Ortofotomapa to mapa powierzchni terenu powstała w wyniku przetworzenia kartometrycznego zdjęć lotniczych, satelitarnych bądź z drona, pozbawiona deformacji (zniekształceń) geometrycznych, z dołączonymi do niej elementami charakterystycznymi dla map wektorowych (siatką kartograficzną, podziałką i innymi elementami legendy mapy) oraz uwzględniająca wysokości punktów terenu (hipsometrię).
W Polsce organem odpowiedzialnym za prowadzenie bazy danych dotyczącej ortofotomapy na mocy ustawy Prawo geodezyjne i kartograficzne jest Główny Geodeta Kraju. Na dzień dzisiejszy najbardziej precyzyjne ortofotomapy dostępne w Państwowym Zasobie Geodezyjnym i Kartograficznym (PZGIK) odwzorowują w jednym pikselu swojego obrazu, teren o wymiarach 3×3 cm.
Zobacz naszą nowoczesną Mapę Geoportal360
Do czego wykorzystywane są ortofotomapy?
Z uwagi na bardzo precyzyjne odwzorowanie oraz wierne przedstawienie elementów trenu, ortofotomapy stały się konkurencyjne i niemal zupełnie wypchnęły z rynku mapy wektorowe. Mapa wektorowa otrzymana w procesie stereodigitalizacji jest uboższa o informacje znajdujące się na zdjęciach terenu. Dodatkowo, mapa wektorowa z uwagi na skalę nie zawsze może przedstawiać wszystkie szczegóły terenu.
W odróżnieniu od mapy wektorowej na ortofotomapie znajduje się znacznie więcej informacji, które przedstawiają wszystkie elementy terenu, znajdujące się na zdjęciach, i które są materiałem w pełni kartometrycznym.
Z uwagi na dużą „pojemność” informacji o terenie, ortofotomapy wykonywane są przede wszystkim na potrzeby budownictwa, planowania i zagospodarowania przestrzennego, górnictwa odkrywkowego (piaskownie, żwirownie, kopalnie węgla brunatnego), ochrony środowiska, rolnictwie, melioracji wodnych i leśnictwa. Ortofotomapy znajdują też zastosowanie, jako materiał źródłowy do tworzenia map tematycznych.
W budownictwie lądowym ortofotomapy wykorzystywane są przede wszystkim do:
- tworzenia map hipsometrycznych (wysokościowych),
- śledzenia zaawansowania robót ziemnych typu głębokie wykopy,
- pomiarów odległości, powierzchni i objętości np. pryzm humusu.
Za pomocą ortofotomap architekci mogą przedstawić ostateczną wizualizację projektu budowlanego. Przedstawienie projektu budowlanego w przestrzeni jest nieocenionym atutem nie tylko na etapie pozyskiwania zlecenia, ale także jako forma promocji architektonicznej.
Za pomocą ortofotomapy – zdjęć fotograficznych po odpowiedniej obróbce, można monitorować postęp prac budowlanych, kontrolować każdy jej etap, porównywać efekt końcowy prac budowlanych z ostatecznym planem.
Ortofotomapy stają się niezbędne przy projektowaniu i budowie infrastruktury typu drogi, autostrady, linie kolejowe czy energetyczne. Od jakiegoś czasu można zaobserwować naloty dronów nad budującymi się autostradami. Takie cykliczne naloty mają za zadanie dostarczenie projektantom i budowniczym precyzyjnych informacji o postępie, w miarę upływu czasu, prac budowlanych oraz analizie ich wykonania pod względem zgodności z projektem budowlanym.
W gospodarce przestrzennej miast i wsi ortofotomapy oraz mapy hipsometryczne (wysokościowe) służą do planowania nowych inwestycji budowlanych, ustalania kierunków rozwoju miast i wsi.
Ortofotomapy, zwłaszcza pomiary wykonywane z drona, znalazły nieocenione zastosowanie podczas inwentaryzacji materiałów znajdujących się w kopalniach odkrywkowych, wyrobiskach czy magazynach. Z uwagi na powierzchnie zajmowane przez kopalnie odkrywkowe, żwirownie czy składowiska innych materiałów, monitorowanie tych obiektów za pomocą zdjęć z wysokości, np. z drona, okazało się bardzo pomocne w rozliczaniu wydobycia kopalin oraz planowania miejsc składowanie urobku.
Postępującym trendem w zastosowaniu pracy drona jest również kompleksowa obsługa kopalń odkrywkowych oraz ocena deformacji terenów górniczych. Dzięki możliwości pracy zdalnej, pomiary są wykonywane nawet w najtrudniejszych (zakamarkach) obszarach kopalni, a naloty, które wykonuje dron nie wymagają wstrzymania robót.
Ortofotomapy są również przydatne do ewidencjonowania gruntów i budynków. Za pomocą ortofotomapy można nie tylko wyznaczyć granice działek, ale również pomierzyć odległości pomiędzy poszczególnymi punktami na mapie.
Ortofotomapy są często łączone z innymi mapami, np. wektorowymi, w celu np. utworzenia siatki infrastruktury energetycznej czy gazowej.
Ortofotomapy posiadają istotne znaczenie przy planowaniu zlewni w obszarach dopływów głównych rzek w Polsce, jak również przy odtwarzaniu starych zbiorników wodnych i planowaniu budowy nowych. Ortofotomapy zlewni głównych rzek Polski mogą posłużyć do opracowania programów w zakresie zwiększenia zasobów wodnych kraju. W szczególności powstałe mapy mogą zostać wykorzystane do planowania robót melioracyjnych, odtwarzania starych zbiorników wodnych w postaci oczek wodnych czy stawów.
Ortofotomapy wykonane na użytek leśnictwa wspomagają realizację zadań własnych prowadzonych w ramach planów rocznych i dziesięcioletnich. Dane fotogrametryczne pozyskane ze zdjęć lotniczych lub satelitarnych, zwłaszcza wykonane w podczerwieni i zsynchronizowane z leśną mapą numeryczną, pozwalają na ustalenie:
- lesistości kraju,
- stanu zdrowotnego roślin,
- wilgotności gleby,
- dokładnej lokalizacji luk i przerzedzeń w drzewostanach,
- wyznaczenie prawidłowego przebiegu granic wyłączeń,
- cech taksacyjnych drzewostanu, takich jak: skład gatunkowy, zwarcie, formy zmieszania, ekspozycja i nachylenie stoku, liczba, wielkości i lokalizacja powierzchni niestanowiących wydzieleń (tzn. kępy, gniazda, luki, przerzedzenia) – źródło: „Wykorzystanie ortofotomapy w Lasach Państwowych”, Krzysztof Okła – Wydział Urządzania Lasu i Geoinformatyki DGLP.
Szczególnym zastosowaniem ortofotomapy jest stworzenie mapy termowizyjnej, która powstaje na podstawie zdjęć wykonanych w podczerwieni. Za pomocą tych zdjęć bada się m.in. stan zdrowotny roślin czy chociażby wilgotność gleby, ścioły wybranego obszaru lasu. Informacje uzyskane przy użyciu drona z odpowiednim oprogramowaniem mogą być wykorzystane do określenia zagrożenia pożarowego w leśnictwie.
Ortofotomapy są również wykorzystywane przez policję chociażby do odtworzenia miejsca wypadku. Odbywa się to w ten sposób, że policjant uruchamia drona i wykonuje nalot fotogrametryczny w celu zebrania zdjęć. Następnie wykonane zdjęcia są opracowywane w specjalnym oprogramowaniu, w wyniku którego powstaje ortofotomapa 2D i model 3D. Na tej podstawie jest wykonywany szkic ze zdarzenia z miejsca wypadku. Wykorzystanie w pracy policji systemu opartego na ortofotomapie i modelu 3D znacznie upraszcza pracę, a dzięki wysokiej dokładności pomiarów eliminuje błędy przy ocenie okoliczności i skutków wypadku.
Ortofotomapy powstałe w wyniku zdjęć satelitarnych wykorzystywane są m.in. do wysokopoziomowych analiz o charakterze strategicznym dotyczącym zjawisk i ich relacji, w tym pokrycia terenu, zmian pokrycia terenu, trendów w zakresie rozwoju obszarów miejskich czy degradacji obszarów przyrodniczych.
Przeczytaj: Fotogrametria – zastosowanie w geodezji
Jak powstaje ortofotomapa?
Jeszcze do niedawna fotomapy były produktem przetworzenia zdjęć lotniczych metodą fotomechaniczną. Deniwelacje terenu uwzględniano na powstającej mapie poprzez czasochłonne i pracochłonne przetwarzanie strefowe.
W kolejnych etapach rozwoju technologii fotogrametrycznych prace zmierzały ku wyeliminowaniu błędów wynikających zarówno z nachylenia zdjęć, jak i deniwelacji terenu.
Obecnie do przetwarzania zdjęć terenu wykonanych przy użyciu płatowców bądź dronów stosowane są metody fotogrametrii cyfrowej, których efektem końcowym są cyfrowe ortofotomapy. Na dzień dzisiejszy cyfrowe ortofotomapy wyparły całkowicie ortofotomapy analogowe.
Zatem, skoro ortofotomapy są tak powszechnie dostępne, dlaczego co raz częściej firmy zlecają ich wykonanie, z drona czy płatowca? Otóż dzieje się tak dlatego, że z czasem na skutek rozwoju miast i wsi oraz powstawania nowych inwestycji liniowych (drogi, autostrady) ortofotomapy wykonane np. przez satelitę w 2000 r. stały się nieaktualne. Bywa, że ortofotomapy wykonane dla jakiegoś obszaru właśnie na skutek zmiany sytuacji architektonicznej są nieaktualne już po roku od ich powstania!
Dodatkowo, niektóre zastosowania ortofotomapy wymagają znacznie większej rozdzielczości. Standardowa ortofotomapa wytworzona z samolotu pokładowego posiada rozdzielczość maksymalnie 5 cm. Natomiast wytworzenie mapy przy zastosowaniu drona pozwala na osiągnięcie rozdzielczości nawet poniżej 1 cm, co znacznie rozszerza przydatność takiej mapy i umożliwia jej zastosowanie np. w inwentaryzacji historycznych obiektów architektonicznych pod kątem ich rekonstrukcji (analiza rys i spękań tynków).
Ponadto, podejmując decyzję o wyborze sprzętu do wytworzenia ortofotomapy, należy kierować się także wielkością obszaru, dla którego ma być sporządzona ortofotomapa. Jeżeli obszar jest nieduży, np. pojedyncza hałda lub zwałowisko, najkorzystniej będzie, jeżeli prace związane z opracowaniem mapy zostaną wykonane przy użyciu drona. Natomiast w przypadku tworzenia mapy dla znacznego obszaru, ze względu na zasięg oraz parametry lotu urządzenia, korzystniej będzie wybrać płatowiec (płatowiec dłużej utrzymuje się w powietrzu).
Z doświadczenia wielu firm wynika, że prace wykonane przy użyciu drona (loty fotogrametryczne) są znacznie bardziej precyzyjne od tych wykonanych z satelity czy z samolotu, a dokumentacja wykonana przy użyciu drona odzwierciedla stan terenu zgodnie ze stanem faktycznym terenu. Dron bowiem wznosi się na niewielkie wysokości, co gwarantuje dużą dokładność wykonywanych fotografii. Istotną cechą pracy drona jest również znaczna mobilność, która pozwala na penetrację obszarów często niedostępnych dla płatowców, co umożliwia bardzo precyzyjne wykonanie zdjęć całego wyznaczonego obszaru.
Jak mówi, dr hab. Jarosław Chormański, prof. ndzw SGGW, „Przewaga dronów dotyczy przede wszystkim badań prowadzonych na stosunkowo niewielkich obszarach, prowadzonych przez dłuższy czas w tym samym miejscu lub wymagających wysokiej, centymetrowej dokładności uzyskiwanego obrazu”.
Przystępując do wykonania ortofotomapy z wykorzystaniem drona należy przygotować się do wykonania tego zadania uwzględniając przy tym: wielkość matrycy, parametry obiektywu, zasięg posiadanego UAV (bezzałogowy statek powietrzny), żądany piksel terenowy oraz pokrycie podłużne i poprzeczne wykonanych zdjęć. Wytworzenie ortofotomapy przy użyciu drona wymaga wykonania setek zdjęć danego terenu, połączenia ich za pomocą procesu ortorektyfikacji i przeprowadzenie mozaikowania.
Proces tworzenia ortofotomapy przy użyciu drona rozpoczyna się zazwyczaj od zaplanowania poszczególnych etapów realizacji tego przedsięwzięcia, które można podzielić m.in. na takie czynności jak:
1. Zaplanowanie nalotów w obszarze, dla którego będzie wykonywana ortofotomapa.
2. Wyznaczenie w obszarze zaplanowanym do wykonania ortofotomapy fotopunktów.
3. Przygotowanie sprzętu – drona do pracy terenowej i uzbrojenie sprzętu:
- w kamerę RGB – kamera RGB, to zazwyczaj zwykła kamera rejestrująca spektrum światła widzialnego. Jej nazwa RGB pochodzi od słów z j. angielskiego Red, Green, Blue (czerwony, zielony, niebieski). Dzięki kamerze RGB można tworzyć mapy w kolorach takich jak widzi człowiek;
- urządzenie odbierające sygnał docierający do tego urządzenia (np. urządzenie LIDAR) – który działa podobnie do radaru czy sonaru, ale zamiast mikrofal czy fali dźwiękowej wykorzystuje odbite światło widzialne lasera. Za pomocą lasera wysyłane są krótkie impulsy światła o konkretnej długości fali. Odbite światło rejestrowane jest np. przez fotodiodę lub kamerę CCD. Analizując natężenie rozproszonego impulsu świetlnego tworzy się numeryczne modele terenu (NMT) wraz z pokryciem, np. siecią dróg, linii wysokiego napięcia, zabudowaniami, drzewostanami czy ciekami wodnymi.
- czujnik – czujniki multi-, super- i hiperspektralne to uogólnienia kamery RGB, które poza światłem widzialnym potrafią rejestrować m.in. różne zakresy podczerwieni czy mikrofal. Czujnik multi-, hiperspektralny bardzo dokładnie mierzy natężenie fal w różnych długościach, co pozwala na poznanie dokładnego składu makroskładników. Dron zaopatrzony w czujniki multi-, super- i hiperspektralne może być wykorzystany do wyznaczenia wilgotności gleby czy przebiegu podziemnych rurociągów. Przy użyciu zwykłej kamery jest to niemożliwe.
4. Uruchomienie drona i wykonanie nalotów nad zaplanowaną powierzchnią.
5. Prace kameralne:
- ortorektyfikacja,
- mozaikowanie.
Przed przystąpieniem do wykonania ortofotomapy danego obszaru, wyłoniony w procedurze przetargowej bądź z „wolnej reki” wykonawca powinien poznać cel, dla którego będzie tworzona ortofotomapa oraz poznać teren, w obszarze którego będą prowadzone prace.
Następnie, jeszcze przed uruchomieniem drona, należy w terenie objętym pomiarem założyć osnowę fotogrametryczną. Założenie osnowy fotogrametrycznej polega na wyznaczeniu i pomiarze w terenie punktów, które będą jednoznacznie identyfikowalne na zdjęciu. Pomiaru fotopunktów należy dokonać przy użyciu sprzętu geodezyjnego i zgodnie z obowiązującą techniką pomiarową. Wyznaczone w terenie fotopunkty należy oznaczyć przez pomalowanie ich białą farbą. Dokonując wyznaczenia fotopunktów wykonawca może odnieść się do występujących na danym obszarze naturalnych, swoistych elementów danego terenu typu studnie bądź inne uzbrojenia terenu. Dzięki fotopunktom można osadzić przyszły numeryczny model terenu w konkretnym układzie współrzędnych.
Po zaopatrzeniu się w odpowiednią kamerę, od wielkości której będzie zależała szczegółowość wykonanej mapy, należy opracować pokrycie podłużne (wielkość nakładania się kolejnych zdjęć w szeregu) i poprzeczne zdjęć (wielkość nakładania zdjęć pomiędzy szeregami). Zależność pomiędzy wielkością matrycy, a ostatecznym opracowaniem jest taka, że im większa matryca, tym opracowanie będzie bardziej szczegółowe – piksel terenowy będzie mniejszy, a lot drona będzie odbywał się krócej.
Planując pokrycie lotem powierzchni należy uwzględnić przy tym końcowy wynik produktu. Jeżeli ma to być tylko ortofotomapa wystarczy 70% pokrycia podłużnego i 50% pokrycia poprzecznego. Natomiast, jeżeli zleceniodawca chce otrzymać dodatkowo precyzyjny numeryczny model terenu, to planując naloty dronem należy zwiększyć pokrycie nawet do 80%.
Posiadając założoną osnowę geodezyjną oraz plan lotu można uruchomić i wykonać naloty fotogrametryczne.
Należy przy tym mieć na uwadze, że poruszanie się w przestrzeni powietrznej jest obwarowane pewnymi prawami.
Z uwagi na bezpieczeństwo państwa przestrzeń powietrzna została podzielona na strefę kontrolowaną i niekontrolowaną. Aby móc wykonywać loty w przestrzeni kontrolowanej należy uprzednio pozyskać stosowne zgody. Natomiast w strefie niekontrolowanej można wykonywać loty bez dodatkowych procedur.
W przypadku operowania dronem (urządzenie bezzałogowe), wykonywania nalotów poprzecznych i podłużnych w strefie niekontrolowanej nad powierzchnią, dla której będzie opracowywana ortofotomapa, należy jedynie bacznie obserwować niebo. Jeżeli strefa niekontrolowanej przestrzeni nad planowanym obszarem jest wolna, można dobrać lądowisko i rozpocząć naloty.
Po wykonaniu pracy terenowej zebrany przez drona materiał w postaci zdjęć oraz danych z GPS i IMU (ang. Inertial Measurement Unit), przy użyciu specjalnego oprogramowania, zostaje poddany obróbce, w wyniku której powstaje produkt – ortofotomapa. Wykorzystuje się do tego chmurę punktów. Algorytm komputerowy na jej podstawie wyszukuje punkty wspólne na każdym zdjęciu i wiąże je ze sobą.
Produktem pośrednim przy tworzeniu ortofotomapy z drona jest Numeryczny Model Terenu. Numeryczny model terenu (NMT) jest dyskretną (punktową) reprezentacją wysokości terenu, wraz z algorytmem interpolacyjnym umożliwiającym obliczenie wysokości w dowolnym punkcie obszaru, dla którego model został zbudowany. Numeryczny model terenu pozwala na odtworzenie kształtu powierzchni w określonym, opracowywanym terenie.
NMT jest przede wszystkim niezbędny do utworzenia powierzchni rzutowania zdjęć. Numeryczny Model Terenu posiada również inne swoje zastosowanie np. w wizualizacji terenu oraz analizach specjalistycznych, takich chociażby jak badanie przyrostu mas ziemnych na skutek wydobycia.
Aby ze zdjęć z drona bądź płatowca mogła powstać ortofotomapa w swoim ostatecznym kształcie, zdjęcia muszą zostać poddane procesowi ortorektyfikacji. Proces ten jest konieczny, ponieważ zwykłe zdjęcie nie uwzględnia zmiany wysokości i obarczone jest błędem skali. W procesie ortorektyfikacji następuje „naciągnięcie”, czyli zamiana rzutu środkowego na rzut ortogonalny. Proces ten może się odbyć tylko przy udziale Numerycznego Modelu Terenu.
Ostatnim etapem tworzenia ortofotomapy jest mozaikowanie, które polega na połączeniu wielu zdjęć w jedną ortofotomapę.
Obecne ortofotomapy dla znacznych obszarów, np. naszego kraju, powstają w wyniku zdjęć satelitarnych wykonanych przez satelitów obserwacyjnych Sentinel-2. Rozdzielczość zdjęć satelitarnych wykonanych przez tego satelitę wynosi 10m i dla Polski została przygotowana w układzie współrzędnych 1992.
Ortofotomapa wykonana dla obszaru Polski jest dostępna bezpłatnie i możliwa do dowolnego wykorzystania.
Pobieranie danych w zakresie ortofotomapy umożliwia serwis Geoportal.gov.pl (LINK), w którym w sekcji „Dane do pobrania” widoczna jest grupa warstw „Ortofotmapa”, a tam z kolei trzy warstwy „Ortofotomapa wg aktualności”, „Ortofotomapa wg rozdzielczości” oraz „Prawdziwa ortofotomapa”. W serwisie znajdziemy ortofotomapę zarówno w kompozycji RGB (barwy naturalne), jak i CIR (z wykorzystaniem kanału bliskiej podczerwieni). Serwis Geoportal.gov.pl oferuje również opracowania – ortofotomapy wykonane dla poszczególnych miast w Polsce. Z roku na rok oferta ortofotomap dla miast Polski zwiększa się o kolejne.
Przeczytaj również: Skaning laserowy – zastosowanie w geodezji
Źródła:
- Wykorzystanie ortofotomapy w Lasach Państwowych, Krzysztof Okła – Wydział Urządzania Lasu i Geoinformatyki DGLP
- Cyfrowa Ortofotomapa. Dr Regina Tokarczyk. Zakładu Fotogrametrii i Informatyki Teledetekcyjnej Wydziału Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska AGH w Krakowie.
Zdjęcie: Unsplash.com
