FLYBILETE. Biletsentrum er sentrum i biletet og vert definert ved hjelp av ramemerke i kanten av biletet.

Transkript

1 FLYBILETE Førelesingsnotat - GEG ver Trond Eiken Institutt for geofag, UiO Kartet er ein ortogonalprojeksjon av terrenget terrenget er projisert til kartplanet, og deretter framstilt i ein gitt målestokk på kartet. Eit flybilete gir oss derimot ein sentralprojeksjon av det området som er med på biletet. Ein kan tenkje seg flybiletet danna ved at det går strålar frå kvart einskilt terrengpunkt, gjennom eit projeksjonssenter i objektivet til biletplanet filmen. At flybiletet (og alle foto) er sentralprojeksjonar gjer at det har andre geometriske eigenskapar enn kartet. Fig 1. Syner skjematisk korleis eit flyfoto vert danna, og likeeins skilnaden til ortogonalprojeksonen. Eigenskapen til eit flyfoto vil vere gitt ut frå korleis projeksjonssenteret ligg i høve til biletplanet, korleis biletplanet er plassert i høve til objektet, og korleis objektet ser ut. Dersom ein normal frå biletplanet gjennom projeksjonssenteret står normalt på objektet, og objektet er heilt flat vil flybiletet ha same geometri som ein ortogonalprojeksjon. Me skal definere nokre av omgrepa nærare: (Mange av definisjonane her gjeld for vilkårlege bilete, men det er her lagt til grunn at det er flyfoto dvs opptak med særskilde kamera frå fly.) Kamerakonstant er avstanden frå projeksjonssenteret til biletplanet lengda c på figuren. Dette svarar om lag til brennvidda til objektivet, lengda "c" i fig. 1. Biletsentrum er sentrum i biletet og vert definert ved hjelp av ramemerke i kanten av biletet. Fotograferingsavstand er avstanden frå projeksjonssenteret til objektet, og svarar ved vertikal flyfotografering til den loddrette avstanden frå projeksjonssenteret til bakken - flyhøgda. Flybilete er normalt kopiert ved kontaktkopiering, dvs. filmen og papiret vert lagt i direkte kontakt ved eksponering. Resultatet svarar til eit bilete i positiv-posisjonen. Jfr. fig. 1. Fig. 1 Sentral og ortogonalprojeksjon Målestokken til eit flybilete kan ein normalt ikkje gi som ved eit kart av di målestokken i flybiletet vil variere, dersom biletplan og objekt ikkje er parallelle, eller det er variasjon i høgder i objektet. Ein definerer biletmålestokk som høvet mellom ei lengd s i biletet og horisontalprojeksjonen til den

2 Fig. 2 Flybilete og terreng, målestokk. Fig. 3: Radiell forteikning av høgder. tilsvarande lengda S i objektet (terrenget). Frå fig. 2 ser ein at det i eit plant objekt vil vere eit konstant høve mellom desse - lik høvet mellom kamerakonstant (c) og fotograferingsavstand (H) dersom fotoretninga er normal på det plane objektet. Dersom objektet har høgdevariasjon vil det gi forteikningar i biletet i form av variabel målestokk i biletet. Høgdeskilnader i objektet vil gi ei radiell forskyving av biletpunktet.(jfr fig. 3) Radiell forskyving gjer at måling i eit enkelt flybilete ikkje er å lite på utan at ei rekkje føresetnader er oppfylt. Sjølv om objektet skulle vere heilt plant er ein avhengig av at fotoretninga er normal på objektet (loddrett fotoakse i eit flybilete), ettersom ei ikkje normal fotoretning vil gjere at ein får avbilda eit trapesfoma terreng til eit kvadratisk bilete og såleis får variabel målestokk i biletet - jfr. fig. 4 og 5. Den radielle forskyvinga er effekten som i stereofotogrammetri gir oss eit tre-dimensjonal bilete i modellen. Ved å måle storleiken på den radielle forskyvinga kan me finne høgda til objektet som vert forteikna. Frå fig. 3 har me (for objektet lengst til venstre på fig.): R - radiell forskyving i terrenget, R - radiell avstand frå nadirpunktet i terrenget, r - radiell forskyving i biletet, r - radiell avstand frå biletsenter (til toppen av objektet), H - høgdeskilnaden frå botn til topp (av objektet som vert forteikna) H - flyhøgda over bakken. Me kan setje opp høve mellom samsvarande storleikar, jfr. fig. 3: R R r = r H = H H r = H r For veldefinerte objekt kan ein med denne metoden måle høgder med presisjon på ca. 10%. Fig. 4: Vertikalfotografering over flatt terreng. Flybiletet får same geometri som kartet. Fig. 5: Skråfotografering over flatt terreng. Flybiletet får ikkje same geometri som kartet.

3 Målestokk - Eksempel: Eit flybilete er teke med kamerakonstant c=150 mm, flyhøgda over havet er 3000 meter. Eit område i bilete ligg 900 meter over havet, og ca. målestokk i området vert: m A1 = f /( H ha) = 0,150 /( ) = 1 : I det same biletet er gjennomsnittshøgda over terrenget 1050 meter - og medel målestokken i biletet vert: ma2 = f /( H ha) = 0,150 /( ) = 1:13000 Fotogrammetri, som tyder måling i fotografiske bilete, kan ein gjere i eit enkelt bilete, men det vanlege er å nytte to bilete av det same objektet frå ulike opptaksposisjonar eit stereopar, og får danna ein stereoskopisk, tredimensjonal forminska modell av objektet. I denne modellen kan ein gjere målingar som eliminerer verknadar av m.a. radiell forteikning og avvik frå loddrett fotoakse. For å gjere fullverdige målingar i ein steromodell treng ein eit stereo-instrument. Dette er kompliserte optiske, optisk-elektroniske eller digitale instrument. Nokre målingar kan gjerast i ein stereomodell med enkle hjelpemedel, som td. lomme- eller spegelstereoskop. Presise instrument og metodar som byggjer på målingar i eitt bilete, kalla enkeltbiletfotogrammetri, er og i bruk til særskilde føremål. I dag vert mest berre bilete som er teke loddrett frå fly (vertikalbilete) nytta til kartkonstruksjon og tolkingar. Tidlegare vart og bilete teke på skrå frå fly (skråbilete) og bilete teke frå fjelltoppar og andre gode opptaksposisjonar (terrestriske bilete) nytta til kartkonstruksjon. Bilete frå satellittar kan og vere aktuelle til nokre oppgåver. For desse gjeld ein del andre geometriske reglar då biletet normalt ikkje er danna i eit kamera men i ein digital sensor. Satellitt-opptak er difor normalt ikkje sentralprojeksjonar, men faktorar som radiell forteikning vil og gjelde for satellittbilete. Ved flyfotografering vert det nytta flykamera som har eit biletfomat på 23x23 cm. Dei vanlegaste objektiva som er i bruk har brennvidd på ca. 15 cm vidvinkelobjektiv. Eit slikt objektiv har ein opningsvinkel på ca. 90 langs diagonalen i biletet. Det finst og normalvinkelobjektiv med kamerakonstant på ca 30 cm (opningsvinkel ca. 60 ) og supervidvinkelobjektiv med kamerakonstant på ca 10 cm, (opningsvinkel ca. 120 ). Normalvinkelopptak har vore litt nytta i Noreg, medan supervidvinkel ikkje er nytta i det heile. På eit flybilete er det normalt gitt ein del informasjon om flykameraet og opptaket. Flybilete vert tekne opp i striper og stripenr. og biletnr. i stripa eller eit biletnr. er ført på. På den eine biletkanten er det ei rame som i tillegg til nummerering kan gi informasjon om dato for opptak, kameratype og kamerakonstant, flyhøgde, tidspunkt (klokke) og gjerne ein libelle som syner avvik frå loddrett fotoakse, jfr. fig. 6 for eit eksempel. Fig. 6. Rameinformasjon på eit flybilete. I flykameraet kan ein som ved vanlege kamera nytte ulike filmtypar, svart /kvit eller farge, men ein har og filmtypar som registrerer infraraud stråling. Ein kan summere opp typane slik: Svart/kvit pankromatisk film; den vanlegaste filmtypen som registrerer lys i om lag same høve som auget. Svart/kvit IR-film: filmen registrerer serleg IR-stråling.

4 Fargefilm, positiv eller negativ: registrerer lys om lag som auget. Falsk fargefilm, positiv eller negativ: fargefilm som registrerer ein del av det synlege lyset i tillegg til IR-stråling som vert gitt ein særskild farge, til vanleg raud. Til normal tolking av flyfoto er pankromatisk film, eller vanleg fargefilm vere best eigna. Svart/kvit filmen er gjerne noko skarpare i avbildinga enn fargefilmen. IR-film er serleg verdefull ved studiar av vegetasjon då frisk grøn vegetasjon reflekterer mykje IR-stråling, og ulike typar vegetasjon har ulike refleksjonar Ved bruk av IR-film vert ein del av det synlege lyset filtrert bort, og det gir mørkare skuggar i biletet. Flyfotografering Ved flyfotografering vert fleire bilete teke etter kvarandre i ei stripe slik at ein får overlappande bilete. Normalt overlappar bilete kvarandre med 60%, men i enkelte tilfelle heile 80%. Dette skal sikre at ein får dekt alle område på to bilete slik at ein får stereoskopisk dekning Dersom eit større område skal dekkjast trengst det fleire striper, og ein legg då stripene slik at ein får 20 % overlapp mellom stripene også for å sikre at heile arealet vert dekt. Overlappen som trengs er strengt 50% i lengde, men av di flyet kan svinge litt i høve til planen, og høgdeskilnader i terrenget kan gjere at ei bilete dekkjer mindre enn planlagt.. Fig. 7 og 8 syner skjematisk overdekking og opplegg av striper. Fig 7. Lengdeoverdekking Fig. 8. Sideoverdekking Kartproduksjon Fotogrammetri er den langt vanlegaste metoden for å samle inn kartinformasjon. Ved å bruke stereofotogrammetri kan alle punkt og liner som kan identifiserast i flybiletet verte kartlagt. Kartet vert anten teikna ved eit direkte mekanisk samband mellom konstruksjonsmaskinen og eit teiknebord (analog konstruksjon), eller ved at det vert målt koordinatar i konstruksjonsmaskinen som vert lagra digitalt i ein datamaskin (digital konstruksjon). Eldre kart (>10 år) er til vanleg konstruert analogt, slik at kartet er teikan direkte til papir eller rissa i ein rissefolie. For å skilje mellom ulik informasjon i kartet vart det teikna på ulike blad, til dømes høgdekoter og punkthøgder på ein folie, elvar, sjøar og annan vassinformasjon på ein annan folie etc. Ved digital konstruksjon

5 vert koordinatane til ulike objekt tilordna ulike temakoder som gjer at dei kan skiljast mellom i dataprogramma som vert nytta. Prisnsippet for stereo-fotogrammetri er å etablere ein tre-dimensjonal transformasjon mellom stereomodellen og terrenget. Stereomodellen som vert forma av to overlappande bilete er i skap lik med terrenget, men den er rotert og skalert. Ved å etablere ein transformasjon mellom punkt som kan identifiserast og målast i modellen - og terrengkoordinatane til dei same punkta kan eit målt punkt i modellen få koordinatar x,y og høgde i terrengkoordinatsystemet. Til transformasjonen vert det nytta passpunkt, punkt som har kjende terrengkoordinatar, og som kan identifiserast godt i bileta. Ein treng minst tre punkt for å løyse ut dei sju ukjende, tre translasjonar, tre rotasjonar og skalaen. For å sikre ein god transformasjon har ein til vanleg fleire punkt enn minimum. I eldre analoge instrument vart denne transformasjonen gjort mekanisk, ved å rotere og flytte på bileta, medan det er ein rein digital transformasjon i eit moderne stereo-instrument. Fotogrammetri kan gi svært noggranne målingar. Grannsemda varierer med skalaen til bileta og kvalitetetn til passpunkta. Det er vanskeleg å gi ein generell regel om grannsemd, men ein tommelregel kan vere ca. 0,015% av flyhøgda for høgder, og ,03 mm i biletmålestokk for grunnriss. Desse tala baserer seg på bruk av kvalitetsinstrument og gode passpunkt. Ortofoto Eit orotofoto er eit flyfoto som er transformert slik at det har fått geometri som eit kart. Ved produksjon av eit ortofoto strekkjer og komprimerer ein det originale biletet slik at det høver til terrenget der høgdeskilnader gjer at flybiletet sin målestokk varierer. I dag nyttar ein digital fotogrammetri, der bileta er digitalt representert, til produksjon av ortofoto. Biletet vert "lagt over" ein høgdemodell over området. Fleire flybilete kan mosaikkerast slik at ortofotoet kan dekkje eit heilt kartblad. Før digital fotogrammetri var tilgjengeleg vart ortofoto laga ved å avfotografere små område i gongen i rett målestokk, og mange små bitar danna til saman eit målestokksrett bilete. På ortofotoet kan ein i tillegg til biletet legge inn kartinformasjon, slik som koter, vegar hus etc., og det vert eit kart som er lett å lese og for ein som er uvant med kartbruk. Biletet gjer at ein kjenner att detaljar, og kan kople desse til kartet. Kva er skinaden mellom eit flybilete og eit orthofoto? Eit vanleg sentralperspektivisk flybilete har forskyvingar i biletet på grunn av avvik frå loddrett fotoakse og høgdevariasjon i terrenget (topografi). Det har ikkje ein eins målestokk. Du kan ikkje måle avstandar i flybiletet slik du kan på kartet. Flybiletet er ikkje eit kart! Effekten av ikkje loddrett fotoretning og variasjon i terrenghøgder vert fjerna frå flybiletet i rektifiseringsprosessen ein nyttar når ein lagar eit ortofoto. Ortofotoet er eit bilete med lik (fast) skala over heile biletet. Det er eit fotografisk kart! Sidan ortofotoet har eins skala kan ein måle avstandar på same måte som i eit kart. Ortofotoet kan vere eit basiskart som ein legg annan kartinformasjon oppå. Litteratur: Andersen, Brånå, Lønnum: Fotogrammetri ISBN NKI-forlaget 1991 Mikhail E.M. et al:introduction to Modern Photogrammetry: ISBN