Fotogrammetrické systémy na VVUÚ a VŠB TUO

Ličev, Lačezar1
1 Ing., CSc., Katedra informatiky, Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU v Ostravě, tř. 17.listopadu 15, 708 33 Ostrava-Poruba.
e-mail Lacezar.Licev@vsb.cz, URL http://www.vsb.cz/~lic10

V příspěvku jsou popsané systémy, které byly vyvinuté na VVUÚ v Ostravě-Radvanicích, na BMZ VŠB TUO a na Katedře informatiky VŠB TUO. Řešení fotogrammetrických úloh s využitím výpočetní techniky vytváří nový prostor pro rozvoj tohoto odvětví. Vyvinuté systémy vytvářejí komfortní prostředí při měření různých objektů na fotografii pomoci osobního počítače. Tyto systémy byly s úspěchem prezentovány v tuzemsku i v zahraničí.

Na Báň;ské měřické základně VŠB TU v Ostravě byla ve spoluprácí s VVUÚ v Ostravě-Radvanicích vypracována jednosnímková fotogrammetrická metoda pro zaměřování profilů;, svislosti a přímosti svislých dů;lních děl ve dvou variantách (Gavlovský, 1991). Byla to jednak metoda s použitím olovnic jako vlicovacích bodů; a jednak metoda bez použití olovnic. Obě tyto metody byly odzkoušeny a aplikovány především v dolech OKR. Každá z nich má své výhody i nevýhody. Společ;né pro obě metody je zábleskové osvětlovací zařízení, které je zdrojem rovinného svazku světelných paprsků;.

Metoda měření na VVUÚ Ostrava-Radvanice

Metoda (Fojtů, 1991 a Ličev, 1991), která byla použita při diagnostice jam představuje jednosnímkovou fotogrammetrickou metodu využívající současně dvě světelné roviny. Na každém snímku jsou zobrazeny dva vodorovné profily vzdálené od sebe o konstantní svislou vzdálenost D. Princip spočívá v tom, že ve výchozím profilu (např. na ohlubni jámy) nastavíme fotogrammetrickou soupravu tak, aby vyšší ze dvou světelných rovin byla přesně v úrovni výchozího profilu. V profilu si zvolíme nejméně dva vhodné body (např. rohy dvojice průvodnic), jejichž vzájemnou polohu určíme. Po expozici bude na snímku zobrazen nejen tento výchozí profil, ale i následující. Po spuštění celé soupravy o hodnotu D bude horní světelná rovina v úrovni profilu č.2, profil č.3 bude o hodnotu D níže. Postup opakujeme v celé zaměřované hloubce jámy.

Metoda měření na BMZ VŠB TUO

Metoda využívaná na BMZ VŠB TUO (Gavlovský, 1990), (Černý, Gavlovský, 1991), která byla použita při diagnostice jam představuje jednosnímkovou fotogrammetrickou metodu využívající jednu světelnou rovinu. Na každém snímku je zachycen nejen vlastní profil jámy, průvodnic, potrubí atd., ale i průsečíky světelné roviny s dráty olovnic. Vzdálenost fotokomory a roviny je stálá, proto i měřítko všech snímků je stejné.

Před měřením je nutno zvolit vhodný interval zaměřovaných profilů (např. 10 m) a označit jejich polohu v jámě. Nevýhodou této metody je náročná manipulace s olovnicemi, a tedy i nutnost delšího zastavení provozu v jámě. Při větších hloubkách je nutno olovnice pracně zklidňovat nebo převěšovat.

Fotogrammetrická souprava

Snímkování se provádí pomocí fotogrammetrické soupravy vyvinuté na BMZ VŠB TU v Ostravě a na VVUÚ Ostrava-Radvanice (ČS vynálezy), (Černý, Gavlovský, 1991). Souprava je sestavena z měřičské kamery (letecká fotogrammetrická komora AFP 21 sovětské výroby formátu 13x18 cm.), která je zavěšena pod těžní nádobou. Pod kamerou je zavěšeno horní osvětlovací zařízení a o 6 m (D = 6 m) níže je zavěšeno dolní osvětlovací zařízení. Jedná se o speciální bleskové zařízení vybavené prstencovou čočkou pro vytváření světelné roviny (osvětlovací zařízení sestrojeno na tehdejším Ústavu pro výzkum rud Praha). Uvnitř nádoby je při měření umístěn ovládací panel, ve kterém jsou v plechovém krytu umístěny rovněž akubaterie o celkovém napětí 24 V. Pomocí tohoto ovládacího panelu je zabezpečeno řízení celého procesu. Celková délka zařízení pod klecí je asi 18 m.

Měření ujeté délky je kontrolováno pomocí měřičského kola umístěného ve strojovně. Jeho obvod je asi 1 m.

Digitalizace obrazu snímku

Při digitalizace obrazu snímku pomocí monokomparátoru ASCORECORD výstupní hodnoty jsou tvořeny pravoúhlými snímkovými souřadnicemi v souřadnicové soustavě monokomparátoru ASCORECORD (CS vynálezy), (Fojtů, 1991), (Ličev, 1991), (Černý a kol., 1989) a (Černý, Gavlovský, 1991), které jednoznačně určují polohu vybraných bodů na výztuži a výstroji jámy. Z funkčního hlediska se jedná o polohu rámových značek, které orientují snímek v rámci měření, dále o polohu bodů na boku a čele průvodnic a polohu vybraných bodů na výztuži. Na snímku může být digitalizován libovolný počet bodů, které musí být pro jeden soubor snímků konstantní.

Digitalizace obrazu snímku na PC spoč;ívá ve vytvoření tzv. bitmapových souborů; ve formátu Microsoft Windows Bitmap (BMP, DIB) (Lič;ev, 1998). Tyto soubory jsou vytvořeny nascanováním jednotlivých dů;lních snímků; v dostateč;ném rozlišení. V těchto souborech jsou tedy zachyceny “řezy” jámou v rů;zných hloubkách. Ke každému BMP souboru je systémem vytvořen textový soubor stejného jména s příponou FTM, ve kterém je uveden odkaz na BMP soubor (snímek), veškeré další informace týkající se umístění vlícovacích a zájmových bodů; na snímku, definice zájmových objektů; a informace o hloubce.

Každý snímek je reprezentován souborem hodnot souřadnic X a Y jednotlivých bodů;. Takto vytvořena množina souborů; je pak následně zpracovávána poč;ítač;ovým systémem.

Systém "JULA" realizování na VVUÚ v Ostravě-Radvanicích

Řízení samotného zpracování spočívá v obsluze menu a příslušné periferie. Obsah a popis jednotlivých činností s příslušnými komentáři vytvářejí pro uživatele jednoduché uživatelské prostředí.

Po odstartování si systém vyžádá zadání "hesla", kterým je chráněn proti neoprávněnému použití.

Po této činnosti pak systém pokračuje zobrazením menu (viz. obr. č. 1) obsahující tyto činnosti:

 

FOTOGRAMMETRICKÝ VYHODNOCOVACÍ SYSTÉM

Analýza snímku

Syntéza snímků;

Syntéza měření

Archivace

Obr. 1. Menu systému JULA

Analýza snímku

Po volbě této č;innosti se nám zobrazí na monitoru submenu s názvem editace parametrického souboru. V něm jsou uloženy informace o jednotlivých bodech na snímku.

Činnosti submenu jsou:

Po ukončení práce s parametrickým souborem činnost systému pokračuje zobrazením submenu "ANALÝZA SNÍMKU". Zde musíme zadat číslo snímku. Činnosti, které uživatel může zvolit, jsou následující:

Syntéza snímků

Syntéza snímků jako taková obsahuje tyto činnosti:

Grafickou interpretací můžee rozdělit na grafickou interpretaci na monitoru s možností hard copy na tiskárnu a plloteru. Zde patří tyto interpretace:

Syntéza měření

Toto submenu obsahuje tyto činnosti:

Archivace dat

Archivace dat je velmi důležitá činnost pro spolehlivou práci se systémem. Prostřednictvím této činnosti zabezpečujeme archivaci dat z aktuálního zpracování, obnovení dat z předcházejících zpracování nebo archivaci systému na diskety.

Systém "FOTCOUNT" realizován na BMZ VŠB TU v Ostravě

Po spuštění programu se objeví dotaz na zadání kódu důlního díla. Po kontrole systém pokračuje vypsaním na obrazovce hlavního menu (viz. obr. č.2.), (Kovář, 1992).

Měřítko

Transformace¦

Horizontální řezy ¦

Vertikální řezy

Konec

Obr. 2. Menu systému FOTCOUNT

Výpočet měřítka

K výpočtu měřítka snímků je třeba zadat vzdálenosti naměřené v terénu přímo a označení odpovídajících bodů na snímcích v příslušných horizontech. Program to umožňuje za použiti editační tabulkou:

V této tabulce je nutno vyplnit čísla snímků, označení měřených bodů a změřené vzdálenosti.

Hodnota průměrného měřítka se použije pro výpočet transformace. Tabulku měřítka lze kdykoliv doplňovat a opravovat a poté znovu vypočíst měřítko.

Transformace

Transformaci je možno provést až po výpočtu měřítka. Po zvolení položky transformace v menu se objeví tabulka pro zadání transformačních prvků: střed transformace - zadává se označením bodu, který bude středem transformace. Zároveň je nutno zadat číslo prvního a posledního transformovaného snímku.

Protože se na komparátoru často měří některé body pomocí několika pomocných bodů, ale pro zobrazení a výpočty je nutný pouze jeden bod, musí se všechny takto změřené snímky přepočíst. Tato situace je řešena pomocným programem "CENTER".

Horizontální řezy

Výpočet a zobrazení horizontálních řezů je možno uskutečnit až po úspěšné transformaci a úpravě programem "CENTER". Horizontální řezy lze provést na obrazovku nebo na tiskárnu.

Při volbě řezů bez tisku následuje grafická obrazovka, zde je nutno zadat číslo požadovaného snímku.

Při volbě s tiskem následuje zadání prvního a posledního snímku pro tisk. Poté se vytisknou na tiskárnu horizontální řezy těchto snímků.

Vertikální řezy

Výpočet a zobrazení vertikálních řezů je možno uskutečnit až po úspěšné transformaci a úpravě programem "CENTER".

Řez je počítán jako kolmý průmět zájmových bodů do svislé roviny pootočené do zadaného směrníku.

Vertikální řezy lze provést na obrazovku nebo na tiskárnu. Zobrazení a tisky řezů je možno dělat kdykoli po uskutečněném výpočtu řezu.

Systém "FOTOM" realizování na Katedře informatiky FEI VŠB TU v Ostravě

Oblast digitální fotogrammetrie se zabývá možností použití výpoč;etní techniky ve fotogrammetrii (Holuša, 1997) a (Lič;ev, 1997). Je naprosto zřejmé, že poč;ítač;e mohou v mnoha směrech usnadnit, zpřesnit a zefektivnit práci, jež se v tomto oboru uplatň;ují.

Posledním krokem ve vývoji fotogrammetrie je kompletní zpracování digitální metodou. To znamená, že veškerá měření se neprovádějí na fotografiích, nýbrž na digitalizovaných obrazech přímo v poč;ítač;i. Technologie převodu světelné informace do digitální formy mohou být dvojího druhu. První metoda spoč;ívá v nascanování měřických snímků; kvalitním scannerem. Druhá, zatím spíše experimentální metoda je založena na přímé digitalizaci obrazu ihned za objektivem kamery a úplně z procesu vynechává klasickou fotografickou techniku. Využití digitální fotogrammetrie plně umožnily až výkonné pracovní stanice; dnes dokonce postač;uje běžný lepší poč;ítač; typu PC.

Systém obsahuje dva moduly, jeden pro analýzu jednotlivých snímků; a druhý pro syntézu snímků;. Popis modulů;:

FOTOM:


Obr. č; 3 - Modul FOTOM - popis hlavního okna

V tomto modulu uživatel urč;uje orientaci snímku pomocí dvou vlícovacích bodů; a označ;í na snímcích tzv. zájmové body. Poté nad těmito zájmovými body definuje rů;zné druhy zájmových objektů; (Holuša, 1997) a (Lič;ev, 1997). Tyto mohou být:

Tyto objekty mů;žeme okamžitě zkontrolovat, jak “zapadají” na fotografii do skuteč;ných objektů;. Dále mů;že provádět nad definovanými zájmovými objekty rů;zné druhy výpoč;tů; (vzdálenosti, úhly, atd.).

FOTOM2:

V tomto modulu uživatel provádí syntézu více snímků;. To znamená, že mů;že sledovat změnu všech parametrů; zájmových objektů; v závislosti na hloubce pořízení snímku - má možnost “celkového pohledu” na zájmové objekty v jámě v celé délce proměřovaného úseku (Holuša, 1997) a (Lič;ev, 1997).

Tento modul dále umožň;uje tisk aktuálně zobrazených grafů;, prohlížení tabulek hodnot těchto grafů; a výstup těchto tabulek do textových souborů; nebo tiskových sestav.

Nové trendy v dů;lní fotogrammetrii spoč;ívají v rozšíření funkč;ních možností systému FOTOM, FOTOM2 a doplnění systému o nové moduly FOTOM3 a FOTOM4 umožň;ující 3D modelování díla a animaci procesů; měření. Toto rozšíření lze charakterizovat takto:

Touto fotografickou aparaturou a těmito poč;ítač;ovými systémy byla provedena tato měření v rámci OKD a.s.

Systém ”JULA”:

Na VIII. kongresu mezinárodní společnosti důlních měřičů /ISM/ pořádaném univerzitami v Kentucky, USA (Janas, Fojtů, 1991) byly výsledky dosažené tímto systémem hodnoceny velmi dobře.

Systém ”FOTCOUNT”

Funkčnost programu byla testována na datových souborech 88 snímků dodaných VŠB TUO - BMZ. Program poskytuje uživateli vysoký komfort v průběhu celého vyhodnocování.

Systém ”FOTOM”

Funkčnost programu byla testována na datových souborech 100 snímků dodaných VŠB TUO - BMZ. Program poskytuje uživateli vysoký komfort v průběhu digitalizace snímků a celého vyhodnocování.

Řešení fotogrammetrických úloh za využití výpoč;etní techniky vytváří nový prostor pro rozvoj tohoto odvětví. Fotogrammetrický systém FOTOM vyřešil konkrétní požadavek kladený na dů;lní fotogrammetrii jako ucelený systém na kvalitativně vyšší úrovni, než jsou stávající technické a softwarové prostředky.

Z předložených výsledků; měření byla poskytnuta vedoucím i technickým pracovníků;m dolů; velice podrobná a zároveň; dostač;ující informace o měřeném objektu.

Fojtů B.: Technická zpráva VVUÚ, leden 1991

Fojtů B., Schreiber P.: Breakthrough oft Shaft Construktion During Deepening, září 1991, Kentucky USA

Fojtů B., Dombrovský Z.: Coal Seam Extraction in Safety Shact Pillar, the Photogrammetric Measarument of a Shaft by the Veritikal Polygeometric traverse, září 1991, Kentucky USA

Černý I., Levy K., Mučková J.: fotogrammetrická metoda pro zjišť;ování deformací důlních jam - Sborník Důlní měřictví v socialistických státech, svazek 11, Leningrad 1988

Černý I., Mikulenka V., Kičmer M.: Využití plošného senzoru CCD jako souřadnicového snímače-přednáška na sympoziu"Využití optoelektroniky v geodézii", záři 1989

Černý I.: Fotogrammetrická měření svislosti průvodnic výstroje jámy Mir 4, Darkov Dolu 1, Máj - Uhlí 8/1989

Černý I,Gavlovský E.: Odborná činnost na BMZ-referát na VIII svět. kongresu IMS v USA, IX.1991

Černý I.: Závěrečná zpráva k úkolu II-6-5/0301- Zaměřování deformaci důlních jam - dodatek - HGF, červen 1990

ČS vynálezy:

- AO 175 220 o názvu "Způsob fotogrammetrického zaměřování"

- AO 241 367 o názvu "Vertikální fotogrammetrická souprava se světelnou rovinou"

- AO 235 342 o názvu "Nosné zařízení vertikální fotogrammetrické soupravy pro měření jam z těžní nádoby"

Gavlovský E.: Zaměřování a mapování v lomů, VŠB TUO, 1990

Holuša T.: Počítačové zpracování fotografie, Diplomová práce, VŠB - TUO, FEI, 1997

Janas P., Fojtů B.: Cestovní zpráva ze služební cesty v USA, říjen 1991, VVUÚ Ostrava-Radvanice

Kovář L: FOTCOUNT- Programátorská dokumentace, BMZ VŠB TU v Ostravě, 1992

Ličev L.: Programátorská dokumentace k programovému systému, prosinec 1991

Ličev L.: Uživatelská dokumentace k programovému systému, prosinec 1990

Ličev L.: Fotogrammetrické měření důlních jam, Habilitační práce, VŠB - TUO, FEI, 1997

Ličev L. a Holuša T.: Nové řešení důlní fotogrammetrie na PC, 2/1998, URGP Praha, 1998

Ličev L.: New approaches to mining photogrammetry using PC, 5 nacionalna konferencija Varna ´98, MGU Sofia, 1998

Ličev L. a Holuša T.: Fotogrammetrické měření důlních jam, Konference GIS'99 VŠB TUO, HGF, 1999

Ličev L.: System for control of deformation of mine machines with help of photogametry, Minnig Softrware & Information Techlogies, Sofie, 1/1999.

Ličev L.: One new decision of mine photogrammetry for PC, Minnig Softrware & Information Techlogies, Sofie, 2/1999.

Krško A, Tomková E.: Programovací jazyk PP BASIC, KS, k.ú.o. závod Ostrava,1986

Král S.: Digitální fotogrammetrie vytvoření mapy z leteckých snímků, ELEKTRONIKA 1/1996

Murray J., vanRyper W.: Encyklopedie grafických formátů, Computer Press, 1995, Praha

Martin K.: Digitální fotografie, Chip special, Praha, 1995

Maršík Z.: Fotogrammetrie I, II, III, VUT Brno, 1982

Obůrka O. a kolektiv: Analytická geometrie křivek a ploch, VUT Brno, 1974

Schejbal C.: Geologická informatika, 1. vydání, Ediční středisko VŠB, Ostrava 1994

Sojka E.: Digitální zpracování obrazu, učební text, VŠB - TUO, FEI, 1994

Šmidrkal J.: Fotogrammetrie I - Teoretické základy, ČVUT Praha, 1985

Technické zprávy k provedeným měřením:

-Důl ČSM závod jih-výbušná jáma ve Stonavě, dne 13.10.1991 -Důl Paskov-vlažná jáma, dne 26.10.1991

-Důl Darkov, dne 29.3.1992

-Důl ČSM ve Stonavě-větrný vrt, dne 20.3.1992

Tomášek Z.: Fotografujeme na černobílý film, 3. vydání, Merkur, Praha 1984

Tomsa M.: Teoretické základy letecké fotogrammetrie, Academie, Praha, 1984

Walz P.: Photo-CD mit dem PC, Chip special, Praha, 1995