Generarea modelelor virtuale pentru localităţi utilizând tehnici de fotogrammetrie digitală Teză de doctorat – Octavian Balotă 1 UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCŢII BUCUREŞTI FACULTATEA DE GEODEZIE GENERAREA MODELELOR VIRTUALE PENTRU LOCALITĂŢI UTILIZÂND TEHNICI DE FOTOGRAMMETRIE DIGITALĂ Doctorand Ing. Mat. Octavian Balotă Conducător ştiinţific: Prof. Univ. Dr. Ing. Lucian Turdeanu TEZĂ DE DOCTORAT - rezumat - Bucureşti 2009
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Generarea modelelor virtuale pentru localităţi utilizând tehnici de fotogrammetrie digitală
Teză de doctorat – Octavian Balotă 1
UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCŢII
BUCUREŞTI
FACULTATEA DE GEODEZIE
GENERAREA MODELELOR VIRTUALE PENTRU LOCALITĂŢI
UTILIZÂND TEHNICI DE FOTOGRAMMETRIE DIGITALĂ
Doctorand
Ing. Mat. Octavian Balotă
Conducător ştiinţific:
Prof. Univ. Dr. Ing. Lucian Turdeanu
TEZĂ DE DOCTORAT
- rezumat -
Bucureşti 2009
Generarea modelelor virtuale pentru localităţi utilizând tehnici de fotogrammetrie digitală
2.3 Generarea modelelor numerice prin metode fotogrammetrice ......................................... 14
3 BAZA MATEMATICĂ UTILIZATĂ ÎN PROCESELE DE GENERARE A MODELELOR VIRTUALE PENTRU LOCALITĂŢI ............................................................................... 17
3.1 Geometria fotogramelor oblice ............................................................................................. 17 3.1.1 Geometria fotogramelor oblice luate de la mare înălţime ................................................ 17
3.2 Morfologie matematică .......................................................................................................... 18 3.2.1 Definiţii şi noţiuni de bază ............................................................................................... 18
3.2.2 Algoritmi de subţiere ....................................................................................................... 22
3.2.3 Operatori morfologici pentru imagini în scară de gri ...................................................... 23
3.2.4 Aplicaţii ale morfologiei matematice ............................................................................... 23
3.2.4.1 Optimizarea locală de densitate ................................................................................... 23
3.3 Limbajul de descriere a obiectelor 3D: VRML ................................................................... 24 3.3.1 Istoricul creării VRML..................................................................................................... 24
4.4 Algoritmi de detectare a zonelor ascunse ............................................................................ 29 4.4.1 Algoritm general .............................................................................................................. 29
4.4.2 Metodă care generează imagini ortofoto dintr-o secvenţă de imagini orientate .............. 30
4.6 Metode de mozaicare ............................................................................................................. 31 4.6.1 Mozaicarea prin metoda apropierii de nadir .................................................................... 31
Generarea modelelor virtuale pentru localităţi utilizând tehnici de fotogrammetrie digitală
Teză de doctorat – Octavian Balotă 3
4.6.2 Mozaicarea prin distanţa la petele albe (punctele moarte) ............................................... 31
5 GENERAREA AUTOMATĂ A MODELELOR 3D PENTRU LOCALITĂŢI ................... 32
5.1 Metoda clasică de generare a modelului 3D ........................................................................ 32
5.2 Sistemul de generare automată a modelului 3D pentru localităţi ..................................... 32
5.3 Programul de generare automată a modelului oraşului 3D ............................................... 33
5.4 Programul de operare a bazelor de date .............................................................................. 33
5.5 Vizualizarea modelelor virtuale în mod realistic ................................................................ 35
6 TEHNICI AVANSATE PROPUSE PENTRU AUTOMATIZAREA PROCESELOR DE GENERARE A MODELELOR VIRTUALE REALISTICE PENTRU LOCALITĂŢI - STUDIU DE CAZ ........................................................................................................... 38
6.1 Metodologie automată de generare a imaginilor true-ortofoto ......................................... 38 6.1.1 Diagrama de flux de activităţi pentru generarea automată de true-ortofoto .................... 38
6.1.2 Generarea suprafeţelor acoperişurilor clădirilor din localităţi ......................................... 40
6.1.3 Determinarea automată a zonelor ascunse ....................................................................... 47
6.1.4 Automatizarea procesului de obţinere a mozaicului true-ortorectificat ........................... 48
6.2 Extragerea automată din fotogramele oblice a texturilor de faţadă a clădirilor ............. 49
7 PROPUNERE DE PROGRAM PENTRU GENERAREA MODELULUI VIRTUAL REALISTIC ................................................................................................................... 53
2.4 Generarea modelelor numerice prin metode fotogrammetrice ......................................... 18
3 BAZA MATEMATICĂ UTILIZATĂ ÎN PROCESELE DE GENERARE A MODELELOR VIRTUALE PENTRU LOCALITĂŢI ............................................................................... 21
3.1 Modelarea parametrilor camerei de aerofotografiere ........................................................ 21 3.1.1 Principiul camerei de aerofotografiere ............................................................................. 21
3.2.2 Geometria fotogramelor oblice luate de la mare înălţime ................................................ 27
3.3 Morfologie matematică .......................................................................................................... 32 3.3.1 Definiţii şi noţiuni de bază ............................................................................................... 32
4.4 Algoritmi de detectare a zonelor ascunse ............................................................................ 79 4.4.1 Algoritm general .............................................................................................................. 79
4.4.2 Metodă bazată pe principiul Z-buffer ............................................................................. 79
4.4.3 Metodă bazată pe modele numerice dense ale terenului .................................................. 80
4.4.4 Metodă bazată pe asamblarea MNT şi a MNC ................................................................ 80
4.4.5 Metodă bazată pe modelul segmentat al suprafeţei ......................................................... 80
4.4.6 Metodă care generează imagini ortofoto dintr-o secvenţă de imagini orientate .............. 80
4.6 Metode de mozaicare ............................................................................................................. 82 4.6.1 Mozaicarea prin metoda apropierii de nadir .................................................................... 82
4.6.2 Mozaicarea prin distanţa la petele albe (punctele moarte) ............................................... 83
5 GENERAREA AUTOMATĂ A MODELELOR 3D PENTRU LOCALITĂŢI ................... 87
5.1 Metoda clasică de generare a modelului 3D ........................................................................ 87
5.2 Sistemul de generare automată a modelului 3D pentru localităţi ..................................... 87
5.3 Programul de generare automată a modelului oraşului 3D ............................................... 89
5.4 Programul de operare a bazelor de date .............................................................................. 92
5.5 Vizualizarea modelelor virtuale în mod realistic ................................................................ 95
6 TEHNICI AVANSATE PROPUSE PENTRU AUTOMATIZAREA PROCESELOR DE GENERARE A MODELELOR VIRTUALE REALISTICE PENTRU LOCALITĂŢI - STUDIU DE CAZ ......................................................................................................... 100
6.1 Metodologie automată de generare a imaginilor true-ortofoto ....................................... 100 6.1.1 Diagrama de flux de activităţi pentru generarea automată de true-ortofoto .................. 100
6.1.2 Generarea suprafeţelor acoperişurilor clădirilor din localităţi ....................................... 102
6.1.3 Determinarea automată a zonelor ascunse ..................................................................... 113
Generarea modelelor virtuale pentru localităţi utilizând tehnici de fotogrammetrie digitală
Teză de doctorat – Octavian Balotă 6
6.1.4 Automatizarea procesului de obţinere a mozaicului true-ortorectificat ......................... 114
6.2 Extragerea automată din fotogramele oblice a texturilor de faţadă a clădirilor ........... 116
7 PROPUNERE DE PROGRAM PENTRU GENERAREA MODELULUI VIRTUAL REALISTIC ................................................................................................................. 121
GLOSAR DE TERMENI .................................................................................................... 142
Generarea modelelor virtuale pentru localităţi utilizând tehnici de fotogrammetrie digitală
Teză de doctorat – Octavian Balotă 7
1 INTRODUCERE 1.1 Necesitate
Necesităţile economice de dezvoltare urbană impun realizarea de produse adecvate proiectării
şi sistematizării care să ţină cont de mediul ambiant. Cele mai cerute astfel de aplicaţii (fig. 1.1) sunt
cele din domeniul telecomunicaţiilor ce se referă la proiectarea şi instalarea de noi antene GSM sau
cele de planificare urbană. Ritmul mare de dezvoltare a construcţiilor necesită modelări cu
caracteristici geometrice de mare precizie.
Nevoia modelelor tridimensionale (3D) creşte şi se extinde rapid în numeroase domenii. În mod
constant pe piaţa de date spaţiale producţia de modele 3D integrate în sisteme de tip GIS a devenit
mult mai mare faţă de modelele tradiţionale 2D-GIS, mai ales pentru modelele 3D ale oraşelor pentru
care se cere o producţie într-un timp cât mai scurt.
Aplicaţii în telecomunicaţii Aplicaţii de planificare urbană
Fig.1.1 Aplicaţii ale modelării virtuale a localităţilor
Administraţia publică este unul din beneficiarii cei mai interesaţi pentru astfel de sisteme,
Agenţia Naţională de Cadastru şi Publicitate Imobiliară este interesată pentru evidenţierea
proprietăţilor, primăriile sunt interesate pentru stabilirea în cunoştinţă de cauză a regimului de
construire, înălţimi limită, zone protejate, impactul asupra mediului.
Produsele care concură la dezvoltarea unor astfel de aplicaţii sunt Modelul Numeric al
Terenului (MNT), Modelul Numeric al Suprafeţei (MNS), Ortofotogramele, True-ortofotogramele,
Imaginile Oblice, Modelul Numeric al Clădirilor(MNC), Modelul Virtual al Localităţilor (MVL) şi
cel mai complex dintre toate Modelul Virtual Realistic (MVR).
Imaginile oblice sunt tot mai des utilizate de agenţiile imobiliare pentru prezentarea obiectivelor
importante (fig. 1.2)
Cu siguranţă tehnologia modelării virtual realistice pusă în practică va accelera dezvoltarea
urbană iar pe plan ştiinţific va fi o sursă de noi cercetări şi aplicaţii.
Prin această teză de doctorat se urmăreşte susţinerea acestui principiu de modelare prin analiza
în detaliu a paşilor tehnologici şi dezvoltarea unor metodologii şi algoritmi proprii care să permită
automatizarea unor procese mari consumatoare de timp
Aplicaţiile cele mai căutate actual sunt aplicaţiile de planificare urbană sau de proiectare a unor
obiective ce ocupă un loc în spaţiul teren deosebit de important. Arhitecţii pot include în Modelul
Virtual obiectivele noi atât începând cu faza de proiectare cât şi cu modelul final fapt ce deja se
utilizează intens în România în prezentarea comercială a blocurilor de apartamente, de exemplu.
Generarea modelelor virtuale pentru localităţi utilizând tehnici de fotogrammetrie digitală
Teză de doctorat – Octavian Balotă 8
Fig. 1.2 Aplicaţii imobiliare
În figura 1.3 se prezintă modul de utilizare a modelelor virtuale aproape de conceptul
realistic. Pentru crearea unor astfel de modele este necesară pe lângă informaţiile de tip GIS şi o baza
de date texturală şi de diverse obiecte (pomi, maşini, stâlpi, faţade clasice, etc) care prin intermediul
unui motor grafic să fie asamblate în modelul numeric (fig. 1.4)
Fig. 1.3 Proiectarea în MVR (Modelul Virtual Realistic)
Fig. 1.4 Elementele de bază pentru generarea Modelelor Virtuale
ortofotograma
Planul topografic
MNT
MNS
Motor grafic 3D
Model virtual
Generarea modelelor virtuale pentru localităţi utilizând tehnici de fotogrammetrie digitală
Teză de doctorat – Octavian Balotă 9
Deşi în numeroase abordări tehnologia de generare a MVR pleacă de la informaţii existente
deja în baze de date pentru a minimiza costurile, în această lucrare se va insista pe aportul tehnicilor
de fotogrammetrie digitală la generarea acestuia.
Aşa cum se va vedea pe parcursul tezei de doctorat, acest aport este esenţial, prin fotografieri
aeriene sau terestre obţinându-se în întregime produsele de bază necesare generării MVR.
Trebuie subliniat că în concepţia acestei teze, tehnologia de scanare laser din mijloace aeropurtate
utilizată pentru obţinerea MNT şi MNS este o tehnologie extrem de apropriată tehnologiei
fotogrammetrice diferind prin tipul de sensor şi de semnal utilizat, prelucrările pentru localizarea
spaţială fiind însă similare. Pe de altă parte atât MNT cât şi MNS se pot obţine la un randament mai
scăzut şi prin tehnici exclusiv fotogrammetrice.
1.2 Abordarea tematicii
Procesul de realizare a modelelor virtuale realistice pentru localităţi necesită următoarele faze
tehnologice:
Aerofotografierea nadirală şi oblică a localităţii ce urmează a fi modelată;
Scanarea cu sisteme LIDAR a localităţii respective
Efectuarea de măsurători în teren pentru orientarea absolută fotogramelor şi calibrarea
datelor laser
Prelucrarea datelor pentru orientarea imaginilor fotogrammetrice (aerotriangulaţie)
Calibrarea, clasificarea şi filtrarea datelor laser
Generarea modelului numeric al terenului (MNT)
Generarea modelului numeric al construcţiilor (MNC);
Generarea ortofotogramelor de tip true-orto;
Combinarea MNT cu MNC şi cu imaginile true-ortorectificate pentru generarea
modelului virtual al localităţii;
Prelucrarea fotogramelor oblice pentru extragerea texturii de pe faţadele construcţiilor;
Generarea texturilor de vegetaţie şi a obiectelor peisagistice;
Generarea modelului virtual realistic prin combinarea modelului 3D virtual cu texturile
de faţadă şi obiectele peisagistice.
Aşa cum se poate observa problemele tehnologice sunt deosebit de complexe atât în
componenta de producere a datelor cât şi în cea de prelucrare şi dezvoltare a produsului final. Dat
fiind acest aspect, în această lucrare se vor descrie doar acele etape sau subetape care consider că pot
fi automatizate şi în care am urmărit să-mi aduc o contribuţie personală.
Teza de doctorat este structurată pe 8 capitole, o bibliografie aferentă tematicii, un dicţionar de
termeni şi abrevieri în care s-au justificat utilizarea unor anumiţi termeni faţă de alte propuneri
întâlnite şi un index al figurilor ce reprezintă exemplificări practice pe parcursul lucrării.
Capitolul 1, “Introducere”, justifică importanţa tematicii abordate prin numeroase aplicaţii
cerute de practica funcţionării societăţii administrative şi comerciale. În acest capitol se descriu
succint etapele tehnologice în obţinerea modelului virtual realistic şi produsele intermediare aferente.
De asemeni, acest capitol descrie concepţia de realizare a tezei de doctorat şi principiile care au stat
la baza alcătuirii ei.
Capitolul 2, “Stadiul actual şi tendinţe în fotogrammetrie”, prezintă evoluţia rapidă a
fotogrammetriei iniţial complet analogice către fotogrammetria integral digitală şi avantajele în
obţinerea de produse cartografice 2D sau 3D diverse. În acest capitol se detaliază conceptul true-orto
şi aportul său la modelarea virtuală realistică. De asemeni, se prezintă problemele specifice dar şi
abordări teoretice în vederea rezolvării lor.
Tot în acest capitol sunt amintite tehnicile fotogrammetriei digitale de obţinere a modelelor
numerice asupra terenului sau a suprafeţei acestuia.
Capitolul 3, “Baza matematică utilizată în procesele de generare a modelelor virtuale
pentru localităţi”, urmăreşte să descrie baza matematică folosită şi necesară modelării virtuale
realistice cu precădere pentru acele etape din procesul de modelare virtuală în care această lucrare
aduce o contribuţie semnificativă. Astfel, în automatizarea diferitelor procese de analiză a imaginii
Generarea modelelor virtuale pentru localităţi utilizând tehnici de fotogrammetrie digitală
Teză de doctorat – Octavian Balotă 10
cum ar fi autocorelaţia aplicarea tehnicilor de recunoaştere a formelor se sprijină pe morfologia
matematică care este un instrument deosebit de eficient.
De asemeni, aplicarea automată a unor măşti de vegetaţie înaltă, de exemplu, implică aplicarea
unor algoritmi de detecţie a contururilor unde morfologia matematică şi tehnicile de segmentare a
imaginilor pot la fel de bine să fie folosite.
Extragerea detaliilor liniare şi includerea lor în modelul virtual se bazeză în principal pe
tehnicile de segmentare descrise în detaliu în acest capitol.
Actual erorile cele mai frecvente în generarea MNT provin de la apariţia în MNT de puncte în
vârful copacilor care nu au fost eliminate în procesul de corectare. Prin introducerea unui proces de
detecţie a pomilor bazat pe analize texturale aceste erori pot fi complet eliminate. Ideea acestei
abordări este contribuţie proprie şi a fost deja propusă pentru includerea într-un soft de prelucrare
fotogrammetrică.
Faţadele construcţiilor din imaginile oblice pot fi extrase şi transformate în imagini
georeferenţiate în plan vertical pentru a fi aplicate pe modelul numeric al construcţiilor respective
astfel încât geometria imaginilor oblice trebuie să fie bine cunoscută. Acest aspect fiind exclusiv o
contribuţie proprie şi abordată pentru prima oară în domeniu a determinat în această lucrare o
aprofundare mai în detaliu a geometriei imaginilor oblice, inclusiv în acest capitol.
În plus geometria imaginilor oblice oferă alături de formulele clasice fotogrammetrice soluţii
matematice de obţinere a unui model numeric al terenului cu o precizie superioară modelelor
numerice generate din fotogrammetria clasică nadirală.
De asemeni, capitolul 3 va insista asupra limbajului cel mai utilizat la ora actuală pentru
descrierea obiectelor 3D, limbajul VRML care va fi utilizat pe de o parte pentru descrierea obiectelor
peisagistice (vegetatie, masini, populatie, stâlpi, etc) dar şi pentru descrierea legăturilor între obiecte,
a interacţiunilor posibile. Modul de iluminare a detaliilor în timpul parcurgerii modelului este un
astfel de exemplu în care limbajul VRML poate fi eficient folosit.
Acest limbaj este utilizat în aplicaţia propusă din ultimul capitol pentru includerea în modelul
virtual realistic de obiecte diverse peisagistice. Modul de utilizare şi integrare în aplicaţie este de
asemeni o contribuţie proprie.
În principiu lumea reală va fi descrisă pe componente elementare:
- MNT
- MNC
o Construcţii
o Faţade
o Texturi
- Obiecte 3D
o Stâlpi
o Pomi
o Masini
o Persoane.
o Texturi
care vor fi conectate printr-o mulţime de relaţii atât între ele cât şi relativ la o bază de date de
atribute.
Pentru a putea genera de o manieră automată un model 3D pentru localităţi trebuie să se
dispună de date diverse: date laser preluate vertical sau orizontal, hărţi digitale 2D şi imagini aeriene
care să permită obţinerea de true-ortofoto. Pentru prelucrarea automată sau semi-automată aceste date
ar trebui integrate într-o metodologie de lucru în care să fie utilizate softuri nou apărute sau să se
dezvolte softuri specializate. Îm capitolele următoare se prezintă tocmai aceste aspecte.
Capitolul 4, “Generarea imaginilor True-orto”, descrie în detaliu procesul complet de
obţinere a imaginilor true-ortorectificate inclusiv o metodologie şi un algoritm propriu propus spre
utilizare în obţinerea unor astfel de imagini pe municipiul Bucureşti. Din acest capitol,
exemplificările sunt orientate pe imagini din Bucureşti pentru care s-au efectuat şi există dispomibile
atât scanări laser la rezoluţia optimă de 1m, aerofotografieri nadirale dar şi oblice ceea ce a impus
experimentarea soluţiilor propuse pe acest set de date.
Generarea modelelor virtuale pentru localităţi utilizând tehnici de fotogrammetrie digitală
Teză de doctorat – Octavian Balotă 11
Capitolul 5, “Generarea automată a modelelor 3D pentru localităţi”, conţine diagrama
metodologică a procesului de producţie a MVR propusă spre implementare în studiul de caz din
capitolul 7. De asemeni se prezintă aplicaţia avansată MapCube creată pentru generarea modelelor
virtuale realistice a localitaţilor din Japonia.
Acest pachet de programe acoperise deja majoritatea oraşelor importante din Japonia până la
sfârşitul anului 2002. MapCube cu textură furnizează spaţiul urban virtual fotorealistic şi précis
pentru o varietate de utilizări cuprinzând 3D-GIS, planificare urbană, concepţie şi reconstrucţie,
prevenirea riscurilor, radiodifuziune, navigaţie şi jocuri TV (Fig 1.5, 1.6).
În acest capitol sunt prezentate softurile componente responsabile cu diferite etape
metodologice din fluxul de producţie a MVR.
Fig. 1.5 Ginza - fotografie Fig 1.6 Ginza, model 3D
Efectele realistice obţinute prin MapCube sunt impresionante. Datele structurate într-o bază de
date urbană sunt vizualizabile şi cu softuri diverse, deoarece structura modelului respectă standardele
actuale de descriere a obiectelor grafice, de exemplu programul Urban Viewer este deosebit de bine
adaptat pentru inspectarea unor modele 3D realistice.
Urban Viewer este un program înregistrat în USA de Swapan Chakrabarti, profesor asociat la
EECS (Electronic Engineering and Computer Sciences) de la Universitatea Berkeley prin care se patentează de
fapt tehnologia T3D (True 3D).
În cadrul acestui capitol se va insista pe tehnica de obţinere a unul model numeric pentru
localităţi pornind de la date deja existente, respectiv pe programele de generare automată sau
semiautomată a modelelor 3D cu sau fără textură.
Capitolul 6, “Tehnici avansate propuse pentru automatizarea proceselor de generare a
modelelor virtuale realistice pentru localităţi – studiu de caz”, pune în evidenţă algoritmi şi
metodologii de automatizare a unor procese specifice care au fost dezvoltaţi ân special pentru
includere în aplicaţia proprie prezentată în capitolul 7.
Un proces mare consumator de timp este obţinerea modelului numeric al clădirilor şi partea
costisitoare este de fapt vectorizarea acoperişurilor. Acest proces realizat în cea mai mare parte prin
restituţie fotogrammetrică este îmbunătăţit prin procedurile descrise în acest capitol 6.
De asemeni capitolul 6 mai descrie o metodologie proprie de generare true-orto şi pune în
aplicare pentru prima oară în acest domeniu de activitate ideea proprie de a extrage textura de faţade
din fotogramele oblice şi a o transpune de o manieră complet automată pe faţadele construcţiilor
virtuale din MNC, acest procedeu urmând să fie patentat în curând.
Capitolul 7, “Propunere de program pentru generarea modelului virtual realistic”, propune un pachet de proceduri soft care în general urmăreşte procedura MapCube, componentele
acestuia încercând sa fie dezvoltate unitar în compatibilitate cu standardele schimburilor de date 3D.
Programul propus deja adaugă texturi pe modelul numeric al terenului de tip TIN, urmând să se
integreze obiecte geometrice simple (construcţiile) care apoi să poată fi exploatate prin VRML pentru
transformarea în obiecte complexe cu texturi şi atribute diverse.
În acest capitol se descrie conceptul programului şi se exemplifică prin secvenţe de cod
reprezentative sau diverse imagini rezultate în urma utilizării acestuia. De asemeni se prezintă
facilităţi deja realizate şi facilităţi proiectate şi în curs de realizare.
Generarea modelelor virtuale pentru localităţi utilizând tehnici de fotogrammetrie digitală
Teză de doctorat – Octavian Balotă 12
Programul este astfel gândut încât să poată rezolva anumite aspecte practice chiar înainte de
finalizarea sa completă. Practic fiecare modul sau funcţie este proiectată să ofere rezultate
intermediare.
Capitolul 8, “Consideraţii generale - Concluzii”, trece în revistă realizările acestei teze de
doctorat şi evidenţiază contribuţiile personale în rezolvarea problemelor din metodologiile propuse.
Se subliniază totodată importanţa tematicii abordate şi diversitatea de aplicaţii posibile care pot fi
dezvoltate în continuare.
În acest domeniu al realităţii virtuale industria de jocuri şi robotica a adus contribuţii deosebite
dar mai ales în partea de vizualizare şi interpretare. Realitatea virtuală era exclusiv virtuală în sensul
că era o realitate fictivă, imaginară, generată prin proceduri de calculator cum este de exemplu teoria
fractalilor. Capitolul 8 demonstrează că procedeele descrise în teza de doctorat generează o realitate
adevărată care există, produsul obţinut fiind o modelare a acesteia, a unei lumi reale.
În ultimii ani se dezvoltă programe care să modeleze realitatea pornind de la date concrete
reale, fiecare având diferite grade de rezoluţie a modelului, respectiv calitatea modelului este diferită
în funcţie de gradul de detaliere şi asemănare cu obiectul real.
Efortul acestei abordări din teza de doctorat este şi efortul de a completa această industrie de
softuri cu un produs care să lege datele primare, metodele de obţinere a lor, cu operaţiile de modelare
ţinând cont că în prezent acestea sunt complet separate.
Lucrarea este rodul unei experienţe de mai mulţi ani în producţia fotogrammetrică şi în
dezvoltarea unor aplicaţii soft de grafică interactivă în mediul tridimensional dar şi rodul colaborării
cu numeroşi specialişti din producţie, cercetare şi învăţământ. În mod deosebit aduc mulţumirile mele
colegilor şi prietenilor care m-au sprijinit şi încurajat să duc la bun sfârşit această lucrare şi în special
conducătorului ştiinţific prof. univ. dr. ing. Lucian Turdeanu care a avut răbdarea necesară să-mi
orienteze studiile şi activitatea practică. Mulţumesc de asemeni celorlalte cadre didactice universitare
şi distinşi specialişti cu care am avut onoarea să colaborez în diverse etape ale realizării lucrării.
2 STADIUL ACTUAL ŞI TENDINŢE ÎN FOTOGRAMMETRIE
2.1 Evoluţia tehnicilor fotogrammetrice
Înregistrarea suprafeţelor de teren prin imagini aeriene este cea mai eficientă tehnică de
cartografiere a zonelor foarte întinse. În dezvoltarea fotogrammetriei s-au parcurs trei etape
tehnologice fundamentale, acestea toate fiind bazate pe utilizarea filmului ca suport al înregistrărilor
fotografice
Fotogrammetria analogică: Înregistrările se realizează cu camere clasice analogice, se obţin
fotograme pe film lat de 19 sau 24 cm care se prelucrează la aparatură de stereorestituţie optică
analogică generând hărţile pe mese de desen în format analogic pe foi de hartă suport plastic
Fotogrammetria analitică: Înregistrările se execută tot cu camera analogică, prelucrarea
fotogramelor pe film se realizează tot cu aparatură optică dar hărţile se generează direct în format
vector în memoria unui calculator. Această etapă a fost practic sărită în România.
Fotogrammetria digitală: Înregistrările sunt de regulă tot analogice dar fotogramele pe film
sunt scanate obţinându-se fotograme digitale care se prelucrează cu softuri specializate de
stereorestituţie digitală..
Aerofotografierea digitală. O tehnologie care s-a impus în ultimii ani cu o viteză ameţitoare
este deja prezentă şi pe piaţa românească. În acest caz înregistrările fotogrammetrice sunt direct
digitale, filmul fiind complet eliminat (fig. 2.1). Acest fapt duce automat la dispariţia celor două
operaţii esenţiale din lanţul tehnologic aşa zis clasic, care pe lângă costurile importante, introduceau
în metodele anterioare şi diferite erori: developarea şi scanarea
Generarea modelelor virtuale pentru localităţi utilizând tehnici de fotogrammetrie digitală
Teză de doctorat – Octavian Balotă 13
Avion fotogrammetric Camera digitală DMC
Fig. 2.1 Echipamente fotogrammetrice moderne
Procesul de prelucrare a imaginilor fotogrammetrice începe cu determinarea centrului fiecărei
fotograme (orientarea interioară), orientarea fotogramelor între ele prin procedee de corelaţie
automată şi semiautomată (orientarea relativă) şi determinarea poziţiei şi orientării absolute în spaţiu
a fiecărei fotograme (orientarea absolută ). În urma acestor etape se creează modele stereoscopice
orientate (perechi de fotograme orientate) care pot fi astfel exploatate independent.
Aerofotografierea digitală multiplă este o tehnică nouă dezvoltată mai întâi pentru localităţi
însă avantajele sale au impus-o în numeroase alte aplicaţii şi-n afara mediului urban. Ideea este
bazată pe combinarea imaginilor verticale cu imaginile oblice (fig. 2.2) şi gestionarea acestora în
softuri specializate care să permită efectuarea de măsurători metrice inclusiv pe imaginile oblice şi
mai mult să poată fi integrate în aplicaţii GIS. O astfel de tehnologie mai este cunoscută sub numele
de PICTOMETRIE.
Astfel de sisteme se bazează pe înregistrarea simultană cu 6, 8 sau 12 camere astfel dispuse
încât să preia simultan imagini în toate direcţiile, fie imagini oblice cu unghi mare de înclinare
(atunci când linia orizontului se vede în imagine) fie imagini cu unghi mic de înclinare (linia
orizontului nu apare în imagine). Tehnologia se bazează pe determinarea precisă a vectorilor axelor
de vizare şi a centrelor de fotografiere şi combinarea imaginilor astfel încât determinările metrice,
mai ales în altitudine, devin mult mai precise decât în fotogrammetria clasică (unghiurile de
intersecţie pentru determinarea punctelor sunt mai mari, direcţii mai multe).
Avantajele fotografierii multiple sunt deosebite:
La un singur zbor se înregistrează un număr mare de imagini ceea ce scade costul pe imagine;
Într-o singură imagine oblică intră mult mai multă informaţie decât într-o imagine verticală;
Măsurătorile pe astfel de imagini sunt mai variate. Se pot efectua determinări inclusiv pe
faţadele clădirilor ceea ce pe modelele stereoscopice clasice nu este posibil;
Se pot obţine produse mai uşor pentru zonele acoperite frecvent cu nori deoarece imaginile
oblice pot prelua şi zone acoperite cu nori.
Imaginile oblice sunt mai intuitive pentru clienţi, mai aproape de perspectiva lor naturală.
Oamenii se acomodează mai uşor cu astfel de imagini, recunosc mai uşor obiectele decât într-
o imagine verticală;
Un obiect poate fi vizualizat din toate unghiurile posibile ceea ce permite modelarea sa 3D cu
mai mare acurateţe inclusiv cu preluarea faţadelor pe model;
Determinarea Modelului Numeric al Terenului este mai precis utilizând imaginile oblice
astfel încât combinarea imaginilor verticale cu cele oblice permit uniformizarea preciziei la
toate coordonatele spaţiale ale punctelor dintr-o imagine.
Numărul de puncte de control necesar în teren este mai redus şi poate fi distribuit doar într-o
singură zonă mai accesibilă. Parametrii determinaţi în acea zonă se pot utiliza pentru toate
imaginile pentru că se referă la parametrii specifici camerei
Generarea modelelor virtuale pentru localităţi utilizând tehnici de fotogrammetrie digitală
Teză de doctorat – Octavian Balotă 14
Fig. 2.2. Exemplu de imagine oblică cu unghi mare de preluare
2.2 Conceptul TRUE-ORTO
În procesul de obţinere a imaginilor ortorectificate, clădirile, podurile apar pe imagini
deplasate, podurile uneori fiind şi deformate datorită faptului că suprafaţa vizibilă a acestora nu
coincide cu modelul numeric al terenului. (fig. 2.3 b) De asemeni, datorită efectului de perspectivă,
suprafeţe de la baza clădirilor pot fi ascunse, invizibile pe anumite imagini. (fig. 2.3 a)
a) zone ascunse b) zone deplasate şi deformate
Fig. 2.3 Erori ale ortofotogramelor
Procedeul prin care efectul de perspectivă datorat obiectelor de la suprafaţa solului cu înălţimi
considerabile este corectat astfel încât suprafeţele ascunse sunt înlocuite cu suprafeţe vizibile de pe o
altă imagine se numeste TRUE ORTORECTIFICARE în sensul că numai acum transformarea
ortogonală este completă.
2.3 Generarea modelelor numerice prin metode fotogrammetrice
Pentru obţinerea ortofotogramelor este suficientă generarea Modelului Numeric al Terenului
(MNT). MNT se poate genera automat prin stabilirea unui grid predefinit şi utilizând softuri ce conţin
autocorelaţia automată. Generarea automată are şi anumite riscuri datorate poziţionării greşite a
nodului de grid în vârful pomilor sau pe clădiri ceea ce produce perturbaţii în MNT şi determină
ulterior erori în repixelizarea ortoimaginilor. În teza de doctorat se va propune o metodă automată de
evitare a unor astfel de probleme prin introducerea unui proces de recunoaştere a obiectelor din
matricea de corelaţie şi eliminarea automată a citirilor de pe obiectele înalte (pomi, clădiri, etc)
Pentru obţinerea ortofotogramelor fără erori datorate cazurilor din fig. 2.3 , alături de MNT
trebuie realizat şi Modelul Numeric al Construcţiilor în care se vectorizează podurile, acoperişurile
Generarea modelelor virtuale pentru localităţi utilizând tehnici de fotogrammetrie digitală
Teză de doctorat – Octavian Balotă 15
clădirilor şi construcţiile de orice natură. Prin proiectarea acoperisurilor, contururilor construcţiilor pe
MNT se obţine modelul numeric al construcţiei (fig.2.4)
Clădirile produc cele mai mari deformaţii în ortofotograme după cât sunt de înalte datorită
perspectivei diferite în fiecare imagine.
Din acest motiv este important să se vectorizeze acoperişurile în modul 3D şi să se proiecteze
pe modelul terenului pentru a se genera corpul construcţiei respective. Pentru acoperişurile clădirilor
vor fi generate aplicaţii simple care să minimizeze liniile ce urmează a fi vectorizate şi a mări astfel
randamentul de producţie.
Acoperişurile sunt foarte variate în România mai ales în Bucureşti şi Luxemburg unde se vor
face toate testele pentru această teză. Pentru a simplifica algoritmii, acoperişurile trebuie să fie
clasificate după formă (exemplu în fig. 2.5, 2.7, 2.9 şi 2.11), şi asociate fiecărui tip de acoperiş o
anume procedură.
Fig. 2.5. Acoperişuri simple de tip A
Pentru aceste acoperişuri linia albastră din fig. 2.6 trebuie să fie vectorizată iar liniile roşii să
fie generate automat
Caz a)
Caz b)
Caz c) cu extensie
Fig. 2.6 Proceduri de generare acoperişuri de tip A
Fig. 2.7 Acoperiş complex de tip B
A B
Fig. 2.4: MNC (Model Numeric al Clădirilor)
deasupra unui MNT
Generarea modelelor virtuale pentru localităţi utilizând tehnici de fotogrammetrie digitală
Teză de doctorat – Octavian Balotă 16
Similar şi pentru acest tip de acoperişuri liniile albastre din fig. 2.8 trebuie să fie vectorizate iar
liniile roşii să fie generate automat
caz a) caz b) caz c)
Fig. 2.8 Proceduri de generare acoperişuri de tip B
(în caz c) se generează 10 linii)
Fig. 2.9. Acoperiş complex de tip C Fig. 2.10. Procedura de generare acoperiş de tip C
(se generează 15 linii)
Fig. 2.11. Ferestre mansardă de tip D Fig. 2.12 Procedura de generare acoperiş mansardă
Generarea modelelor virtuale pentru localităţi utilizând tehnici de fotogrammetrie digitală
Teză de doctorat – Octavian Balotă 17
3 BAZA MATEMATICĂ UTILIZATĂ ÎN PROCESELE DE GENERARE
A MODELELOR VIRTUALE PENTRU LOCALITĂŢI
3.1 Geometria fotogramelor oblice
3.1.1 Geometria fotogramelor oblice luate de la mare înălţime
Figura 3.1 ilustrează secţiunea plană principală a unei fotografii oblice de la mare înălţime şi
imaginea rezultantă.
Geometria unei fotograme înclinate de la mare înălţime necesită cunoaşterea a trei parametri
principali: distanţa focală a lentilelor (f), unghiul înclinării ( ) sau complementul său, unghiul de
depresie (α) şi altitudinea la care a zburat avionul (HD). Unghiul de înclinare , este unghiul dintre
proiecţia perpendiculară prin centrul obiectivului (LO) şi linia verticală (LN) aşa cum se observă în
fig. 3.1 a. Unghiul complementar (90o - ) este unghiul de depresie (α) al fotogramei, care este
unghiul dintre axa optică (LO) şi orizontul adevărat (Lz). Distanţa focală f, este distanţa dintre centrul
obiectivului (L), în locul unde a fost făcută fotograma şi punctul principal (o) al fotogramei. Înălţimea
de zbor a avionului (HD) este altitudinea deasupra punctului de referinţă, care este egală cu distanţa
LN în fig.3.1 a.
Unghiul aparent de depresie este unghiul αa, măsurat în planul principal, între axa optică a
camerei şi orizontul aparent (vezi figura 3.1 a). Deoarece orizontul aparent este vizibil, pe o
fotografie oblică de mare înălţime, distanţa oz’ poate fi măsurată.
Figura 3.1 - Geometria unei fotografii oblice luate de la mare înălţime:
(a) secţiune prin planul principal şi (b) imaginea rezultantă.
z’
α
Generarea modelelor virtuale pentru localităţi utilizând tehnici de fotogrammetrie digitală
Teză de doctorat – Octavian Balotă 18
Mai departe, deoarece oz’ este perpendicular pe Lo (fig. 3.1), αa poate fi calculată astfel:
αa = tan-1
= tan-1
Lo
Datorită curburii pământului şi înălţimii la care s-a efectuat zborul, orizontul aparent cade sub
orizontul adevărat. De aceea, unghiul aparent de depresie ar trebui să fie întotdeauna mărit cu unghiul
de coborâre pentru a obţine unghiul de depresie adevărat:
α = αa + d (16)
Datorită distorsiunii exagerate a perspectivei dintr-o fotogramă oblică, figura 3.1 b
demonstrează că liniile echidistante trasate perpendicular pe meridianul principal par a fi reprezentate
din ce în ce mai apropiate pe măsură ce distanţa faţă de punctul nadiral creşte. În mod similar, liniile
care sunt paralele la meridianul principal par a fi convergente către punctul z de pe orizontul
adevărat. În consecinţă, mărimea suprafeţelor egale ale unei grile construită din linii pe suprafaţa
pământului vor părea din ce în ce mai mici pe măsură ce se îndepărteză de punctul nadiral.
3.2 Morfologie matematică
3.2.1 Definiţii şi noţiuni de bază
Morfologia este o noţiune ce se referă la forma şi structura entităţilor naturale.
Morfologia matematică a dezvoltat metode şi proceduri pentru descrierea matematică a formei
unei regiuni sau unui obiect dar şi de modificare a acesteia, a reprezentării sale grafice.
Limbajul folosit în morfologia matematică provine din Teoria mulţimilor.
Pentru a aplica aceste teorii în domeniul prelucrării de imagini, o imagine este considerată ca o
mulţime de pixeli, deci elementele mulţimilor sunt pixeli p(x,y) ai obiectelor din imagini.
Imaginile digitale se caracterizează prin valori ale nivelului de gri cuprinse între 0 şi 255 în cazul
indexării acestora cu 8 biţi/pixel Culorile se obţin prin combinarea a trei astfel de valori conform tehnicii
RGB. Deşi aceste operaţii pot fi realizate cu anumite considerente şi în spaţiul imaginii RGB, pentru
simplificare şi rapiditate, operaţiile morfologice se aplică imaginilor binare obţinute conform relaţiilor de
mai jos:
Fie A o multime din Z2, respectiv un obiect de o anumită formă.
Dacă a = (a1,a2) este un element din A: a A. (pixelul a aparţine obiectului A)
Similar, daca a nu este un element din A: a A. (pixelul a nu face parte din obiectul A)
În fig. 3.2 se descriu grafic şi matematic principalele operaţii pe mulţimi care se utilizează în
morfologia matematică.
Aceste tipuri de transformări sunt, în general, foarte utile, avantajul lor principal fiind în
câştigul de rapiditate în execuţia pe calculator. Detecţia unui contur de obiect fără morfologie
matematică înseamnă o analiză complexă a pixelilor şi vecinătăţilor acestora. Prin morfologie, aşa
cum se va vedea, este suficientă deplasarea obiectului în 8 direcţii cu un pixel, obţinerea astfel a 8
imagini diferite, reuniunea acestora intr-o singură imagine şi extragerea din aceasta a imaginii
iniţiale, rezultatul fiind conturul exterior al obiectului. Aceste operaţii se pot implementa prin operaţii
logice la nivel de pixel ceea ce determină ca timpul de execuţie să fie practic instantaneu.
Tipurile de operaţii logice care se execută în morfologia matematică sunt descrise în fig. 3.3 şi
3.4.
f
oz’ oz’ (15)
Teză de doctorat – Octavian Balotă 19
1. Incluziunea
A B
2. Reuniunea
C =A B
3. Intersectia
D = A B
4. Mulţimi disjuncte (mutual exclusive)
A B= Ø.
5. Complementul
AC
={w | w A}
6. Diferenţa
A-B={w | w A,w B}=A BC
7. Reflexia (flip orizontal + vertical)
B̂ ={w|w = -b, pentru b B}
8. Translaţia (setului A cu z=(z1,z2))
(A)Z={c|c=a+z, pentru a A}
Fig. 3.2 Relaţii / operaţii pe mulţimi
Teză de doctorat – Octavian Balotă 20
Fie A, B Z2
Dilatarea A cu B
A B={z|( B̂ )z A Ø} sau A B={z|[( B̂ )z A] A}
unde B – element structural (şablon)
:
A B
Fig. 3.3 Dilatarea – definiţia matematică şi exemple
[7] YEVGENIY P. KUZMIN, SERGEY A. KORYTNIK & ORRIN LONG: Polygon-based true orthophoto
generation.
[8] Robert M. Haralick, Linda G. Shapiro, “Computer and Robot Vision”, Addison-Wesley
Publishing Company, 1993 [9] Rafael C. Gonzalez, “Digital Image Processing”, Prentice-Hall, 2002 [10] David Coeurjolly, “Distance Transform“, Laboratoire LIRIS, Universite Claude Bernard Lyon
1, France
[11] FRITSCH, M. ENGLICH & M. SESTER eds., IAPRS, Vol. 32/4, ISPRS Commission IV
Symposium on GIS – Between Visions and Applications. Stuttgart.