Stereofotogrammetrie z leteckých snímků je technika zpracování a analýzy, která se využívá k tvorbě 3D modelů a 3D map z párových snímků pořízených z leteckých prostředků. Tato metoda se zakládá na principu využití dvou snímků pořízených ze dvou různých perspektiv. Proces stereofotogrammetrie začíná tím, že se pořídí dvojice snímků stejného objektu nebo scény ze dvou odlišných úhlů nebo poloh - tzv. stereoskopický pár. Tyto snímky mohou být pořízeny například z letadla nebo dronu, případně z kamery umístěné na stativu.
Za použití paralaxního posunu a známých geometrických parametrů kamery nebo dronu může software vypočítat trojrozměrné souřadnice těchto shodných bodů. Stereofotogrammetrie má široké uplatnění v mnoha oborech, jako je geodézie, kartografie, archeologie, urbanistika, stavebnictví, geomorfologie a další. Pomocí detailní stereofotogrametrie lze efektivně provádět velmi podrobná měření objektů viditelných na leteckých měřických snímcích s geodetickou přesností. Například polohopis komunikací, zaměřování střech, venkovní pasporty, či jiné úlohy.
19. Podle jedné z definic je „stereoskopie“ považována za schopnost lidského mozku sloučit dva dílčí, navzájem poněkud odlišné obrazy, zachycené levým a pravým okem, ve výsledný jediný prostorový obraz. Samotné slovo „stereoskopie“ vzniklo z řeckého stereos (pevný, tvrdý, objem, přeneseně prostorový) a skopeo (vidím, pozoruji). Evolučním vývojem se u některých živočichů vyvinula schopnost prostorového vnímání. Vnějším znakem této schopnosti jsou dva zrakové orgány. Každé oko poskytuje poněkud jiný pohled na okolí (z jiného místa v prostoru).
Prostorové vnímání reálného světa je podpořeno celou řadou tzv. vodítek (neboli klíčů). Pro vlastní prostorové vnímání je klíčový proces zpracování vjemů obou očí naším mozkem do jediného prostorového obrazu (tzv. fusion). Při stereoskopickém zobrazování se „prostorovost“ objektů pouze simuluje. Celý proces můžeme rozdělit do dvou částí. Nejprve je nutné pořídit nebo vygenerovat tzv. stereopár, tedy snímek odpovídající pohledu pravým a levým okem.
Podle principů, které tento požadavek zajišťují, lze rozdělit stereoskopickou projekci do několika skupin. Nejčastější metodou je použití brýlí. Tzv. aktivní brýle mají s dostatečnou frekvencí (synchronizovanou s projekcí snímků) zatemňována „skla“. Jinou metodou je použití tzv. pasivních brýlí, které k selekci snímků pro pravé a levé oko využívají polarizační, barevné nebo interferenční filtry. Docela zvláštní metodou je tzv. Aktivní projekce se skládá z obrazového signálu, který tvoří střídavě snímky pro levé a pravé oko, a brýlí s LCD „skly“ pro každého diváka. Synchronizace mezi brýlemi a projektorem je řešitelná také bezdrátově (rádiový signál nebo IR signál).
Projekce je plně barevná, stačí jeden projektor a běžná projekční plocha. Je však třeba použít dražší a těžší brýle, které lze snadněji poškodit. Polarizační brýleJde o projekci dvojicí projektorů s polarizačními filtry a o využití polarizačních brýlí. Používá se jak lineární, tak kruhová polarizace. V obou případech je však nutné promítat obraz na speciální projekční plochu, která musí zachovávat polarizaci i po odrazu promítaného světla. Projekce je plně barevná a je možné využít i levnější projektory. Brýle pro diváky jsou lehké a levné. Nevýhodou je nezbytnost dvou projektorů, které je třeba synchronizovat.
Barevné brýlePři této projekci je kromě projektoru potřeba vytvořit barevné stereopáry (anaglyfy) promítaného obrazu a poskytnout barevné brýle každému divákovi. Barevné páry nejčastěji tvoří barvy červená/azurová, popř. modrá/zelená. Stereopár je možné vložit do jediného promítaného snímku, brýle jsou velmi levné a metoda funguje také na tiskovinách a videu. Interferenční brýleTechnologie Infitec využívá toho, že filtry rozdělí světelné spektrum do šesti pásem: R1, G1, B1 pro levé oko a R2, G2, B2 pro pravé oko. Podobnými filtry jsou vybaveny brýle pro každého diváka. Výhodou je možnost zachovat plnou barevnost a použít běžnou projekční plochu, což je velmi výhodné pro použití například v sále planetária. Nevýhodou je velká ztráta světelného toku na filtrech projektorů a na brýlích. Pravděpodobně nejjednodušším způsobem, jak zařídit v planetáriu stereoskopickou projekci, je využít systému Infitec.
Stereoskopickou projekci však nestačí jen pořídit, ale je potřebné ji „naplnit“ potřebným obsahem - tedy atraktivními pořady pro návštěvníky. Většinou se používají animace a vizualizace, které mohou být velmi působivé. U nás v Ostravě máme zatím zkušenosti jen s vizualizačním software Uniview. Návštěvníci si pochvalují názornost projekce, u mnohých projekcí dokázala rozšířit možnosti jejich „abstraktního vnímání“ a představivost - podle jejich sdělení si např. konečně dokáží představit, jak je uspořádán prstenec Saturnu apod. Ukazuje se, že využití stereoskopická projekce v planetáriích by mohlo být dlouhodobým trendem, který si najde místo mezi ostatními vizualizačními prostředky používanými v pořadech uváděných ve zcela výjimečném prostředí planetárií.
Kromě kin řetězce IMAX můžete 3D snímky obdivovat např. Letecké snímkování je proces získávání obrazů nebo snímků Země z letadla, dronu nebo jiného leteckého prostředku. Šikmé snímkování (oblique) : Letecký snímek se pořizuje pod úhlem k povrchu Země. Tato metoda se často používá pro tvorbu obrazů budov, krajin a dalších objektů pro plánování a urbanismus. Kolmé snímkování (ortofoto): Snímky jsou pořizovány z vysoko letícího letadla nebo dronu pod úhlem kolmým k povrchu. Termální a multispektrální snímkování: Kromě snímků viditelného světla se provádí také snímkování v různých spektrálních pásmech, včetně infračerveného a termálního záření. To umožňuje získat informace o vegetaci, povrchu Země a teplotních rozdílech. Letecké snímky mají široké využití v geografických informačních systémech (GIS), urbanismus, zeměměřictví, zemědělství, ochrana životního prostředí, doprava, archeologie a mnoho dalších.
Vzniklý model slouží k přesnému měření délek, ploch, kubatur, ale i k složitějším geografickým analýzám a kartografickým výpočtům, tvorbě ortofotomap, vizualizacím apod. Při tvorbě dochází k ortorektifikaci tj. odstranění geometrického zkreslení snímku způsobeného Nestejnou výškou terénu - každý bod na snímku se pak jeví (stejně jako na mapě) jako při kolmém pohledu shora - v praxi pak např. nedochází k překrytí terénu fasádou budovy (tzv. "pravé ortofoto","trueOrtho").
Z fotogrammetrických snímků umíme zpracovat různé druhy třírozměrných reprezentací mapovaného území. Mračna bodů, digitální modely terénu (DTM, DEM), modely povrchu (DSM) a další varianty jsou kombinací polohopisných a výškopisných dat. Slouží k přesnému měření a analýze, uplatňují se při modelování a simulaci (např. záplavové nebo lavinové oblasti, šíření signálů a světla v terénu) nebo jako podklady při stavebním projektování a tvorbě kartografických map a plánů. Pokud je předmět měření zachycen na alespoň dvou snímcích pořízených z různých míst, je možné rekonstruovat třírozměrnou pozici bodů v prostoru.
K tomu je potřeba znát tzv. prvky vnitřní orientace snímků - ty popisují interní geometrické uspořádání snímače a objektivu a určují tedy parametry projekce. Dále známe "prvky vnější orientace" snímku, tedy polohu a orientaci snímače v prostoru v okamžiku expozice. Pokud si zvolíme bod objektu viditelný na obou fotografiích, lze definovat přímky, procházející tímto bodem a místem snímání fotografie, přičemž respektují parametry projekce. Z uvedeného principu plyne nutnost zachytit každý bod objektu na několika snímcích pořízených z různých míst.
Při leteckém snímání se toho dosahuje vysokým překryvem jednotlivých snímků mezi sebou. Hodnota překryvu typicky odpovídá 60-80% plochy snímku. Let dronu probíhá automaticky dle letového plánu - po zadání oblasti, senzoru, výšky letu a dalších parametrů je vypočtena optimální trasa letu a interval snímání pro zajištění potřebných překryvů. Z těchto parametrů již lze přibližně určit prostorové rozlišení výsledného modelu. Rekonstrukce modelu sice vychází z uvedeného základního principu, ve skutečnosti se ovšem jedná o komplexní výpočetní úlohu.
Během letů jsou pořízeny stovky až několik tisíc snímků a na každém z nich jsou automaticky rozpoznány tisíce klíčových bodů. Jsou nalezeny všechny snímky, kde je daný klíčový bod zachycen a provedena triangluace s využitím již uvedených vnitřních a vnějších prvků orientace snímků. Zde se výpočet komplikuje - vnější prvky orientace, tedy pozice a náklony snímače v prostoru je zatížena poměrně velkou nepřesností měření. Taktéž vnitřní prvky orientace, tedy geometrické parametry snímače a optiky jsou známy, ale z důvodu výrobních nepřesností a optického zkreslení objektivu jsou také zatíženy chybou (kompenzuje se kalibrací konkretního snímače). Pokud je výpočet úspěšný, výsledkem je tzv. mračno bodů, tedy soubor bodů snímaného objektu v třírozměrném prostoru.
Tyto body reprezentují povrchovou geometrii objektu a v této fázi se již dá provádět přesné měření. Toto mračno slouží ale také jako mezikrok k dalším výstupům. S využitím interpolace plochy mezi body vznikne např. digitální model povrchu (DSM), po odfiltrování struktur na povrchu pak hovoříme o digitálním modelu terénu (DTM) - ty slouží především k dalšímu kartografickému měření a zpracování. Podobným způsobem vzniká i klasický síťový 3D model, který je potáhnut texturou vytvořenou ze snímků a je vhodný zejména pro vizualizaci.
Nová rozsáhlá 3D mapa vesmíru obsahuje 1 milion a 200 tisíc galaxií a umožní nám lépe odhalit působení temné energie. Celý text dále uvádí související koncepty a projekty včetně metody letecké dopravy Clip-Air a dalších inovací, avšak jejich přímá souvislost s leteckou stereoskopickou projekcí a GIS je spíše kontextovou.
Technologie, principy a výstupy letecké stereoskopické projekce
Aktivní stereoskopie využívá jeden projektor, monitor, nebo LED hologram pro 3D zobrazení. Brýle jsou vybaveny LCD displeji, které jsou přesně synchronizovány s projektory využívající dvojnásobnou obnovovací frekvenci 120 Hz a více. LCD displeje v brýlích střídavě zatmívají obraz pro levé a pravé oko. Revoluční patentované řešení SPHERICAL 3D® umožňuje opravdový 3D zážitek na celé projekční kopuli. Stereoskopická projekce spočívá v projekci dvou obrazů stejné scény, které byly pořízeny z různých úhlů, které přibližně odpovídají vzdálenosti lidských očí od sebe (oční báze).
Při prezentaci obrazů do očí, pro které jsou určeny, je možné u většiny populace vyvolat stereoskopický vjem, kdy je prostor scény uměle rozšířen o třetí rozměr. Navození stereoskopického vjemu u diváků není s využitím současných technologií zcela přirozené. Při pozorování běžné scény v reálném světě se z fyziologického hlediska dějí dva jevy - akomodace (zaostřování oka) a konvergence (změna úhlu, který svírají osy obou očí).
Vzhledem k tomu, že se promítaný obraz v kině nachází stále ve stejné vzdálenosti na promítací ploše, svírají oči stále stejný úhel a při pozorování tak dochází pouze k akomodaci. Mozek tuto nepřirozenou činnost může vyhodnotit zkratovitě a u některých pozorovatelů se mohou projevit známky nevolnosti. Přirozený vjem může nabídnout holografická projekce. Technologie, které jsou pro prezentaci stereoskopického obrazu využívány, se dle nutnosti napájení pomocných komponent dělí na: aktivní pasivní.
Při projekci stereoskopického obrazu je kladen nárok na dodržení dostatečného snímkového kmitočtu pro obě oči. Vstupte do fascinujícího světa stereoskopie, neboli 3D zobrazení. Jsme tady, abychom vám poskytli nejmodernější a inovativní přístupy k trojrozměrnému vizuálnímu zážitku. Aktivní stereoskopie využívá jeden projektor, monitor, nebo LED hologram pro 3D zobrazení. Brýle jsou vybaveny LCD displeji, které jsou přesně synchronizovány s projektory využívající dvojnásobnou obnovovací frekvenci 120 Hz a více. LCD displeje v brýlích střídavě zatmívají obraz pro levé a pravé oko.
Používáme bezpilotní letadla pro mapování rozsáhlého území i multirotorové drony pro precizní 3D modely ve stavebnictví apod. Výstupem letu je ortofotomapa, mračno bodů, 3D model, digitální model povrchu a další varianty. V online rozhraní jsou výsledky inspekcí k dispozici odkudkoliv a bez nutnosti stahovat kompletní balík dat. Provádíme fotogrammetrické snímkování a následnou digitální rekonstrukci prostorového modelu s využitím bezpilotního prostředku. Může se jednat o jednotlivé objekty ale i velké krajinné celky.
Vzniklý model slouží k přesnému měření délek, ploch, kubatur, ale i k složitějším geografickým analýzám a kartografickým výpočtům, tvorbě ortofotomap, vizualizacím apod. Snímkování realizujeme v rozlišení až 0.5cm/pixel a disponujeme širokým spektrem senzorů nejen pro viditelné spektrum, ale mapa může obsahovat například také termografickou vrstvu. Jinak také ortofoto čí ortomozaika, je nejžádanější výstup letecké fotogrammetrie, který spojuje vlastnosti map (souřadný systém a měřítko, možnost měřit) a leteckých snímků (srozumitelnost a úplnost).
Při tvorbě dochází k ortorektifikaci tj. odstranění geometrického zkreslení snímku způsobeného nestejnou výškou terénu - každý bod na snímku se pak jeví (stejně jako na mapě) jako při kolmém pohledu shora - v praxi pak např. nedochází k překrytí terénu fasádou budovy (tzv. "pravé ortofoto","trueOrtho"). Z fotogrammetrických snímků umíme zpracovat různé druhy třírozměrných reprezentací mapovaného území. Mračna bodů, digitální modely terénu (DTM, DEM), modely povrchu (DSM) a další varianty jsou kombinací polohopisných a výškopisných dat. Slouží k přesnému měření a analýze, uplatňují se při modelování a simulaci (např. záplavové nebo lavinové oblasti, šíření signálů a světla v terénu) nebo jako podklady při stavebním projektování a tvorbě kartografických map a plánů.
Pokud je předmět měření zachycen na alespoň dvou snímcích pořízených z různých míst, je možné rekonstruovat třírozměrnou pozici bodů v prostoru. K tomuto je potřeba znát prvky vnitřní orientace snímků a prvky vnější orientace snímku. Pokud si zvolíme bod objektu viditelný na obou fotografiích, lze definovat přímky procházející tímto bodem a místem snímání fotografie, přičemž respektují parametry projekce. Z uvedeného principu plyne nutnost zachytit každý bod objektu na několika snímcích pořízených z různých míst.
Let dronu probíhá automaticky dle letového plánu - po zadání oblasti, senzoru, výšky letu a dalších parametrů je vypočtena optimální trasa letu a interval snímání pro zajištění potřebných překryvů. Z těchto parametrů již lze přibližně určit prostorové rozlišení výsledného modelu. Rekonstrukce modelu sice vychází z uvedeného základního principu, ve skutečnosti se jedná o komplexní výpočetní úlohu. Během letů jsou pořízeny stovky až několik tisíc snímků a na každém z nich jsou automaticky rozpoznány tisíce klíčových bodů.
Jsou nalezeny všechny snímky, kde je daný klíčový bod zachycen a provedena triangluace s využitím již uvedených vnitřních a vnějších prvků orientace snímků. Zde se výpočet komplikuje - vnější prvky orientace, tedy pozice a náklony snímače v prostoru je zatížena poměrně velkou nepřesností měření. Taktéž vnitřní prvky orientace, tedy geometrické parametry snímače a optiky jsou známy, ale z důvodu výrobních nepřesností a optického zkreslení objektivu jsou také zatíženy chybou (kompenzuje se kalibrací konkretního snímače).
Pokud je výpočet úspěšný, výsledkem je tzv. mračno bodů, tedy soubor bodů snímaného objektu v třírozměrném prostoru. Tyto body reprezentují povrchovou geometrii objektu a v této fázi se již dá provádět přesné měření. Toto mračno slouží ale také jako mezikrok k dalším výstupům. S využitím interpolace plochy mezi body vznikne např. digitální model povrchu (DSM), po odfiltrování struktur na povrchu pak hovoříme o digitálním modelu terénu (DTM) - ty slouží především k dalšímu kartografickému měření a zpracování.
Podobným způsobem vzniká i klasický síťový 3D model, který je potáhnut texturou vytvořenou ze snímků a je vhodný zejména pro vizualizaci. Slouží k přesnému měření a analýze, uplatňují se při modelování a simulaci (např. záplavové nebo lavinové oblasti, šíření signálů a světla v terénu) nebo jako podklady při stavebním projektování a tvorbě kartografických map a plánů.
Praktické využití a případové studie
Geografické informační systémy (GIS) a urbanismus často vyžadují ortofotomapy a 3D modely pro plánování a vizualizace. Letecké snímky v kombinaci s stereofotogrammetrickým zpracováním umožňují přesné měření a analýzu terénu, budov a inženýrských sítí. Drony jako nástroj pro GIS projekty poskytují vysoké rozlišení až do 0.5 cm/pixel a podporují široké spektrum senzorů, včetně termografické vrstvy, což rozšiřuje možnosti monitoringu a environmentálních studií.
Ortomozaika a ortorektifikace zajišťují, že výsledná data mají konzistentní měřítko a souřadný systém, což usnadňuje porovnání mezi snímky a jejich využití pro analýzy změn v čase a pro kartografické mapy. Mračno bodů slouží jako základ pro pokročilé analýzy a modelování, např. pro simulaci záplavových nebo lavinových procesů či šíření signálů a světla v terénu. Současné pracovní postupy umožňují také generovat digitální model povrchu (DSM), digitální model terénu (DTM) a texturované 3D modely pro vizualizace.
V astronomii a kosmických mapách jsou zmiňovány rozsáhlé projekty, jejichž cílem je zkoumání vesmíru, avšak tyto pasáže slouží spíše jako ilustrativní kontext pokroku ve velkých měřítkách mapování a rekonstruování prostorových struktur. Například nová 3D mapa vesmíru s 1 200 000 galaxií demonstruje potenciál pokročilých rekonstrukčních technik v extrémně širokém měřítku a datové kapacitě.
Jak vytvořit 3D dioráma v ArcGIS Pro
SwagBot a další robotické systémy ukazují, že pokročilé senzory a autonomní pohon mění způsob, jakým lze sledovat a analyzovat rozsáhlé stáda zvířat, což je ukázka toho, jak se pokročilá vizualizace a zpracování 3D dat promítají do praktických zemědělských aplikací a do zpracování dat v terénu.
V kontextu letecké stereoskopie a GIS tedy lze shrnout, že klíčové fáze zahrnují pořízení stereopárů, orientaci snímků, triangulaci, generování mračna bodů a následné vytvoření DSM/DTM a dalších modelů pro měření a analýzu. Výstupy umožňují kartografické výpočty, tvorbu ortofoto map a vizualizace, které usnadňují plánování, infrastrukturu a environmentální monitoring. Drony a autonomní systémy rozšiřují rozsah možností a zvyšují rychlost a přesnost zpracování dat pro GIS projekty i vědecké analýzy.
tags: #letecka #stereoskopicka #projekce #gis