fotogrammetria 1 - Circe

Il metodo fotogrammetrico
DEFINIZIONI
La fotogrammetria è la scienza che consente di ottenere
informazioni affidabili di oggetti fisici e dell’ambiente
circostante mediante processi di registrazione, misura e
interpretazione delle immagini fotografiche e digitali
formate dall’energia elettromagnetica radiante e da altri
fenomeni fisici. [Manual of Photgrammety, ASPRS, 1980]
La fotogrammetria è la scienza che consente di estrarre
informazioni da immagini e di presentarle all’utente in
modo efficace. [PE&RS, 1999]
Fotogrammetria - Lezione 1 1
Fotogrammetria - Lezione 1 2
APPLICAZIONI
Rilevamento di oggetti di qualsiasi forma e
dimensione che necessitano di un elevato
numero di punti per una descrizione di forma
completa
Produzione di cartografia numerica mediante raccolta di
misure e di informazioni da immagini aeree e satellitari
Rilevamento di oggetti difficilmente o del tutto inaccessibili
Rilevamento di oggetti accessibili per un limitato intervallo di tempo
Rilevamento di organismi viventi
Rilevamento di oggetti piccoli
Fotogrammetria - Lezione 1 3
PRINCIPIO DELLA FOTOGRAMMETRIA
Negativo
Positivo
P ' 1
P ' 2
PP
O
P ' 1
PP
P '
2
P2
P 1
Asse di presa
La tecnica
fotogrammetrica nasce
con la definizione della
prospettiva centrale.
c
c
c = 99.16
Fotogrammetria - Lezione 1 4
FC
η
PP
P '
La prospettiva centrale è
un procedimento
geometrico che
trasforma una realtà 3D
in una realtà 2D
ξ
PRINCIPIO DELLA
FOTOGRAMMETRIA
PRINCIPIO DELLA
FOTOGRAMMETRIA
c
Z
O
B
O
1 2
η
1
ξ
1
P 2
P3
η
2
ξ
2
Utilizzando due
prospettive
centrali di uno
stesso punto
oggetto, è
possibile
ricostruire la
posizione spaziale
del punto stesso.
c
Z
O
B
O
1 2
η
1
ξ
1
P 2
P3
η
2
ξ
2
Y
P1
P 4
X
Fotogrammetria - Lezione 1 5
Y
P1
P 4
X
STREREOSCOPIA
L’occhio umano e
la macchina fotografica
Fotogrammetria - Lezione 1 6
1

La misura della posizione
di un punto avviene per
intersezione in avanti.
b = base di presa
d = distanza dell’oggetto
Effetto stereoscopico
CENNI STORICI (1)
1. I PRECURSORI DELLA
FOTOGRAMMETRIA
L’inizio della storia della
fotogrammetria può essere
considerata coincidente con l’opera
di Leonardo da Vinci (1452-1519): 1519): i
suoi studi di geometria, ottica,
meccanica e la sua fervida
intuizione consentirono di
dimostrare graficamente nel 1492 i
principi della proiezione ottica. A lui
si devono anche la progettazione
dei primi strumenti per la
costruzione delle lenti.
Fotogrammetria - Lezione 1 7
(b = 1/3,1/4 della distanza d dall’oggetto)
Fotogrammetria - Lezione 1 8
oculus artificialis
CENNI STORICI (2)
CENNI STORICI (3)
Il pittore tedesco
Arbrecht Dürer (1471-
1528) produsse nel 1525
una macchina in grado di
generare prospettive
centrali di oggetti
tridimensionali.
Questo strumento
include un apparato utile
alla produzione di
prospettive centrali di
uno stesso oggetto con
centri di proiezione e
piani distinti (disegni
stereoscopici).
Fotogrammetria - Lezione 1 9
Nel 1600 l’astronomo
tedesco Johannes
Kepler (1571-1630)
fornisce una precisa
definizione del
termine
STEREOSCOPIA e il
pittore fiorentino
Jacopo Chimenti
produce quella che
può essere
considerata la prima
coppia stereoscopica
di disegni (Museo
Wicar - Lille -
Francia).
Fotogrammetria - Lezione 1 10
CENNI STORICI (4)
Le prospettive prodotte con gli strumenti prima ricordati
avevano molte limitazioni nei riguardi della correttezza
geometrica e della riproduzione fedele dei dettagli
dell’oggetto.
L’introduzione della camera obscura rappresentò un notevole
passo avanti nella produzione di prospettive di oggetti
tridimensionali
La camera obscura (descritta da uno studente arabo all’inizio
dell’XI secolo) fu inizialmente una vera e propria stanza con un
piccolo foro praticato su una parete. La luce passante attraverso
questo foro produceva sulla parete opposta una prospettiva dello
spazio esterno alla camera. La modesta quantità di luce e gli
effetti di diffrazione ai bordi del foro generavano immagini
sfuocate
Fotogrammetria - Lezione 1 11
CENNI STORICI (5)
Numerosi sforzi furono fatti per
trasformare la camera obscura in
uno strumento trasportabile
inserendo nel foro sistemi ottici
inventati per aumentare la
quantità di luce penetrante.
Giovanni i Battista t Porta nel 1558
raccomandava l’uso di questo
strumento ai giovani artisti per la
produzione di prospettive reali.
In seguito la camera obscura fu
dotata di specchi in grado di
riflettere l’immagine su un piano
orizzontale sul quale si poteva
posizionare più comodamente il
foglio da disegno.
Fotogrammetria - Lezione 1 12
2

CENNI STORICI (6)
Nel 1804 il fisico Wollaston inventò la
camera lucida consistente in un prisma
ottico a quattro facce montato ad una
opportuna distanza da un piano
orizzontale.
L’immagine dell’oggetto tridimensionale
veniva proiettata dal prisma sul piano
consentendo il tracciamento manuale della
prospettiva.
Lo stesso Wollaston nel 1812 migliorò la
camera obscura introducendo sistemi ottici
più efficaci di quelli fino ad allora utilizzati.
Si deve a Edward Bausch l’introduzione
dell’uso del diaframma a diametro
variabile.
Una camera oscura reflex da disegno degli inizi dell'800. Lo specchio interno deviava la
proiezione di 45 gradi verso la parte superiore, dove Fotogrammetria veniva steso il foglio - da Lezione disegno. 1E'
13
lo stesso principio in base al quale funzionano oggi le moderne macchine fotografiche
reflex.
Il concetto dei disegni
stereoscopici fu utilizzato per
un rilevamento dal fisico
svizzero F. Kapeller nel 1726
che produsse una mappa
topografica del Monte Pilato sul
Lago di Lucerna.
CENNI STORICI (7)
L’ammiraglio francese
Beautemps-Beaupré compilò
mappe topografiche a partire da
coppie stereoscopiche di
prospettive utilizzando le
formulazioni matematiche fornite
dal Henry Lambert (1728-1777) 1777)
nel trattato “La prospettiva
libera” del 1759.
Questo trattato esplica il concetto della prospettiva centrale e della
intersezione spaziale di coppie di raggi omologhi (raggi provenienti
dalle due immagini prospettiche di uno stesso punto oggetto):
esso descrive i fondamenti geometrici della tecnica che 100 anni
più tardi assumerà il nome di FOTOGRAMMETRIA
Fotogrammetria - Lezione 1 14
CENNI STORICI (8)
Nello stesso anno, 1759, Schultze (chimico di
Norimberga) osservò che il nitrato d’argento si
scuriva se esposto alla luce solare.
fissarle
Nello stesso periodo Giovanni Battista Beccaria
riportò risultati di precedenti osservazioni del
medesimo effetto sul cloruro d’argento.
Storicamente si riconosce al francese Niépce la
dimostrazione (1816) che esponendo in una camera
obscura fogli di carta ricoperti di cloruro d’argento
successivamente fissati con un bagno di acido
nitrico si possono ottenere immagini negative: egli
chiamò questa tecnica eliografia.
Successivamente lo stesso Niépce dimostrò che
utilizzando fogli di bitume si potevano ottenere
immagini positive.
Da questo momento cominciò l’estenuante ricerca
dei chimici tedesci, francesi e inglesi per scoprire
Fotogrammetria - Lezione 1 15
come registrare in modo permanente l’immagine
prodotta da un sistema ottico
Johann Heinrich Schulze realizza immagini a
contatto utilizzando l'annerimento di una mistura
di gesso e sali di nitrati d'argento sotto l'azione
della luce. Esse non sono stabili perché non sa
CENNI STORICI (9)
Nello stesso periodo l’inglese Fox Talbot riuscì a
produrre con la sua camera obscura alcuni
negativi, mentre Arago e Niepce annunciavano la
scoperta del metodo di riproduzione eliografico.
Nel 1837 Louis Daguerre presenta all’Accademia
delle Arti e delle Scienze di Francia le prime
immagini positive su lastra metallica (i
dagherrotipi). Il suo metodo fu presto acquisito,
migliorato e diffuso in tutta Europa.
Immediatamente si pensa alla produzione di
fotografie aeree: dopo i primi esperimenti di
fotografia aerea realizzati da Nadar nel 1858 si
assiste ad una vera e propria esplosione nello
studio, progettazione e realizzazione di camere
idonee all’acquisizione di immagini fotografiche da
aeromobili (mongolfiere, dirigibili e infine, con la
fine della prima guerra mondiale, da aerei).
Fotogrammetria - Lezione 1 16
CENNI STORICI (9)
CENNI STORICI (10)
Vista di Costantinopoli 1876
È universalmente accettato il fatto che la prima restituzione
fotogrammetrica fu eseguita dal colonnello francese Aimé
Laussedat per il rilevamento architettonico e per la compilazione di
una mappa topografica della città di Parigi utilizzando fotografie
riprese dai tetti degli edifici nel 1864.
Gli studi eseguiti e i notevoli contributi originali alla nuova tecnica
di rilievo gli valsero il titolo di “padre della fotogrammetria”.
Dalla seconda metà del XIX secolo la ricerca si volse alla
progettazione di strumenti idonei alla restituzione di fotogrammi
aerei e terrestri basati su soluzioni di tipo ottico e meccanico
(restitutori analogici): Scheimpflug, Von Orel, Pulfrich, Von Gruber,
Wild, Nistri, Santoni, Hotine, Deville non sono che alcuni tra i più
famosi studiosi che consentirono lo sviluppo della tecnica
fotogrammetrica in questo periodo.
Fotogrammetria - Lezione 1 17
Fotogrammetria - Lezione 1 18
3

CENNI STORICI (11)
Nel 1958, Helava presenta il prototipo di un restitutore
fotogrammetrico analitico nel quale tutti i problemi di
orientamento e restituzione vengono risolti da un calcolatore
collegato ad uno strumento (lo stereocomparatore) per
l’individuazione e la misura delle coordinate dei punti omologhi.
L’avvento di potenti mezzi di calcolo aprono un periodo di intensa
attività nel mondo della ricerca: il restitutore analitico presentato
da Helava viene affiancato nel 1972 da un nuovo strumento
ideato da Inghilleri, vengono messi a punto i programmi di
compensazione delle triangolazioni fotogrammetriche e vengono
realizzati gli ortoproiettori analitici.
Nel 1981 Sarjakoski dimostra la possibilità di produrre e utilizzare
le immagini digitali per scopi fotogrammetrici. Ha così inizio
l’attuale periodo di evoluzione della tecnica fotogrammetrica che
vede la possibilità di raggiungere la completa automazione
dell’intero processo di rilevamento.
Fotogrammetria - Lezione 1 19
Negativo
Positivo
P ' 1
P '
2
PP
O
P ' 1
PP
Terminologia
P '
2
P2
P 1
Asse di presa
c
c
c = 99.16
FC
η
PP
Fotogrammetria - Lezione 1 20
P '
O = Centro di proiezione ( punto di presa)
PP = Punto principale
c = distanza principale
FC = centro fiduciale
ξ
Terminologia
Terminologia
L’orientamento interno è l’insieme dei parametri utili a definire la
geometria interna della camera da presa. I parametri dell’orientamento
interno sono:
ξ0, η0 = coordinate del punto principale nel sistema fiduciale
c = distanza principale della camera
Essi definiscono i la posizione i del centro di
proiezione rispetto al sistema fiduciale
definito sul piano del fotogramma.
Definito l’orientamento interno è possibile
tracciare la stella di direzioni formata dalle
rette che uniscono i singoli punti immagine
con il centro di proiezione.
Il fotogramma può dunque essere visto come
la registrazione delle direzioni azimutali e
zenitali individuate da un teodolite avente il
suo centro strumentale coincidente con il
centro di proiezione
Z
Y
X0
Y0
Z 0
O (X 0,Y 0 ,Z 0)
η
c
FC
PN
P '
PP
(ξ ,η )
0 0
(ξ,η)
X
ξ
P (X,Y,Z)
L’orientamento esterno è
l’insieme dei parametri utili
alla definizione dell’assetto
spaziale della camera
(fotogramma + punto
principale internamente
orientati) rispetto ad un
sistema di riferimento
tridimensionale.
Essenzialmente definisce la
posizione spaziale di un
corpo rigido (la camera)
nello spazio. Quindi è
definito da 6 parametri: tre
traslazioni e tre rotazioni.
Fotogrammetria - Lezione 1 21
Fotogrammetria - Lezione 1 22
c
Z
O
B
O
1 2
η
1
ξ
1
Y
P 2
P1
Terminologia
P 4
P3
X
η
2
ξ
2
Consideriamo deu fotografie
che riprendono uno stesso
oggetto.
I raggi delle stelle proiettive
che passano per le immagini
di uno stesso punto (immagini
omologhe) si intersecano
nello spazio (se esiste
l’orientamento esterno !!!).
L’insieme dei punti di
intersezione delle infinite
coppie di raggi omologhi si
chiama modello stereoscopico
Fotogrammetria - Lezione 1 23
Fasi del processo fotogrammetrico
⇒
⇒
⇒
⇒
⇒
⇒
Presa
Appoggio
Orientamento
Restituzione
Integrazione ed editing
Vestizione (rappresentazione)
Ogni fase del processo fotogrammetrico richiede una attenta
fase di progettazione e una fase di verifica. Il procedimento è
sequenziale:
un errore in una fase condiziona negativamente tutte le
fasi successive
Fotogrammetria - Lezione 1 24
4