Mapové podklady na základě leteckého snímkování
Přípravné práce ke snímkování
Na základě požadavků zadavatele a zvážení účelu vlastního snímkování je vybráno vhodné měřítko snímkování a vhodné ohnisko kamery. Pro zpracování plánu snímkování je dále rozhodující, zda má být snímkování provedeno se standardním podélným a příčným překrytem, nebo je potřeba z technologických důvodů standardní konfiguraci změnit. V principu je třeba vždy provést návrh schématu snímkového letu v grafickém prostředí a software potom samostatně spočítá optimální rozestupy snímků a řad pro zadané parametry snímkování a určí předběžné polohy budoucích snímků a výšky letu letadla. Tyto údaje jsou potom převedeny do navigačního počítače na palubě letounu, který pak řídí samotný snímkový let a expozici snímků.
Digitální fotogrammetrické kamery
Dříve se používaly výhradně klasické letecké snímky pořízené na filmový materiál, převedené do rastrového tvaru skenováním. V posledních letech však lze zaznamenat nástup digitálních fotogrammetrických kamer velkého, případně středního formátu. Při vývoji velkoformátových kamer bylo třeba překonat dvě zásadní překážky, které výrazným způsobem zpomalovaly vlastní vývoj digitálních leteckých kamer.
První byla nedostatečná rychlost ukládání digitálních snímků na pevné disky a nedostatečná kapacita těchto disků. Tento problém byl beze zbytku vyřešen dynamickým vývojem rychlosti přístupu a velikosti kapacity disků v posledních několika letech a dále sofistikovanými softwarovými řešeními ukládání dat.
Druhá překážka souvisí s nedostatečným rozměrem CCD snímače. Řešením tohoto problému jsou dvě zásadně odlišné konstrukce velkoformátových digitálních kamer. Jedna skládá výsledný snímek z více dílčích obrazů získaných simultánní expozicí více kamer (většinou čtyř) vybavených CCD snímači středního formátu – Intergraph, Vexcel. Ta druhá uplatňuje princip řádkového skeneru známý z družicových aplikací - Leica. V tomto případě není použitý CCD snímač plošný, nýbrž liniový, a nevzniká klasický snímek, ale pás o konstantní šířce a „nekonečné“ délce, omezené pouze maximální velikostí souboru v příslušném operačním systému.
Obě dvě metody mají svoje klady a zápory, ale víceméně umožňují zachovat nároky na letecké práce shodné se snímkováním klasickými analogovými kamerami. Kombinací výstupů inerciálních systémů navigace spojených s digitální kamerou a on-line managementu inerciálních dat a metadat o snímcích přímo za letu lze jednoznačně dosáhnout vysoké efektivnosti v následném zpracování takovýchto dat.
Přímé měření orientačních parametrů snímků
Znalost parametrů vnitřní a vnější orientace leteckých měřických snímků, případně leteckých digitálních snímků, je klíčovým prvkem jakéhokoliv fotogrammetrického projektu. Ve fotogrammetrii je tato úloha běžně řešena pomocí analytické aerotriangulace. Tento postup lze částečně nebo zcela nahradit měřením a výpočtem orientačních prvků měřených inerciální aparaturou.
Poloha je počítána z akcelerometrických měření v jednotlivých osách inerciální měřické jednotky (IMU) a úhlové sklony gyroskopicky. IMU je pevně spojena s tělem klasické letecké měřické nebo digitální kamery a sestává z trojice ortogonálních akcelerometrů, gyroskopů a elektroniky, která konvertuje analogové výstupy na digitální. Hlavní součástí systému je 12-ti kanálový dvojfrekvenční přijímač GPS. Systém dále zahrnuje počítač, který vyhodnocuje data z navigačních senzorů, IMU a přijímače GPS, a provádí přesná měření polohy letadla, jeho rychlosti, příčného a podélného sklonu, kurzu a zrychlení. Kamera v okamžiku expozice snímku generuje signál, který je přiveden do IMU, kde je zaznamenán čas příchodu signálu. Při postprocessingu je potom vyhodnocena poloha středu snímku a jsou zaznamenány rotace ve všech třech osách.
Tyto údaje potom mohou přímo sloužit jako parametry vnější orientace snímků pro další zpracování, nebo častěji jako velmi přesné vstupy pro analytickou arerotriangulaci. Jejich použití poměrně radikálně snižuje nároky na množství pozemních vlícovacích bodů, zaměřených tradičními geodetickými metodami.
Letecké měřické snímkování
V předcházejících dvou kapitolách byly zmíněny letecké kamery a inerciální zařízení umožňující měření prvků vnější orientace kamery přímo v rámci leteckého měřického snímkování. Pokud hovoříme o digitálních technologiích v leteckém snímkování, je potřeba rovněž rámcově zmínit vstup digitální techniky do vlastního procesu provádění leteckého měřického snímkování.
Snímkový plán je zpravidla připraven v kanceláři na zemi, ale v některých zvláštních případech lze využít možnosti změny plánu přímo za letu. Tento požadavek se objevuje zejména tehdy, kdy je dopředu obtížně stanovitelný rozsah snímkování, jako je například aktuální snímkování povodní. Nebo snímkování musí být provedeno k určitému termínu a není možné předem stanovit měřítko snímků, které se odvíjí mimo jiné od výšky letu podle základny oblačnosti. V těchto případech umožňují navigační systémy, umístěné na palubě letadla, aktuální naplánování, popř. přeplánování letového snímkovacího plánu podle konkrétních dispozic. Posádka s letounem oblétne předpokládanou lokalitu a zaznamená lomové body, nebo odečte na výškoměru nejnižší výšku základny oblačnosti a tyto informace vloží do řídícího počítače. Letový plán je pak bezprostředně upraven.
Vlastní snímkový let je potom prováděn za asistence několika řídících počítačů. Letový plán je nahrán do řídícího systému, který propočítává za letu aktuální pozici letadla, jak v poloze, tak ve výšce, za pomoci systému GPS a terénního modelu nahraného v řídícím počítači (například ve formě výškového profilu v požadovaných náletových osách). Tento počítač předává jednak informace operátorovi kamery, který sleduje, zda proces snímkování probíhá v souladu s předpoklady, dále je informace sdílena autopilotovi nebo pilotovi, který provádí vlastní řízení letadla po předepsané trase. Řídící počítač rovněž předává příkaz k provedení expozice řídící jednotce klasické nebo digitální kamery. Povel k expozici je současně zaslán aparatuře D-GPS nebo inerciální jednotce, která zaznamená nebo odešle do řídícího počítače informace o čase pulsu. Jednotný GPS čas je v následném zpracování dat snímkování, měření inerce a GPS rozhodující pro propojení správných údajů. Počítač inerciální jednotky může předávat kameře rovněž informace o aktuálním úhlu snosu a kamera na základě těchto pokynů automaticky snos opravuje. Řídící počítač rovněž může sledovat informace o výšce letu a porovnáním rychlosti letu a správného expozičního času pak vydat pokyn zařízení pro korekci smazu.
Celý let je znázorňován na monitoru, na kterém jsou vedle údajů o vlastním letu v grafické podobě zobrazovány údaje ICAO map s leteckými údaji nutnými pro zajištění bezpečnosti letu a orientace v terénu.
Zpracování digitálních dat
Zatímco některé fotogrammetrické práce (například mapování, manuální měření spojovacích bodů pro analytickou aerotriangulaci) se ve svém principu neliší od metod používaných předchozí generací analytických fotogrammetrických přístrojů, rozvoj jiných, popsaných níže, je jednoznačně spojen s přechodem na přístroje digitální.
Digitální fotogrammetrický přístroj současnosti je většinou kvalitní počítač poslední generace, vybavený rychlým procesorem, velkou pamětí a harddiskem o značné kapacitě. Jeho nedílnou součástí je velkoplošný monitor a prvotřídní grafická karta, dovolující – v případě přístroje určeného k fotogrammetrickému vyhodnocení dat – zobrazení stereoskopického obrazu.
Řízení toku dat
Jedním z problémů, které přinesl přechod na digitální sběr dat je značná velikost souborů a s tím související zvýšené nároky na jejich management. V dnešní době, kdy se požadavky na diskovou kapacitu pro větší fotogrammetrický projekt pohybují ve stovkách GB, si lze takový úkol velmi ulehčit využitím systému pro správu a distribuci velkého množství (zejména) rastrových dat.
Takový systém je většinou založen na centrálním serveru, který udržuje pomocí databáze přehled o umístění balíků dat na síti a dává uživateli do rukou jednoduché nástroje na jejich třídění, vyhledávání a manipulaci. Dále dovoluje připojovat k souborům uživatelská metadata, která jsou následně využívána v aplikacích určených ke sledování a řízení výrobních procesů
Automatická aerotriangulace
Aerotriangulace, zvláště pak měření spojovacích bodů, je jednou z činností, kde se naplno ukazují výhody digitálních postupů. Spojovací body se namísto zdlouhavých manuálních měření generují automaticky na základě korelace leteckých snímků a na operátorovi zůstává teoreticky pouze vyhledání a zaměření vlícovacích bodů. Jak automatickou korelaci, tak měření vlícovacích bodů lze ještě dále zjednodušit a urychlit použitím kvalitních vstupních parametrů vnější orientace, jak bylo popsáno výše.
Optimalizace procesu generování spojovacích bodů je dnes tak daleko, že rychlost provedení operací je několikasetkrát vyšší než v dobách, kdy se tyto úkony prováděly manuálně a výsledky jsou s vyšší spolehlivostí. Korelační algoritmy umožňují generovat takřka neomezené množství spojovacích bodů mezi snímky a modely, čímž je dosaženo podstatně vyšší tuhosti jednotlivých spojení a celkové přesnosti aerotriangulace.
Je zcela pochopitelné, že v některých případech musí být proces automatizace podpořen účinným zásahem operátora, v případech kdy korelační algoritmus selže v místech se špatnou kvalitou nebo obtížně rozlišitelnou texturou snímků jako v rozsáhlých lesních celcích nebo vodních plochách.
Automatická korelace digitálního modelu terénu
Další oblastí, kde digitální postupy výrazně přispěly k automatizaci sběru dat je vyhodnocení digitálního modelu terénu (DTM), případně digitálního modelu povrchu (DSM).
Výškové body jsou z leteckých snímků extrahovány automatickou korelací. Jako vstupní parametry do výpočtu lze vložit například informace o typu terénu, geomorfologické informace o terénních hranách nebo vyhlazovací charakteristiky terénních změn. V protikladu ke konvenčnímu způsobu měření, kdy se operátor věnuje každému měřenému bodu separátně, pracuje korelační program v jednotlivých patrech snímkových pyramid (overview) a po vyhledání velkého množství odpovídajících si bodů v levém a pravém snímku provádí postupně jejich statistické zpřesnění až ve snímkové pyramidě s nejvyšším rozlišení. Tím je dosaženo velké přesnosti a rychlosti měření. Použitím speciálních filtrů lze ještě zvýšit účinnost automatické korelace s vyloučením odlehlých měření a docílit tím vyšší čistoty výstupních dat.
Stejně jako u automatické aerotriangulace existují i zde oblasti, kde je manuální zásah operátora nezbytně nutný k zachování homogenní kvality výsledného produktu.
