VÚGTK 4 931

[Vergleich digitaler Geländemodelle aus Photogrammetrie und Laserscanning]

Maria Attwenger und Christian Briese. - In: VGI. Österr. Z.Vermess. Geoinform. - ISSN 0029 9650. - Roč.91 (2003), č.4, s.271-280 : 19 obr. - Res. něm. - Lit.5.

Základní rozdíl mezi laserovým skenováním a fotogrammetrii tkví ve způsobu snímání - fotogrammetrické snímky jsou získávány pasivně, zatímco laserový skener je aktivním systémem, který pomocí synchronizovaného měření směru a vzdálenosti udává polární souřadnice obvykle v pruzích podél dráhy letu.

Ve fotogrammetrii se transformace provádí pomocí vlícovacích bodů, použití GPS a IMU je pouze volitelné, při laserovém skenování se nelze bez měření pozice a orientace (např. pomocí GPS a IMU) obejít - naopak je potřeba je sesynchronizovat s vlastním snímáním.

Obr. 1. Princip stereofotogrammetrie

Obr. 2. Princip laserového snímání

V rámci protipovodňové ochrany v Pulkautau v Dolním Rakousku bylo celé území nasnímáno fotogrammetricky (v roce 1998) a následně i laserově (2001). Fotogrammetricky bylo vyhodnoceno 117 snímků v průměrném měřítku 1 : 7 500. Odvozeny byly také výškové body v rastru 25 m, významné vrcholy a terénní hrany a linie.

Laserově byla naskenována část území rozdělená do 12 pruhů. Pro tvorbu DTM bylo potřeba změřit přesně první a zvláště poslední odražený impuls, protože ten je v oblastech s hustou vegetací odražen obvykle od zemského povrchu.

Mezi sousedními skenovanými pásy se objevují výškové rozdíly, které je možné odstranit pomocí diferenčních modelů v přesahových územích. V tomto případě byla přesnost výrazně zlepšena simultánní výškovou registrací pásů.

Obr.6. Tvary stínu na okraji skenovaného pásu

Výpočet modelu terénu byl v případě fotogrammetrické analýzy proveden pomocí programu SCOP++ interpolací podle nejmenších čtverců. U laserových dat a dat z digitálního fotogrammetrického vyhodnocení musí před interpolací proběhnout rozdělení bodů na body na zemském povrchu a ostatní body - v tomto případě ji zajistila metoda robustní interpolace implementovaná opět v programu SCOP++.

Kvalita DTM závisí ve velké míře na vlastnostech dat, proto byla provedena jejich analýza.

Výpočet hustoty dat z analytického fotogrammetrického vyhodnocení probíhal ve čtvercích o rozloze 625 m², aby byl v každém z nich zaměřen jeden bod - ne vždy to však (v zastavěných oblastech) bylo možné. Většina čtverců obsahovala 2 - 3 zaměřené body - největší počet byl 13. Vyšší hustoty bylo dosaženo odvozením terénních hran a významných výškových bodů.

Pro určení hustoty laserových dat byla velikost analyzované jednotky stanovena 25 m². Šetřeny byly jak neklasifikované shluky bodů, tak povrchové body vzešlé z klasifikace. Nejvyšší počet bodů ve čtverci byl 116 - takto vysoká hustota se však vyskytovala jen na okrajích přesahových území, naopak stavby a stromy vrhaly stíny bez odražených bodů tím větší, čím větší byl úhel snímání. Průměrná hustota zde byl 0,77 bodů na m². Při práci s klasifikovanými daty je nejvyšší dosažená hustota obdobná, objevuje se však více výpadků dat vzniklých pohlcením paprsku nebo jeho odrazem na opačnou stranu např. v případě střech.

Pro analýzu digitálních fotogrammetrických postupů byla zvolena stejná velikost jednotky jako v případě laserového skenování - 25 m². Hustota bodů zde byla vysoká, bylo ovšem potřeba provést předběžnou klasifikaci podobně jako u laserového přístupu, která množství povrchových bodů výrazně snížila. Maximální hustota byla 18 bodů na jednotku, vyskytly se však větší plochy zcela bez bodů (hladina rybníka, některá pole).

Podle pravidelného rastru byly vypočteny vzdálenosti k nejbližším měřeným bodům. Pro klasifikované body laserového skenování byla zvolena mřížka s odstupem 1 m, kde byly jednotlivé body od měřených bodů vzdáleny od 0,5 do 5 m.

Jednou z metod porovnání terénního modelu s původními bodovými shluky je výpočet RMS (root mean square error) pro každou analyzovanou jednotku. V případě klasifikovaných laserových snímků vychází toto srovnání velmi dobře, jen v oblastech přírodních hran se vyskytla chyba větší než +- 10 cm. U neklasifikovaných laserových dat se naopak často objevují chyby až 5 m.

Na závěr byl vytvořen model rozdílů mezi laserovým a analytickým fotogrammetrickým vyhodnocením. Vyskytují se zde náhodné velké rozdíly vzniklé drobnou zbytkovou chybou v orientaci stereomodelů, drobné tvary na polích pocházející z laserových dat a viditelné terénní hrany poukazující na fotogrammetrické vyhodnocení. Za povšimnutí stojí také severo-jižní směr drobných rozdílů způsobený směrem skenování.

Hustota dat z laserového a digitálního fotogrammetrického vyhodnocení je podstatně vyšší než u analytického fotogrammetrického postupu. Hustota dat u automatických postupů se zdá relativní, uvážíme-li, že pro analytické zpracování vybírá operatér body zvlášť vhodné pro měření. Interpolace podle nejmenších čtverců se u všech postupů jeví jako nejlepší pro reprodukci povrchu území.

Při rozhodování, po které z výše uvedených metod sáhnout, je třeba se ptát, s jakou kvalitou má být plocha znázorněna. Pro přehled stačí analytické fotogrammetrické vyhodnocení s hrubým rastrem a ruční digitalizací terénních hran, pro detailní popis je nasazení laserového skenování jistě ekonomičtější. Také závislost na počasí u fotogrammetrie hraje roli při rozhodování, zvláště není-li dostatek času. Pokud je ovšem předmětem zájmu i obrazová informace (např. při tvorbě ortofotomap), je naopak fotogrammetrie ve výhodě. Ve střednědobém horizontu přichází v úvahu kombinování obou metod s využitím předností obou.