TUBITAK-MAM YDBAE DE UÇAKLA DİJİTAL FOTOĞRAF ÇEKİMİ ÇALIŞMALARI

Transkript

1 TUBITAK-MAM YDBAE DE UÇAKLA DİJİTAL FOTOĞRAF ÇEKİMİ ÇALIŞMALARI DIGITAL AERIAL PHOTOGRAPHY RESEARCH AT TUBITAK-MRC EARTH AND MARINE SCIENCES RESEARCH INSTITUTE Erhan Alparslan, Cihangir Aydöner, Süleyman Canan, Aslı S. Dönertaş, Hilal Yüce, Reşat Kafarov, Bora Erkan TUBITAK-MAM Yer ve Deniz Bilimleri Araştırma Enstitüsü Gebze ÖZET Çevrenin ve yeryüzü kaynaklarının yönetiminde güncel haritaların önemi çok büyüktür. Ülkemizde mevcut haritalar gelişmekte olan şehirlerimizdeki değişiklikleri, özellikle turistik alanlar ve yoğun gelişme gösteren bölgelerdeki gerçek durumu yansıtmaktan uzak kalmaktadır. Bunun iki nedeni olup birisi harita güncelleştirme amaçlı yapılacak uzman haritacılık çalışmalarının pahalı olması bir diğeri ise bu amaçla kullanılacak yüksek çözünürlüklü uydu görüntülerinin yüksek maliyetidir. Ayrıca, uydu görüntüleri havanın bulutluluk durumundan etkilenmekte, uydunun belirli bir bölgeden geçme sıklığı istenilen zamanda uydu görüntüsü bulabilmeyi sınırlandırmakta ve öncelikli durumlarda verilerin ticari satışı engellenmektedir. TUBITAK-MAM YDBAE uçaktan algılayarak hızlı güncel veri üretmenin önemine varmış, bu konuyu enstitünün misyon ve vizyonuna dahil etmiştir. Enstitünün uzaktan algılama ve CBS laboratuarı grubu, bu konuda 1997 yılından beri çalışma sürdüren Hollanda daki Paul Geerders Danışmanlık firmasından beş gün süreli bir kurs almış, bu kurs sonucunda istekte bulunacak kamu veya özel kuruluşları için istedikleri bölgenin uçaktan hava fotoğrafını çekme, sayısal fotoğrafları işleyerek bütünleştirme, toplanan GPS koordinatlarından yararlanarak harita koordinatlarına oturtma ve bu konularda eğitim isteyen her kuruluşa hava fotoğrafçılığı eğitimi verme bilgi ve becerisine sahip olmuşlardır. Nisan 2004 te gerçekleştirilen eğitim sürecindeki uçuş esnasında ilk deneyimini kazanan grup, İstanbul ve Yalova İllerinin bazı bölgelerini ve MAM yerleşkesini görüntülemiş, MAM yerleşkesinden stereo hava fotoğrafı alarak üç boyutlu görüntüsünü elde etmiştir. Anahtar Sözcükler: Uçaktan Algılama, Dijital Hava Fotoğrafı ve GPS Teknolojisi ABSTRACT Contemporary maps play a significant role in management of the environment and the earth resources. Like many other countries, the existing maps in our country are far from exhibiting the real situation in the rapidly developing regions in the cities, particularly in tourism areas. The high cost of map updating field surveys or high-resolution satellite images account for this. On the other hand, cloud cover affects satellite images and their availability is limited by the satellite s pass frequency over a particular region and priority sales in certain areas. TUBITAK-MRC EMSRI recognized the importance of rapid contemporary data productions through airplane by building the capacity of the remote sensing and GIS team to take aerial photographs from a desired region, to mosaic these images, to produce a map using the related GPS coordinates and to give aerial photography training to any interested parties. During the training flight of April 2004, the team acquired images from several regions in the Istanbul and Yalova Provinces. Keywords: Remote Sensing by Airplane, Digital Aerial Photography and GPS Technology 1. Giriş Ülkemizde özellikle hızlı bir şekilde genişleyen şehirlerimizde planlama amaçlı kullanılan haritalar çok kısa zamanda güncelliğini yitirmektedir. Güncelliğini yitiren bu haritaların kısa zamanda yeniden üretilmesi zaman alıcı ve oldukça pahalıdır. Güncelleme amaçlı kullanılan en önemli veri kaynaklarından birisi uydu görüntüleridir. Fakat uydu görüntüleri havanın bulutluluk durumundan etkilenmekte, uydunun belirli bir bölgeden geçme sıklığı istenilen zamanda uydu görüntüsü bulabilmeyi sınırlandırmakta ve öncelikli durumlarda verilerin ticari satışı engellenmektedir. Dijital kamera ve sensörlerin istenildiğinde düşük maliyetli tek motorlu bir uçağa monte edilerek, görünür ve kızılötesi bölgede görüntüler alabilmesi, bu sistemleri özellikle ölçek ve zaman yönünden uydulara göre avantajlı bir konuma taşımıştır. Tercihen yukarı kanatlı Cessna veya benzeri küçük bir uçağın altına yerleştirilmiş bilgisayar

2 kontrollü bir dijital fotoğraf makinesi ve paralel olarak işlem gerçekleştiren GPS cihazı ile uygun nitelikte fotoğraflar çekilebilir. Elde edilen bu fotoğraflar özellikle izleme ve kontrol amaçlı uygulamalarda, afet sonrası hızlı veri toplamada, kentleşmenin ve kaçak yapılaşmanın takibinde, arazi kullanım değişimi tespitinde ve özellikle su havzalarına yönelik çalışmalarda ve benzeri uygulamalarda kullanılabilir. Bu bildiride önce dijital fotoğraf sistemlerinin günümüzde sürekli gelişmesine değinecek, bu sistemde kullanılan renkli dijital fotoğraf makinesi teknolojisinden kısaca bahsedecek, dijital görüntülerdeki çözünürlüğüne değinecek, dijital hava fotoğrafı çekimi teknolojisini alışagelmiş diğer veri toplama yöntemleri ile karşılaştırarak üstün yönlerine değinecek, dijital fotoğraflarda kalite iyileştirmek amacı ile uygulanabilecek görüntü işleme ve restorasyon çalışmalarından bahsedecek, son olarak ta TUBITAK-MAM da yapılan örnek çalışmayı tanıtarak, elde ettiğimiz sonuçları vereceğiz. 2. Dijital Fotoğraf Makinelerinin ve Dijital Fotoğraf Sistemlerinin Sürekli Gelişmesi Elektronik fotoğrafçılık TV ekranlarından daha çok PC lere görüntü almaya odaklanıldığında bilinmeye başlandı. Masaüstü bilgisayarlar görüntü ile tanıştıktan sonra, dijital fotoğraf makinelerinin hem profesyonellere hem de tüketicilere satışı hızlandı. Geçmişte, piksel sayısının artırımında duruluyordu. Şimdi $1,000 fiyatının altında olan makinelerin 2 milyon piksel sağlaması ile kullanıcılar yüksek piksel sayısının kaliteli fotoğraf görüntüsü için bu koşulun gerekli fakat yeterli olmadığını anladılar. Bunun sonucunda optik tasarıma, sayısal işlemeye odaklanıldı ve daha yüksek ISO hızlı, daha düşük gürültülü, daha geniş dinamik erimli, geliştirilmiş ton ve renk röprodüksiyonuna sahip daha az hatalı cihazlar geliştirildi. Sayısal görüntü işleme görüntü kalitesini zenginleştirerek ve yeni özelikler sunarak ürün farklılığı sağlayabilmektedir. Piksel sayısı arttıkça görüntü sıkıştırma önem kazanmaktadır. Günümüzdeki birçok dijital fotoğrafçılık sistemi DCT ye dayanan JPEG sıkıştırma tekniğini ve yeni olarak dalgacık temelli JPEG-2000 sıkıştırma standardı gelecek sistemler için çok değerli özellikler sunmaktadır[1]. 3. Renkli Dijital Fotoğraf Makinesi Teknolojisi Dijital fotoğraf makinesi teknolojisinde, normal fotoğraf makinelerine göre değiştirilmiş bir gövde ve lens yapısı söz konusu olup film yerine CCD (Charge Coupled Device) adı verilen elektronik bir plaka kullanılmaktadır. CCD cihazları 1mm 2 den küçük ışığa son derece hassas binlerce detektörden oluşup görüntünün piksel adı verilen en küçük resim elemanlarından oluşmasını sağlamaktadır[2]. Detektöre çarpan fotonlar cismin parlaklığı ile orantılı olarak elektronik sinyal üretmektedir. Bu sinyalin boyutu ise kaydedilecek sayısal değeri belirlemektedir. CCD içerisinde yer alan her bir detektör belli dalga boyundaki ışığa cevap verecek nitelikte yapılandırılmış olup çok bantlı görüntülerin oluşturulması için filtreler kullanılarak sadece belli dalga boyundaki ışığın detektöre ulaşması sağlanmaktadır. Dijital fotoğraf makinelerinde, kırmızı yeşil ve mavi dalga boyundaki ışığa duyarlı olan ayrı ayrı detektörler kullanılmaktadır. 4. Dijital Görüntülerin Çözünürlüğü Klasik hava fotoğraflarında yersel çözünürlük fotoğrafın ölçeğine göre değişir. Yani fotoğrafı çekilen alanın büyüklüğü ile görüntülenen fotoğraf büyüklüğünün karşılaştırılması sonucunda yersel çözünürlük belirlenir. Dijital görüntülerde yersel çözünürlük, en küçük resim elemanı olan pikselin gerçek arazide kaplamış olduğu alanın boyutu ile ifade edilir. Bu ise cisimlerin yakınlık durumuna, uçak yüksekliğine ve odak uzaklığına göre değişim gösterir. Piksel boyutu biliniyorsa, görüntünün ne büyüklükte bir alanı kapladığını hesaplamak mümkündür. Aşağıda örnek olarak 28 mm odak uzaklığına sahip bir kamera için farklı yüksekliklerde oluşan çözünürlükler verilmektedir. Tablo mm odak uzaklıklı kamera için yükseklik ile çözünürlüğün karşılaştırılması

3 Çözünürlük Yükseklik Piksel Sayısı Arazideki alan 1 m 3050 m 3060x2036 3km x 2km 0.5 m 1525 m 3060x m x 1000m 0.1 m 300 m 3060x m x 200m m 3060x m x 100m Yukarıdaki tablodan da anlaşılmaktadır ki çok geniş alanlarda çalışmak için elde edilen tüm görüntülerin ortofoto ya dönüştürülmesi ve mozaiklerinin yapılması gerekir. Tüm bu işlemler çok iyi bir uçuş planının yapılmasını gerektirmektedir. Yapılan uçuş planının uygulanmasında kullanılacak olan GPS teknolojisi uçağın kendi sensörlerine nazaran daha doğru bilgiler sunacaktır. 5. Dijital Hava Fotoğrafları ve Diğer Veri Toplama Yöntemleri Yönetici pozisyonunda bulunan kişiler sorumluluğu altındaki bölgeye ilişkin olarak vereceği kararların doğruluğundan emin olmak ve aynı zamanda hızlı karar vermesi için bölgeye ait topoğrafya, arazi örtüsü, bitki örtüsü türü gibi verilere ihtiyaç duyar. Bu tür verilerin toplanması için çeşitli yöntemler ve araçlar kullanılmaktadır. Bunları sıralayacak olursak; Yer üzerinde yapılan arazi ölçümleri ile veri toplama: Jeodezi yöntemleri ve aletlerden faydalanarak yapılan doğrultu ve uzunluk ölçmeleri ile konum belirleme esasına dayanır. Bu yöntemle, son derece hassas veriler toplanmasına rağmen çok fazla zaman ve emek gerektirir. Ayrıca çok geniş ve ulaşılması zor olan bölgelere ait verilerin toplanmasında yaşanan güçlükler, yöntemin uygulanmasında dezavantaj yaratmaktadır. Uydular ile Uzaktan Algılama: Özellikle düzenli zaman aralıklarında çok geniş alanlara ait verilerin toplanmasında son derece önemli bir veri toplama aracıdır. Özellikle görünür ve kızılötesi bölgede çok bantlı görüntüler alabilmesi nedeni ile yeryüzündeki farklı özellikleri kolaylıkla ayırt etme imkanı sağlar. Ancak bu görüntülerin, sadece uydunun bölge üzerinden geçerken alınabiliyor olması önemli bir dezavantajdır. Uydunun bölge üzerinden geçtiği anda uygun atmosfer koşullarının (bulutsuz ve temiz) gerekli olması ise diğer bir dezavantajdır. Ayrıca çerçeve bazında elde edilen uydu görüntüleri kullanıcının ilgi alanını kapsamayabilir. Bazen bir çerçeveden daha küçük bir alanı örtmek için birden fazla çerçevenin satın alınması gerekebilir ki bu da yüksek maliyet anlamına gelmektedir. Buna ek olarak görüntülere ait yersel çözünürlük yapılacak çalışma için yeterli olmayıp yeryüzündeki farklı özellikler ayırt edilememektedir. Klasik Hava Fotoğrafları: Klasik hava fotoğrafları ile istenilen zamanda istenilen bölgenin istenilen çözünürlükte verisi sağlanabilmektedir. Bu tür veriler, kullanıcı isterleri doğrultusunda hazırlanan uçuş planları ve tahsis edilen özel uçaklar yardımı ile fotoğraf filmleri kullanılarak elde edilir. Verilerin bilgisayar ortamında yapılacak görüntü analizleri için laboratuar ortamında kimyasal bir süreçten geçerek yeniden sayısallaştırılması ise zaman, emek ve doğruluk yönünden dezavantaj yaratır. Çok bantlı görüntülerin oluşturulmasında her bir bant için ayrı ayrı filmler kullanmak yukarıdan sözü edilen işlemleri tekrarlama anlamına geldiği için yöntemin cazibesi azalmaktadır. Dijital Hava Fotoğrafları: Dijital ve renkli kızılötesi hava fotoğrafları uçaklarla uzaktan algılama teknolojisine önemli avantajlar sağlamıştır. Bunlar; Kolaylık: Bu sistemler çok hafif olup bir bütün halinde kolay taşınabilir, uçak ve balonlara rahatlıkla monte edilebilir. Anlık Görüntüleme: Havada iken bilgisayar ekranı üzerinden görüntülere anlık olarak ulaşılabilir. Dijital Format: Çekilen fotoğraflar sayısal olduğu için ayrıca banyo ve sayısallaştırma işlemlerine ihtiyaç duyulmaz. Çok Bantlılık: Hiçbir ayrı işleme gerek duymadan analiz amaçlı çok bantlı renkli görüntüler oluşturulabilir. Geniş Depolama Ünitesi: Doğrudan bilgisayarla olan bağlantısı sayesinde, klasik film bazlı fotoğraflara göre fazla sayıda görüntüyü kaydetme olanağına sahiptir.

4 Elektronik Sensörler: Sahip olduğu elektronik sensörler sayesinde, klasik film bazlı fotoğraflara göre düşük yüksekliklerde daha kaliteli poz ve daha net görüntü elde edilebilir. Ek Veri Depolayabilme: Görüntülerle birlikte poz süresi ve oranı, bağlı olduğu GPS den elde edilen enlem, boylam ve yükseklik bilgileri, yatay ve düşey eksenlere göre dönüklük bilgileri gibi ek veriler kaydedilebilir. Hız: Verinin elde edilmesi ile Coğrafi Bilgi Sistemi ortamına aktarılması işlemi çok hızlıdır. Düşük Maliyet: Elde edilen görüntülerin özel filmler yerine tekrar kullanılabilir disklere sayısal olarak yazılması ve hızlı proses edilebilir olması maliyetin düşmesine neden olur. 6. Dijital Fotoğraflarda Görüntü İşleme Olanakları Dijital fotoğrafı temel alan teknolojiler geleneksel analog tekniklere kıyasla üstün performansa sahiptir. Verinin sayısal olması büyük kolaylık getirir. Bunun yanı sıra bilgisayar ve uydu teknolojisinin gelişmesi ile birlikte son otuz yıldır büyük gelişme gösteren görüntü işleme teknikleri sayısal verilere uygulanarak gürültü azaltma, görüntü keskinleştirme gibi işlemler yapılabilir. Sonuç görüntüde arzu edilen görsel özellikler görüntü işleme teknikleri yardımı ile vurgulanabilir.yüksek kaliteli fotoğraf görüntülerinde algılanan izlenimle ilgili temel uzamsal frekans karakteristikleri nerede ve nasıl görüntü işleme tekniği uygulanacağına dair önemli ip uçları verir [3]. 7. Dijital Fotoğraflarda Görüntü Restorasyonu Geçen yıllarda dijital fotoğrafçılık en hızlı gelişen tüketici elektronik pazarlarından biridir. Filmlerde kaydedilen fotoğraflara kıyasla dijital resimlerdeki kaliteyi iyileştirmek için çok çaba sarf edilmiştir. Bu metotların birçoğunun kökleri son yirmi yıldır gelişen ayrık sinyal ve görüntü işleme tekniklerinde bulunmaktadır. Fakat PC lerin sürekli artan hesaplama güçleri, yeni tasarımları ve ileri teknikleri gerçekleştirmiştir. Kullanılan algoritmalar, piksellerin programlanabilirliğini ve dijital fotoğraf makinelerinde genellikle bulunan sıkıştırma kodlayıcı/kod çözücü bulunurluğundan faydalanmakta ve JPEG veya JPEG-2000 görüntü sıkıştırma standardına göre çalışmaktadır [4]. 8. Örnek Çalışma Nisan 2004 te gerçekleştirilen eğitim sürecinden sonra ilk deneyim kazanıldıktan sonra İstanbul ve Yalova İllerinin bazı bölgeleri ve MAM kampüsüne ait alanlar dijital kamera ile görüntülenmiştir. Çalışma kapsamında stereo hava fotoğrafları da kullanılarak MAM kampüsüne ait üç boyutlu görüntü elde edilmiştir. Farklı bölgeler için çekilen örnek görüntüler Şekil-1, Şekil-2 ve Şekil-3 te verilmiştir.

5 Şekil-1. TÜBİTAK-Marmara Araştırma Merkezi Şekil-2. Yalova Kıyı Yerleşimi ve Liman

6 Şekil-3. Zeytinburnu Sahil Yolu (Hipodrom) 9. Sonuçlar Uçakla dijital fotoğraf çekimi teknolojisi diğer uzaktan veri toplama teknolojilerine farklı olarak basit ve etkili bir teknoloji olup hızlı, bağımsız ve uygun maliyetli haritalandırma veya harita güncelleme sağlar. Gerekli olan malzeme ise dijital fotoğraf makinesi, GPS ünitesi ve sayısal görüntülerin kaydedilmesi ve işlenmesi için özel yazılımdan oluşan entegre veri üretme ve kaydetme sistemidir. Fotoğraflar Cessna veya benzeri tercihen yukarı kanatlı küçük bir uçağın altına yerleştirilmiş bilgisayar kontrollü bir dijital fotoğraf makinesi ve paralel olarak işlem gerçekleştiren GPS cihazı ile elde edilebilir. Fotoğraf çekimi esnasında GPS ünitesi ile fotoğrafların koordinatlandırılması böylece harita olarak kullanılması sağlanır. Keşif uçuşu sona erdiğinde temelde sayısal görüntüler, belirli alanların mozaik görüntüsü yanı sıra coğrafik koordinatlandırılmış ve düzeltilmiş harita ürünleri elde edilir. Bu veriler özellikle izleme ve kontrol amaçlı uygulamarda, afet sonrası hızlı veri toplamada, kentleşmenin ve kaçak yapılaşmanın takibinde, arazi kullanım değişimi tespiti vb. uygulamalarda kullanılabilir. TUBITAK-MAM da uçakla dijital fotoğraf çekimi çalışmaları, merkezde yürütülen ve yürütülecek olan CBS projelerine büyük güç kazandıracak ve sağlanan güncel ve yüksek çözünürlüklü hava fotoğrafları kamu ve özel sektör kuruluşların çevre ağırlıklı projelerine veya afet sonrası keşif çalışmaları vb. çeşitli sorunlara çözüm getirecektir. Ayrıca bu amaçlı kurulacak CBS sistemlerine altlık olarak büyük yarar sağlayacaktır. 10. Kaynaklar [1] K. Parulski, M. Rabbani, The continuing evolution of digital cameras ans digital photography systems, The 2000 International Symposium on Circuits and Systems, 2000, Proceedings, May 2000, Vol. 5, pp , ISCAS 2000 Geneva [2] A. Todd Jackson, Bell, C.A., Megapixel resolution portable CCD electronic still camera Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, v 1448, 1991,pp2-12 [3] S.Rodney, Image Processing Opportunities in Digital Photography, Society for Imaging Science and Technology: Image Processing, Image Quality, Image Capture, Sys. Conf., 2001, pp [4] Lam E.Y., Image Restoration in digital photography, IEEE Trans. on Consumer Electronics, Vol. 49 Issue 2, May 2003, pp