Opracowanie metodyki minimalizacji błędów przypadkowych i systematycznych na etapie sporządzania ortofotomapy

Projekt badawczy własny (N526 196738) finansowany ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, realizowany w Zakładzie Fotogrametrii w latach 2010-2012 pod kierownictwem  mgr inż. Artura Karola Karwela.

W początku lat XXI wieku w związku z przystąpieniem Polski od Wspólnoty Państw Unii Europejskiej pojawiły się dla naszego kraju pierwsze wielkoobszarowe i wysokobudżetowe projekty geodezyjno-kartograficzne. Projekty te wykonywane były na rzecz Agencji Restrukturyzacji i Modernizacji Rolnictwa (ARiMR) i Głównego Urzędu Geodezji i Kartografii (GUGiK) dla prac związanych z budową bazy danych systemu identyfikacji działek rolnych LPIS w ramach krajowego systemu ewidencji gospodarstw rolnych i zwierząt gospodarskich, a także Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad (GDDKiA) w ramach prac  związanych z projektem budowy autostrad oraz dla PKP PLK S.A w ramach modernizacji linii kolejowych. Począwszy od roku 2003 do roku 2008 Instytut Geodezji i Kartografii miał możliwość udziału w wyżej wymienionych projektach, jako Generalny Inspektor Nadzoru i Kontroli produktów fotogrametrycznych.

Prace weryfikacyjne i kontrolne powyższych zadań prowadzone przez autorów niniejszego projektu wskazały niedoskonałość w stosowanych metodach opracowania ortofotomapy. Znaczna część powstałego produktu nie spełniała wymagań jakościowych określonych przez wytyczne techniczne projektu. Wystąpiły liczne błędy ortofotomapy m.in. zniekształcenia geometryczne na skutek błędnie generowanego NMT lub też spadek kontrastu lokalnego w stosunku do obrazów źródłowych, nie pozwalające zakwalifikować jej jako pełnowartościowy produkt. Wykryto, też liczne błędy na etapach poprzedzających produkcje ortofotomapy jak: wykonawstwo zdjęć, aerotriangulacja, budowa NMT. W trakcie prac weryfikacyjnych stwierdzono również, że ważnym czynnikiem decydującym o jakości ortofotomapy na etapie prac produkcyjnych jest potencjał organizacyjny i intelektualny (wiedza i umiejętności) firm komercyjnych. To znaczy zdarzały się przypadki, że niektóre firmy komercyjne z powodu braku odpowiednio przeszkolonych operatorów wykonujących prace fotogrametryczne, uczyły się tej sztuki w trakcie wykonywania zadań, co było przyczyną nie spełnienia wymagań jakościowych produktu w pierwszych etapach kontroli. Celem niniejszego projektu badawczego było opracowanie metodyki minimalizacji  występowania i wpływu błędów przypadkowych i systematycznych na etapie sporządzania ortofotomapy oraz przedłożenie zaleceń technicznych i zmian obowiązujących standardów technicznych (instrukcji i wytycznych).

Rys.1 Ciąg technologiczny wykonywania ortofotomapy

W ramach projektu wykonano następujące zadania badawcze:

  1. Analiza ortofotomapy pod kątem wyszukiwania i klasyfikowania błędów, z uwzględnieniem kolejności procesów jej powstawania
  2. Identyfikacja, typologia i opis błędów, w tym określenia źródła ich pochodzenia i sposobu oddziaływania na produkt końcowy.
  3. Opracowanie metodyki weryfikacji ortofotomapy pod kątem wyszukiwania miejsc szczególnie narażonych w procesie jej powstawania na powstawanie błędów systematycznych i przypadkowych deformacji produktu.
  4. Opracowanie metodyki minimalizacji błędów przypadkowych i systematycznych ortofotomapy z uwzględnieniem wyników poprzednich etapów projektu.
  5. Sformułowanie opisu teoretycznego analizowanych zagadnień.
  6. Testowanie zaproponowanych rozwiązań merytorycznych i technologicznych  z uwzględnieniem konsekwencji ich wdrożenia do procesu sporządzania i weryfikacji ortofotomapy.
  7. Analiza możliwości zastosowań wyników prac w procesie sporządzania i weryfikacji ortofotomapy oraz sformułowania ewentualnych propozycji wprowadzenia zmian obowiązujących standardów technicznych.

Prace badawcze w zrealizowanym projekcie pokazały, że na jakość końcowego produktu fotogrametrycznego jakim jest ortofotomapa wpływa suma błędów powstałych  na  etapie  pozyskania  zdjęć  lotniczych,  aerotriangulacji,  budowy  Numerycznego  Modelu.

Rys.2 Błędy wykonywania ortofotomapy w ujęciu technologicznego ciągu.

W niniejszym projekcie badawczym usystematyzowano złożoną grupę błędów mającej wpływ na dokładność produktu fotogrametrycznego jakim jest ortofotomapa. W oparciu o analizę błędów związanych z wykonawstwem zdjęć lotniczych stwierdzono, że grupa tych błędów jest nieliczna dla takich zjawisk jak: śnieg, zadymienia, niedoświetlenie (są to błędy bezpośrednio związane z warunkami zewnętrznymi). Głównymi przyczynami powstawania błędów z tytułu aerotriangulacji, budowy NMT i generowania ortofotomapy jest również brak doświadczenia i wiedzy operatorów oraz brak odpowiedniego nadzoru i kontroli procesu produkcji. W celu zminimalizowania wymienionych błędów ortofotomapy stwierdzono, że najlepszym na to środkiem będzie wprowadzenie skutecznego trybu kontroli i nadzoru tworzenia ortofotomapy oraz przeprowadzenie odpowiednich kursów i szkoleń dla operatorów odpowiedzialnych za każdy etap powstawania ortofotomapy.

W ramach zadań wykonane zostały testy produktów fotogrametrycznych, w których wyodrębnione zostały błędy poszczególnych etapów wykonywania ortofotomapy, mających znaczący wpływ na jej jakość. Błędy te posłużyły do sformułowania opisu teoretycznego wytycznych technicznych wykonania i kontroli produktów fotogrametrycznych. W ramach testu przeprowadzony został szereg pomiarów przy zmieniających się wartościach poszczególnych parametrów w celu wyznaczenia jak najlepszego wyniku prowadzącego do poprawności wykonania danego produktu fotogrametrycznego. Na podstawie przeprowadzonych: kontroli (LPIS, GDDKiA, PKP PLK) produktów fotogrametrycznych (aerotriangulacji, Numerycznego Modelu Terenu i ortofotomapy), testów wykonanych w ramach tej kontroli, a także testów wykonanych w ramach tworzenia ortofotomapy zostały opracowane wytycznych techniczne wykonania i kontroli ortofotomapy. Sprawdzona została również poprawność doboru kryteriów zaproponowanych w wytycznych technicznych w oparciu o testowe dane pomiarowe (wykonana została ortofotomapa według zasad zawartych w zaproponowanych wytycznych technicznych).

Wynikiem opracowania niniejszych zadań jest powstały zestaw zaleceń (dobrych praktyk) prawidłowego wykonywania procesu tworzenia i kontroli ortofotomapy na etapie pozyskania zdjęć, aerotriangulacji, budowy NMT i generowania ortofotomapy których część ujęta jest m.in. w:

  • Wytyczne techniczne dla wykonawców w ramach wykonania mapy do celów projektowych metodą fotogrametryczną dla przygotowania Projektu TEN-T 2004-PL-92601-S: Modernizacja linii kolejowej E 30 na odcinkach Kraków-Tarnów oraz Rzeszów-Granica Państwa (aerotriangulacja, NMT, ortofotomapa).
  • ROZPORZĄDZENIE MINISTRA SPRAW WEWNĘTRZNYCH I ADMINISTRACJI z dnia 3 listopada 2011 r., w sprawie baz danych dotyczących zobrazowań lotniczych i satelitarnych oraz ortofotomapy i numerycznego modelu terenu.

Opis badań i wyników przedstawiony jest m.in. w publikacji:

  • Karwel A. K., 2012. Wpływ danych źródłowych na jakość produktów fotogrametrycznych, Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, Vol. 24, s. 123-132.