Ψηφιακές ορθοφωτογραφίες

Ψηφιακή ορθοφωτογραφία (έγχρωμη ή ασπρόμαυρη) λέγεται η ψηφιακή αεροφωτογραφία η οποία έχει διορθωθεί από τα σφάλματα μετατόπισης των σημείων εξαιτίας του ανάγλυφου και επομένως η αεροφωτογραφία έχει μετατραπεί από κεντρική σε ορθή προβολή. Άμεση συνέπεια της διόρθωσης αυτής είναι η ενιαία κλίμακα που αποκτά η αεροφωτογραφία, δηλαδή αυτή κατέχει θέση χάρτη. Η ορθοφωτογραφία πλεονεκτεί σε σχέση με το χάρτη στο ότι απεικονίζει πρόσφατες επιπεδομετρικές λεπτομέρειες του ανάγλυφου και στο φυσικό τους μέγεθος, όπως αυτές είναι στην πραγματικότητα και όχι με σύμβολα όπως στο χάρτη. Η ενιαία κλίμακα της επιτρέπει ακριβείς μετρήσεις αποστάσεων εμβαδών και γωνιών. Με την εμφάνιση των ψηφιακών φωτογραμμετρικών συστημάτων (ΨΦΣ) η παραγωγή ψηφιακών ορθοφωτογραφιών απλοποιήθηκε σημαντικά σε σχέση με τις κλασσικές μεθόδους παραγωγής αναλογικών ορθοφωτογραφιών, η κατασκευή των οποίων απαιτούσε εξειδικευμένο οπτικομηχανολογικό εξοπλισμό, πολύ έμπειρους χειριστές φωτογραμμετρικών οργάνων, έμπειρους φωτογράφους κλπ. Η παραγωγή ψηφιακών ορθοφωτογραφιών ακολουθεί ορισμένα στάδια εργασιών τα οποία στη συνέχεια και αναλύονται σε συντομία. Η μετατροπή αυτή έχει αναφερθεί σε προηγούμενο σημείο και αυτό το οποίο πρέπει να τονιστεί και εδώ είναι το ότι η βασικότερη παράμετρος στη ψηφιοποίηση των αεροφωτογραφιών είναι η ανάλυση σάρωσης, η οποία και καθορίζει τις δυνατότητες του τελικού προϊόντος. Η ψηφιοποίηση γίνεται με τη χρήση φωτογραμμετρικών σαρωτών υψηλής ακρίβειας (ανάλυση σάρωσης πάνω από 4.000 dpi), οι οποίοι για την αποφυγή σφαλμάτων ψηφιοποιούν φιλμ (διαθετικά), σε μορφή ρολού ή ακόμη και μεμονωμένων αεροφωτογραφιών. Ένας συνήθης κανόνας για τη σχέση ανάλυσης σάρωσης και ακριβείας της παραγόμενης ψηφιακής αεροφωτογραφίας είναι η πλευρά του εικονοστοιχείου, η οποία πρέπει να είναι ίση με το 1/3 της ζητούμενης ακρίβειας. Μια συνήθης ανάλυση είναι τα 1.700dpi. Μετά τη ψηφιοποίηση για κάθε στερεοσκοπικό ζεύγος (γειτονικές με επικάλυψη αεροφωτογραφίες) δημιουργείται ένα στερεοσκοπικό μοντέλο, το οποίο όταν το εμφανίσουμε στην οθόνη του Η/Υ μπορούμε να δούμε στερεοσκοπικά με χρήση ειδικών γυαλιών. Για να δημιουργηθεί το στερεοσκοπικό μοντέλο πρέπει στο ΨΦΣ να ανακτήσουμε (προσομοιάσουμε) τις ίδιες συνθήκες που επικρατούσαν τη στιγμή της λήψης των αεροφωτογραφιών από το αεροσκάφος. Αυτό πραγματοποιείται με τις διαδικασίες των προσανατολισμών που εκτελούνται στο ΨΦΣ. Οι προσανατολισμοί αυτοί είναι ο εσωτερικός, ο σχετικός και ο απόλυτος προσανατολισμός. Με τον εσωτερικό προσανατολισμό γίνεται ακριβής αναπαραγωγή της δέσμης των ακτινών φωτός, σε κάθε μια από τις αεροφωτογραφίες ξεχωριστά, όπως ήταν κατά τη στιγμή λήψης. Αυτό γίνεται με την εισαγωγή στο ΨΦΣ των ακριβών στοιχείων της φωτομηχανής (εστιακή απόσταση φακού και καμπύλη βαθμονόμησης για διόρθωση των σφαλμάτων), καθώς και τη θέση του κύριου σημείου των αεροφωτογραφιών. Όταν τα στοιχεία αυτά δοθούν τότε εκτελείται με χρήση ειδικού προγράμματος ο προσανατολισμός αυτός. Με το σχετικό προσανατολισμό οι δυο αεροφωτογραφίες του στερεοζεύγους λαμβάνουν τη μεταξύ τους θέση που είχαν τη στιγμή της λήψης, δημιουργώντας έτσι ένα στερεομοντέλο το οποίο αναφέρεται σε ένα ανεξάρτητο σύστημα συντεταγμένων, το σύστημα συντεταγμένων μοντέλου. Ο σχετικός προσανατολισμός γίνεται πάλι με κατάλληλο πρόγραμμα και υλοποιείται με εκτέλεση τριών περιστροφών ω, φ, κ, γύρο από τους άξονες Χ, Ψ, Ζ, αντίστοιχα και τριών κινήσεων κατά τους άξονες Χ, Ψ, Ζ, με τέτοιο τρόπο ώστε οι δυο αεροφωτογραφίες να έχουν μεταξύ τους την ίδια σχετική θέση που είχαν τη στιγμή λήψης, ώστε να δίνεται η δυνατότητα στερεοσκοπικής παρατήρησης. Με τους δυο προσανατολισμούς που προαναφέρθηκαν επιτυγχάνεται η δημιουργία ενός στερεομοντέλου, που όμως δεν έχει συγκεκριμένη κλίμακα, δεν είναι σωστά προσανατολισμένο σε σχέση με το έδαφος και δεν αναφέρεται σε ένα γνωστό σύστημα συντεταγμένων και προβολής. Τα προβλήματα αυτά έρχεται να αντιμετωπίσει ο απόλυτος προσανατολισμός, με τον οποίο γίνονται πάλι περιστροφές και κινήσεις του στερεομοντέλου γύρο από τους άξονες Χ, Ψ, Ζ. Για τη μετατροπή των συντεταγμένων του στερεομοντέλου σε πραγματικές γεωδαιτικές συντεταγμένες εδάφους απαιτούνται τουλάχιστον τρία σημεία με γνωστές συντεταγμένες εδάφους. Τα σημεία αυτά ονομάζονται φωτοσταθερά σημεία ή σημεία προσαρμογής αεροφωτογραφιών (ΣΠΑΦ) και οι γεωδαιτικές συντεταγμένες τους προσδιορίζονται στην ύπαιθρο, είτε με τις κλασικές τοπογραφικές μεθόδους μέτρησης (τριγωνισμός, εμπροσθοτομία, οπισθοτομία), είτε με τη χρήση GPS. Ακόμη, οι συντεταγμένες των ΣΠΑΦ μπορούν να προσδιοριστούν και γραφικά από χάρτες μεγαλύτερης κλίμακας και επομένως μεγαλύτερης ακρίβειας. Εάν η περιοχή ενδιαφέροντος καλύπτεται από περισσότερα από ένα φωτομοντέλα τα οποία συνιστούν ζώνη ή μπλοκ (πολλές ζώνες μαζί), δεν απαιτείται να έχουμε σε κάθε ένα φωτομοντέλο τρία σημεία, άλλα μόνο σε ορισμένα από αυτά, συνήθως στην αρχή και το τέλος και σε κάποια ενδιάμεσα για έλεγχο. Με τη βοήθεια των σημείων αυτών υπολογίζονται με ειδικά προγράμματα οι συντεταγμένες και στα υπόλοιπα σημεία τα οποία είναι απαραίτητα για την σύνδεση των φωτομοντέλων μεταξύ τους. Η διαδικασία αυτή προσδιορισμού των επιπλέον σημείων λέγεται αεροτριγωνισμός. Μετά το τέλος των προσανατολισμών με κατάλληλο αλγόριθμο και με χρήση προγράμματος, το στερεοσκοπικό είδωλο του φωτομοντέλου που εμφανίζεται στην οθόνη του Η/Υ έχει γνωστή κλίμακα και καθορισμένες συντεταγμένες, στο προβολικό σύστημα στο οποίο αναφέρονται οι συντεταγμένες ΣΠΑΦ που έχουν οριστεί στην προηγούμενη διαδικασία. Το ψηφιακού μοντέλου ανάγλυφου (ΨΜΑ) είναι ένα πλέγμα σημείων με γνωστές επιπεδομετρικές συντεταγμένες (Χ, Ψ) και υψόμετρο (h). Η δημιουργία των ΨΜΑ ή αλλιώς ΨΜΕ (Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους, Digital Terrain Model, DTM) είναι απαραίτητη διότι η γνώση των υψομέτρων στην περιοχή που επικαλύπτονται οι αεροφωτογραφίες είναι αναγκαία στη διόρθωση των σφαλμάτων τους εξαιτίας του ανάγλυφου. Είναι φανερό ότι η ποιότητα του ΨΜΑ καθορίζεται από την πυκνότητα των σημείων του. Η δημιουργία ενός ΨΜΑ είναι δυνατόν να γίνει με τους ακόλουθους τρόπους:

• Αυτόματα ή ημιαυτόματα από το δημιουργούμενο στερεοζεύγος στο επικαλυπτόμενο τμήμα με χρήση ειδικών προγραμμάτων των ΨΦΣ. Τα συστήματα αυτά για μια πιστότερη αναπαραγωγή του ανάγλυφου επιτρέπουν την εισαγωγή γραμμών έντονης αλλαγής του εδάφους (breaklines), με σκοπό την κατασκευή όσο το δυνατόν ακριβέστερου και πιο αξιόπιστου ΨΜΑ.
• Με τον ίδιο τρόπο από στερεοζεύγος δορυφορικών εικόνων.
• Από ψηφιοποιημένες υψομετρικές καμπύλες χαρτών και διαγραμμάτων, οι οποίες μετατρέπονται σε ΨΜΑ μετά από κατάλληλη επεξεργασία με ειδικό πρόγραμμα.
• Από αναλυτικά φωτογραμμετρικά όργανα με μέτρηση των υψομέτρων από τον χειριστή με πυκνότητα ανάλογη με την ποιότητα των ΨΜΑ που θέλουμε να παράγουμε. Η μέθοδος αυτή είναι η πλέον ακριβής, είναι όμως αρκετά χρονοβόρος και για αυτό το λόγο κοστίζει αρκετά και εφαρμόζεται μόνο σε εργασίες υψηλής ποιότητας.

Χρησιμοποιώντας τη ψηφιακή αεροφωτογραφία και το αντίστοιχο ΨΜΑ με χρήση κατάλληλου προγράμματος πραγματοποιείται η διόρθωση των σφαλμάτων εξαιτίας του ανάγλυφου, οπότε η ψηφιακή αεροφωτογραφία μετατρέπεται σε ψηφιακή ορθοφωτογραφία ενιαίας κλίμακας. Το ψηφιακό αρχείο της ορθοφωτογραφίας στέλνεται σε εκτυπωτή ή σε αυτόματο σχέδιο για εκτύπωση. Η εκτύπωση στον εκτυπωτή γίνεται σε περιορισμένο αριθμό αντιτύπων, ενώ στον εικονοθέτη, όπου παράγεται φιλμ της ορθοφωτογραφίας, γίνεται σε πολλά αντίτυπα. Παράλληλα η εικόνα αποθηκεύεται σε μαγνητικά μέσα μεγάλης χωρητικότητας (μαγνητικές ταινίες, οπτικοί δίσκοι κλπ). Η διαδικασία παραγωγής ορθοφωτογραφιών από δορυφορικές εικόνες είναι σχεδόν η ίδια με μερικές μόνο διαφορές, όπως για παράδειγμα οι δορυφορικές εικόνες δεν απαιτούν ψηφιοποίηση αφού σήμερα όλες διατίθενται σε ψηφιακή μορφή. Σήμερα με τα εξελιγμένα συστήματα λήψης, οι ψηφιακές αεροφωτογραφίες παρέχουν μεγαλύτερη ακρίβεια από τις δορυφορικές εικόνες. Ο απαιτούμενος εξοπλισμός για την παραγωγή ορθοφωτογραφίων σε ψηφιακή μορφή είναι μεγάλος και απαιτεί υψηλό κόστος. Ο εξοπλισμός αυτός περιλαμβάνει Η/Υ και πολλά περιφερειακά συστήματα, καθώς και μεγάλη σειρά από προγράμματα. Σε συντομία αυτά είναι τα ακόλουθα:

• Φωτογραμμετρικός σαρωτής, μεγάλης ακρίβειας με οπτική ανάλυση τουλάχιστον 2.000 dpi και ραδιομετρική ανάλυση τουλάχιστον 256 τόνους του γκρι (24 bit) για ασπρόμαυρες εικόνες και 16,7 εκατομμύρια χρώματα (24 bit) για έγχρωμες εικόνες.
• Η/Υ, ο οποίος θα υποστηρίζει τον σαρωτή.
• Ψηφιακό φωτογραμμετρικό σύστημα, το οποίο πρέπει να αποτελείται τουλάχιστον από:
• Η/Υ με τη μεγαλύτερη δυνατή RAM και σκληρό δίσκο πολύ μεγάλης χωρητικότητας,
• Έχρωμη οθόνη ανάλυσης τουλάχιστων 1280 x 1024 εικονοστοιχείων, μεγέθους μεγαλύτερου των 19 ιντσών και refresh rate τουλάχιστον 120 frames/sec, με δυνατότητα στερεοσκοπικής παρατήρησης με χρήση ειδικών γυαλιών,
• μαγνητικά συστήματα αποθήκευσης αρχείων και
• απαιτούμενος εξοπλισμός σύνδεσης με δίκτυο

Τα προγράμματα εκτέλεσης των εργασιών, τα οποία θα πρέπει να λειτουργούν σε περιβάλλον UNIX ή WINDOWS NT, είναι τα ακόλουθα:

• Σάρωσης και επεξεργασίας ψηφιακής εικόνας, με δυνατότητες εκτέλεσης προσανατολισμών, παραγωγής στερεοσκοπικού ειδώλου, στερεοσκοπικής παρατήρησης στην οθόνη, συλλογής και επεξεργασίας επιπεδομετρικών λεπτομερειών.
• Δημιουργίας Ψηφιακού Μοντέλου Ανάγλυφου.
• Διόρθωσης σφαλμάτων ανάγλυφου.
• Διαχείρισης δικτύου.
• Συμπίεσης - αποσυμπίεσης ψηφιακών αρχείων.