fotogrammetria 1 - Circe
fotogrammetria 1 - Circe
fotogrammetria 1 - Circe
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Il metodo fotogrammetrico<br />
DEFINIZIONI<br />
La <strong>fotogrammetria</strong> è la scienza che consente di ottenere<br />
informazioni affidabili di oggetti fisici e dell’ambiente<br />
circostante mediante processi di registrazione, misura e<br />
interpretazione delle immagini fotografiche e digitali<br />
formate dall’energia elettromagnetica radiante e da altri<br />
fenomeni fisici. [Manual of Photgrammety, ASPRS, 1980]<br />
La <strong>fotogrammetria</strong> è la scienza che consente di estrarre<br />
informazioni da immagini e di presentarle all’utente in<br />
modo efficace. [PE&RS, 1999]<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 1<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 2<br />
APPLICAZIONI<br />
Rilevamento di oggetti di qualsiasi forma e<br />
dimensione che necessitano di un elevato<br />
numero di punti per una descrizione di forma<br />
completa<br />
Produzione di cartografia numerica mediante raccolta di<br />
misure e di informazioni da immagini aeree e satellitari<br />
Rilevamento di oggetti difficilmente o del tutto inaccessibili<br />
Rilevamento di oggetti accessibili per un limitato intervallo di tempo<br />
Rilevamento di organismi viventi<br />
Rilevamento di oggetti piccoli<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 3<br />
PRINCIPIO DELLA FOTOGRAMMETRIA<br />
Negativo<br />
Positivo<br />
P ' 1<br />
P ' 2<br />
PP<br />
O<br />
P ' 1<br />
PP<br />
P '<br />
2<br />
P2<br />
P 1<br />
Asse di presa<br />
La tecnica<br />
fotogrammetrica nasce<br />
con la definizione della<br />
prospettiva centrale.<br />
c<br />
c<br />
c = 99.16<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 4<br />
FC<br />
η<br />
PP<br />
P '<br />
La prospettiva centrale è<br />
un procedimento<br />
geometrico che<br />
trasforma una realtà 3D<br />
in una realtà 2D<br />
ξ<br />
PRINCIPIO DELLA<br />
FOTOGRAMMETRIA<br />
PRINCIPIO DELLA<br />
FOTOGRAMMETRIA<br />
c<br />
Z<br />
O<br />
B<br />
O<br />
1 2<br />
η<br />
1<br />
ξ<br />
1<br />
P 2<br />
P3<br />
η<br />
2<br />
ξ<br />
2<br />
Utilizzando due<br />
prospettive<br />
centrali di uno<br />
stesso punto<br />
oggetto, è<br />
possibile<br />
ricostruire la<br />
posizione spaziale<br />
del punto stesso.<br />
c<br />
Z<br />
O<br />
B<br />
O<br />
1 2<br />
η<br />
1<br />
ξ<br />
1<br />
P 2<br />
P3<br />
η<br />
2<br />
ξ<br />
2<br />
Y<br />
P1<br />
P 4<br />
X<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 5<br />
Y<br />
P1<br />
P 4<br />
X<br />
STREREOSCOPIA<br />
L’occhio umano e<br />
la macchina fotografica<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 6<br />
1
La misura della posizione<br />
di un punto avviene per<br />
intersezione in avanti.<br />
b = base di presa<br />
d = distanza dell’oggetto<br />
Effetto stereoscopico<br />
CENNI STORICI (1)<br />
1. I PRECURSORI DELLA<br />
FOTOGRAMMETRIA<br />
L’inizio della storia della<br />
<strong>fotogrammetria</strong> può essere<br />
considerata coincidente con l’opera<br />
di Leonardo da Vinci (1452-1519): 1519): i<br />
suoi studi di geometria, ottica,<br />
meccanica e la sua fervida<br />
intuizione consentirono di<br />
dimostrare graficamente nel 1492 i<br />
principi della proiezione ottica. A lui<br />
si devono anche la progettazione<br />
dei primi strumenti per la<br />
costruzione delle lenti.<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 7<br />
(b = 1/3,1/4 della distanza d dall’oggetto)<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 8<br />
oculus artificialis<br />
CENNI STORICI (2)<br />
CENNI STORICI (3)<br />
Il pittore tedesco<br />
Arbrecht Dürer (1471-<br />
1528) produsse nel 1525<br />
una macchina in grado di<br />
generare prospettive<br />
centrali di oggetti<br />
tridimensionali.<br />
Questo strumento<br />
include un apparato utile<br />
alla produzione di<br />
prospettive centrali di<br />
uno stesso oggetto con<br />
centri di proiezione e<br />
piani distinti (disegni<br />
stereoscopici).<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 9<br />
Nel 1600 l’astronomo<br />
tedesco Johannes<br />
Kepler (1571-1630)<br />
fornisce una precisa<br />
definizione del<br />
termine<br />
STEREOSCOPIA e il<br />
pittore fiorentino<br />
Jacopo Chimenti<br />
produce quella che<br />
può essere<br />
considerata la prima<br />
coppia stereoscopica<br />
di disegni (Museo<br />
Wicar - Lille -<br />
Francia).<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 10<br />
CENNI STORICI (4)<br />
Le prospettive prodotte con gli strumenti prima ricordati<br />
avevano molte limitazioni nei riguardi della correttezza<br />
geometrica e della riproduzione fedele dei dettagli<br />
dell’oggetto.<br />
L’introduzione della camera obscura rappresentò un notevole<br />
passo avanti nella produzione di prospettive di oggetti<br />
tridimensionali<br />
La camera obscura (descritta da uno studente arabo all’inizio<br />
dell’XI secolo) fu inizialmente una vera e propria stanza con un<br />
piccolo foro praticato su una parete. La luce passante attraverso<br />
questo foro produceva sulla parete opposta una prospettiva dello<br />
spazio esterno alla camera. La modesta quantità di luce e gli<br />
effetti di diffrazione ai bordi del foro generavano immagini<br />
sfuocate<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 11<br />
CENNI STORICI (5)<br />
Numerosi sforzi furono fatti per<br />
trasformare la camera obscura in<br />
uno strumento trasportabile<br />
inserendo nel foro sistemi ottici<br />
inventati per aumentare la<br />
quantità di luce penetrante.<br />
Giovanni i Battista t Porta nel 1558<br />
raccomandava l’uso di questo<br />
strumento ai giovani artisti per la<br />
produzione di prospettive reali.<br />
In seguito la camera obscura fu<br />
dotata di specchi in grado di<br />
riflettere l’immagine su un piano<br />
orizzontale sul quale si poteva<br />
posizionare più comodamente il<br />
foglio da disegno.<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 12<br />
2
CENNI STORICI (6)<br />
Nel 1804 il fisico Wollaston inventò la<br />
camera lucida consistente in un prisma<br />
ottico a quattro facce montato ad una<br />
opportuna distanza da un piano<br />
orizzontale.<br />
L’immagine dell’oggetto tridimensionale<br />
veniva proiettata dal prisma sul piano<br />
consentendo il tracciamento manuale della<br />
prospettiva.<br />
Lo stesso Wollaston nel 1812 migliorò la<br />
camera obscura introducendo sistemi ottici<br />
più efficaci di quelli fino ad allora utilizzati.<br />
Si deve a Edward Bausch l’introduzione<br />
dell’uso del diaframma a diametro<br />
variabile.<br />
Una camera oscura reflex da disegno degli inizi dell'800. Lo specchio interno deviava la<br />
proiezione di 45 gradi verso la parte superiore, dove Fotogrammetria veniva steso il foglio - da Lezione disegno. 1E'<br />
13<br />
lo stesso principio in base al quale funzionano oggi le moderne macchine fotografiche<br />
reflex.<br />
Il concetto dei disegni<br />
stereoscopici fu utilizzato per<br />
un rilevamento dal fisico<br />
svizzero F. Kapeller nel 1726<br />
che produsse una mappa<br />
topografica del Monte Pilato sul<br />
Lago di Lucerna.<br />
CENNI STORICI (7)<br />
L’ammiraglio francese<br />
Beautemps-Beaupré compilò<br />
mappe topografiche a partire da<br />
coppie stereoscopiche di<br />
prospettive utilizzando le<br />
formulazioni matematiche fornite<br />
dal Henry Lambert (1728-1777) 1777)<br />
nel trattato “La prospettiva<br />
libera” del 1759.<br />
Questo trattato esplica il concetto della prospettiva centrale e della<br />
intersezione spaziale di coppie di raggi omologhi (raggi provenienti<br />
dalle due immagini prospettiche di uno stesso punto oggetto):<br />
esso descrive i fondamenti geometrici della tecnica che 100 anni<br />
più tardi assumerà il nome di FOTOGRAMMETRIA<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 14<br />
CENNI STORICI (8)<br />
Nello stesso anno, 1759, Schultze (chimico di<br />
Norimberga) osservò che il nitrato d’argento si<br />
scuriva se esposto alla luce solare.<br />
fissarle<br />
Nello stesso periodo Giovanni Battista Beccaria<br />
riportò risultati di precedenti osservazioni del<br />
medesimo effetto sul cloruro d’argento.<br />
Storicamente si riconosce al francese Niépce la<br />
dimostrazione (1816) che esponendo in una camera<br />
obscura fogli di carta ricoperti di cloruro d’argento<br />
successivamente fissati con un bagno di acido<br />
nitrico si possono ottenere immagini negative: egli<br />
chiamò questa tecnica eliografia.<br />
Successivamente lo stesso Niépce dimostrò che<br />
utilizzando fogli di bitume si potevano ottenere<br />
immagini positive.<br />
Da questo momento cominciò l’estenuante ricerca<br />
dei chimici tedesci, francesi e inglesi per scoprire<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 15<br />
come registrare in modo permanente l’immagine<br />
prodotta da un sistema ottico<br />
Johann Heinrich Schulze realizza immagini a<br />
contatto utilizzando l'annerimento di una mistura<br />
di gesso e sali di nitrati d'argento sotto l'azione<br />
della luce. Esse non sono stabili perché non sa<br />
CENNI STORICI (9)<br />
Nello stesso periodo l’inglese Fox Talbot riuscì a<br />
produrre con la sua camera obscura alcuni<br />
negativi, mentre Arago e Niepce annunciavano la<br />
scoperta del metodo di riproduzione eliografico.<br />
Nel 1837 Louis Daguerre presenta all’Accademia<br />
delle Arti e delle Scienze di Francia le prime<br />
immagini positive su lastra metallica (i<br />
dagherrotipi). Il suo metodo fu presto acquisito,<br />
migliorato e diffuso in tutta Europa.<br />
Immediatamente si pensa alla produzione di<br />
fotografie aeree: dopo i primi esperimenti di<br />
fotografia aerea realizzati da Nadar nel 1858 si<br />
assiste ad una vera e propria esplosione nello<br />
studio, progettazione e realizzazione di camere<br />
idonee all’acquisizione di immagini fotografiche da<br />
aeromobili (mongolfiere, dirigibili e infine, con la<br />
fine della prima guerra mondiale, da aerei).<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 16<br />
CENNI STORICI (9)<br />
CENNI STORICI (10)<br />
Vista di Costantinopoli 1876<br />
È universalmente accettato il fatto che la prima restituzione<br />
fotogrammetrica fu eseguita dal colonnello francese Aimé<br />
Laussedat per il rilevamento architettonico e per la compilazione di<br />
una mappa topografica della città di Parigi utilizzando fotografie<br />
riprese dai tetti degli edifici nel 1864.<br />
Gli studi eseguiti e i notevoli contributi originali alla nuova tecnica<br />
di rilievo gli valsero il titolo di “padre della <strong>fotogrammetria</strong>”.<br />
Dalla seconda metà del XIX secolo la ricerca si volse alla<br />
progettazione di strumenti idonei alla restituzione di fotogrammi<br />
aerei e terrestri basati su soluzioni di tipo ottico e meccanico<br />
(restitutori analogici): Scheimpflug, Von Orel, Pulfrich, Von Gruber,<br />
Wild, Nistri, Santoni, Hotine, Deville non sono che alcuni tra i più<br />
famosi studiosi che consentirono lo sviluppo della tecnica<br />
fotogrammetrica in questo periodo.<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 17<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 18<br />
3
CENNI STORICI (11)<br />
Nel 1958, Helava presenta il prototipo di un restitutore<br />
fotogrammetrico analitico nel quale tutti i problemi di<br />
orientamento e restituzione vengono risolti da un calcolatore<br />
collegato ad uno strumento (lo stereocomparatore) per<br />
l’individuazione e la misura delle coordinate dei punti omologhi.<br />
L’avvento di potenti mezzi di calcolo aprono un periodo di intensa<br />
attività nel mondo della ricerca: il restitutore analitico presentato<br />
da Helava viene affiancato nel 1972 da un nuovo strumento<br />
ideato da Inghilleri, vengono messi a punto i programmi di<br />
compensazione delle triangolazioni fotogrammetriche e vengono<br />
realizzati gli ortoproiettori analitici.<br />
Nel 1981 Sarjakoski dimostra la possibilità di produrre e utilizzare<br />
le immagini digitali per scopi fotogrammetrici. Ha così inizio<br />
l’attuale periodo di evoluzione della tecnica fotogrammetrica che<br />
vede la possibilità di raggiungere la completa automazione<br />
dell’intero processo di rilevamento.<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 19<br />
Negativo<br />
Positivo<br />
P ' 1<br />
P '<br />
2<br />
PP<br />
O<br />
P ' 1<br />
PP<br />
Terminologia<br />
P '<br />
2<br />
P2<br />
P 1<br />
Asse di presa<br />
c<br />
c<br />
c = 99.16<br />
FC<br />
η<br />
PP<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 20<br />
P '<br />
O = Centro di proiezione ( punto di presa)<br />
PP = Punto principale<br />
c = distanza principale<br />
FC = centro fiduciale<br />
ξ<br />
Terminologia<br />
Terminologia<br />
L’orientamento interno è l’insieme dei parametri utili a definire la<br />
geometria interna della camera da presa. I parametri dell’orientamento<br />
interno sono:<br />
ξ0, η0 = coordinate del punto principale nel sistema fiduciale<br />
c = distanza principale della camera<br />
Essi definiscono i la posizione i del centro di<br />
proiezione rispetto al sistema fiduciale<br />
definito sul piano del fotogramma.<br />
Definito l’orientamento interno è possibile<br />
tracciare la stella di direzioni formata dalle<br />
rette che uniscono i singoli punti immagine<br />
con il centro di proiezione.<br />
Il fotogramma può dunque essere visto come<br />
la registrazione delle direzioni azimutali e<br />
zenitali individuate da un teodolite avente il<br />
suo centro strumentale coincidente con il<br />
centro di proiezione<br />
Z<br />
Y<br />
X0<br />
Y0<br />
Z 0<br />
O (X 0,Y 0 ,Z 0)<br />
η<br />
c<br />
FC<br />
PN<br />
P '<br />
PP<br />
(ξ ,η )<br />
0 0<br />
(ξ,η)<br />
X<br />
ξ<br />
P (X,Y,Z)<br />
L’orientamento esterno è<br />
l’insieme dei parametri utili<br />
alla definizione dell’assetto<br />
spaziale della camera<br />
(fotogramma + punto<br />
principale internamente<br />
orientati) rispetto ad un<br />
sistema di riferimento<br />
tridimensionale.<br />
Essenzialmente definisce la<br />
posizione spaziale di un<br />
corpo rigido (la camera)<br />
nello spazio. Quindi è<br />
definito da 6 parametri: tre<br />
traslazioni e tre rotazioni.<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 21<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 22<br />
c<br />
Z<br />
O<br />
B<br />
O<br />
1 2<br />
η<br />
1<br />
ξ<br />
1<br />
Y<br />
P 2<br />
P1<br />
Terminologia<br />
P 4<br />
P3<br />
X<br />
η<br />
2<br />
ξ<br />
2<br />
Consideriamo deu fotografie<br />
che riprendono uno stesso<br />
oggetto.<br />
I raggi delle stelle proiettive<br />
che passano per le immagini<br />
di uno stesso punto (immagini<br />
omologhe) si intersecano<br />
nello spazio (se esiste<br />
l’orientamento esterno !!!).<br />
L’insieme dei punti di<br />
intersezione delle infinite<br />
coppie di raggi omologhi si<br />
chiama modello stereoscopico<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 23<br />
Fasi del processo fotogrammetrico<br />
⇒<br />
⇒<br />
⇒<br />
⇒<br />
⇒<br />
⇒<br />
Presa<br />
Appoggio<br />
Orientamento<br />
Restituzione<br />
Integrazione ed editing<br />
Vestizione (rappresentazione)<br />
Ogni fase del processo fotogrammetrico richiede una attenta<br />
fase di progettazione e una fase di verifica. Il procedimento è<br />
sequenziale:<br />
un errore in una fase condiziona negativamente tutte le<br />
fasi successive<br />
Fotogrammetria - Lezione 1 24<br />
4