Digital topografik haritalar ile digital ortofoto haritaların doğruluk, maliyet ve üretim zamanı açısından karşılaştırılması

Abstract

Fotoğrafla başlayıp, optik-mekanik aletlerle devam eden fotogrametri yöntemine Analog Fotogrametri denir. Benzer olarak fotoğraf ile başlayıp bilgisayar destekli aletler ile devam eden fotogrametri yöntemine Analitik Fotogrametri adı verilir. Üçüncü ve son gelişmiş olan fotogrametri yöntemi ise Digital Fotogrametri'dir. Digital fotogrametri tekniğinde, kamera görüntü düzlemindeki ışıklandırma fotografik olarak değil, elektronik olarak kaydedilir. Müteakiben, insan gözlemini ve tanımasını kolaylaştıran bilgisayarlı tekniklerle devam edilir. Hava fotoğraflarından elde edilen çizgisel bir harita, gelişmemiş alanlarda çoğu zaman yetersizdir. Arkeologlar, toprak bilimciler, orman bilimcileri, ziraatçiler, coğrafyacılar, jeologlar, planlamacılar ve çevre bilimciler çoğu zaman kendileri için önemli olan detayları çizgisel bir haritada bulamamaktadırlar. Hava fotoğraflarının içeriğini gösteren bir foto harita pek çok kullanıcı için daha iyi bir çözüm sağlamaktadır. Gelişmiş alanlarda bile, hava fotoğraflarındaki detaylara ihtiyaç duyulmaktadır. Foto haritalar, klasik topografik çizgisel haritaların üretiminden daha ucuz ve daha hızlı olduğu için oldukça ilgi çekicidirler. Haritalar ile karşılaştırıldığında fotoğraflarda bazı deformasyonlar sözkonusudur. Fotoğraf ve görüntülerin deformasyonlan, diferansiyel geometride Tissot İndikatrisi yardımıyla tanımlanır. Bu teori, genelde yalnızca düzgün analitik fonksiyonlarla tanımlanabildiği durumlarda uygulanabilir. Yer yüzeyleri genellikle bu şekilde tanımlanamamaktadır. Fotogrametride yer yüzeyi büyük bir grup noktayı sayısallaştırma ile temsil edilir. Görüntü deformasyonlanmn ortadan kaldırılması için iki yöntem mevcuttur. Birinci yöntemde fotoğrafin, bir düşeye çevirme aletinde projeksiyonu ile deformasyonlar ortadan kaldırabilmektedir. Bu yöntem sadece düzlemsel objelerin eğik fotoğraflarını düşeye çevirmek için kullanılabilir. İkinci yöntem ise bütün şartlar için geçerlidir. Bu yöntem diferensiyel düşeye çevirme adıyla bilinir ve fotoğrafin küçük küçük parçalarının sırasıyla düşeye çevirilmesini içerir. Bilgisayar teknolojisinde meydana gelen hızlı gelişmeler; analog ortofoto üretiminde karşılaşılan problemleri ortadan kaldırmıştır. Örneğin analog ortofotoda bir paftanın bir resimle kapatılması koşulu bulunmaktadır. Görüntülerin digital olması, bunların en uygun şekilde birleştirilmesine olanak sağlamaktadır. Digital ortofoto üretiminin temeli, kamera koordinat sistemindeki görüntü matrisinin yer koordinat sisteminin XY düzlemindeki görüntü matrisine dönüştürülmesi ilkesine dayanır. Digital ortofoto üretimi, yer kontrol sisteminin XY düzlemindeki gerekli görüntü matrisinin tanımlanmasıyla başlar ve bu elemanların merkezlerinin kamera koordinat sistemine dönüşümü ile devam eder. Bu dönüşüm için XY gridindelri noktaların Z koordinatlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Sayısal Yükseklik Modeli (SYM) verileri bir XY koordinat ağındaki her noktanın Z koordinatını sağlar. Digital ortofotolann sağladığı avantajlar şunlardır :. Yer yüzeyini temsil etmek için çok yakın noktalardan oluşmuş bir ağ kullanıldığı için geometrik doğruluk daha yüksektir.. Digital ortofoto coğrafi bilgi sisteminde bir bilgi seviyesi olarak muhafaza edilebilir.. Digital ortofotolar multispektral sınıflandırma, görüntü parçalama, detay tanıma yöntemleriyle analiz edilebilir. Digital ortofoto esnek,ucuz ve yüksek kaliteli çıktılar vermektedir. Analog teknikte olduğu gibi görüntünün kalitesinde bir azalma olmamaktadır. Analog yöntemde özellikle renkli görüntülerde doğruluk, çözülme kayıpları ve mozaik hale getirmedeki zorluklar digital ortofotoda ortadan kaldırılmıştır. Digital ortofoto görüntüleri, elektronik olarak hızlı ve kolayca transfer edilebilmektedir.. Vektör bilgiler ek bir çalışma yapılmadan bilgisayar ortamında eş zamanlı olarak görüntülenebilir.. Ortofoto mozaiklerini elde etmek ve geniş bir alanı tek bir ortofoto ile temsil etmek için ortofotolar blok halinde birleştirilmelidir. Tüm ortofotolar belirli bir projeksiyonda olduklarından geometrik olarak herhangi bir problem ile karşılaşılmamaktadır. Digital ortofoto görüntünün kalitesi, üretim döngüsündeki tüm elemanlara bağlıdır. Bunlar; Kamera kalitesi ve odak uzaklığı Fotoğraftan sonuç ürün ölçeğine büyütme Diapozitiflerin yoğunluk oranı veya tarayıcı pikselindeki bitlerin kalitesi Tarayıcının işlenmemiş ham veri tarama kalitesi ve geometrik doğruluğu Mikron veya fotoğraf ölçeğindeki dpi ile ifade edilen tarama örneklerinin kalitesi Diferansiyel düşeye çevirme yöntemleri Arazi birimlerinde ifade edilen sonuç piksellerin boyutu Diferansiyel düşeye çevirmeden sonra otomatik radyometrik düzeltme Kontrol noktalarının seçimi Kamera odak uzaklığına bağlı olan arazi veya binadaki varyans SYM verinin yoğunluğu ve kalitesi Uygulama çalışmaları için iki ayrı test bölgesi seçilmiştir. Birinci bölge izmir ili yakınlarında, ikinci bölge ise İstanbul ili sınırlan içerisindedir. Birinci test bölgesine ait Harita Genel Komutanlığı tarafından %60 ileri bindirmeli ve 1:35000 ölçekli siyah-beyaz çekilmiş 3 1 adet arşiv fotoğraf kullanılmıştır. îkinci test bölgesindeki uygulama ise 1998 yılında renkli olarak çekilmiş 1:16000 ölçekli 4 adet hava fotoğrafı kullanılarak yapılmıştır. Birinci test böşgesindeki fotoğraflar 28 mikron, ikinci test bölgesindekiler ise 21 mikronda SCAI foto-tarayıcısmda taranarak sayısallaştırlımışlardır. Taranarak digital hale getirilmiş fotoğraflar, PHODIS yazılımının ortamına alınmıştır. Burada fotoğrafların çekildiği kameranm kalibrasyon raporu doğrultusunda yeni bir kamera tanımlanmış ve bu bilgiler kullanılarak fotoğrafların iç yöneltmeleri yapılmıştır. PHODIS-AT yazılımı yardımıyla digital görüntüler kolon ve model bağlama noktaları ile kontrol noktalarının (nirengiler) resim koordinatları ölçülmüştür. GPS verileri ile ölçülen resim koordinattan kullanılarak PATB-GPS programında bloğun dengelemesi yapılmıştır. Dengeleme sonuç dosyası ile digital görüntüler kıymetlendirme yapılacak digital fotogrametri aletlerine ftp bağlantısı ile gönderilmiştir. Kıymetlendirme işlemleri için SOFTPLOTTER 1.7 yazılımı kullanılmıştır. Fotogrametrik nirengiden alınan digital görüntüler yazılımın ortamına alınmış ve burada kamera tanımlanması yapılarak fotoğrafların iç yöneltmeleri tamamlanmıştır. PATB-GPS sonuç dosyasında yazılıma import edilerek blok oluşumu tamamlanmıştır. Bu işlemler SOFTPLOTTER 1.7 yazılımının Block Tool modülünde yapılmıştır. Blok oluşumu tamamlandıktan sonra digital görüntü çiftleri kullanılarak Stereo Tool modülünde stereo-modeller otomatik olarak oluşturulmuştur. Kıymetlendirme işlemleri KDMS Tool modülünde stereo modeller üzerinden operatör tarafından yapılmıştır. Üretilen vektör veriler format dönüşümü yapılarak Microstation 95 yazılımına alınmıştır. Editleme operatörü tarafından vektör verilerinin editlemesi ve kontrolü bitirilerek birinci test bölgesinin 1:25000 ve ikinci test bölgesinin 1:5000 ölçekli digital topografik haritalarının üretimi tamamlanmıştır. Test bölgelerinin ortofoto görüntüleri yine SOFTPLOTTER 1.7 yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Digital görüntü çiftlerindeki paralakslardan yararla SYM verileri TIN (üçgenleme) yönteminde TIN Tool modülünde toplanmıştır. Birinci test bölgesinin SYM verileri 40m, ikinci test bölgesinin ise 3 Om (arşiv) aralıklarla toplanmıştır. Toplanan SYM verileri stereo-modeller üzerinde editlenmiş ve break-line, cut out çizgileri eklenmiştir. Oluşturulan görüntüler ile TERRAMODEL yazılımıyla SYM verilerinden otomatik olarak çizdirilmiş eş yükseklik eğrileri format dönüşümü yapılarak PCI yazılımına alınmıştır. Mozaikleme işlemleri ile lejand hazırlama ve yükseklik eğrilerinin ortofoto mozaiğin üzerine çakıştınlması işlemleri PCI yazılımında yapılarak test bölgelerinin digital ortofoto haritaları oluşturulmuştur. Her iki proje alanının üretilen digital topografik ve digital ortofoto haritalarının doğruluğunu araştırmak üzere İzmir proje alanında 146, İstanbul proje alanında ise 101 adet karşılaştırma noktası seçilmiştir. Karşılaştırma noktalarının seçiminde, yol xı ve dere kavşakları, bina köşeleri, yol ve dere kesişimleri gibi keskin detaylar olmasına özen gösterilerek okuma hatalarının en aza indirilmesi amaçlanmıştır. Karşılaştırma noktalarının üç boyutlu koordinatları, halen Harita Genel Komutanlığında kullanılan Zeiss Planicomp Cl 15 analitik aletlerinde stereo modeller üzerinden ölçülmüştür. Ölçülen bu koordinatlar doğru değerler olarak kabul edilmiş ve digital topografik ile digital ortofotolar üzerinden ölçülen koordinatlar bu değerler ile karşılaştırılarak doğrulukları bulunmuştur. Digital topografik ve ortofoto haritalarının doğruluğunu araştırmak için, digital stero- modeller ve ortofoto görüntüler üzerinden ölçülen karşılaştırma noktalarının koordinatlarının, analitik aletle ölçülen koordinatlardan farkları alınarak üç ayrı veri kümesi (x, y ve z için) oluşturulmuştur. İzmir proje alanında oluşturulan 146 elemanlı eX) ey, ez kümelerinden, digital stereo- model ölçümleri sırasında operatör tarafından çok kaba hatalı ölçülen 11 karşılaştırma noktası ve digital ortofoto ölçümlerinde ise 14 karşılaştırma noktası çıkartılmıştır. İstanbul proje alanında da hem stereo model hem de ortofoto ölçümlerinde 11 kaba hatalı bulunmuş ve bunlar veri kümelerinden çıkartılmıştır. Her iki test bölgesine ait bu veri kümelerinin ayrı ayrı ortalama değerleri ve standart sapma değerleri bulunmuştur. Her iki proje alanına ait veri kümelerinden elde edilen ortalama ve standart sapma değerlerinin normal dağılıma uygun olup olmadığının da test edilmesi gerekmektedir. Bu aşamada Mann-Wald uyum testi kullanılmıştır. Yapılan hesaplamalar sonucunda elde edilen veriler göstermiştir ki her iki test bölgesine ait veri kümeleri ortalama ve standart sapma değerleri için normal dağılıma uymaktadırlar. Uyum testi tamamlandıktan sonra her bir test bölgesindeki digital topografik ve ortofoto haritalar için planimetrik doğruluk ve yükseklik doğrulukları hesaplanmıştır. mn =±1.988 m. m7 =±1.271 m. mn =±2.265 m. m7 =±1.523 m. Pt25 ZI25 Po25 zo25 mD =±1.280 m. m7 =±0.605 m. m" =±1.457 m. mz =±0.895 m. PtS zt5 Po5 zo5 Bu sonuçlar ışığında şunu rahatlıkla söyleyebiliriz ki 1:5 000 ve daha küçük ölçekli digital ortofoto haritaların doğrulukları ile digital topografik haritaların doğrulukları arasında çok küçük farklılıklar bulunmaktadır. Sonuçlara bakıldığında ortofoto harita üretiminde pafta bazında yaklaşık 1 1 günlük bir kazanç olduğu görülmektedir. Digital topografik harita bu uygulamada 22 günde tamamlanırken digital ortofoto harita ise 1 1 günde tamamlanmıştır. Her geçen süre, personel maliyeti ve alet amortisman maliyetidir. Digital ortofoto haritaların üretimi, digital topografik haritaların üretim zamanının 1/2-1/4 oranında daha az bir zamanda gerçekleştirildiğine göre maliyeti de bu oranda daha az olmaktadır. Sonuç olarak; digital topografik haritalarla karşılaştırıldığında, özellikle 1:5 000 ve daha küçük ölçekli haritalama çalışmalarında digital ortofoto haritaların yeterli xıı doğrulukta, kaliteli, kullanışlı, etkin, ucuz ve hızlı çözümler olarak bir adım öne geçtiğini rahatlıkla söyleyebiliriz.

That branch of photogrammetry which begins with photographs and continues with optical mechanical instruments is described as analogue photogrammetry. That branch which begins similarly with photographs, but continues with computerised instruments, is described as analytical photogrammetry. A third branch is called digital photogrammetry. In this technology the illumination in the image plane of the camera is not recorded photographically, but by electronic means; there then follow computerised techniques which simulate human vision and recognition. We speak of "computer vision"; terms such as "pattern recognition" and "image understanding" are also used. A line map, derived from aerial photographs, is often unsatisfactory for specific applications, because some of the details cannot be displayed in the vector map. For these occasions a map that shows the aerial photographs (photo map) is better. In addition, photo-maps are attractive because they are significantly less expensive yet quicker to produce than conventional topographic line maps. A photogrammetric photograph (central projection) has some deformations relative to a map (orthogonal projection). The deformations of images, including photographs, are described in differential geometry by means of the Tissot indicatrix. This theory can only be applied, however, if the surface of the object can be described by smooth analytical functions. Ground surfaces can generally not be so described. More often the ground surface is represented in photogrammetry by digitising a large set of individual points on the surface. There are two procedures for the removal of image deformations. The first is a method of rectification in which the original photograph is reprojected in a photographic rectifier. This procedure can only be used for the rectification of tilted photographs of plane objects. The second rectification procedure is universally applicable. Small pieces of the original photograph are extracted and photographically rectified one after the other. The process is known as differential rectification. The problems of analogue orthophoto production can be eliminated by the help of recent developments in the computer technology. For example in analogue orthophoto, an orthophoto map must be covered by only one image but for digital images, this is not needed. The essential feature of the production of digital orthophotos lies in the transformation of the image matrix in the camera coordinate system. The production of a digital orthophoto begins with the definition of the required image matrix in XY xiv plane of the ground coordinate system, followed by the transformation of the centres of these elements into the camera coordinate system. For this transformation we also need the Z coordinates of the points in the XY grid. Digital terrain models provide the Z coordinates of a close mesh of XY points. The advantages of digitally produced orthophotos compared with those produced photographically are listed below;. The geometric accuracy is basically higher since a very close mesh of points is used to approximate the ground surface.. Image content can be modified quite simply by contrast manipulation of the densities and colours.. An elegant matching of densities at the edges of neighbouring images in an orthophoto mosaic can be achieved.. Further improvements, such as edge enhancement, can be introduced by appropriate filtering.. The digital orthophoto can be stored is a level of information in a geographic information system.. Digital orthophotos can be analysed by the methods of multispectral classification, image segmenting, pattern recognition, etc. The quality of the digital orthophoto is dependent to these factors;. The focus length and the quality of the camera.. Photograph and result map scale. The resolution of diapositives. The resolution and geometric accuracy of scanner. The methods of differential rectifying. Automatic radiometric correction after differential rectifiying. Control-points selection. Accuracy and resolution of DEM data. To produce a digital topographic and digital orthophoto map, first of all we had to prepare the block of the test field which was mapped. In this study we chosed two test fields. The first one is near Izmir and the second one is near Istanbul. We used 31 black/white aerial photographs which had %60 foreward overlap and a scale as 1:35000 in the first test field and 4 color photographs scaled 1:16000 in the second test field. We scanned the photographs in the Zeiss-SCAI photo-scanner with 28 micron resolution for the first and 21 micron for the second test field's photographs. These digital images were taken in PHODIS digital photogrammetry software. Camera calibration information was imported into software and then interior orientation of the photographs was performed automatically. xv In PHODIS-AT software, the control points were measured from photographs and then model and stripe tie-points were measured automatically by using automatic tie- point option. Having measured the image coordinates of the control-points and tie- points, we made the aerial triangulation adjustment in PAT-B program. Our block was ready to produce stereo-models, topographic and orthophoto map of the test field. In this step, we used another digital photogrammetry software called as SOFTPLOTTER1.7. Because of this, we needed to prepare the general structure of the test blocks. We opened a project directory in this software and we entered our project's information like name, reference frame and (etc.). After having opened the project, we ran the Block Tool from the main menu of the software. In this tool, we selected the camera editor and we entered the camera calibration information from camera calibration report, then we selected the frame-editor and imported the digital raster photographs which were in TIFF format and the aerial triangulation adjustment results taken from PAT-B program by using PAT-B import button. Imported photographs could be oriented in the interior orientation selection automatically or manually. We oriented them manually. After having all photographs oriented, we ran the triangulation selection and we accepted the block and exit the block tool. To produced the stereo-models of the block we ran the stereo-tool and we generated all stereo-models. Our block was ready to evaluate vector data from stero-models. By running KDMS Tool from the main menu, we evaluated the stereo-models and extracted vector data of the test fields by the help of an operator. To perform the digital topographic map, we translated the KDMS vector file to IGD (DGN) vector file, then we made the clip, edit and merge operations in the Microstation software to prepare our digital topographic map. We got our digital topographic map of the first test field at 1:25000 scale and of the second test field at 1:5000 scale. We produced the digital orthophoto images of the test fields by using again SOFTPLOTTER 1.7 digital photogrammetry software. First of all we collected the Digital Elevation Model (DEM) data from stereo-models by running DEM Tool from the main menu of the SOFTPLOTTER 1.7. In this tool we had to enter some collection parameters of DEM data like the collection resolution and etc. After collecting the DEM data at 40 m. resolution for the first xvi and 30m.(archieve) for the second test field, we editted the DEM data and added break lines and cut out aerias. After preparing the DEM data of the models, we could rectify the photographs by the help of DEM and triangulation data in the Ortho Tool Menu. By rectifying all the photographs, we got the ortho images of the photographs. In these ortho images, we could get the height information (3rd dimension) from DEM data. To produce the digital orthophoto map of the test fields, we had to make mosaic of the ortho images. We used another image processing system software called as PCI for making the mosaic of the test fields and integrating with the contour lines which were derived from DEM data automatically by the help of TERRAMODEL software. We also added the legand information and then prepared the orthophoto maps of the test fields by the help of PCI software. In this application, for testing the accuracy of the digital topographic and orthophoto maps we needed some check points which we could find either in digital topographic map or digital orthophoto map and also the coordinates of them were assumed as true. We selected 146 sharp feature points like cross roads, intersection of roads and rivers, building corners and etc. for the first test field and 101 for the second test field as check points. We measured the 3D coordinates of the check points from stereor models by using an analytical plotter (Zeiss PLANICOM CI 15) and accepted these coordinates as true coordinates of the check-points. Then we measured the coordinates of the check points from digital stereo models and from digital orthophoto images (not from mosaic, because has not given the height information). The differences between true coordinates and measured coordinates we calculated and from these differences we produced three data sets (sx, ey, ez) for each digital topographic map or digital orthophoto map. These 8X, ey, sz values are true errors. We neglected 1 1 check points from digital topographic map data sets and 14 check points for digital orthophoto map data sets for the first test field and 1 1 check points which had gross errors for the second test field. So we accepted 135 check-points for digital topographic map and 132 check points for digital topographic map for the first test field and 90 check points for either digital topographic map or digital orthophoto map of the second test field. After neglecting the check-points which had gross errors, we calculated the average value and the standard deviation of every data sets of digital topographic and orthophoto maps. With Mann-Wald statistic test, we examined whether the data sets had normal distribution and the results showed us that every data sets had the normal distribution for the their avarage values and standard deviations. xvn We calculated the planimetric and height accuracy values for both digital topographic and orthophoto maps of each test fields. mn = ±1.988 m. rn = ±1.271 m. mn = ±2.265 m. m7 = ±1.523 m. Pl25 Z|25 Po25 zo25 mn = ±1.280 m. m7 = ±0.605 m. mn = ±1.457 m. m7 = ±0.895 m. Pt5 zt5 Po5 zo5 These values were not much far away from each other so we can say that digital orthophoto maps can be used instead of topographic maps for 1:5000 and smaller scales. Results of this study shows us that producing digital topographic maps is much expensive then digital orthophoto maps because it took 22 days to produce a digital topographic map while it took 1 1 days for an orthophoto map in this study. Every day means money that must be paid to the operators by the mapping organizations. As a result, it can be said that digital orthophoto maps which have enough accuracy and quality are the cheap, quick and good solutions for the mapping studies.