Φωτογραμμετρία II Digital Terrain Model Ανδρέας Γεωργόπουλος Καθηγητής Ε.Μ.Π. drag@central.ntua.gr
Το παρόν υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons και δημιουργήθηκε στο πλαίσιο των Ανοιχτών Ακαδημαϊκών Μαθημάτων από την Μονάδα Υλοποίησης του ΕΜΠ. Για το υλικό που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.
ΨΗΦΙΑΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΕΔΑΦΟΥΣ Εικόνα εξωφύλλου. ΨΜΕ 3
Η γνώση του αναγλύφου συμβάλλει στον προσδιορισμό Ισοϋψών καμπυλών Κλίσεων του εδάφους Προσανατολισμού Ορατότητας Μεταβολών Κατανομής φωτισμού Διατομών Χωματισμών Υδροκρίτη Οπτικοποίησης 4
Οπτικοποίηση (1/2) Εικόνα 1α.Οπτικοποίηση 5
Οπτικοποίηση (2/2) Εικόνα 1β.Οπτικοποίηση 6
Η ψηφιακή περιγραφή του αναγλύφου Οι επιφάνεια του εδάφους είναι φαινόμενο συνεχές και όχι διακριτό Για την πλήρη περιγραφή της επιφάνειας απαιτούνται επομένως άπειρα σημεία και άρα τεράστιος αποθηκευτικός χώρος Ζητούμενο είναι να περιγραφεί η συνεχής επιφάνεια με ψηφιακό τρόπο και με πεπερασμένο αριθμό σημείων Η απάντηση είναι το Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους ( ΨΜΕ - DTM) 7
Γιατί ΨΜΕ ; Ψηφιακό:Χρήση ψηφιακών (ή ψηφιοποιημένων) δεδομένων και Η/Υ Μοντέλο:Αντιμετώπιση ενός πολύπλοκου προβλήματος με μεταβλητές, που επηρεάζουν το «πρόβλημα» Εδάφους: Τοπογραφία, ανάγλυφο, υψομετρία Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους σημαίνει πάντοτε γήινη επιφάνεια Digital Terrain Model 8
Ορισμός (1/2) Ένα Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους (DTM) ουσιαστικά είναι μια ψηφιακή αναπαράσταση τμήματος της ΦΓΕ Ένα ΨΜΕ είναι απλώς ένα σύνολο σημείων σε ένα τρισδιάστατο σύστημα αναφοράς(x,y,z), το οποίο προσεγγίζει την πραγματική επιφάνεια Ένα ΨΜΕ (DTM) μπορεί να είναι το σύνολο της γεωπληροφορίας για μια περιοχή συμπεριλαμβανομένων και των δεδομένων υψομέτρου (ΨΜ Αναγλύφου). 9
Ορισμός (2/2) Τα ΨΜΕ, ως αναπαραστάσεις επιφανειών δεν χρησιμοποιούνται μόνο για την επιφάνεια της γης, αλλά και για άλλες επιφάνειες Έτσι έχουμε τα Ψηφιακά Μοντέλα εδάφους, αναγλύφου υψομέτρων επιφάνειας αντικειμένου 10
ΨΜ εδάφους vsψμ επιφάνειας Εικόνα2.ΨΜ Εδάφους (DTM) & ΨΜ Επιφανείας (DSM) 11
Ψηφιακά Μοντέλα Εδάφους Με τα ΨΜΕ η γεωμετρία του εδάφους απεικονίζεται σε 2.5D, δηλαδή σε κάθε σημείο (Χ,Υ) αντιστοιχεί ΜΟΝΟένα υψόμετρο. Εικόνα 3. Το Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους 12
Κατανομή των δεδομένων Τα ψηφιακά δεδομένα μπορεί να είναι κατανεμημένα ακανόνιστα ή να ακολουθούν έναν κανονικό κάναβο Η κατανομή των ψηφιακών δεδομένων εξαρτάται από την μέθοδο συλλογής ή από την συγκεκριμένη εφαρμογή. Πολλές φορές και από το εδαφικό ανάγλυφο Κανονική κατανομή σε περιοχές όπου το ανάγλυφο είναι ήπιο ή τα υψόμετρα περίπου ίδια Μερικές φορές μπορεί να είναι χρήσιμο τα δεδομένα να είναι κατανεμημένα ακανόνιστα, π.χ. λίγα σημεία όπου το έδαφος είναι επίπεδο και περισσότερα όπου το ανάγλυφο έχει πιο έντονες εναλλαγές Εικόνα 4.Κατανομή σημείων ανάλογα με το ανάγλυφο 13
α Πυκνότητα δεδομένων β γ Εικόνα 5α,β,γ. Πυκνότητα δεδομένων Γενικά μεγαλύτερος αριθμός σημείων δίνει τη δυνατότητα για καλύτερη αναπαράσταση Ψηφιακά Μοντέλα με διαφοροποιημένη ανάλυση (multiresolution terrain models) 14
Μορφή ΨΜΕ Εικόνα 6. Διανυσματικά ΨΜΕ Vector DTM Εικόνα 7. Ψηφιδωτά ΨΜΕ Raster DTM 15
Δομή Δεδομένων Ισοϋψείς Καμπύλες Πολυεδρική κατανομή (συνήθως σε τρίγωνα) Κατανομή σε κάναβο 16
Ισοϋψείς καμπύλες Εικόνα 8. Ισοϋψείς καμπύλες Οι ισοϋψείς είναι ουσιαστικά αλληλουχίες σημείων Σχεδιάζονται εύκολα Τις αντιλαμβάνεται ο άνθρωπος Είναι ακατάλληλες για αυτοματοποιημένη επεξεργασία 17
Κατανομή δεδομένων σε τρίγωνα Τα πιο συνηθισμένα ΨΜΕ είναι τα ΤΙΝ (Triangular Irregular Networks), όπου η επιφάνεια του εδάφους προσεγγίζεται με τρίγωνα - Μπορεί να προκύψουν από οποιοδήποτε σύνολο σημείων (με κανονική ή όχι κατανομή) - Προσαρμόζονται εύκολα στις ανωμαλίες του εδάφους - Αναπαριστούν συνεχείς επιφάνειες Εικόνα 9. TIN (Triangular Irregular Networks) 18
TIN Κατανομή σημείων Εικόνα 10. TIN Κατανομή σημείων 19
Κατανομή σε κάναβο (Grid)(1/2) Η επιφάνεια του εδάφους προσεγγίζεται με κανονικά πολύγωνα (συνήθως τετράγωνα) Σε κάθε τετράγωνο ορίζεται συνάρτηση παρεμβολής που συνυπολογίζει και τις τέσσερις τιμές στις κορυφές του τετραγώνου Εικόνα 11. GRID- Κατανομή σε κάναβο 20
Κατανομή σε κάναβο (Grid)(2/2) Η επιφάνεια του εδάφους προσεγγίζεται με κανονικά πολύγωνα (συνήθως τετράγωνα) Σε κάθε τετράγωνο ορίζεται συνάρτηση παρεμβολής που συνυπολογίζει και τις τέσσερις τιμές στις κορυφές του τετραγώνου Εικόνα 12. Κανονικοποιημένη μορφή ΨΜΕ 21
Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα (1/2) DΤM: Μόνο από κανονικά κατανεμημένα σημεία Άλλως παρεμβολή Μπορεί να «χάσουν» σημαντικά χαρακτηριστικά του αναγλύφου Μπορεί να συμπεριλάβουν άχρηστα δεδομένα σε περιοχές ήπιου αναγλύφου Λιγότερο πολύπλοκα και απαιτούν λιγότερη υπολογιστική ισχύ 22
Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα (2/2) TIN: Δέχονται κανονικά και ακανόνιστα κατανεμημένα δεδομένα χωρίς παρεμβολή Δυνατότητα προσαρμογής στο ανάγλυφο του εδάφους, διαφοροποίηση μεγέθους τριγώνων και πυκνότητας σημείων Δέχονται σημειακά χαρακτηριστικά Γραμμές αλλαγής κλίσης Breaklines(μισγάγγειες, απότομες κλίσεις κ.τ.λ.) Εικόνα 13. Δίκτυο ΤΙNS 23
Δημιουργία ΤΙΝ (1/4) Υψομετρικά σημεία ΓΑΚ -Break lines στο ανάγλυφο ΓΑΚ -Break lines σε έντονα χαρακτηριστικά Εικόνα 14α. Δημιουργία TIN 24
Δημιουργία ΤΙΝ (2/4) Εικόνα 14β. Δημιουργία TIN 25
Δημιουργία ΤΙΝ (3/4) Εικόνα 14γ. Δημιουργία TIN 26
Δημιουργία ΤΙΝ (4/4) Εικόνα 15. Δημιουργία TIN Τριγωνισμός Delaunay 27
Δημιουργία ΨΜΕ (1/5) Για την δημιουργία ΨΜΕ απαιτούνται: Υψομετρικά δεδομένα για την περιοχή ενδιαφέροντος Σύνολο μεθόδων για την εξαγωγή κάθε είδους πληροφορίας για το ανάγλυφο Ένα ΨΜΕ συνήθως δημιουργείται από την ψηφιοποίηση της υψομετρικής πληροφορίας με (ή από) Επίγειες γεωδαιτικές μεθόδους (total station ή GPS) Τοπογραφικούς χάρτες (ψηφιοποίηση ισοϋψών) Στερεοσκοπικά φωτογραμμετρικά μοντέλα Δορυφορικά μοντέλα LiDAR SAR (Doppler radar) 28
Δημιουργία ΨΜΕ (2/5) Από τοπογραφικούς χάρτες Συνηθισμένη μέθοδος Μη ακριβής λόγω Σφαλμάτων στις ισοϋψείς Σφαλμάτων ψηφιοποίησης Δυσμενούς κατανομής σημείων Επίγειες μετρήσεις: μικρός αριθμός σημείων με μεγάλη ακρίβεια Φωτογραμμετρική διαδικασία: ημι- ή και πλήρως αυτόματη 29
Δημιουργία ΨΜΕ (3/5) Αρχικά δεδομένα Επεξεργασία (φιλτράρισμα) Περιγραφή επιφάνειας Εικόνα 16. Δημιουργία TIN Τριγωνισμός Delaunay 30
Δημιουργία ΨΜΕ (4/5) LiDAR Οικονομική μέθοδος για μεγάλες περιοχές Υψηλή ανάλυση Εικόνα 17. Δημιουργία ΨΜΕ με LiDAR 31
Δημιουργία ΨΜΕ (5/5) SAR - Οικονομική μέθοδος για μεγάλες περιοχές - Ανεξάρτητη καιρικών συνθηκών Εικόνα 18. Δημιουργία ΨΜΕ με SAR 32
Τρόποι Συλλογής ΨΜΕ Μέθοδος Ακρίβεια Ταχύτητα Κόστος Πεδίο εφαρμογής Τοπογραφικές μέθοδοι Πολύ Υψηλή Πολύ αργή Πολύ υψηλό Μικρές περιοχές GPS Υψηλή Αργή Υψηλό Μικρές περιοχές Εναέρια Φωτογρ. Δορυφορική Φωτογρ. Μέση με υψηλή Χαμηλή με μέση Γρήγορη Χαμηλό Μεγάλες περιοχές Ταχύτατη Χαμηλό SAR Χαμηλή Ταχύτατη Χαμηλό Πολύ μεγάλες περιοχές Πολύ μεγάλες περιοχές LiDAR Υψηλή Γρήγορη Υψηλό Μεγάλες περιοχές Ψηφιοποίηση χάρτη Χαμηλή Αργή Υψηλό Αδιάφορο Σάρωση χάρτη Χαμηλή Γρήγορη Χαμηλό Αδιάφορο 33
Ποιότητα ΨΜΕ Η κλίμακα καθορίζει την ανάλυση (μέγεθος κανάβου) εξάρτηση από αρχικά δεδομένα Η ανάλυση καθορίζει την χρήση του ΨΜΕ και το ποιά χαρακτηριστικά είναι ορατά Η ποιότητα ενός ΨΜΕ εξαρτάται από την ακρίβειά του (απόλυτη ακρίβεια -absolute accuracy) και από το με ποια πιστότητα περιγράφεται το ανάγλυφο(σχετική ακρίβεια - relative accuracy) Παράγοντες που επηρεάζουν: εναλλαγές αναγλύφου πυκνότητα σημείων(μέθοδος συλλογής δεδομένων) μέγεθος κανάβου αλγόριθμος παρεμβολής υψομετρική ακρίβεια 34
Προδιαγραφές ΨΜΕ Η ακρίβεια ενός ΨΜΕ εξαρτάται από Ανάγλυφο Μέθοδο συλλογής Επιλογή ΓΑΚ (break lines) Μέθοδο παρεμβολής Πυκνότητα σημείων Η οποία συνήθως επιλέγεται 2-20mmστην κλίμακα του χάρτη (π.χ. για 1:5000 10-100m!!) Ο έλεγχος ενός ΨΜΕ πραγματοποιείται Οπτικά (υπέρθεση στο στερεομοντέλο) Με σημεία ελέγχου (παρεμβολή στο ΨΜΕ) Με σύγκριση Δ & Α ορθοφωτογραφίας 35
Ακρίβεια μεθόδου συλλογής Επίγειες μετρήσεις 10-100mm Ψηφιοποίηση ισοϋψών 1/3 ισοδιάστασης Υψομετρία laser (LiDAR) 0.5-2m Υψομετρία SAR 0.6-100m Εναέρια φωτογραμμετρία 0.1-1m 36
Παρεμβολή (1/3) Υπολογισµός υψομέτρων (Z) σε σηµειακές θέσεις Υπολογισµός υψομέτρων (Z) στις κορυφές ενός ορθογωνίου πλέγματος από δεδομένα µε τυχαία σημειακή κατανομή Πύκνωση / αραίωση ενός ορθογώνιου πλέγματος (resampling) Συνολικές μέθοδοι (global) Τοπικές ή τμηματικές μέθοδοι (local ή piecewise) 37
Παρεμβολή (2/3) Δεν υφίσταται ο «άριστος» αλγόριθμος παρεμβολής που να υπερέχει σαφώς από όλους τους υπόλοιπους για όλες τις εφαρμογές Τα πιο σημαντικά κριτήρια για την επιλογή μιας μεθόδου παρεμβολής βασίζονται στο βαθμό κατά τον οποίο: (1) μπορούν να ληφθούν υπόψη δομικά χαρακτηριστικά της επιφάνειας του ανάγλυφου και (2) η συνάρτηση παρεμβολής να μπορεί να ενσωματώνει επιφάνειες αναγλύφου µε διάφορα χαρακτηριστικά 38
Παρεμβολή (3/3) Η ποιότητα ενός δημιουργούμενου ΨΜΕ καθορίζεται από την κατανομή και την ακρίβεια των αρχικών δεδομένων (π.χ. διαδικασία δειγματοληψίας) και την καταλληλότητα της χρησιμοποιούμενης μεθόδου παρεμβολής (σε σχέση µε τη γεωμετρική συμπεριφορά της επιφάνειας του ανάγλυφου) 39
Μέθοδοι Παρεμβολής Βάρος το αντίστροφο της απόστασης Κοντινότερου γείτονα Kriging Εικόνα 19. Μέθοδοι παρεμβολής 40
Εφαρμογές Οπτικοποίηση έδαφος και άλλες 3D επιφάνειες φωτορεαλιστικές περιηγήσεις Ανάλυση ορατότητας Υδρολογικές μελέτες μελέτη υδρολογικών λεκανών προσομοίωση πλημμυρών Μελέτες έργων χωματισμοί, διατομές σχεδιασμός έργων 41
Παραδείγματα εφαρμογών (1/4) Σκίαση αναγλύφου ΨΜΕ Εικόνα 20α. Παράδειγμα εφαρμογής 42
Παραδείγματα εφαρμογών (2/4) Βροχόπτωση Συγχώνευση Πληροφορίας ΨΜΕ Εικόνα 20β. Παράδειγμα εφαρμογής 43
Φωτορεαλισμός -Οπτικοποίηση Εικόνα 21. Φωτορεαλισμός 44
LiDAR (Mt.St. Helens) Εικόνα 22. Mt.ST. Helens from LiDAR data 45
Παραδείγματα εφαρμογών (3/4) Εικόνα 23. Hillshade 46
Παραδείγματα εφαρμογών (4/4) πριν Προοπτικό μετά Εικόνα 24. Παράδειγμα εφαρμογής 47
Παράρτημα (1/5) Εικόνα εξωφύλλου. ΨΜΕ: «Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 1α.Οπτικοποίηση: http://content.satimagingcorp.com/static/galleryimages/ikonoshigh-resolution-dem-eritrea.jpg- CC: BY-NC-SA Εικόνα 1β.Οπτικοποίηση: http://gis.unbc.ca/wpcontent/uploads/2013/05/dem432.pdf- CC: BY-NC-SA Εικόνα2.ΨΜ Εδάφους (DTM) & ΨΜ Επιφανείας (DSM): http://image.slidesharecdn.com/codjia12octg2011-120123174330- phpapp01/95/20-ans-de-gomatique-luniversit-du-qubec-montraluqam-25-728.jpg?cb=1327952891, Université du Québec à Montréal(UQÀM) (http://www.etudier.uqam.ca/)- CC: BY-NC-SA 48
Παράρτημα (2/5) Εικόνα 5α.Πυκνότητα δεδομένων: http://www.cs.rit.edu/usr/local/pub/ncs/vrml97/images/mount1 6.jpg, Rochester Institute of Technology(http://www.rit.edu/)- CC: BY-NC-SA Εικόνα 5β.Πυκνότητα δεδομένων: http://www.cs.rit.edu/usr/local/pub/ncs/vrml97/images/mount3 2.jpg, Rochester Institute of Technology(http://www.rit.edu/)- CC: BY-NC-SA Εικόνα 5γ.Πυκνότητα δεδομένων: http://www.cs.rit.edu/usr/local/pub/ncs/vrml97/images/mount1 28.jpg, Rochester Institute of Technology(http://www.rit.edu/)- CC: BY-NC-SA Εικόνα 6. Διανυσματικά ΨΜΕ: http://socetgxp.co.kr/image/aa_2.jpg, Geospatial Media (http://socetgxp.co.kr/html/product_vrone.htm)- CC: BY-NC-ND 49
Παράρτημα (3/5) Εικόνα 7. Ψηφιδωτά ΨΜΕ: https://mcr.unibas.ch/projects/dup/dtm/z.jpg, University of Basel (https://www.unibas.ch/en.html)- CC: BY-NC-SA Εικόνα 10. TIN Κατανομή σημείων: «Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 11. GRID-Κατανομή σε κάναβο: «Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 12. Κανονικοποιημένη μορφή ΨΜΕ: http://www.svt.ntnu.no/geo/forskning/prosjekter/bilder/pang_d tm_small.jpg, Norwegian University of Science and Technology (http://www.ntnu.edu/)- CC: BY-NC-SA 50
Παράρτημα (4/5) Εικόνα 13. Δίκτυο ΤΙNS: «Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 16. Δημιουργία TIN Τριγωνισμός Delaunay: http://pubs.usgs.gov/of/2004/1451/graphics/garrity/fig2.jpg, United States Geological Survey (http://www.usgs.gov/) )- CC: BY- NC-SA Εικόνα 17. Δημιουργία ΨΜΕ με LiDAR:«Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 18. Δημιουργία ΨΜΕ με SAR:«Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» 51
Παράρτημα (5/5) Εικόνα 19. Μέθοδοι παρεμβολής:«υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 20α,β. Παράδειγμα εφαρμογής :«Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 21. Φωτορεαλισμός«Υλικόμε μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 22. Mt.ST. Helens from LiDAR data: «Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 23. Hillshade: http://gis.unbc.ca/wpcontent/uploads/2013/05/dem432.pdf- CC: BY-NC-SA 52
Χρηματοδότηση Το παρόν υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του επιχειρησιακού προγράμματος «Εκπαίδευσης και δια βίου μάθησης» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκό Κοινοτικό Ταμείο και από εθνικούς πόρους.