Διερεύνηση Γεωαναφοράς Ιστορικών Αεροφωτογραφιών μέσω της Ταύτισης Γραμμικών Στοιχείων

Abstract

Οι ιστορικές αεροφωτογραφίες του 1945 και του 1960 αποτελούν ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο για τις επιστήμες που σχετίζονται με τη γη και τη διαχείρισή της, όπως είναι το Κτηματολόγιο. Χαρακτηριστικό παράδειγμα της μεγάλης χρησιμότητας που παρουσιάζουν, αποτελεί το γεγονός ότι χρησιμοποιούνται για τη σύνταξη των ιστορικών ψηφιακών ορθοφωτογραφιών και ορθοφωτοχαρτών του Εθνικού Κτηματολογίου, με βάση τους οποίους καθορίζονται οι δασικές εκτάσεις στην Ελλάδα. Δυστυχώς όμως, οι παλαιές αυτές εικόνες εμφανίζουν κάποια σημαντικά προβλήματα που επηρεάζουν αρνητικά την ακρίβεια γεωαναφοράς τους, η οποία είναι απαραίτητη για την παραγωγή των φωτογραμμετρικών προϊόντων που προαναφέρθηκαν. Συγκεκριμένα, τα προβλήματα αυτά αφορούν τον άγνωστο εσωτερικό τους προσανατολισμό και τη δυσκολία εύρεσης και στόχευσης σε αυτές, φωτοσταθερών σημείων που απαιτούνται για την επίλυση του αεροτριγωνισμού, της κλασικής διαδικασίας γεωαναφοράς εικόνων. Το πρόβλημα του άγνωστου εσωτερικού προσανατολισμού αντιμετωπίζεται είτε εφαρμόζοντας συγκεκριμένη μεθοδολογία, τα βήματα της οποίας καθορίζονται σύμφωνα με τις προδιαγραφές του πρώην Υπουργείου Γεωργίας, είτε με διάφορες άλλες μεθόδους που στηρίζονται στην αυτοβαθμονόμηση, ή τέλος με την εφαρμογή του Άμεσου Γραμμικού Μετασχηματισμού (DLT). Όσον αφορά το δεύτερο πρόβλημα, που εντείνεται όταν η περιοχή ενδιαφέροντος είναι ορεινή ή χαρακτηρίζεται από έντονες ανθρωπογενείς παρεμβάσεις, θα μπορούσε να αντιμετωπιστεί με τον εντοπισμό και την ταύτιση κοινών γραμμικών στοιχείων, αντί κοινών μεμονωμένων σημείων, ανάμεσα στις αεροφωτογραφίες και σε πιο πρόσφατα δεδομένα. Η αναγνώριση, η εύρεση και η ταύτισή τους είναι πιο εύκολη και αξιόπιστη σε σχέση με τα σημειακά χαρακτηριστικά, ακόμα και στην περίπτωση που έχει μεσολαβήσει μεγάλο χρονικό διάστημα ανάμεσα στις χρονολογίες λήψης των διαθέσιμων δεδομένων. Η διερεύνηση της μεθόδου αυτής αποτελεί το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Ουσιαστικά στηρίζεται στον υπολογισμό ενός τρισδιάστατου μετασχηματισμού ομοιότητας, που συνδέει τις συντεταγμένες μοντέλου σημείων των ιστορικών αεροφωτογραφιών με τις επίγειες γεωδαιτικές τους συντεταγμένες. Οι παράμετροι του μετασχηματισμού αυτού είναι ουσιαστικά, οι επτά παράμετροι του απόλυτου προσανατολισμού του μοντέλου, και προσδιορίζονται με τη χρήση ζευγών ομόλογων σημείων που υπολογίζονται κατά τη διαδικασία ταύτισης των γραμμικών χαρακτηριστικών. Η πρακτική εφαρμογή που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της εργασίας, είχε ως στόχο τη διερεύνηση των ακριβειών που επιτυγχάνονται στη γεωαναφορά ενός μοντέλου αεροφωτογραφιών του 1945 χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της ταύτισης γραμμικών στοιχείων. Στις αεροφωτογραφίες που χρησιμοποιήθηκαν απεικονίζεται η περιοχή του Πολύγυρου Χαλκιδικής. Εκτός από αεροφωτογραφίες, παραλήφθηκαν πρόσφατης λήψης επικαλυπτόμενες δορυφορικές εικόνες, όπως επίσης και τοπογραφικά διαγράμματα κλίμακας 1:5.000 της Γ.Υ.Σ., προκειμένου να υπολογιστούν οι γεωδαιτικές συντεταγμένες φωτοσταθερών σημείων και σημείων ελέγχου, που επρόκειτο να χρησιμοποιηθούν σε διάφορα στάδια της εφαρμογής. Οι διαδικασίες που ήταν αναγκαίο να πραγματοποιηθούν πριν από την απόδοση των γραμμικών οντοτήτων στα δεδομένα, ήταν η σύνδεση των χαρτών σε ενιαίο υπόβαθρο και η γεωαναφορά τους, η γεωαναφορά του δορυφορικού στερεοζεύγους και η γεωαναφορά των αεροφωτογραφιών του 1945 με αεροτριγωνισμό, έτσι ώστε να είναι δυνατή η σύγκριση ανάμεσα στις ακρίβειες που επιτυγχάνονται με τις δύο διαφορετικές μεθόδους. Ακολούθησε η διαδικασία της εξαγωγής των καμπυλών, οι οποίες ζητείται να γεωαναφερθούν, από το μοντέλο των αεροφωτογραφιών του 1945, άλλα και η απόδοση και ψηφιοποίησή τους, αντίστοιχα, στις δορυφορικές εικόνες και στα τοπογραφικά διαγράμματα, έτσι ώστε να αποτελέσουν δεδομένα αναφοράς για τη διαδικασία της ταύτισης. Πραγματοποιήθηκαν δύο εφαρμογές γεωαναφοράς του μοντέλου του 1945, με καμπύλες αναφοράς από το προσανατολισμένο δορυφορικό στερεοζεύγος αρχικά, και από τους χάρτες της Γ.Υ.Σ. στη συνέχεια. Οι καμπύλες που ταυτίστηκαν ήταν τα ζεύγη των αντίστοιχων οριογραμμών ή αξόνων των γραμμικών στοιχείων. Συνολικά εξετάστηκαν οκτώ περιπτώσεις ταύτισης, ανάλογα με το είδος και το πλήθος των γραμμικών χαρακτηριστικών που ταυτίζονταν κάθε φορά. Οι ακρίβειες που επιτεύχθηκαν στη γεωαναφορά των αεροφωτογραφιών του 1945 με τη μέθοδο της ταύτισης γραμμικών στοιχείων είναι γενικά αρκετά καλύτερες από εκείνες του αεροτριγωνισμού, γεγονός που σε συνδυασμό με τα σημαντικά πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν τα γραμμικά χαρακτηριστικά, μπορεί να συντελέσει στη διαδεδομένη χρήση της στο μέλλον.

The historical aerial photos of 1945 and 1960 are a very useful tool for the sciences which are related to land administration, such as the Cadastral. A typical example of the great usefulness of those images is that they are used in Greece to design digital historical ortho-rectified photos and maps, in order to define the forest land that is protected by the law. Unfortunately, these old pictures present some serious problems, which affect negatively their georeference precision. The georeference process is necessary for the production of the photogrammetric products, which were mentioned above. Specifically, the old images’ problems refer to their unknown interior orientation, as well as the difficulty to accurately locate and measure Ground Control Points (GCPs) on them. GCPs are demanded for the resolution of the aerial triangulation, which is the classical method of aerial photos’ georeference. The problem of the unknown interior orientation is faced with either the implementation of a specific methodology according to the specifications of the former Ministry of Agriculture, or various other methods that rely on the self-calibration idea. Moreover, the Direct Linear Transformation (DLT) can also be used for the same purpose. As far as the second problem is concerned, which is getting worse when the area of interest is mountainous or is characterized by tense human activity, it could be treated by detecting and matching common linear features, instead of common individual points, between the aerial photos and more recent data, e.g. satellite images. Their identification, location and matching can be done more easily and reliably relatively to the point features, even if a long time period has passed between the dates of acquisition of the various available data. The investigation of this new georeference method is the scope of the present project. In fact, the proposed process is based on the calculation of a three-dimensional similarity transformation, which connects the model coordinates of points of the old aerial photos with their geodetic coordinates on the ground. Essentially, the parameters of this transformation are the seven parameters of the absolute orientation of the model and they are determined using point correspondences, which are computed during the matching process of the linear features. The practical implementation, that was realized for the purposes of the project, aimed to examine the precisions, which are achieved on the georeference of a model of aerial photos of 1945, using the method of matching linear features. The area of Polygyros in Chalkidiki is presented on the aerial photos which were used. Except of aerial photos, a stereo pair of recent satellite images was necessary, as well as topographic maps of medium scale (1:5.000), which were demanded in order to specify the geodetic coordinates of GCPs and Check Points, that should be used on various stages of the implementation. The processes, which needed to be done before the digitization of the linear entities on the data, included the connection of the maps and their transformation to the new national geodetic reference system, the georeference of the satellite images and finally, the georeference of the aerial photos of 1945 using the method of aerial triangulation, in order to compare the precisions that are achieved with the two different methods. The next step was the extraction of the non-registrated curves from the model of aerial photos of 1945, but also their digitization on the stereo pair of satellite images and on the topographic maps, in order to constitute reference data for the matching process. The georeference of the model of 1945 was carried out with reference curves fistly from the oriented stereo pair of satellite images, and secondly from the maps. The curves which were matched, were the pairs of the corresponding edges or axes of the linear features. Totally, eight occasions of matching were examined, depending on the type and the number of linear features that were matched every time. The accuracies which were achieved on the georeference of the aerial photos of 1945, using the method of matching linear entities, are generally much better than those of the aerial triangulation method. This fact, taking also into account the important advantages of the linear features, can contribute to the increased use of the proposed method in the future.