Digitální pozemní fotogrammetrie na ČVUT v Praze

Ing. Miluše Valentová
katedra mapování a kartografie
fakulta stavební
ČVUT v Praze
Thákurova 7, Praha 6, 166 29
E – mail: miluse.valentova@fsv.cvut.cz

Photogrammetry is a branch, which is engaged in information processing, mainly of objects of measurement, specified by photographs. Photogrammetry can be divided according to certaiín views: According to the standpoint position of photography, it comprises terrestrial and aerial photogrammetry. According to the numbers of photos, it is divided into single image photogrammetry and stereophotogrammetry. According to the method of evalution, it comprises analog, analytic and digital photogrammetry. Terrestrial photogrammetry finds its use in surveying of facades, quarries, banks of rivers and so on. It offers a great potential in monuments preservation for surveying of paintings, frescos, statues, interiors of buildings and another architectural details. Digital method is used first of all for terrestrial so for air photogrammetry today. Aerial photogrammetry found its fantastical using by production GIS. Ortofoto of territory creates one of layer in GIS. Terrestrial photogrammetry is left out a little in this regard. I would refer to possibilities of application GIS in the terrestrial photogrammetry and presence projects working at CTU in Prague in this article.

Fotogrammetrie je vědním oborem, který se zabývá zpracováním informací, získaných o objektech měření zpravidla na fotografických snímcích. Fotogrammetrie se dělí podle několika hledisek. Podle polohy stanoviska fotografování na pozemní a leteckou, podle počtu snímků na jednosnímkovou a dvousnímkovou a podle způsobu vyhodnocení na analogovou, analytickou a digitální. V současnosti se využívá především metoda digitální, a to jak pro pozemní tak pro leteckou fotogrammetrii. Letecká fotogrammetrie nalezla své obrovské uplatnění při tvorbě GIS. Ortofoto území tvoří jednu z vrstev v GIS. Pozemní fotogrammetrie je v tomto ohledu trochu opomíjena. Ráda bych v tomto článku poukázala na možnosti aplikace GIS v pozemní fotogrammetrii a prezentovala projekty zpracovávané na ČVUT v Praze.

Pozemní fotogrammetrie nachází dnes své uplatnění při zaměřování fasád staveb, lomů, břehů říčních koryt. Velké možnosti nabízí v oblasti památkové péče při zaměřování fasád, vnitřních interiérů staveb, maleb, fresek, soch a jiných architektonických detailů. Naše země má mnoho nádherných památkových objektů. K mnoha z nich se však vůbec nedochovaly dokumentační materiály, které by věrohodně zachycovaly původní stav stavby, nebo jsou v takovém stavu, že jsou jen s těží využitelné. Nyní si položme otázku, existuje nějaká vhodná metoda, kterou by možné zjistit prostorové vztahy na objektu a zároveň by poskytla i dokumentaci stávajícího stavu? Samozřejmě existuje. Klasické geodetické metody toto umožňují, fotogrammetrické metody také. Nespornou výhodu při fotogrammetrickém zaměření a zpracování vidím ve skutečnosti, že při fotogrammetrickém zpracování je jedním z výstupů fotografie. Fotografie nese informace, které na jakémkoli vektorovém plánu, ať sebepřesněji vyhotoveném, není možné zachytit. Fotografie zachycuje jevy skutečně, s minimálním stupněm generalizace, které se při vektorovém zpracování nemůžeme vyhnout. Zaměřováním památkových objektů se již několik let zabývá laboratoř fotogrammetrie na ČVUTv Praze.

Laboratoř fotogrammetrie na Fakultě stavební ČVUT Praha je největším univerzitním pracovištěm svého druhu v České republice.Je vybavena řadou fotogrammetrických komor UMK 6.5,10,20,30, SMK 5.5 a Rolleiflex 6006 Metric, Olympus Camedia 2000C digital pro pozemní fotogrammetrii, přesnými komparátory STECOMETER a DICOMETER s přesností 0,02 mm a dále množstvím starších analogových přístrojů s výstupem na PC (TECHNOCART, TOPOCART, STEREOMETROGRAPH, WILD). Nově je laboratoř vybavena digitální technologií DVP (Leica), VSD (Polsko, Krakow) a českou fotogrammetrickou stanicí PhoTopol s krystalovými brýlemi. Úzce spolupracuje s mnoha odborníky z řad architektů a památkářů a řeší v rámci diplomových, doktorandských prací a grantových úkolů řadu zajímavých projektů. Postupně se pokoušíme o vytvoření nových možných technologií zpracování informací z fotografií, které by využívaly možností digitálních metod pozemní fotogrammetrie

Za všechny projekty si dovolím jmenovat alespoň některé:

Každý nový projekt s sebou přináší nutnost řešit nové, pro ten který projekt specifické, problémy, které se při řešení předchozích úkolů neobjevily. I když je pravdou, že co projekt, to originální řešení, přece jen mají všechna řešení společný atribut a tím je postup zpracování. Lze obecně vyjádřit následnost jednotlivých procesů zpracování a zobecnit je pro většinu prací. Na dalších řádcích se pokusím o nástin možné technologie zpracování projektů.

Prvním krokem při řešení projektu je vždy zadání úkolu a vyjasnění, co si zadavatel přeje a co mu zpracovatel může nabídnout. Toto je nesmírně důležitá část celé spolupráce mezi oběma stranami, troufnu si říci, že nejdůležitější, protože na požadavcích zadavatele stojí následná volba metod měření a zpracování a z toho se odvíjí celková cena prací. Ale to netřeba odborné veřejnosti příliš zdůrazňovat.

Přistupme nyní k obecnému schématu prací. To vypadá následovně:

Nyní stručně k jednotlivým bodům.

Účel geodetického zaměření spočívá v určení prostorové polohy dostatečného počtu vlícovacích bodů. Hovoříme-li o geodetickém zaměření všem se jistě vybaví totální stanice, které ovládly trh geodetických přístrojů. Jak lze využít schopností totálních stanic pro geodetické práce při fotogrammetrickém zaměření. V prvé řadě je třeba si uvědomit, že ve většině případů jsou vlícovací body nepřístupné. Tím pádem odpadá možnost měření vzdálenosti na hranol a ztrácí smysl hovořit o polární metodě měření vlícovacích bodů nebo o metodě protínání z délek. Nejčastější metodou pro měření vlícovacích bodů je proto protínání ze směrů. Nejefektivnějším řešením by bylo využít možností totálních stanic s pasivním odrazem. Zde je omezením přesnost geodetického zaměření a dosah příslušného laseru. V červnu roku 2000 jsme provedli testování dvou totálních stanic při zaměření vlícovacích bodů na fasádě budovy. Výsledky testování nám ukázaly, že poloha bodů zaměřených testovanými totálními stanicemi s pasivním odrazem není určena s dostatečnou přesností. Dále bych chtěla podotknout, že dosud žádný geodetický software neobsahuje program, který by uměl počítat současně všechny tři souřadnice. Domnívám se, že fotogrammetr by ocenil úlohu, která by mu z jednoho vstupního souboru, který obsahuje z několika stanovisek záměry na zvolené vlícovací body s měřenými horizontální a vertikální úhly, dokázal spočítat všechny tři souřadnice a uložit je do výstupního souboru ve formě číslo bodu, souřadnice X, Y a Z ve zvolené souřadné soustavě

Fotografické práce obsahují proces vlastního fotografování, skenování negativů, příp. vyvolání fotografií a následné skenování fotografií nebo převod primárně získaného digitálního obrazu a vyhodnocovatelské práce.

Pro fotografování používáme komory UMK 6.5,10,20,30, přístroj Rolleiflex 6006 Metric a digitální fotoaparát Olympus Camedia 2000C. Univerzální měřické komory mají objektivy s vynikajicími parametry a jsou vyhovující pro přesná měření, nevýhodou zůstáva jejich velikost a váha. Primárně jsou komory určeny pro fotografování na skleněné desky 13x18cm, v současné době často fotografujeme rovněž na film o stejných rozměrech. Přístroj Rolleiflex 6006 Metric je fotografický přístroj, zástupce tzv. réseau komor, což jsou komory, které mají v ohniskové rovině umístěnou planparalelní destičku s referenční mřížkou. Mřížka obsahuje pravoúhlou síť 11x11 křížků vzájemně od sebe vzdálených 5mm. Poloha křížků je známa s vysokou přesností (jednotky mikrometrů). Fotografuje se na svitkový film, tedy film 6x6cm. Fotoaparát Olympus Camedia 2000C je digitální fotografický přístroj, který sice nemůže svými parametry konkurovat komorám UMK ani komoře Rolleiflex 6006 Metric, ale je velmi operativním nástrojem při fotografování detailů nebo objektů, u nichž není vyžadována vysoká přesnost vyhodnocení. Fotoaparát Olympus Camedia 2000C patří mezi digitální přístroje označované jako poloprofesionální. Přístroj obsahuje senzor s rozlišením 2.1megapixelu (1600x1400 pixelů), uzávěrku, která je mechanická, a pracuje v rozsahu 1/2-1/2000 sekundy, zoom objektiv, dále umožňuje volit citlivost 100,200,400 ISO. Digitální obraz zaznamenává na paměťovou kartu SmartMedia (SSFDC) s možností volby JPEG a TIFF. Přístroj má vestavěné zábleskové zařízení a na zadní straně je LCD TFT display, který umožňuje kontrolu již pořízených snímků a vyhledání vhodného záběru před vlastní expozicí. Při práci s digitálním fotoaparátem Olympus odpadá jeden mezikrok, kterým je vyvolání naexponovaných desek, filmů, případně vyhotovení zvětšenin. Další významnou výhodou tohoto fotoaparátu je možnost fotografování a následného mazání nepovedených nebo nadbytečných snímků přímo v terénu bez jakéhokoli znehodnocení fotografického materiálu.

Při fotografování na film či skleněné desky je třeba převést analogový záznam obrazu do formy, která umožňuje následné digitální zpracování. Tímto převodem je skenování. Kvalita skenování je jedním z faktorů, který ovlivňuje výslednou přesnost. Existuje velké množství skenerů, pomocí nichž lze převést analogovou fotografii do digitální podoby. Při výběru vhodného skeneru je třeba vybírat podle parametrů. U skenerů jsou důležité následující parametry:

Jak je vidět z výše uvedených parametrů, výběr skeneru vhodného pro fotogrammetrické práce není jednoduchou záležitostí, neboť ne každý skener se může být využíván pro přesné fotogrammetrické práce. Před vlastním skenováním je třeba se rozhodnout, co se bude skenovat. Zda skleněná deska, film nebo zvětšeniny. Výběr předlohy pro skenování je dán požadovanou přesností výsledku. Nejkvalitnější předlohou je bezesporu skleněná deska, pak film a na posledním místě zvětšenina, u níž je největší pravděpodobnost plošné srážky a deformací. Po zvážení všech vlivů, které působí na přesnost vstupních digitálních dat, je možné přistoupit k vlastnímu fotogrammetrickému vyhodnocování.

Možné metody fotogrammetrického vyhodnocení jsou tři: jednosnímkové překreslení (Topol, MSR), průseková metoda (CDW) nebo stereovyhodnocení (PhoTopoL, VSD, DVP). Jednosnímkové překreslení lze použít při vyhodnocení např. rovinných objektů bez výrazné hloubkové členitosti, pokud je požadován pouze 2D výstup. Přesnost vyhodnocení pak záleží na kvalitě objektivu, konstantě komory, vzdálenosti fotografování a směru osy záběru vůči fotografovanému objektu. Další metodou je průseková metoda, která je výhodná při vyhodnocování objektů, které jsou hodně prostorově členité. Při fotografování je možné s naprostou volností volit stanoviska i směry fotografování. Výhodou je dále při výpočtu absolutní orientaci paprskové vyrovnání svazků, které zaručí vzájemnou návaznost všech snímků modelu. Tuto metodu nelze použít pro zpracování hladkých objektů, na nichž nejsou jednoznačně identifikovatelné body. Při stereovyhodnocení je možné měřit i na hladkých plochách, na kterých nelze jednoznačně identifikovat polohu měřeného bodu. Software pro stereovyhodnocení dostupný v naší laboratoři neobsahuje možnost vyrovnání více stereopárů, které jsou vůči sobě v obecné poloze. Tento způsob zpracování by byl vítáný při vyhodnocování objektů jako jsou např. sochy, kde je třeba měřit kolem dokola. Výstupní soubor fotogrammetrického vyhodnocení obsahuje body a linie (2D nebo 3D). Pro následné zpracování je nejvýhodnější vyexportovat vyhodnocení do formátu DXF. Mimo vektorový výstup je často požadováno zadavatelem ortofoto, nebo fotoplány.

Další práce se týkají úprav linií a bodů do podoby drátového 2D nebo 3D modelu zpracovávaného objektu v některém z CAD systémů. Na tomto místě pohovořím o zkušenostech, které máme při zpracování v programech MicroStation a AutoCAD. Oba systémy mají mnoho vynikajících nástrojů pro práci s vektorovými daty. Chtěla bych však poukázat spíše na problémy, které nám ani jeden z výše jmenovaných systémů nepomohl odstranit. Problémy nastávají při 3D zpracovávání. Nenalezli jsme zatím žádný vhodný nástroj, který by nám umožnil z bodů a linií v prostoru vygenerovat plochu procházející danými body. V programu MicroStation je několik možností, jak vytvořit plochu v prostoru. Ideální by byla možnost vytvořit plochu ze zadaných bodů, které budou identifikovány výběrem. Systém MicroStation má pro tvorbu ploch celkem sedm eventualit, např. tvorba plochy z řezů, z obvodových křivek, b spline plocha procházející danými body, plocha vygenerovaná mezi dvěma profily, podél křivky, ve vzdálenosti od jiné plochy… Žádná možnost není však vhodná pro naše potřeby. Jediná, která se zprvu zdála býti vhodnou, byla generace b spline plochy, tam jsme ovšem ztroskotali na požadavku systému, aby byla plocha tvořena po řádcích a v každém řádku byl stejný počet bodů. Ani v systému AutoCAD jsme neobjevili vhodnou funkci pro generaci 3D ploch z množiny bodů. Chtěla bych poznamenat, že oba systémy jak MicroStation, tak AutoCAD jsou mocnými nástroji při vytváření nových objektů, menší využitelnost vidím při přesné rekonstrukci již existujících objektů. S čím větší přesností chceme získat virtuální model existujícího předmětu, tím složitější bude jeho tvorba. Tvorbou ploch však zpracování fotogrammetricky vyhodnocených dat nekončí. Body a linie, ze kterých se vytvoří plochy mají sice vysokou přesnost polohy, ale výsledný drátový model nevypadá příliš efektně. Další kapitolu při zpracování tvoří vizualizace, tedy obarvení ploch, vytvoření materiálových tapet, nasvícení scény, stínování a vytvoření reálné virtuální scény. Na půdě školy jsme měli možnost vyzkoušet si práci s programem 3D Studio MAX, který je vyučován na stavební fakultě. Je to opravdu mocný nástroj na vizualizaci. Program poměrně dobře komunikuje s výstupním formátem systému AutoCAD. Problémy nastávají při přechodu ze systému MicroStation do 3D Studia MAX. Zde je nutný mezikrok přes AutoCAD a ten je ne vždy bezproblémový. Nástroje pro tvorbu vizualizované scény obsahuje rovněž MicroStation i AutoCAD. V nedávné době jsme získali informaci o programu Rhinoceros a rádi bychom otestovali jeho možnosti. Zatím víme o tomto programu jen tolik, že umožňuje tvorbu tzv. NURBS ploch. NURBS (NonUniform Racional B-Splines) je matematická reprezentace 3D geometrie, která umožňuje přesně popsat jakýkoliv tvar od jednoduché 2D čáry, oblouku, kružnice nebo křivky až po nejsložitější 3D plochy a tělesa organických tvarů. Díky jejich flexibilitě a přesnosti můžete používat NURBS modely v libovolném procesu od ilustrace po animaci nebo sériovou výrobu. Tento software bude předmětem dalšího testování.

Výsledky vyhodnocení lze předat jako tiskové výstupy, tedy výkresy, fotoplány, ortofotomapy, soutisky vektoru s rastrem. Druhou možností je výsledky předat jako soubory na přenosovém médiu, případně vytvořit www prezentaci nebo prezentaci v programu Power Point. Možností je mnoho a vše je podmíněno přáním zadavatele a výší finančních prostředků, jimiž disponuje.

Nyní budou následovat ukázky a přehled výstupů vyhotovených při jednotlivých projektech.

Obr. 1 Foto Vladislavského sálu

Obr. 2 Soutisk vektoru a rastru klenby

Obr. 3 Vrstevnicový plán a DMT

Obr. 4: Foto areálu mešity s minaretem

Obr. 5: Vektorové vyhodnocení

Podobně jako se využívá letecké fotogrammetrie v oblasti GIS, lze využívat pro tvorbu informačních systémů i pozemní fotogrammetrii. V našem státě nejsou tyto aplikace příliš rozšířené, ale ve světě existuje již mnoho příkladů využítí v praxi. To o čem budu hovořit se nenazývá sice GIS, ale GIS v sobě obsahuje. Mezi odbornou veřejností má tato aplikace název: CAFM (Computer Aided Facility Management). Volně přeloženo to znamená počítačem podporována správa zařízení (např. budov). K čemu může být takový CAFM dobrý? Představme si, že máme budovu, která má mnoho podlaží, a chceme znát kromě jejího geometrického tvaru rovněž, kudy vede to či ono potrubí, jak je vedena elektrická energie, kdo sídlí v té které kanceláři, kudy je nejjednodušší přístup do jednotlivých podlaží pro invalidy na vozíčku… To vše může nabídnout CAFM. Velmi zajímavý projekt udělali na univerzitě ve Stuttgartu, kde takto zpracovali materiály pro budovy univerzity a vytvořili si vlastní správu všech budov. Tolik z nahlédnutí do světa GIS z pozemní fotogrammetrie.

Cílem prezentace, bylo seznámit v krátkosti odbornou veřejnost s tím, jaké máme zkušenosti s využitím digitálních metod v pozemní fotogrammetrie, jak je aplikujeme při dokumentaci památkových objektů, s jakými úskalími se potýkáme a jak je řešíme.

Na závěr bych ráda poznamenala, že všechny tyto projekty byly vyhotoveny v letech 1998 až 2000. Na projektech spolupracovali zaměstnanci laboratoře fotogrammetrie katedry mapování a kartografie ČVUT v Praze, kteří vedli studenty při diplomových projektech nebo osobně zpracovávali výše uvedené projekty. Dovolím si uvést je jmenovitě: Dr.Ing.Karel Pavelka, Ing. Jindřich Hodač, Ing. Renata Jurášková, Ing. Tomáš Dolanský, Ing. Markéta Potůčková, Ing. Jana Marešová, Ing. Miluše Valentová. Osobní stránky zaměstnanců katedry jsou na webovských stránkách katedry mapování a kartografie:

http://web.fsv.cvut.cz/lidi/k153lidi.htm

Informace o projektech je možné získat rovněž:

http://gama.fsv.cvut.cz/~hodac/vyuka/laborator_ftgm/index.html

Tento článek byl vypracován za podpory Výzkumného záměru MSM 210000007.

[1] Pavelka K., Fotogrammetrie 10, skriptum - Praha 1998,

[2] Pavelka K., Fotogrammetrie 20, skriptum - Praha 1998,

[3] Kraus, Photogrammetry, Bonn - 1997,

[4] Fritsch/Spiller (Eds.), Photogrammetric Week, 1999