Ugrás a tartalomhoz

Fotogrammetria 11., Térfotogrammetriai műszerek

Dr. Engler Péter (2010)

Nyugat-magyarországi Egyetem

11.4 Analitikus mérőműszerek

11.4 Analitikus mérőműszerek

Az analitikus fotogrammetria képkoordináták ismeretére épül, így minden olyan műszer, amely alkalmas a képkoordináták, vagy képkoordináták és koordináta-különbségek (parallaxisok) mérésére, analitikus mérőműszernek tekinthető.

Az analitikus műszereket a következő csoportokba soroljuk:

1. Tájékozott modellel nem rendelkező műszerek

1.1 Monoszkópikus műszerek (monokomparátorok)

1.2 Sztereoszkópikus műszerek

a, sztereokomparátorok

b, sztereo képkiértékelők

2. Tájékozott modellel rendelkező műszerek (analitikus plotterek)

2.1 Univerzális analitikus térkiértékelő műszerek

2.2 Egyszerűsített analitikus kiértékelő műszerek

a, tárgykoordinátával vezérelt műszerek

b, képkoordinátával vezérelt műszerek

A nagy pontosságú, speciálisan a képkoordináták mérésére szerkesztett műszereket komparátoroknak nevezzük.

Képkoordináta mérhető egyetlen képről is, a mérőfényképre ráfényképezett koordináta-tengelyek alapján. Azok a speciális műszerek, amelyekkel csupán egyetlen kép részletpontjainak képkoordinátáit tudjuk mérni, a monokomparátorok.

A képpárok homológ pontjainak képkoordinátáit, vagy képkoordinátáit és képkoordináta-különbségeit (pontonként 4 adat) sztereokomparátorokkal határozhatjuk meg. A sztereo-képkiértékelők mérési pontossága kisebb, felépítésük egyszerűbb, mint a komparátoroké.

Az analitikus fotogrammetria legfejlettebb műszerei az analitikus térkiértékelő műszerek, ismertebb néven az analitikus plotterek. E műszerek legnagyobb előnye, hogy tetszőleges külső tájékozási elemekkel és felvevő kamerákkal készült felvételek kiértékelésére is alkalmasak. A műszer a tájékozást, majd a kiértékelést jórészt automatikusan végzi a mérési eredmények és a számítási utasítások hatására. Az analitikus plottereknél a teljes tájokozás után a modell szemlélését számítógép biztosítja a képtartók folyamatos eltolásával. Az univerzális analitikus plotterek nagy pontosságú, gyakorlatilag minden térfotogrammetriai feladat megoldására alkalmasak.

11.4.1 Monokomparátorok

A monokomparátorok egy kép mérésére, a képen képkoordináták (ξ, η) meghatározására alkalmas műszerek. A közvetlen mérési eredmények síkbeli műszerkoordináták, amelyekből egy transzformáció révén kapjuk a képkoordinátákat.

A monokomparátorok sokféle típusa közül a magyarországi termelő és kutató munkáknál, csillagászati felvételek kiértékelésénél korábban alkalmazott, a Carl Zeiss Jéna által gyártott ASCORECORD nevű műszert emeljük ki (11-4. ábra). A műszer számítógéphez és regisztráló berendezéshez kapcsolható. A maximális képméret 30x30 cm, a leolvasás élessége 0,1 μm. A műszeren a koordináta mérés négyzetes középhibája ±0,7 μm. A mérőjel mozgatása, a pontok irányzása egy üvegrúd segítségével történik. A pontos irányzás érdekében a binokuláris mikroszkóp nagyítása változtatható: 18, 29, 36 x.

11-4. ábra ASCORECORD mérési elve

A monokoparátorok ugyan nagy pontosságú műszerek, de nagy hátrányuk, hogy a mérés egyszerre csak egy képen történhet. Ez komoly hibaforrás, hiszen a pontpárok mérésénél elveszik a sztereoszkópikus irányzás előnye, könnyen elazonosíthatjuk azokat. Ugyanakkor a munka lassú és nehézkes. Előnyük a nagy pontosság. E miatt elsősorban csillagászati felvételek kiértékeléséhez alkalmazták, ahol a csillagok, illetve az átvonuló mesterséges holdak pontszerű leképezéseinek mérése a feladat.

A pontok elazonosításának elkerülése érdekében a monokomparátorok fontos kiegészítő berendezései a pontátvivő készülékek. Ezek feladata a sztereoszkópikusan megirányzott pontok megjelölése az emulzióba fúrt lyukkal (mechanikai eszköz, vagy lézer). Az így megjelölt pontokat már könnyebb azonosítani, irányozni, a kiértékelés megbízhatósága nő. Pontátvivő készülékeket gyártott többek között a Zeiss Jena (Transmark), a Wild Heerbrugg (PUG4, PUG5) és a Zeiss Oberkochen (PM1).

Sajátos műszerkombináció a Kern cég által gyártott CPM1 (Comparator und Punkt-Markierer) műszere, amely egy monokomparátor és egy pontátvivő készülék együttese. A műszer lehetővé teszi a pontok sztereoszkópikus szemlélését, de csak a bal képtartóban lévő kép képkoordinátáit rögzíti.

11.4.2 Sztereokomparátorok, sztereo képkiértékelők

A sztereo-komparátorok képkoordináták és/vagy parallaxisok mérésére alkalmas műszerek. Vagy mérjük a bal és jobb képen a pontok képkoordinátáit (ξ1, η1 és ξ2, η2), vagy mérjük a pontok képkoordinátáit a bal képen (ξ11) és a pontok koordináta-különbségeit (pξ, pη), a bázis- és haránt irányú parallaxisokat. A mérés eredménye tehát pontonként 4 adat. A közvetlen mérési adatok itt is műszerkoordináták, illetve műszerkoordináta különbségek, amelyekből egy sík-transzformációval kapunk képkoordinátákat és képkoordináta-különbségeket a filmeken leképződött keretjelek műszer- és kalibrálási koordinátáinak felhasználásával.

A sztereo-komparátoroknál a képkoordináták és parallaxisok mérése leegyszerűsített feladat, egyben a műszerszerkesztési elvek egyszerűsítését is jelentette. Az analóg műszerekkel szemben, itt jóval rövidebb (csak képméretnyi) távolságok, állandó nagyítású képek, egyszerű beállítási és tájékozási műveletek szerepelnek. Ennek megfelelően rövidebb vezetősínek, mérőorsók, léptékek kialakítására, elkészítésére volt szükség, amelynél az egyszerűbb optikai szemlélőrendszer is további előnyöket jelent. Egyszerűsödött a műszer tájékozási rendszere is, mert csupán a képek elforgatását kellett lehetővé tenni. A sztereo-komparátoroknál egyetlen mérési tartomány, a képméret jelent csak kötöttséget. Az elmondottaknak megfelelően a műszer felépítése a következő:

  1. A centrális rendszerben a vetítőrendszer matematikai vetítőrendszer, és a tájékozási rendszer pedig egy egyszerűsített tájékozási rendszer (csak κ szerinti forgatás).

  2. Az ortogonális rendszerben síkbeli koordináta-rendszer található. A virtuális mérőjel mozgatása kézi kerekkel történik (néhány műszertípusnál található lábtárcsa is).

  3. A szemlélőrendszer csupán néhány prizmából és lencséből áll, a szemlélés a képsíkra merőleges irányú, vagyis frontális.

  4. A mérő és adatrögzítő rendszer egy síkkoordináták mérésére alkalmas mérőorsót, vagy A/D átalakítót tartalmaz. A műszerhez elektronikus regisztráló berendezés, illetve számítógép kapcsolható.

Az egyszerű sztereokomparátorok csoportjába tartozik a STECO 1818 sztereo-komparátor (11-5. ábra).

11-5. ábra STECO 1818 sztereo-komparátor

A műszer elsősorban földi képpárok mérésére készült, de légifényképek kiértékelésére is alkalmas, bár ebben korlátot jelent a mérhető maximális képméret. A műszer egyszerű szerkezeti felépítése viszonylag könnyű és kisméretű műszer megépítését tette lehetővé. A 18x18 cm maximális méretű képek, állandó 8-szoros nagyítás mellett, egy 0,05 mm átmérőjű mérőjellel mérhetők. A műszeren ±400 grad elfordulási szöggel lehet a felvételeket beállítani. A koordinátamérés középhibája ±3,5 ÷ 5,5 μm, a parallaxis-mérés középhibája ±3 ÷ 5 μm értékkel adhatók meg.

A műszer- és elektrotechnika fejlődésével nagyobb méretű és nagyobb mérési pontosságot biztosító komparátorok előállítása is lehetővé vált. A precíziós komparátorok csoportjába tartozik többek között a Magyarországon is alkalmazott STECOMETER (Zeiss Jena) elnevezésű műszer. A műszer nagy előnye, hogy 23 cm x 23 cm képtartóval rendelkezik, a koordinátamérés középhibája ± 2 μm. A műszert elsősorban analitikus légiháromszögelésre használták.

A precíziós sztereo-komparátorokhoz kezdetben koordináta-regisztráló berendezéseket (pl. Zeiss Coordimeter), majd a későbbiekben on-line feldolgozást lehetővé tevő számítógépeket kapcsoltak. Első esetben utólagos számítással (off-line) külön álló számítógépen történt a mért koordináták feldolgozása, a légiháromszögelési adatok számítása. A számítástechnika fejlődésével on-line feldolgozást végző, modellenkénti koordináta meghatározást biztosító számítógépek illesztése is lehetővé vált. Az ilyen számítógéppel támogatott analitikus műszereknél (11-6. ábra) a számítógéptől a műszer felé semmilyen visszacsatolás nincs.

11-6. ábra Számítógéppel támogatott sztereokomparátor [1]

A képeket és a mérőjelet a kiértékelő közvetlenül mozgatja. A számítógép feladata a kapott műszerkoordináták, vagy parallaxisok alapján a képkoordináták és képkoordináta-különbségek, a relatív és abszolút tájékozási elemek, az új pontok geodéziai vagy tárgykoordinátáinak számítása, tárolása. Ha a rendszerhez kapcsolódik egy rajzgép is, akkor a feladat kibővül a vonalas térkép szerkesztésével, kirajzoltatásával. A légiháromszögelési számítások ebben az esetben is off-line üzemmódban történnek.

A sztereo képkiértékelők olyan átmenetet képviselnek a számítógéppel támogatott sztereo-komparátorok és az analitikus plotterek között, melyeknél a bal kép vezérlése nem számítógéppel történik, de a jobb képet legalább y irányban a számítógép mozgatja. A számítógép a belső tájékozási adatok és az illesztőpontok koordinátái alapján kiszámítja a relatív és abszolút tájékozást. A tájékozási paraméterek ismeretében ezután az új pontok megirányzása már csak három műveletből áll. A bal képen a kiértékelő megirányozza a mérendő pontot, a jobb képen megszünteti az x irányú parallaxist. Az aktuális képkoordináták alapján a számítógép a jobboldali képtartót eltolja úgy, hogy a mérőjel a mért pontra mutat.

A sztereo képkiértékelők pontossága elmarad a sztereokomparátorokétól, így azokat a kisebb pontossági igényű fotointerpretációs kiértékeléseknél alkalmazzák.

11.4.3 Analitikus plotterek

Az analitikus plotterek olyan analitikus térfotogrammetriai kiértékelő műszerek, amelyekben a tárgybeli koordináták és a képkoordináták közötti összefüggést a kiértékelő műszerbe épített digitális folyamatvezérlő számítógép állítja elő.

Az analitikus plotterek két nagy csoportját különböztetjük meg:

  1. univerzális analitikus kiértékelő műszerek,

  2. egyszerűsített analitikus kiértékelő műszerek.

Az analitikus plotterek működési elvét az univerzális analitikus plottereken keresztül mutatjuk be [1].

Minden analitikus plotter egy olyan fotogrammetriai mérőrendszernek tekinthető, mely egy sztereo-komparátorból, folyamatvezérlő számítógépből és rajzgépből (plotterből) áll. A számítógéppel támogatott sztereo-komparátorokhoz képest a lényeges különbség az, hogy minden koordinátamérő csatornát motorok működtetnek, ezáltal vezérelhető mind a négy képkoordináta mozgatás a kölcsönös tájékozás után.

A legegyszerűbb esetben az analitikus kiértékelő műszer úgy működik, mint egy komparátor. Ebben az úgynevezett komparátor üzemmódban (11-7. ábra) határozzuk meg az ezt következő munkafázis, a térmodell-kiértékelés tájékozási elemeit. Ekkor az adatáramlás egyirányú (műszer → számítógép) mindig csak az egyik képről (az 11-7. ábrán a jobb képről), mert ebben az üzemmódban a mérés során a kiértékelő külön-külön irányozza meg a mérendő pontokat a bal és a jobb képen.

11-7. ábra Analitikus kiértékelő műszer komparátor üzemmódban [1]

A kiértékelő tehát a két képet és a két álló mérőjelet (M1, M2) úgy szemléli, mint a sztereokomparátorban. A képek a képtartókban helyezkednek el, melyek egymástól függetlenül két kereszt-szánrendszer segítségével, két egymásra merőleges irányban eltolhatók. A képek mozgatása nem közvetlenül a kézi kerekek segítségével, mérőorsókon keresztül történik, hanem indirekt módon, a folyamatvezérlő számítógépen keresztül.

A kézi kerekek forgatásával a folyamatvezérlő számítógépben az un. x és y műszerkoordináták értékei változnak. Komparátor üzemmódban ezek a műszerkoordináták 1:1 arányban megfelelnek a ξ1, η1 és/vagy ξ2, η2 képkoordinátáknak. Ez azt jelenti, hogy mindkét képtartó a ξ1, η1, ξ2, η2 képkoordinátáknak megfelelően mozdul el. Komparátor üzemmódban történik a képkoordináták korrigálása, azaz a belső tájékozás a kameraállandó, a keretjelek kalibrált koordinátái, az elrajzolási értékek ismeretében. Ehhez először a keretjeleket kell megirányozni és mérni.

A külső tájékozási elemek számítása egy lépésben kettős térbeli pontkapcsolással, vagy két lépésben a relatív és abszolút tájékozással történik, az ehhez szükséges illesztőpontok tárgytérbeli koordinátái ismeretében. A tájékozás módszereivel, lépéseivel, megoldásával a 10-es modul foglalkozik.

A térkiértékelés elvégzéséhez modell üzemmódba kapcsolunk át (11-8. ábra).

11-8. ábra Analitikus kiértékelő műszer modell üzemmódban [1]

A két kézi kerék mellett most a lábtárcsa is működik. A hozzájuk tartozó három szögadó a folyamatvezérlő számítógépnek az x, y és z műszerkoordinátákat szolgáltatja, amelyeket össze lehet kapcsolni a számítógépben már ismert X, Y és Z tárgytérbeli koordinátákkal. Ehhez csupán egy Xu eltolásra és egy méretarány-változtatásra van szükségünk, amely meghatározható, ha például két illesztőpontot felkeresünk:

Az mM méretarányszám a modell méretarányát határozza meg. Ezt tulajdonképpen, mint egy áttételi viszonyt is értelmezhetjük.

A kézi kerekeknek és a lábtárcsának egy helyzete megfelel egy X, Y és Z koordinátahármasnak a tárgytérbeli koordináta-rendszerben, amit a számítógép a belső és külső tájékozási elemeknek megfelelően a centrális vetítés egyenletének segítségével átszámít a képkoordináta-rendszerbe:

x, y, z → X, Y, Z → ξ1, η1, ξ2, η2

Erre a képtartók vezérléséhez, mozgatásához van szükség. A modell üzemmódban történő munkavégzésnél a kiértékelő a kézi kerekek, és a lábtárcsa forgatásával, azaz az xyz műszerkoordináták változtatásával elindítja a folyamatvezérlést, amely a két képet az M1 és M2 mérőjelek alatt elmozdítja. Ha eközben az X, Y és Z tárgytérbeli koordináták egy meghatározott pontsornak felelnek meg a tárgy felületén (pl. egy vonal), akkor a kiértékelő a térbeli mérőjelet az optikai térmodellen erre a pontsorozatra illeszkedve látja haladni. A kiértékelő feladata az, hogy a kézi kerekek és a lábtárcsa forgatásával a térbeli mérőjelet a sztereoszkópikusan érzékelhető térmodellre illeszkedve vezesse. Az adatáramlás tehát a műszer és a számítógép között kétirányú (műszer → számítógép → műszer).

A térmodell kiértékelése modell üzemmódban történik. A kívánt eredményektől függően az analitikus plottereken a kiértékeléseknek több módja van [1]:

Pontonkénti mérés

Egy kiválasztott (meghatározandó, mérendő) tárgypont tárgytérbeli X, Y, Z koordinátáinak meghatározását pontonkénti mérésnek nevezzük.

Térbeli vonalmérés

Ha egy háromdimenziós vonal mentén haladunk (síkrajzi elemek pl. út, épület, stb.), akkor a folyamatvezérlő számítógépben erre a vonalra illeszkedő pontok X, Y, Z koordinátahármasból álló sűrű sorozata áll elő.

Szintvonalmérés

Ha egy megadott z értéknél rögzítjük a lábtárcsát, akkor a Z szint egy szintvonal értéknek felel meg, és ha ekkor a két kézi kereket az optikai modell sztereoszkópikus letapogatásával forgatjuk, akkor a számítógépben a megfelelő szintvonal sűrű pontsorozatának X, Y koordináta párjai állnak elő.

Dinamikus profilmérés

Profilmérések számára megvan az a lehetőség, hogy az X vagy Y irányú mozgást a folyamatvezérlő számítógép automatikusan hajtsa végre. Profilmérés közben a kiértékelőnek a mérőjel z irányú állításával a mérőjelet a térmodellen kell tartania. A folyamatvezérlő számítógép ily módon rögzíti az Y,Z (Y profilmérés), vagy az X,Z (X profilmérés) koordináta párokat.

Statikus rácsmérés

A folyamatvezérlő számítógép automatikusan megoldja azt a feladatot, hogy a térmodell területén y irányban oda-vissza, meanderszerűen végighaladjon, mialatt a kiértékelőnek csak a z mozgatásra kell ügyelnie.

Elsősorban a dinamikus vagy statikus rácsmérés eredményeit lehet felhasználni arra, hogy a kapott adatok alapján digitális terepmodellt állítsunk elő, ugyanis a digitális terepmodell lényege, hogy a közel egyenletesen meghatározott pontokból a területet egyenletesen borító rácshálót fejleszt ki, melyben a rácspontok magasságát vagy a mért pontokból, vagy interpolálási eljárással határozza meg.

Görbe alaprajzú profilok mérése

A folyamatvezérlő számítógép a kiértékelés során több érdekes lehetőséget biztosít a kiértékelő számára. Lehetőség van pl. X és Y irányban különböző sebességű mérőjel vezetésére, vagy görbe alaprajzú profilok mérésére. Térbeli vonalak, szintvonalak, vagy különböző profilok kiértékelésekor nem tároljuk az összes értéket, hanem gyakran egy állandó út- vagy időintervallum szerint rögzítjük a térbeli koordinátákat.

A koordináták tárolásával párhuzamosan vagy egy kis időeltolással az XYZ koordinátákat egy elektronikus vezérlésű rajzoló berendezésen grafikus formában is megjeleníthetjük. A plotteren grafikus formában megjeleníthetjük a mérési eredményt alaprajzként, szintvonalrajzként, vagy metszetekként.

Az analitikus plotterekhez kapcsolható kiegészítő berendezések, eszközök a kiértékelés pontosabbá, könnyebbé, kényelmesebbé, gyorsabbá tételét szolgálják.

Ilyen kiegészítő berendezés lehet:

  • zoom optika (különböző nagyítás alatt szemlélhetjük a képeket),

  • kézi és szabadkézi mérőjel vezetés,

  • a folyamatvezérlő számítógép mellé egy másik számítógépes rendszert építenek ki (osztott erőforrású analitikus plotterek),

  • grafikus képernyő (kétmonitoros rendszerek) a kiértékeléssel egyidejű megjelenítésre,

  • képkorrelátor (a kép és a kiértékelés egymásra vetítése).

Foglaljuk össze az analitikus plotterek jellemzőit:

  • nagy mérési pontosság (1 ÷ 3 μm),

  • a kiértékelés pontossága nő a szabályos hibák figyelembe vételével (film méretváltozása, elrajzolás, refrakció, földgörbület), valamint a tájékozások matematikai eljárásokkal, kiegyenlítéssel történő meghatározásával,

  • univerzális felhasználhatóság (földi-, légi- és űrfelvételek, mérőkamerával és egyéb szenzorokkal készült felvételek kiértékelése), tetszőleges helyzetű képpárok kiértékelése,

  • magas termelékenység (részben automatizálhatók a kiértékelések),

  • széleskörű felhasználhatóság (részletmérés, pontsűrítés, speciális feladatok, stb.).

Manapság az analitikus kiértékelő műszereket nagy programcsomagokkal látják el, hogy segítségükkel, úgynevezett digitális objektummodelleket lehessen kialakítani. A programokat két csoportba soroljuk:

A rendszerprogramok, amelyek a műszer működtetéséhez szükségesek. Ilyenek, pl. a tájékozásokra (belső- relatív és abszolút tájékozás), a projekt adatok, a kameraadatok, az illesztőpontok és a tervezett pontok kezelésére szolgáló programok.

A modulrendszerű felhasználói programok (opcionális programok) közül nem kell mindegyiket megvásárolni, csak azokat, amely feladatokra a műszert használni akarjuk. A nagyon sokféle felhasználói program közül csak kiemelünk néhányat: szekvenciális kiegyenlítés, statisztikai hibaszűrés, szabályos hibák bevonása, on-line minőség ellenőrzés, háromszögelések (sor- és tömbháromszögelés), közvetlen modell-elrendezés háromszögelés után, kompatibilis adatkimenet alkalmazói szoftverekhez, digitális pontátvitel, pontszámozás tervezése, nyalábkiegyenlítés limitált számú képre (max. 100 kép), nyalábkiegyenlítés tetszőleges számú képre, strukturált digitális térképező program-rendszerek, földi-, illetve közel-fotogrammetriai programcsomag, digitális felületmodell mérése, szintvonalszerkesztés.

Magyarországon a Kern DSR1, a Leica SD2000-es (11-9 ábra) és az ALPHA2000-es (International Imaging System, USA) univerzális analitikus plottereket használják, használták a gyakorlatban.

Tanszékünk rendelkezik SD 2000 analitikus plotterrel, ezért néhány fontosabb jellemzőjét megadjuk:

Képtípus: üveg vagy film (üveg esetében 0,8 és 1,6 mm fókuszkorrekció)

Képméret: maximum 23x23 cm

Szemlélőrendszer: 3x – 18x nagyítás, a látómező 60 mm (3x) – 10 mm (18x)

Mérőjel: színes mérőjel folyamatos megvilágítással és méretváltozással (20 – 140 μm)

Feloldás: > 160 vonalpár/mm (18X)

Képforgatás: 360o Dove prizmával

Feloldás: 1 μm

Pontosság: 3 μm

11-9. ábra SD 2000 analitikus plotter

Az egyszerűsített analitikus plotterek egy része működési elvét tekintve hasonló az univerzális analitikus plotterekéhez, csupán némi korlátozással (pl. kisebb képméret) működnek. Ezeket nevezzük tárgykoordinátával vezérelt analitikus plottereknek (11-10. ábra)

11-10. ábra Tárgykoordinátával vezérelt egyszerűsített analitikus plotter [1]

Egy másik részük, az ún. képkoordinátával vezérelt analitikus plotterek (11-11. ábra) közvetlenül képkoordinátákat (4 adat) mérnek és regisztrálnak a hagyományos sztereokomparátoroknál megszokottak szerint, és a léptetőmotorok ezek alapján mozgatják a képtartókat.

11-11. ábra Képkoordinátával vezérelt egyszerűsített analitikus plotter [1]