Curso Técnico em Geomática 2006/1 Prof. José Aguilar Pilon.
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Curso Técnico em Geomática 2006/1
Prof. José Aguilar PilonProf. José Aguilar Pilon
Curso Técnico em Geomática 2006/1
Introdução
O que é Fotogrametria? Fotogrametria CiênciaCiência e TecnologiaTecnologia de se obter Informação Informação
ConfiávelConfiável, através de ImagensImagens adquiridas por SensoresSensores.• CiênciaCiência: : utiliza-se de métodos científicos;• TecnologiaTecnologia: lança mão do estado da arte da tecnologia;• Informação ConfiávelInformação Confiável: depende do tipo de usuário;• ImagensImagens: representações das interações da energia
eletromagnética;• SensoresSensores:: segundo (Novo, 1992), um sensor é “qualquer
equipamento capaz de transformar alguma forma de energia em um sinal passível de ser convertido em informação sobre o ambiente, sem contato físico entre este sensor e os alvos de interesse”.
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Fotogrametria X Sensoriamento Remoto
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Fotogrametria X Sensoriamento Remoto
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Faixas de Aquisição das Imagens/Fotografias
Sensores Aerotransportáveis
12 km / 40.000 pés 1,3
mil
hõ
es
- p
és
a
2
,5 m
ilh
ôe
s (
pé
s)
1 km / 3.000 pés
Sensores Espaciais
800 km / 500 milhas
400 km / 250 miles
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Objetivo da Fotogrametria
O objetivo principal da fotogrametria pode ser enunciado como: a reconstrução de um espaço tridimensional, chamado de espaço objeto, a partir de imagens bidimensionais, chamadas de espaço imagem.
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Divisão da fotogrametria:De acordo com a forma de reconstrução do espaço tridimensional podemos clasificar a fotogrametria em:
Fotogrametria Analógica;Fotogrametria Analítica;Fotogrametria Digital.
Divisão da Fotogrametria
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Divisão da Fotogrametria
Fotogrametria Terrestre;Fotogrametria Aérea;
Divisão da fotogrametria:De acordo com a posição da câmera:
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“O maior avanço já ocorrido na Fotogrametria é o aparecimento da Fotogrametria Digital .... O avanço que ora se iniciou é tão fantástico e de potencial tão ilimitado que eu não estou preocupado com os futuros desenvolvimentos .... O resultado irá ultrapassar qualquer expectativa que nós podíamos ter sonhado, simplesmente devido ao poder da tecnologia digital.”
Entrevista do Prof. Friedrich Ackermann para a revista Geomatics Info Magazine, 1995.
Fotogrametria Digital
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Fluxograma do Processo Fotogramétrico
FLUXOGRAMA DAS ATIVIDADES DE RESTITUIÇÃO E ORTORETIFICAÇÃO
01 NECESSIDADE DO TRABALHO
02 CONTATO COM EMPRESAS
03 PLANEJAMENTO DO VÔO FOTOGRAMÉTRICO
04 EXECUÇÃO DO VÔO
05 PLANEJAMENTO DO APOIO DE CAMPO (APOIO BÁSICO E FOTOGRAMÉTRICO) 07
DIGITALIZAÇÃO DA IMAGEM (FILME/DIAFILME/FOTOGRAFIAS)
06 APOIO BÁSICO E FOTOGRAMÉTRICO 08 ORIENTAÇÃO INTERNA, E ORIENTAÇÃO RELATIVA
09 PLANEJAMENTO
DA AEROTRIANGULAÇÃO
10 LEITURA DA AEROTRIANGULAÇÃO E PROCESSAMENTO
11 ORIENTAÇÃO ABSOLUTA E RESTITUIÇÃO
12 VERIFICAÇÃO E CORREÇÃO DE MODELOS ESTEREOSCÓPICOS
13 GERAÇÃO DE DTM
14 ORTORETIFICAÇÃO
15 MOSAICAGEM E CORTE DAS FOLHAS
16 TRATAMENTO DIGITAL DE IMAGEM
17 EDIÇÃO DA RESTITUIÇÃO
18 EDIÇÃO FINAL DA ORTOFOTOCARTA
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Aquisição da Fotografia
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Histórico da Fotogrametria
Breve histórico da Fotogrametria 18391839 - NIEPCE e DAGUERRE desenvolveram o processo da
fotografia; 18491849 - NADAR apresenta o primeiro trabalho de fotogrametria; 19131913 - TARDIV apresenta o primeiro trabalho de fotogrametria
utilizando fotografias tiradas de avião (AerofotogrametriaAerofotogrametria); 19201920 - Primeiro trabalho de fotogrametria no Brasil; A partir de 1990 a surgimento da Fotogrametria Digital.
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Histórico da Fotogrametria
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O Avanço Tecnológico na Fotogrametria
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
0 10 20 30 40 50 60
Tempo (Anos)
Tip
os
de
Pro
du
tos
Tec
no
lóg
ico
s (Q
tds)
19951945 1976
Linha do Tempo
Analóg
icos
Analíti
cos
Digita
is
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Fotogrametria Analógica (1/2)
O que é a fotogrametria Analógica? A Fotogrametria Analógica é a parte da fotogrametria que trata dos
aspectos geométricos do uso de fotografias, com a finalidade de obter valores precisos de comprimentos, alturas e formas, baseando-se no uso de equipamentos ótico-mecânicos analógicos. Ela é totalmente baseada no princípio da estereoscopia e na orientação analógica das fotos.
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Exemplo de um restituidor analógico
Fotogrametria Analógica (2/2)
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Fotogrametria Analítica (1/2)
O que é a fotogrametria Analítica? A Fotogrametria Analítica é a parte da fotogrametria que trata dos
aspéctos geométricos do uso de fotografias, com a finalidade de obter valores precisos de comprimentos, alturas e formas, baseando-se no uso de equipamentos eletrônicos analíticos. Ela é totalmente baseada no princípio da estereoscopia e na orientação analítica das fotos.
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Fotogrametria Analítica (2/2)
Exemplo de um Restituidor Analítico
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Fotogrametria Digital (1/2)
O que é a fotogrametria Digital? Fotogrametria Digital é a parte da fotogrametria que trata dos
aspectos geométricos do uso de fotografias, com a finalidade de obter valores precisos de comprimentos, alturas e formas, baseando-se no uso de imagens digitais, armazenadas em meio magnético, na forma de pixels. Ela é totalmente baseada no princípio da estereoscopia e na orientação analítico-digital das fotos.
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Fotogrametria Digital (2/2)
Exemplo de um Restituidor Digital
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Bases Fundamentais da Fotogrametria (1/6)
Suposições:
1. Objeto invariável durante a tomada da foto;
2. Objeto composto de um conjunto de pontos no espaço;
3. Objeto reproduzido em duas ou mais imagens.
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Bases Fundamentais da Fotogrametria (2/6)
O modelo matemático considera que a relação entre um ponto objeto, no terreno, e o seu homólogo, na imagem, é uma perpectiva central, cujos elementos principais são:1. Imagem Plana;2. Centro de projeção;3. Feixe de raios espaciais.
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Bases Fundamentais da Fotogrametria (3/6)
O = Centro de Projeção (X,Y,Z)PP = Ponto principal (0, 0)c = Distância principal calibradaFC = Centro fiducial (0,0)P’ = Imagem do Ponto P (, )P = Ponto Objeto (X,Y,Z), = Coordenadas imagemX,Y,Z = Coordenadas terreno
FC PP
P’
M
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Bases Fundamentais da Fotogrametria (4/6)
caaa
caaaZZXX
***
****)(
33032031
1301201100
033023013
0310210110 ***
****
ZZaYYaXXa
ZZaYYaXXac
033023013
0320220120 ***
****
ZZaYYaXXa
ZZaYYaXXac
caaa
caaaZZYY
***
****)(
33032031
2302202100
(Eq-2)
(Eq-1)
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Bases Fundamentais da Fotogrametria (5/6)
Das equações Eq-1 e Eq-2:
0, 0 e c - são os 3 parâmetros da orientação interior (dados pelo certificado de calibração da câmara); , - são as coordenadas imagem dos pontos (medidas) X0, Y0, Z0 - são as coordenadas espaciais do centro de projeção (calculadas pela orientação do modelo estereoscópico); , , - são os ângulos de rotação da câmara (ou da foto) em relação ao sistema de coordenadas terrestre (calculados pela orientação do modelo estereoscópico – 3 ângulos para cada foto);, - são as distorções da imagem devido a:
- distorção da lente;- distorção do filme;- refração atmosférica, e- curvatura da Terra.
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Bases Fundamentais da Fotogrametria (6/6)
1. A equação Eq-1 mostra que para cada ponto objeto existe um ponto imagem correspondente.
Por isso é que se trabalha com modelos esteroscópicos aonde se tem a possibilidade de estabelecer um sistema de equações para a solução das incógnitas envolvidas: X01, Y01, Z01 e X02, Y02, Z02, 1, 1, 1, 2, 2, 2 – 12 incógitas.
2. A equação Eq-2 mostra que para cada ponto imagem existem infinitos pontos objetos, devido a existência da coordenada Z no lado direito das equações. Isso mostra que é impossível reconstruir o espaço objeto a partir de apenas uma foto. É necessário ter uma segunda foto dos mesmos objetos ou conhecer a coordenada Z.
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Orientação do Modelo Estereoscópico (1/2)
A orientação de um modelo estereoscópico possui duas fases principais:
1. Reconstrução do feixe de raios luminosos;2. Orientação do feixe de raios luminosos.
A reconstrução do feixe de raios luminosos é feita a partir da orientação dita “interior”.
A orientação do feixe de raios luminosos divide-se em:
1. Orientação relativa;2. Orientação absoluta.
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Orientação do Modelo Estereoscópico (2/2)
O modelo esterescópico estará orientado quando a situação indicada acima for alcançada, ou seja, quando todos os raios luminosos do pontos conjugados se cruzarem e produzirem valores de coordenadas coerentes.
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Orientação Interior (1/2)
Terreno
Modelo
A orientação interior é feita para reconstruir o feixe de raios luminosos, ou seja, para permitir a existência do modelo.
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Orientação Interior (1/2)
Orientação interiorAo processo de reconstrução do feixe de raios luminosos dá-se o nome de orientação interior.
Nessa fase é preciso conhecer:1. A distância principal calibrada (c) da câmara aérea;2. A localização do ponto principal da imagem PP (0, 0);3. As coordenadas das marcas fiduciais, e4. Os valores das distorções da imagem.
- Os valores das variáveis dos itens 1, 2 e 3 são dados pelo certificado de calibração da câmara aérea que foi usada na produção das fotos em uso.- Os valores das distorções podem ser calculados através de fórmulas empíricas conhecidas.
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Orientação Relativa (1/5)
Orientação relativa
É o processo de formação do modelo, ou seja, a orientação de uma imagem em relação a outra. Trata-se, fundamentalmente, de garantir a interseção de todos os raios homólogos.O processo consiste, basicamente, em eliminar as paralaxes em X , Y e Z.O processo consiste, basicamente, em eliminar as paralaxes em X , Y e Z.
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Orientação Relativa – Componentes (2/5)
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Orientação Relativa – Rotações (3/5)
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Na prática as paralaxes são eliminadas em 6 pontos da imagem. Estes pontos são denominados de pontos de Von Gruber.
Foto 1
Foto 2
1
3 4
2
5 6
modelo
Orientação Relativa – Pontos de Von Gruber (4/5)
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Orientação Relativa - Modelo orientado (5/5)
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Orientação Absoluta (1/2)
Orientação AbsolutaÉ o processo de orientação do modelo em relação ao sistema de coordenadas de referência, ou seja, o estabelecimento da escala do modelo com suas respectivas rotações e translações.O processo consiste, basicamente, em ajustar o modelo às coordenadas de apoio medidas no campo ou geradas por um processo denominado Aerotriangulação.
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Orientação Absoluta – Componentes (2/2)
Rotação + colocação em escala
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Aerotriangulação (1/4)
Aerotriangulação é o termo frequentemente usado para designar o processo pelo qual se determinam as coordenadas do terreno X, Y e Z de pontos cujas foto-coordenadas são conhecidas. A Aerotriangulação consiste em calcular as coordenadas de pontos do terreno baseando-se no ajustamento de um bloco de fotos no qual foram medidos alguns pontos de controle suficientes para permitir o ajustamento do bloco.
Existem basicamente dois métodos de aerotriangulação:
1. Aerotriangulação por modelos independentes;2. Aerotriangulação por ajustamento de bloco.
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Aerotriangulação (2/4)
Aerotriangulação por bloco
Este método consiste em medir os pontos de ligação entre os modelos adjacentes, medir os pontos de controle e ajustar todas as medidas de uma única vez.
1. Formação do bloco;
2. Escolha e medição dos pontos de ligação “Pugagem”;
3. Medição dos pontos de controle
4. Ajustamento;
5. Detecção de erros grosseiros;
6. Novo ajustamento.
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Aerotriangulação (3/4)
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Aerotriangulação (4/4)
Aerotriangulação com suporte do GPS
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A Imagem Digital (1/22)
Uma imagem digital consiste de uma matriz G com elementos gij. Cada elemento é denominado pixel. A dimensão de cada pixel é e . Cada pixel possui um valor que varia de 0 a 255 (255 branco, 0 preto), os quais podem ser armazenados em 8 bits (28 combinações), que corresponde a 1 byte.
A foto coordenada , por exemplo, é obtida multiplicando-se o índice i pelo valor .
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A Imagem Digital – Resolução radiométrica (2/22)
Para as imagens em preto e branco, os valores dos pixels representam os tons de cinza da imagem. Para as imagens coloridas tem-se três matrizes da mesma imagem. Ver tabela abaixo.
Notar que 1 pixel = 1 byte = resolução radiométrica (256 tons de cinza)
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A Imagem Digital - Informações do Pixel (3/22)
Cada pixel armazena informações, tais como: tom de cinza; cor; posição na imagem (linha
e coluna)
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A Imagem Digital - Fontes (4/22)
Filmes fotográficos numerizados através de scanners; Câmara aérea digital; Imagens de satélite – Landsat, SPOT, Ikonos, Quick Bird, ...; Câmaras de pequeno formato – CCD; video câmaras.
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imagine uma grelha sobre um objeto
mais ou menos assim...
A Imagem Digital – Formação (5/22)
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A Imagem Digital – Formação (6/22)
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A Imagem Digital – Resolução (7/22)
Esta é a letra "e" numerizada a 10 dpi(100 bytes)
dpi = ponto por polegada tamanho do pixel
= 0.1“ (100 pixels)= 2540 m
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A Imagem Digital – Resolução (8/22)
Esta é a letra "e" numerizada a 20 dpi (400 bytes)
- ela está 4x mais detalhada- ela toma 4x mais espaço de
armazenamento,e
- o campo de visão é 4x menor do que a 10 dpi.
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A Imagem Digital – Armazenamento (9/22)
20 dpi 10 dpi
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20 dpi 10 dpi
A Imagem Digital - Campo de visão (10/22)
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A imagem Digital – exemplo (11/22)
PixelPixel
Imagem Digital
0 20 70 150 13010 15 100 180 2000 15 30 120 1000 12 25 130 1000 12 30 90 100
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A imagem Digital – exemplo (12/22)
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A imagem Digital – exemplo (13/22)
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A imagem Digital – Numerizar (14/22)
Tome uma foto aérea...
Tome uma foto aérea...
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A imagem Digital – Numerizar (15/22)
capture o seu conteúdo em uma malha de pixels...
capture o seu conteúdo em uma malha de pixels...
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A imagem Digital – Numerizar (16/22)
e então você tem uma imagem numerizada!
e então você tem uma imagem numerizada!
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A imagem Digital - Scanner! (17/22)
Tipo flatbed imagem original posta na
horizontal; sensor CCD; veloz; aceita rolos de filmes.
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A imagem Digital (18/22)
Façamos alguns cálculos...
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A imagem Digital – Armazenamento (19/22)
Tamanho do pixel: 25 m formato da imagem: 230 x 230 mm qtde de pixel/linha: 230/0.025 = 9200 qtde de pixel/coluna : 230/0.025 = 9200 qtde de pixels na imagem: 9200 x 9200 = 84.640.000 armazenamento B/P : 84 MB armazenamento em cores : 252 MB
e tudo isso para apenas uma imagem!e tudo isso para apenas uma imagem!
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A imagem Digital – Armazenamento (20/22)
Estéreopar B/P: 168 MB Estéreopar colorido: 504 MB filme c/ 500 imagens B/P: 42 GB filme c/ 500 imagens coloridas: 126 GB
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A imagem Digital – Armazenamento (21/22)
Tam. do dpi Tam. da imagem (MB)pixel (µm) (23 cm x 23 cm)
B/P Colorida5 5080 2116 63487,5 3386 940 282110 2540 529 158715 1693 235 70520 1270 132 39625 1016 84 25230 847 58 174
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A imagem Digital - De microns para dpi (22/22)
O tamanho do pixel é normalmente expresso em dpi, ao invés de microns: dpi = 1”/(resolução em µm), Por exemplo: Tamanho do pixel = 15 µm
= 1”/(15 µm) dpi = 25,4 mm/ (15 µm) dpi= 25.400 µm/ (15 µm) dpi = 25.400/15 dpi = 1693 dpi
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Sensores Digitais Aéreos (1/4)
Câmara digital Câmara analógica
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Sensores Digitais Aéreos (2/4)
Giro-estabilizador PAV30
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Sensores Digitais Aéreos (3/4)
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Sensores Digitais Aéreos (4/4)
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Sistema Fotogramétrico Digital (1/3)
CâmeraDigital
CâmeraDigital
Imagensde
Satélite
Imagensde
Satélite
CâmeraFotográfica
CâmeraFotográfica
SAÍDASAÍDA
Cartas Carta-imagemOrtofotosmosaicos
Cartas Carta-imagemOrtofotosmosaicos
Mapeamento Digital
Dados para SIG
Mapeamento Digital
Dados para SIG
SiSTEMA FOTOGRAMÉTRICO DIGITAL
ScannerScanner
Estaçãode
TrabalhoFotogramétric
aDigital(DPW)
Estaçãode
TrabalhoFotogramétric
aDigital(DPW)
ENTRADAENTRADA
A/DD/A
A
DD
D
D
D
D
D
A
PlotterPlotter
D
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Sistema Fotogramétrico Digital (2/3)
Hardware:
Monitor
estéreo
Monitor
console
Mouse
Teclado
Sistema para estereoscopia
Mouse 3D
Suporte dos monitores
Placa gráfica para os monitores
CPU e RAM
Diskette
CD-ROM
Hard disk(s)
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Sistema Fotogramétrico Digital (3/3)
Imagens digitais
Imagem esquerda
Imagem direita
x’ y’ x” y”
X YZ
Computador
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Restituição (1/5)
Restituição, na sua origem, significa a “reconstrução” do terreno fotografado, a partir de suas fotografias. O resultado da restituição é o modelo óptico tridimensional, também denominado de estereomodelo ou modelo estereoscópico do terreno fotografado.
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Diagrama de Trabalho no DVPDiagrama de Trabalho no DVP
Agora com interface “on-
line” com MicroStation
e/ou AutoCAD
AUTOMÁTICAEntrada dos
parâmetros da câmera (formato txt)
Busca automática a
partir do terceiro ponto registrado
Com funções de Correlação, facilitando a busca dos pontos de
controle.
CRIAR PROJETO
Parâm. Câmera Imagens
INTERNA
Pts. de Grubber
RELATIVA
Pts de Controle
ABSOLUTA
ORIENTAÇÃO
Especificações
Preparação do Projeto Estruturação Produção
COLETA DE DADOS
PLOTAGEM
* .DAT contém dados e parâmetros da orientação* .VAR contém as variáveis do modelo
*.dvp - vetor*.lst - códigos*.asc - ascii*.pts - pontos*.fil - macro*.tgl - TIN
Entrada do arquivo ASCII dos pontos de
Contrôle
Tratamento de Imagens
Arquivo de calibração do SCANNER
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Restituidor Digital – Tela de operação (3/5)
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Restituidor Digital – Vetorização (4/5)
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Restituidor Digital – Vetorização (5/5)
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Ortofoto (1/5)
Uma ortofoto é uma imagem ortoretificada, ou seja, é uma imagem aérea sem as deformações das inclinações da foto e do relevo do terreno. Possui as características de projeção ortogonal e é uma imagem geocodificado.
Requerimentos: Imagem orientada DTM Resolução desejada deve ser maior do que a resolução da imagem de
base.
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Ortofoto – Princípio (2/5)
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Ortofoto – DTM (3/5)
DTM = modelo digital de terreno (termo geral) um DTM é, fundamentalmente, uma malha de elementos finitos 3D, com
a elevação descrita pela função matemática z=f(x,y) breaklines são variações bruscas no terreno TIN = malha de elementos finitos triangulares contendo um ponto de
coordenadas (x,y,z) conhecidas, em cada vértice.
x, y, z = ?
x
y
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Ortofoto – DTM (4/5)
A elevação está diretamente relacionada com a paralaxe em X, na imagem orientada.
Veja a equação da paralaxe!! A posição dos objetos no espaço pode ser calculada desde que se
conheça a posição dos pontos conjugados.
Na fotogrametria digital: Geração automática: Através do uso de métodos de correlação de imagens (image matching).
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Ortofotos – Algorítimo (5/5)
Algorítimo: Com base na imagem orientada e em um DTM gerado, determina-
se a localização do pixel na imagem de entrada. Com base nos pixels vizinhos determina-se o novo tom de cinza do
novo pixel os algorítimos de interpolação mais populares são: nearest
neighbor, bilinear e bicubic Isso representa total automação!
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Mosaico (1/2)
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Mosaico + vetores sobrepostos (2/2)
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Precisão da Fotogrametria Digital (1/3)
Depende de vários fatores, tais como: escala da imagem tamanho do pixel qualidade da imagem, por exemplo, variação radiométrica conteúdo da imagem, por exemplo, contraste e textura precisão visual e visibilidade dos pontos de controle relação base/altura de vôo operador
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Precisão da Fotogrametria Digital (2/3)
Valores típicos, assumindo que não existam erros grosseiros: precisão de um ponto (sobre uma imagem bem definida): 0.5 pixel
(0.3 pixel com zoom) Correlação por feature based matching: 0.2-0.5 pixels Correlação por comparação dos coeficientes de correlação : 0.1-0.4
pixel Correlação por mínimos quadrados: 0.1-0.2 pixel precisão de triangulação (medição automática de pontos de ligação):
0.3 pixel DTM: 0.6 pixel x (base/altura de vôo)
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Regras a seguir – sempre que possível!! (3/3)
O tamanho do pixel deve ser menor do que a precisão desejada, por exemplo, por um fator de dois.
O tamanho do pixel é determinado pela resolução do scanner. Ou seja, o scanner é um fator determinante de precisão! assumindo que o scanner seja preciso rádio e geometricamente.
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Sistemas de visualização (1/3)
Split Screen
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Sistemas de visualização (2/3)
Polarização Passiva
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Sistemas de visualização (3/3)
Polarização Ativa
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Acessórios de Controle (1/1)
Mouse padrão para os movimentos X e Y trackball para Z Mouse 3D (para x, y e z) manivelas e disco pedal