanılarak 3D-Foto diye isimlendirilen bir program yazılmış ve o program sadece SYM üretmekle kalmayıp aynı zamanda nokta dönüşümü, ortofoto programına gerekli dosyalar üretilmesi ve kolay şekilde istenen üç boyutlu arazi görüntüsünün izlenebilmesi ve bütün üç boyutlu koordinat editlemelerini yapabilmektedir. Bu Doktora çalışması 7 bölümden oluşmuştur. Birinci bölümde çalışmanın amacı verilmiştir, ikinci bölümde fotogrametrinin genel matematik esaslan ve merkezi projeksiyonun çözüm algoritmaları irdelenmiştir. Fotogrametrik çözüm algritmalanmn işlem akışı şekil 1. de gösterilmiştir. Bu bölümde fotogrametrinin Kolinearite (Doğrusallık) ve Koplanearite (Eşdüzlemlilik) Koşulu da verilmiştir. Üçüncü bölümde, ortofotolann tanımı, düşeye çevirmenin matematik anlamı ve düzeltme yöntemleri verilmiştir. Digital ortofotolann değişik alanlarda kullanımının üzerinde durulmuştur. Diferansiyel düşeye çevirmenin matematiksel dayanağı da bu bölümde ele alınmıştır. Dördüncü bölümde ortofotolann üretim aşamalan ile ilgilidir. Bu bölümde piksel-piksel ve sabit nokta yöntemleri gibi farklı diferansiyel düşeye çevirme yöntemleri üzerinde durulmuştur. Bununla birlikte fotoğrafların taranması, sayısal yükseklik modellerinin tanımı ve ortofoto üretim programı da bu bölümde irdelenmiştir. Digital ortofoto üretim programının akış diyagramı şekil 2 de verilmiştir. Sayısal arazi modelinin gelişimi ve kavramı, veri elde edilmesi, verinin işlenmesi, yorumlanması, görselleştirilmesi ve farklı uygulamalan beşinci bölümde verilmiştir. Bu bölümde aynca, enterpolasyon yöntemleri irdelenmiş ve uygulamada kullanılacak enterpolasyon yöntemi kısaca irdelenmiştir. Bölüm 6'da Visual Basic 5.0 programlama dili kullanılarak yazılmış olan uygulama programı incelenmiş ve ağırlıklı ortalama ile enterpolasyon modelinin çözümü karşılaştınlmıştır. Aynca, PICTRAN digital fotogrametri yazılımı bu bölümde incelenmiştir. Uygulama sonucu elde edilen sonuçlar ve yeni çalışmalar için öneriler yedinci bölümde verilmiştir. xıı Orijinal Görüntü Orijinal Görüntü Tüm Geometrik Distorsiyonlann Değerlendirilmesi; İki boyutlu Dengeleme, îç Yöneltme, Distorsiyon, ^_| Orta Nokta l Bulucuları Kontrol l Noktaları Kamera \ Kalibrasyonj Raporu J Dayanak Noktalarında Düşeye Çevirme Hesabı Projeksiyon /brtofoto] SYM 3.Adım Şekil 2. Digital ortofoto yazılım akış diagramı

There is an enormous development in computer technology at recent years. Because of the increasing demand for digital information and automation, producing of maps by digital techniques becomes popular. As classical mapping techniques can not fulfil this demand, this can be fulfilled by digital by produced orthophotos. An orthophoto is a photogrammetric image which is differentially rectified in order to remove any distortion due to photographing geometry. Orthophotos are geometrically equivalent to standard line and symbol maps, but they includes not only lines and symbols but also actual photogrammetric images. In order to produce an orthophoto a terrain model (DTM) is needed in order to correct the image distortions caused by relief displacement. A DEM is normally generated by sampling a regular grid of elevation values derived from topographic maps, aerial photographs or satellite images. A digital terrain model involves an interpolation method and a computer program. To give a simple answer to the question of "What is a DEM?" is given following paragraph. A Digital Elevation Model (DEM) provides a digital representation of a portion of the earth's terrain over a two dimensional surface. Opinion differs over whether "terrain" should be used in place of "elevation" in a DEM. Elevation is preferred when only relief is represented whereas terrain is used to imply attributes of a landscape other than the altitude of that landscape. Using terrain allows for the possibility of including landscape attributes other than topography as a means of improving the digital representation of a section of terrain. The functional significance of using DTM could therefore imply a digital model of any single-value surface (population density, cost surface, or erosion potential). Digital elevation models are particularly useful for GIS applications that are influenced by topography, such as drainage and flood potential, facility site analysis, viewshed problems and solar or wind exposure issues. These kinds of files can be produced for the entire state. Some of the several basic steps are used to produce DTM are abstracted at the following paragraphs. DEM generation, is the basic data for a DEM is based on terrain elevation observations which are derived generally from one of three sources: digitized contours, photogrammetric data capture (including aerial photography and digital satellite xiv imagery), and surveying. Contours from analog maps are normally digitized by manual digitizing, semi-automated line-following, or automatic raster-scanning. DEM manipulation is manipulation procedures are essential in order to modify, calibrate, or refine the existing DEMs. They include editing, filtering, merging and joining besides procedures for converting DEMs from one structure to another. Editing is required to correct errors and updating DEMs. Filtering involves smoothing and enhancement functions by using low-pass and high-pass filters respectively. Interpolation with weighted average is the height of an interpolation point is found by weighted arithmetic average of the heights of selected reference points. k Z'~^ 0) 7=1 Here the weight Wy is a function of the distance between the interpolation point and reference points. Handling of very high resolution images can cause problems such as; saving the huge amount of raw data. The procedure of the orthophoto produce can be divided into three steps. These steps are; Calculation of geometric parameters, Calculation of anchor point vectors and Orthoprojection. There are several sources as input data for orthophoto process. Some of them are; Digital terrain model containing three dimensional ground coordinates, Fiducial marks digitised interactively, Approximate fiducial marks in the digital image, Control points digitised in the photo print, Corresponding control points on the ground and Camera calibration report including parameters of inner orientation, calibrated focal length, principle point location, the value of lens distortions, calibrated fiducial marks in the distorted camera image, exterior orientation of the aircraft, e.g. flight height. The usage of digital orthophotos is dependent upon having it produced to a known accuracy. The accuracy of digital orthophoto is related to following factors;. Camera and focal length. Magnification to out put scale. Density ratios of diapositives or scanners resolution quality. The quality of scanners while scanning raw data and their geometric accuracy. The quality of scanned resembles which can be expressed with micron or dpi. Differential rectification methods. The dimension of out put pixel xv . Radiometric correction. Determining control points. Variance in terrain or in buildings according to focal length. Density and quality of digital elevation model (DEM) data The orthophoto can be produced by means of two following production methods.. Pixel-by-pixel method: In this method the local displacement vector, which is equivalent with the inverse distrotion, is calculated for each pixel in accordance with the complete transformation formulas.. Anchor-point-method: In this method the geometric transformation are applied to the DTM raster points only. During orthoprojection one obtain the rectification vector for a pixel by bilinear interpolation between the four neighbouring corners. The aim of this study is to obtain an appropriate DEM which suits best to the surface and enable an orthophoto of best quality. For this purpose a computer program 3D- FOTO, which is written in Visual Basic 5.0 programming language, produces not only DEM's, but also makes points transfer, producing of necessary files for orthophoto production, visualisation of the terrain and finally all editing mechanisms for coordinates. This PhD study consist of 7 chapter. In the first chapter the main idea and the purpose of the study was given. In the second chapter, the mathematical models of photogrammetry and central projection solution algorithms are examined. Solution algorithms of the photogrammetric process is described and given on the figure 1. In this chapter Collinearity and Complanarity condition of the photogrammetry are also givea In the chapter three, description of orthophotos, mathematical means of rectifying and correction methods was given. The usage of digital orthophotos in different fields was being highlighted. The mathematical base of differential rectification is also included to this chapter. Chapter four is basically related on digital orthophoto producing steps. In this chapter, different differential rectification such as pixel by pixel method and Anchor-point- method were studied. Also, scanning of the photographs, definition of the digital elevation model and digital ortophoto production program are explained in this chapter. The flowchart of the digital orthophoto software is given as figure 2. xvi Figure 1. Solution algorithms of the photogrammetric process. With the background and concepts of digital terrain model, data acquisition, data process, interpretation, visualisation and different application of the digital terrain models are examined in the chapter five. In this chapter also the interpolation methods were studied and the interpolation methods that were used in the study were examined briefly. In chapter six, the application program which is written in Visual Basic 5.0 is investigated and, solution of the weighted average model is compared. Also, the PICTRAN digital photogrammetric software has been examined. The results were obtained from the study and suggestions for the new studies were given in chapter seven. xvu / Original V- ^ I image J Evaluate full geometric distortion: 2D-adjustment, inner orientation, lens distortion, perspective projection Fiducial marks Control points, Camera \ Calibration report, STEP 1 Calculatie Rectification at Anchor points DTM Orthophoto STEP 3 Figure 2. The flowchart of the digital orthophoto software.