PROJEM İSTANBUL ARAŞTIRMA PROJESİ

Transkript

1 PROJEM İSTANBUL ARAŞTIRMA PROJESİ FOTOGRAMETRİK HARİTA ÜRETİMİNDE DİGİTAL HAVA RESİM ÇEKME MAKİNELERİ VE LAZER TARAMA YÖNTEMLERİNİN KULLANIM OLANAKLARI Proje Yüklenicisi: İstanbul İŞİN Teknik ADI Üniversitesi İnşaat Fakültesi, Fotogrametri Anabilim Dalı 2007-İstanbul. Bu araştırma projesi Projem İstanbul kamsamında İstanbul Büyükşehir Belediyesi tarafından hazırlatılmıştır. İstanbul Büyükşehir Belediyesi ve araştırmacının yazılı izni olmadan çoğaltılamaz ve kopyalanamaz.

2 FOTOGRAMETRİK HARİTA ÜRETİMİNDE DİGİTAL HAVA RESİM ÇEKME MAKİNELERİ VE LAZER TARAMA YÖNTEMLERİNİN KULLANIM OLANAKLARI İÇİNDEKİLER 1. Giriş 2. Digital Hava Resim Çekme Makineleri 2.1. CCD Alan Algılayıcılı Digital Resim Çekme Makineleri 2.2. Digital Üç Satır Resim Çekme Makineleri 2.3. GPS, İnersiyal Sistemler ve Bu Sistemlerin Digital Hava Resim Çekme Makineleri ile Birlikte Kullanılması 2.4. Digital Hava Kameralarının Test Sonuçları ve Bunların Karşılaştırılması Vaihingen/Enz Test Alanında ADS40 Sisteminin Testi DMC (Digital Mapping Camera) ile Elde Edilen Sayısal Yükseklik Modeli (SYM) nin Analog Resim Çekme Makinesi ile Elde Edilmiş SYM ile Karşılaştırılması Digital Fotogrametrik Algılayıcıların Geometrik Test Alanı Kalibrasyonu 3. Lazer Tarama 3.1. Yersel Lazer Tarama Sistemleri Georeferanslandırma Nokta Kümelerinin Bağlanması Cisim Modelleme Stratejileri Uygulamada Kullanılan Yersel Lazer Tarayıcılar 3.2 Uçağa Takılı Lazer Sistemleri Üretici Firmalar Servis Sağlayıcılar 3..3 Üç Boyutlu Cisim ve Arazi Modellerinin Elde Edilmesinde Lazer Tarama Sistemleri 3.4. Bina Modellerinin Elde Edilmesi 3.5 Laser Taramada Filtreleme teknikleri Lazer Tarama Yöntemleri ile Diğer Üç Boyutlu Veri Elde Etme Yöntemlerinin Karşılaştırılması 4. Gelecekteki Eğilimler Kaynaklar 2

3 1. GİRİŞ Yer yüzeyinin digital görüntüleri hergün artan bir biçimde fotogrametri ve uzaktan algılamanın önemli bir ürünü haline gelmektedir. Fotogrametri ve uzaktan algılama yöntemleri ile elde edilen bu tür görüntülerin yorumlanması kolaydır ve kapsamlı bir ön eğitim almadan bunlardan yararlanılabilir. Günümüzde bu tür görüntüler digital hava ve uydu görüntüleri ile çalışmaya başlayan ve bu görüntüleri genel kullanıma açan Google ve Microsoft gibi dev iletişim şirketleri için de büyük bir motivasyon kaynağı olmuştur. Uydu görüntülerinde arazideki çözünürlülüğün 1 metrenin altına düşmesi ile digital hava resim çekme makineleri bu pazarda önemli bir pay almaya başlamışlardır. Fotogrametrik uygulamalarda ise digital hava resim çekme makineleri yüksek doğruluk taleplerini sağlamak zorundadırlar. Digital hava resim çekme makinelerinin analog resim çekme makinelerine göre en önemli avantajları, tamamen digital bir veri akışı, önemli derecede iyileştirilmiş radyometrik görüntü kalitesi, pankromatik, renkli ve yakın kızılötesi görüntülerinin eş zamanlı olarak elde edilmesi olarak belirlenebilir yılında Amsterdamda yapılan ISPRS kongresinde digital çözümlerin piyasaya ilk defa sunulmasının üstünden çok fazla zaman geçmeden bu konuda çok hızlı ve baş döndürücü gelişmeler olmuştur. Uzun zamandan beri LİDAR (Light Detection And Ranging) adı altında kullanılmakta olan. Lazer tarama yöntemleri ise hem arazi detaylarının elde edilmesinde, hem de kısa uzaklıklardan cisimlerin yeniden oluşturulmasında yaklaşık on yıldan beri kullanılmaya başlanmış ve bu yöntem uygulama alanında bir devrim yaratmıştır. Lazer tarama ile yapılan işlemlerde fotogrametri ile ilgili birçok yaklaşım esas alınmakla birlikte, iki teknik arasında bazı farklılıklar bulunmaktadır. Lazer tarayıcılar uçağa takılı olarak arazinin üç boyutlu modellenmesinde kullanılmasının yanı sıra yer durak noktalarında yapılan tarama işlemleri ile her türlü karışık yapıda cismin üç boyutlu modellerinin elde edilmesinde kullanılmaktadırlar. Yersel lazer tarayıcıları uçağa takılı lazer tarayıcılardan ayıran fark, tarama işlemi esnasında yersel tarayıcıların sabit kalmasıdır. Her iki işlemde kullanılan temel yaklaşım aynıdır. Günümüzde yapılan çalışmalarda lazer tarama verileri ile cismin üst yüzey geometrisi elde edilmektedir. Dijital fotografik verilerden cisme ait dokular alınarak, lazer tarama ile elde edilmiş cismin geometrisinin üst yüzeyine bu dokular georeferans noktaları olarak adlandırılan (bir anlamda geçiş noktaları) noktalar yardımıyla taşınmaktadır. Elde edilen model geometrik olarak doğru, detay ve doku bakımından gerçekçi bir yapıya sahip olmaktadır. 3

4 2. DİGİTAL HAVA RESİM ÇEKME MAKİNELERİ Günümüzde piyasada bulunan, lineer dizi ve alan algılayıcılı (frame based) resim çekme makinelerinin sayılarını tam olarak belirlemek artık zorlaşmıştır. Yaklaşık olarak 120 adet büyük formatlı (Leica ADS40, Intergraph DMC, Vexcel Ultra Cam- D), 150 tane orta formatta ve bunlardan çok daha fazla sayıda da küçük formatlı resim çekme makinesinin dünya üzerinde kullanıldığı kayıtlara göre belirlenmiştir. Bu satış değerleri hızla artmaktadır. Büyük formatlı digital çözümler için iki farklı tasarım felsefesi bulunmaktadır. Bunlardan birincisi, 1990 lı yılların ortasında MOMS uzay kameralarında başarıyla kullanılan üç satır geometrisine göre çalışan CCD lineer dizi (pushbroom) algılayıcılı sistemlerdir. Diğeri ise sanal bir merkezi izdüşüm görüntüsü oluşturan çoklu CCD çerçevelerden oluşan bir sistemdir. Büyük formatlı sistemler, büyük fotogrametri firmaları ve ulusal haritalama kuruluşları tarafından, orta ve küçük formatlı resim çekme makineleri ise daha çok ormancılık, ziraat ve afet yönetimi sistemlerinde kullanılmaktadırlar. Digital hava resim çekme makinelerinin hızlı gelişimi 2005 yılı Mayıs ayında Hannoverde yapılan ISPRS Çalıştayında Üç boyutlu yer bilgileri için yüksek çözünürlüklü yer yüzeyi görüntülemesi başlığı altında duyurulmuştur. Hannover deki tartışmalar karışık algılayıcı sistemlerin geometrik ve radyometrik modellenmesinde elde edilebilen arazideki doğruluk, iyileştirilmiş radyometrik kaliteyi sağlayan otomasyon için eklenen düzen ve pratik uygulamalarda elde edilen kazançlar üzerinde yoğunlaşmıştır. Bu toplantı sonunda yapılan çalışmalar göz önüne alınarak dijital resim çekme makinelerinin bugünkü durumu hakkında kamuoyunun bilgilendirilmesi amacıyla bir rapor düzenlenmesine karar verilmiştir. Bu rapor için çok sayıdaki bilimsel makaleden beş tanesi seçilerek bunlar rapora dâhil edilmiştir. Seçilen ilk çalışma LEICA ADS 40 resim çekme makinesinin geometrik testini gerçekleştiren Stuttgart Üniversitesinden Michael Cramer in makalesidir.[1] Çeşitli değerlerdeki uçuş yükseklikleri ve çok sayıda bağımsız kontrol noktası (Check point) kullanılarak yatay koordinatlar için 0.2 ile 0.3 piksel arası bir standard sapma ve uçuş yüksekliğinin % ( ) değerleri arasında yükseklik için doğruluk değerleri elde etmiştir. Cramer farklı GPS/IMU sistemleri ile görüntülerin yöneltilmesi için deneyler yapmış ve tanımlanan durum için teorik olarak yer kontrol noktalarına gereksinme 4

5 olmadığı halde uygulamalarda özellikle yeteri sayıda kontrol noktalarına gerek olduğunu göstermiştir. Bu çalışmada kullanılan Leica ADS40 Digital Hava Resim Çekme Makinesi, tek mercekli odak düzlemindeki yedi paralel hat algılayıcıdan oluşmaktadır. Üç pankromatik (öne bakan, düşey ve arkaya bakan), yan yana yerleştirilmiş üç renkli (kırmızı, yeşil ve mavi) ile bir kızılötesi kanaldan meydana gelen algılayıcı hatları şematik olarak Şekil 2.1. de gösterilmiştir. Pankromatik kanalların her biri piksel kapasiteli olup, birbirine göre 0.5 piksel oranında kaydırılmış iki hattan oluşmaktadır. [2] [8] Şekil 2.1. : ADS40 Resim Çekme Makinesi ve Pankromatik Görüntüler İçin Farklı Bandlarda 3 Adet Satır Tarayıcı Renkli ve yakın kızılötesi kanalları, görüntünün daha iyi yorumlanmasını ve bitki örtüsü ile insan yapısı detayların sınıflandırılmasını kolaylaştırırken, otomatik detay tanımlamanın daha hızlı yapılmasını ve ek olarak yakın kızılötesi kanal; toprak ve bitki örtüsü ile ilgili zamansal analiz, risk tahmini ve afet yönetimi konularında destek sağlar. Kamera ayrıca GPS+IMU ile Direkt olarak yönlendirilebilir. Şekil 2.2: Resim Çekme Makinesinin Doğrudan Yönlendirme Olanağı (GPS+IMU) 5

6 Genel olarak, alan algılayıcılı CCD ler %100 e yakın örtü oranıyla görüntü topladıklarından, uçuş yönündeki perspektif bozulmalar çok küçüktür (Şekil 2.3). Düşey hava fotoğraflarında, yüksek nesnelerin tepeleri merkezden dışarıya doğru yatarlar ve önemli bir hata kaynağı oluştururlar. Bu sorun ADS40 digital resim çekme makinesi ile azaltılmıştır. Uçuş yönünde oluşan değişik ölçekli görüntülerin neden olduğu sorun ise ADS40 görüntülerinin düşeye çevrilmesi ile aşılmakta ve bu görüntüler stereo görüş elde etmede, bağlantı noktası belirlemek için gerçekleştirilen eşleme işleminde ve sayısal arazi/yüzey modeli oluşturmakta kullanılmaktadır. Sayısal Algılayıcı Öne bakan hat Analog Hava Kamerası Düşey hat Merkezi izdüşümlü fotoğraf Arkaya bakan hat Bindirmeli fotoğraflardan oluşan uçuş kolonu Şekil 2.3: Arazideki yüksekliklerin sayısal ve analog görüntülere yansıması. [2] Odak düzlemindeki pankromatik ve çok bantlı CCD ler, herhangi bir t anı için kendilerine ait konum ve durum bilgilerine, değişik görüş açılarına (Şekil 2.4) ve kalibrasyona sahip olmaları, alan (matris) tipi görüntülemeye kıyasla karmaşık bir görüntü geometrisi sonucunu ortaya çıkarmaktadır. Geometrik dönüşümlerin karmaşıklığı bir yana, daha iyi geometrik doğruluğa GPS/INS kullanılarak doğrudan yöneltme işlemi ile ulaşılabilmektedir. Birden fazla kanaldan çok bantlı veri toplamak, eşleştirme sonuçlarının güvenilirliğini ve doğruluğunu artırdığı gibi farklı görüş açıları da otomasyon süreçlerindeki zorlu eşleştirme durumlarında belirsizliğin giderilmesine yardım etmektedir. 6

7 Pankromatik Çok Bantlı Arkaya bakan o 14.2 o 28.4 Öne bakan o 2.0 Yakın kızılötesi o 16.1 RGB Şekil: 2.4 Pankromatik ve Çok Bantlı Kanalların Nadir Noktasına Göre Görüş Açıları. Görüntü alımına ek olarak, uçuş sırasında GPS ve IMU verileri de toplanmakta ve kaydedilmektedir. Uçuş sonrası işleme tabi tutulan GPS/IMU verileri yardımıyla her bir görüntü hattının mutlak yöneltmeleri gerçekleştirilir. Kalan hataları modellemek için ise belirli sayıda yer kontrol noktası ve bağlantı noktaları kullanılarak ışın demetleri dengelemesi gerçekleştirilerek, dengeleme sonuçları, daha hassas düşeye çevirme için kullanılmaktadır. ADS40 resim çekme makinesinin Düzey 0 (ham veri) ve Düzey 1 (düşeye çevrilmiş veri) olmak üzere iki ayrı ürün tipi vardır. Stereo görüş elde etme, sayısal arazi modeli oluşturma veya harita üretimi için düşeye çevrilmiş olan Düzey 1 ürünü gereklidir. ADS40 hava resim çekme makinesi 14 bit kapasiteli dinamik aralığa sahip olması nedeniyle iyi bir sinyal/gürültü oranı ortaya koymaktadır. Kırmızı, yeşil ve mavi bantlardaki etkili bit sayısı daha düşüktür. Ham verilerin histogramı, koyu değerlere doğru (pankromatik kanalda ) bir yoğunluk ortaya koymaktadır. Etkili gri değeri aralığı pankromatik kanalda bit, çok bantlı (renkli) kanalda ise bit olarak belirlenmiştir. Değişik veri setleri ile yapılan testler ile ADS40 resim çekme makinesininin radyometrik performansı analiz edilmiş ve çok bantlı kanalların pankromatik kanallara ve ham verilerin düşeye çevrilmiş verilere göre daha az gürültülü olduğu sonucuna ulaşılmıştır. ADS40 digital hava resim çekme makinesinin teknik özellikleri Tablo 2.1 de verilmiştir. 7

8 Tablo 2.1: ADS40 Digital Hava Resim Çekme Makinesinin Teknik Özellikleri Odak uzaklığı Piksel Boyutu 62.5 mm 6.5 m Piksel sayısı Enine görüş açısı (across-track) Öne bakan stereo açısı Arkaya bakan stereo açısı Yakın kızılötesi stereo açısı RGB stereo açısı Dinamik aralık Radyometrik çözünürlük 64 o 28.3 o o o 15.9 o 12-bit 8-bit Veri sıkıştırma faktörü Hat başına kayıt aralığı Spektral aralık Odak uzaklığı > 1.2 msn (800 Hz) Pankromatik, RGB ve yakın kızılötesi 80 mm Görüntü genişliği (3,100 m uçuş yüksekliğinde) 3,000m ve 25 cm yer piksel boyutu Stereo açılar 17, 25, 42 Uçuşta veri depolama kapasitesi Çalışma voltajı Ortalama güç tüketimi (maksimum) Algılayıcı Başlığı (SH40) Kontrol Ünitesi (CU40) Bellek Ünitesi (MM40) Kullanıcı Arayüzü (OI40) IMU/GPS (Applanix System) TB 28 VDC veya 220 VAC/50 Hz Algılayıcı : 600 W (1000 W) Bellek : 600 W (600 W) Ağırlık: 66 kg; Çap: 59 cm; yükseklik: 74 cm; PAV30 çemberine uyar Ağırlık: 43 kg; En: 45 cm; boy: 34 cm; derinlik: 52 cm Ağırlık: 18 kg, taşınabilir, 540 GB disk kapasitesi Ağırlık 14 kg IMU: SH40 ünitesine, GPS and POS: CU40 ünitesine entegre edilir. 8

9 Barcelona dan Ramon Alamus et al seçilen ikinci çalışmada, Intergraph DMC Digital Hava Resim Çekme Makinesi ni kullanarak çeşitli test uçuşları gerçekleştirilmiş ve bağımsız kontrol noktaları (check points) esas alınarak analog resim çekme makinesi ile elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılarak analiz edilmiştir. Çalışmanın bir aşamasında laser tarama uçuşunda elde edilen digital yükseklik modeli bu analiz işleminde kullanılmıştır. Şekil 2.5: Intergraph DMC nın Yerleştirildiği Uçağın Altından Çekilmiş Resmi ve Resim Çekme Makinesi Gövdesi DMC hava resim çekme makinesiı modüler bir yapıdadır, sekiz adet senkronize çalışan alan (matris) tipi CCD algılayıcılara sahip resim çekme makinesi modüllerinden oluşmaktadır. Sağ ve solda toplam dört adet düşey bakışlı çok spektrumlu resim çekme makinesi objektifleri, ortada ise eğik pankromatik resim çekme makinelerine ait objektifler bulunmaktadır. Renkli kompozit görüntü elde etmek amacıyla, dört paralel resim çekme makinesi çok bantlı görüntü toplayabilmektedir. İçe bakan dört adet resim çekme makinesinden elde edilen pankromatik görüntüler kullanılarak digital ortamda gerçekleştirilen mozaiklerden yüksek çözünürlüklü tek bir görüntü oluşturulmaktadır. Bu durumu açıklayan DMC resim çekme makinesinin platform koordinat sistemi Şekil 2.6 te verilmektedir. Gerçek odak uzaklıklarına (f 1, f 2, f 3, f 4 ) sahip dört adet pankromatik resim çekme makinesi ile elde edilen görüntülerden, f DMC odak uzaklığında sanal bir görüntü oluşturulmaktadır. Sanal odak uzaklığı (f DMC ) serbestçe seçilebilmesine rağmen, kaydedilen gerçek piksel boyutunun oluşturulan sanal (mozaik) görüntü ile yaklaşık aynı boyutlarda olması için genellikle 120 mm olarak belirlenir. 9

10 DMC görüntüsünün sanal izdüşüm merkezi, dört pankromatik resim çekme makinesi izdüşüm merkezlerinin oluşturduğu düzlemin merkezidir. Şekil 2.6: DMC Sisteminin Koordinat Sistemi (mavi gerçek, turuncu sanal). Söz konusu çoklu resim çekme makinesi yaklaşımı, film bazlı hava resim çekme makinelerinin performanslarına ulaşabilmek için, çok bantlı yetenek ile yüksek pankromatik çözünürlüğü birleştirmeye olanak sağlamaktadır. DMC görüntüsü merkezi izdüşüm prensibine dayandığından, mevcut bütün digital görüntü işlem yeteneğine sahip fotogrametrik sistemler bu algılayıcının elde ettiği görüntüyü kullanabilirler. Sayısal resim sürüklenmesini önleyici sistemi sayesinde, DMC resim çekme makinesinin elde ettiği görüntülerin çözünürlüğü 5 cm düzeyine ulaşmıştır. Film bazlı analog hava resim çekme makinesinin kullanıldığı her türlü uygulamada kullanılabilir duruma gelen DMC digital hava kamera sisteminin uçağa montaj şeması Şekil 2.7 de verilmiştir. 10

11 GPS anteni Pilot Ekranı Kontrol Ünitesi Terminal Uçuş Yönetim Sistemi GPS Elektronikler Kamera çemberi Stabilize altlık Optikler (1-8) Depolama Sistemi Şekil 2.7 : DMC Sisteminin Uçak Konfigürasyonu [2] Ağırlığı ve boyutları film bazlı resim çekme makinesi ile benzer olduğundan, uçak gövdesindeki kamera düzeneğinin boyutlarında herhangi bir değişikliğe gerek duyulmaksızın ve RMK TOP resim çekme makinesinin çemberine oturtulmak suretiyle, DMC resim çekme makinesi uçağa takılabilir. Algılayıcı ünitesinde, uçak gövdesindeki resim çekme makinesi açıklığına giren optik bölümün içinde sekiz adet alan tipi CCD algılayıcı vardır. Optik bölümün üstünde ise resim çekme makinesi sisteminin elektronik kutusu bulunmaktadır. Harici sistemlerle iletişim kurmak, veri akışını izlemek ve depolama birimine verileri yerleştirmek gibi işlemleri yerine getiren kamera kontrol ünitesi tüm sistemi kontrol eden beyin konumundadır. Bağımsız sekiz adet resim çekme makinesi modülünden oluşan optik bölüm ve üzerindeki elektronik bölüm Şekil 2.8 de verilmiştir. Elektro-mekanik diyafram merceğin ortasına yerleştirilmiştir. Resim Çekme makinesi modüllerinin başlıklarında kullanılan CCD algılayıcılarının elektronikleri, resim sürüklenmesini elektronik olarak önleyen TDI modunda çalıştırılabilmektedir. Bu sistem sayesinde yüksek ayırma gücüne ulaşan DMC resim çekme makinesi, her iki saniyede bir 260 MB veriyi aktarmaktadır. Depolama ünitesi 280 GB kapasiteli RAID disklerden oluşmaktadır. Depolama ünitesine en fazla üç disk takılarak, kapasite 840 GB düzeyine çıkarılabilmektedir ki bu da yaklaşık 2000 adet renkli görüntüye karşılık gelmektedir. Diğer bir ifadeyle, analog resim çekme makinesi ile alınacak 150 metrelik üç rulo filme eşdeğerdir. 11

12 Şekil 2.8 : DMC Resim Çekme Makinesinin Optik ve Elektronik Aksamı Sistemin ana unsuru olarak resim çekme makinesi başlığı ve kilit eleman olarak ise CCD algılayıcısı belirtilmektedir. Teknolojik ve ekonomik nedenler, film bazlı resim çekme makinesi genişliğinde digital görüntü alabilmek için birkaç resim çekme makinesi modulünün aynı anda paralel biçimde işletilmesini zorunlu kılmıştır. Her bir resim çekme makinesi modülünde ayrı bir mercek ve CCD mevcut olup, birbirlerine göre farklı açılarda monte edilmişlerdir (Şekil 2.9). Sonuçta elde edilen görüntünün boyuna çözünürlüğü 13,000 piksel, enine çözünürlüğü ise 8000 pikseldir. Elde edilen enine görüş açısı 74 o olup, 15 cm odak uzaklığındaki film bazlı resim çekme makinesi ile elde edilen boyutlardadır. 4 Çok Bantlı Kamera 4 Pankromatik Kamera Şekil 2.9 : DMC Resim Çekme Makinesinin Optik Konfigürasyonu 12

13 Renkli kanallar optik bölmesinin dış kenarına yerleştirilmiştir. Bu konfigürasyonda dört adet çok bantlı kanal monte edilebildiğinden, aynı anda Kırmızı, Yeşil, Mavi ve ayrı bir kızılötesi bantta görüntü alımı mümkün hale gelmektedir. Yüksek düzeyde renk ayrımı elde etmek için, her bir renk kanalı için ayrı mercek ve CCD kullanılmaktadır. Yere dik görüş açısıyla monte edilen renkli modüllerden elde edilen görüntüler, pankromatik banda göre daha düşük çözünürlüğe sahiptir ancak her ikisinin de yeryüzündeki kapladıkları alan aynıdır. Renkli modüllerde f/4 diyafram ve 25 mm odak uzaklığına sahip mercek ile 3kx2k CCD kullanılmıştır. CCD algılayıcılarının ışıklandırılmalarını sağlamak üzere elektro-mekanik diyafram sistemi kullanılmıştır. Merceklerin ortasına yerleştirilen bu sistem bütün optik modüllere takılmıştır. Bu diyafram sistemi sayesinde bütün görüntü noktaları aynı anda aynı optik yoldan pozlandıkları için görüntüde neredeyse hiç bozulma olmamaktadır. Diyafram geliştirilmesi esnasında üzerinde durulan bir diğer konu da, geometrik hatalardan kaçınmak amacıyla görüntülerin aynı zaman aralığında anda pozlanmalarını sağlamak için bütün merceklerin hassas bir şekilde senkronize edilmesi olmuştur. Üretici firma tarafından hazırlanan tanıtıcı broşür ve sayısal kamera ile ilgili olarak yapılan yayınlardan alınan Resim Çekme Makinesi teknik özellikleri Tablo 2.2 te sunulmuştur. 13

14 Tablo 3.4: DMC Sayısal Hava Kamerasının Teknik Özellikleri Pankromatik Renkli Görüntü boyutu 13,500 x 8000piksel 3000 x 2000 piksel Piksel boyutu 12 µm 12 µm Odak uzaklığı 120 mm 25 mm Görüntü formatı Görüş açısı (dikine) Görüş açısı (boyuna) 16.8 cm x 9.5 cm 74 o 44 o Bağıl açıklık f = 1/4.0 Diyafram hız aralığı FMC sistemi Yer piksel boyutu Görüntü alım hızı Radyometrik çözünürlük Uçuşta veri depolama kapasitesi Uçuşta sıkıştırılmamış resim alım kapasitesi 1/300 ile 1/50 sn arasında TDI kontrollü 300 m uçuş yüksekliğinde 7 cm 0.5 resim/sn 12 bit 840 MB 2000 resim R.Ç.M. Ünitesi Veri Depolama Ünitesi Boyut 45 cm x 45 cm x 60 cm 40 cm x 55 cm x 65 cm Ağırlık 80 kg 30 kg Resim çekme makinesinin başlıca avantajları olarak aşağıdaki konular belirtilmiştir. Resim sürüklenmesini önleyici sitem sayesinde büyük ölçekli görüntülerde dahi yüksek ayırma gücü sağlar. Sistemin doğruluğu bizzat silikon matris algılayıcının katı yüzeyi kendisi ile tanımlanmış olup, yüksek duyarlıklı merceklerin birbirlerine göre iç yöneltmeleri de çok kesin bir şekilde belirlenmiştir. DGPS ölçüleri ve INS sonuçları isteğe bağlı olarak kullanılabilir. Alan kavramına bağlı olarak, sistem dörtgen yer izleri sunmaktadır. Tek bir ışıklandırma ile görüntü geometrisi sabitlendiğinden, uçağın hızı veya ani hareketleri nedeniyle oluşacak etkiler elimine edilmektedir. Zayıf ışık koşullarında bile yüksek ayırma gücüne sahip görüntü elde edilebilmektedir. 14

15 Sistem tarafından elde edilen görüntüler, halen kullanımda olan fotogrametrik sistemler tarafından kullanılabilmektedir. GPS sonuçlarının beklenen doğruluğa sahip olmadıklarında bile matris algılayıcı ile elde edilen görüntüler kullanılabilirken, GPS sonuçlarının güvenilmez veya mevcut olmadığı durumlarda hat tipi algılayıcılarla yapılan uçuşun yenilenmesi gerekmektedir. Uçuş sırasında kaydedilmiş görüntüler, park yerine gelindikten sonra işlenmek üzere RAID sistemiyle büroya nakledilir. Kaydedilen verinin aktarılması uzun zaman alacağından, yedek RAID diski ile uçuşa devam edilir. Uçuş sonrası elde edilen görüntü düzeyleri Tablo 2,3 te verilmiştir. Tablo 2.3: DMC Sayısal Hava Kamerası Ürün Düzeyleri Ürün Adı Tanımı Düzey 1 Düzey 1a Düzey 1b Düzey 2 Normalize edilmiş orijinal görüntü Sanal görüntü Renkli kompozit veya renkli görüntü Yer referanslı görüntü Hasarlı piksellerin eliminasyonu da dahil olmak üzere, radyometrik olarak düzeltilmiş görüntü Bağımsız görüntüler, merkezi izdüşüm esaslarına göre sanal görüntüye dönüştürülmüştür Renkli görüntü = Kırmızı+Yeşil+Mavi (RGB) Renkli kompozit = pankromatik +renkli görüntü GPS/INS ölçüleri ile Düzey 1a ve 1b den elde edilen görüntü 15

16 Finlandiya Jeodezi Enstitüsünden Eija Honkavaara et al. ın araştırma konusu ise Vexcel UltraCam-D Digital Hava Resim Çekme Makinesidir dir. Burada da bir geometrik test alanı kullanılmıştır. Bu çalışmada Laboratuar ve arazide yapılan kalibrasyonun yanı sıra kendi kendine kalibrasyon (selfcalibration) parametrelerini de içeren bir kalibrasyon kavramına önem verilmiştir. Kendi kendine kalibrasyon (selfcalibration) parametreleri her bir mercek için görüntüde ortaya çıkan sistematik hataları modellemektedir. Bu bilimsel çalışmanın yazarlarına göre Ultra Cam D in geometrisi için daha karmaşık bir modelleme yaklaşımı ile sonuçlar daha iyi hale getirilebilir. Daha sonraki iki makalede ise tüm fotogrametrik işlemlerin göz önüne alınması durumunda digital hava resim çekme makinelerinin sağladığı faydalardan bahsedilmektedir. Fransa dan Nicolas Paparoditis digital hava resim çekme makinesi projesi çerçevesinde yapılan araştırma ve geliştirme çalışmalarından bahsetmektedir. Şekil 2.10: Vexcel UltraCam-D Digital resim Çekme Makinesinin Alttan Görünüşü. 16

17 Şekil 2.11: Vexcel UltraCam-D- Sağ ve Solda İkişer Adet Çok Spektrumlu, Ortada ise dört adet pankromatik Resim Çekme Makinesi (nadir bakışlı) Piyasada halen kullanılmakta olan ileri teknoloji ürünü analog hava resim çekme makinelerinin yerini almak üzere tasarlanan UltraCam-D digital hava resim çekme makinesiı, algılayıcı ünitesi ile veri depolama ve işlem ünitesi olmak üzere iki temel parçadan oluşmaktadır. Algılayıcı ünitesi 4 pankromatik ve 4 renkli koniden oluşmaktadır (Şekil 2.10). Konilerdeki görüntü algılama donanımı, alan tipi CCD algılayıcılarıdır. Toplam 13 adet alan tipi CCD algılayıcısını içeren 8 adet optik koniden oluşan kamera ile elde edilen sayısal görüntü 11,500x7,500 piksel boyutunda olup, film görüntüsüne göre 23x15 cm boyutuna karşılık gelmektedir. Her ışıklandırmada pankromatik, RGB ve yakın kızılötesi olmak üzere 5 ayrı bantta görüntü toplanmaktadır. Renkli bantların çözünürlüğü daha düşüktür. Depolama ve işlem ünitesi, adından da anlaşılacağı üzere, uçuş esnasında toplanan verilerin depolandığı ve merkezi işlem birimi sayesinde uçuş sonrası verilerin işlendiği bir birimdir (Şekil 2.11). Birbirlerine bağlı 15 bilgisayar ve 28 sabit diskten oluşan depolama ünitesi yalnızca ham görüntüyü kaydetmekle kalmayıp, aynı zamanda bu ham görüntüleri işleme yeteneğine de sahip bir sistemdir. Uçuş sonrası gerçekleştirilen görüntü işleme çalışmaları, park yerindeki uçağın içinde veya depolama ünitesinin taşınacağı ofis veya büroda gerçekleştirilebilir. UltraCam-D resim çekme makinesi, uçuş yönünde doğrusal olarak yerleştirilmiş biri esas üçü yardımcı olmak üzere, toplam dört adet optik koni yardımıyla geniş formatlı görüntü sağlamaktadır (Şekil 2.12). Ana koni ile, yalnızca bir tane görüntü koordinat sistemi tanımlanmaktadır. Ana koniye ait görüş alanlarının köşelerinde 4 adet alan CCD algılayıcısı mevcut olup, görüntü koordinat sisteminin tanımlanabilmesi amacıyla, bu algılayıcıların birbirlerine göre montaj konumları çok iyi belirlenmiş ve fotogrametrik olarak kalibre edilmiştir. Her birinde bir veya iki CCD 17

18 algılayıcısı bulunun diğer üç koni tarafından ise beş adet alt görüntü elde edilmektedir. Bu alt görüntülerle ana koninin 4 CCD algılayıcısı ile elde edilen görüntüler arasındaki boşluklar doldurulmaktadır. Ek olarak elde edilen alt görüntülerin ana görüntüye yamanması, hassas kalibrasyon ve enterpolasyon işlemi sayesinde gerçekleştirilmektedir. Şekil 2.12 : Dört Adet Pankromatik Koni ve 9 adet CCD Algılayıcısının Görüntü Toplama İlkesinin Grafik Gösterimi Resim Çekme Makinesine doğrusal bir biçimde (uçuş hattı boyunca) monte edilen dört adet pankromatik koniden her birinin ışıklandırma anı birkaç milisaniye ertelenmek suretiyle, her bir koninin uçağın hareketine göre ileriye doğru hareket etmesi sağlanmaktadır. Bu ise, analog fotoğraf çekiminde FMC olarak adlandırılan (pozlama anında vakum plakasının mekanik olarak uçuş yönünde ileriye doğru hareket ettirilmesiyle gerçekleştirilir) resim sürüklenmesini önleme işlemini elektronik olarak sağlamaktadır ve TDI olarak adlandırılmaktadır. Bu kavram, bütün konilerin tek ve aynı fiziksel konumdan alt görüntüler elde etmesini sağlamakta ve bunun sonucunda da, uzayda sanal bir izdüşüm merkezi elde edilmektedir. Belirtilen koniler dışında 4 ayrı koni de RGB ve yakın kızılötesi bantlarında renkli görüntü toplamaktadır. Resim çekme makinesininsonuç görüntüsü beş bantlı birleşik görüntüdür. Aynı anda siyah-beyaz (pankromatik), RGB ve yakın kızılötesi (renkli) görüntü toplanabilmektedir. 18

19 Elde edilen görüntülere ilişkin veriler dört düzeyden oluşmaktadır: Düzey 00 : Her CCD tarafından okunan ham görüntü parçaları, Düzey 0 Düzey 1 Düzey 2 Düzey 3 : Doğrulanmış görüntü parçaları, : Radyometrik olarak düzeltilmiş görüntü parçaları, : Yama yapılmış görüntü, : Renkli sonuç ürünler Uçuş süresince toplanan ve düzey-00 olarak adlandırılan ham formdaki digital görüntüler, depolama ünitesinin diskinde toplanmaktadır (Standart konfigürasyonda 1 TB depolama kapasitesi sunulmaktadır). Uçuşun tamamlanmasından sonra, toplanan ham verileri düzey-0, düzey-1 ve hatta düzey-2 formuna getirmek üzere bazı ön işlemler gerçekleştirilmekte ve son olarak da görüntüler uçak üzerindeki depolama ünitesinden taşınabilir bir sunucuya aktarılmaktadır. Bu sunucu büyük kapasiteli harici disklerle donatılmış bir lap-top olabilir. Daha önce de belirtildiği gibi, depolama ünitesi de taşınabilir bir sistem olup, yerde yapılacak işlemleri gerçekleştirmek üzere istenilen her yere taşınabilir. Bu digital resim çekme makinesine ait ait teknik özellikler Tablo 2.4 te sunulmuştur. 19

20 Tablo 2.4: UltraCam-D Digital Hava Resim Çekme makinesinin Teknik Özellikleri Görüntü formatı Odak düzleminin boyutu 23 cm x 15 cm mm x 67.5 mm Pankromatik Renkli Görüntü boyutu x 7500 piksel 4008 x 2672 piksel Piksel boyutu 9 µm 9 µm Odak uzaklığı 100 (75, 125) mm 28 mm Görüş açısı (dikine) 55 o 65 o Görüş açısı (boyuna) 37 o 46 o Bağıl açıklık f = 1/5.6 f = 1/4.0 Diyafram hız aralığı FMC sistemi Maksimum FMC-yeteneği Yer piksel boyutu Görüntü alım hızı Radyometrik çözünürlük 1/500 ile 1/60 sn arasında TDI kontrollü 50 piksel 500 m (300 m) uçuş yüksekliğinde 5 cm (3 cm) 1.3 resim/sn 12 bit Analog-sayısal dönüşümü 14 bit Uçuşta veri depolama kapasitesi 1 TB Uçuşta sıkıştırılmamış resim alım kapasitesi 1850 resim Algılayıcı Ünitesi Depolama Ünitesi Boyut 45 cm x 45 cm x cm x 55 cm x 65 cm cm Ağırlık 30 kg 35 kg Maksimum güç tüketimi 150 W 700 W Görüntü veri formatları Maksimum görüntü toplama süresi Kamera montesi Dış yöneltme parametrelerinin doğrudan belirlenmesi TIFF, JPEG, Tiled TIFF ~6 saat (%70 ileri bindirme ve 20 cm GSD) Mevcut analog kamera çemberlerine monte edilebilir IGI Aero-Control, Applanix POS ve benzer sistemler 20

21 Yukarıda sisteme ait verilen bilgiler ışığında, UltraCam-D resim çekme makinesinin sağladığı avantajlar; Film görüntüsüne kıyasla radyometrik üstünlük, Yakın kızılötesi de dahil olmak üzere, çok bantlı (renkli) görüntü alabilme, Uydu veya INS desteği olmaksızın klasik fotogrametrik görüntü doğruluğuna ulaşma, Mevcut fotogrametrik süreçler ve işlem adımları ile uyumluluk, Sarf malzemeleri ve film tarama hizmetlerinden sağladığı tasarruf, Etkili resim sürüklenmesini önleme sistemi, Çok kısa süreli (0.75 sn) görüntü toplama aralığı, Uçuş esnasında gerçek zamanlı kalite kontrol olanağı, Modüler tasarım, Bilgisayar teknolojisindeki gelişmelere göre kolayca geliştirilebilme, Yüksek irtifa uçuşlarına dayanıklılık, olarak sıralanmıştır. Görüntülerin yöneltilmesinden başlayarak yapı ve bitki tabakalarının, digital yükseklik modelinin elde edilmesine kadar olan safhalarda klasik uzaktan algılama (multispektral sınıflandırma) ve fotogrametri (3B yeniden oluşturma) yöntemlerinin digital hava kameraları vasıtasıyla sağlanan entegrasyon olanaklarının faydaları ise Lukas Zebedin et al. Makalesinde anlatılmaktadır. Bu da digital hava kameralarının analog kameraların yalnızca digital sürümleri olmayıp, kullanıcıların daha önce klasik yöntemler ile mümkün olmayan yeni yöntemlerin geliştirilebilmesinde büyük katkıları olduğunu göstermektedir. Bu beş rapor digital hava resim çekme makinesi teknolojisinin bugünkü durumunu göstermektedir. Sistemlerin bir jenerasyonu işlemsel bazda kullanılmakta ve digital hava kameraları ile elde edilen veriler ile ilgili ticari antlaşmalar artmaktadır. Araştırmalar araştırma enstitüleri tarafından sanayi işbirliği içerisinde tasarım ve işlem akışının iyileştirilmesi yönünde yapılmaktadır. Bu öneriler üreticiler tarafından göz önüne alınarak yakın bir zaman içinde sonuçların kalitesinde büyük iyileşmeler beklenmektedir 21

22 2.1 CCD Alan Algılayıcılı Digital Resim Çekme Makineleri Fotogrametrik kalite standartlarını en iyi biçimde sağlayan CCD alan algılayıcılı resim çekme makinelerinde önemli olan detektörlerin sayısıdır. Bugün için 4k x 4k lık detektörler bulunmaktadır. Önemli olan ikinci bir hususta kayıt süresidir. Bu süre birbirini takip eden resimlerin arasındaki süre olan 1 ila 2 saniye içinde kalmalıdır. Kayıt Cihazı Uçuş Doğrultusu Şekil 2.13 Alan Algılayıcı Resim Çekme Makinesi ile resim Çekimi Üretici firmalar bu önemli özelliklerle ilgili sorunları çözmek için farklı yöntemler kullanmaktadırlar. Z/I Imaging firmasının geliştirdiği DMC( Digital Mapping Camera) (Şek.1) da çözüm olarak tek bir CCD Resim Çekme makinesi yerine 7k x 4k detektörlü dört CCD kamera bir kamera gövdesine ayrı ayrı yerleştirilmiş ve bu dört kameranın senkronize olarak ışıklandırılması sağlanmıştır. Bu dört resim çok az biçimde birbirlerini örtmektedirler. Resim çekiminden sonra yapılan işlemler sonucu (uçuş doğrultusuna dik) X 8000 (uçuş doğrultusunda) piksel sayısında 120 mm lik bir RÇM sabitine sahip bir digital ölçme resmi elde edilmektedir. Piksel büyüklüğü 12 μm dur. Kameranın açılma açısı 82 gon (uçuş doğrultusuna dik) ve 49 gon (uçuş doğrultusunda) dur. DMC uçuş doğrultusuna dik olan açılma açısı ile bir geniş açılı, uçuş doğrultusundaki açılma açısı ile de normal açılı bir resim çekme makinesine karşılık gelmektedir. Resim kaydı 12 bit ile gerçekleşir ve bir resim çekimi esnasında 3000 e yakın sayıda resim hard diskte depolanabilir. [3] 22

23 Dört adet pankromatik başlığına ek olarak DMC de mavi, kırmızı ve yeşil spektral bilgiler için üç kamera ve kızıl ötesi bilgi içinde dördüncü bir kamera bulunmaktadır. Son bahsedilen kızılötesi kameranın çözünürlüğü diğerlerine göre 4 kat daha kötüdür, yani böyle bir (3000x2000) piksel büyüklüğündeki multispektral resim ile yaklaşık olarak pankromatik dört resim tarafından kapsanan toplam alan kadar bir alan kapsanır Uçuş doğrultusu ŞEKİL2.14. Z/I Imaging firmasının DMC sı (üstte) ve Vexel Imaging Firmasının Ultra Cam D si (altta) DMC, GPS ve IMU sistemleri ile entegre edilebilir. DMC de görüntü sürüklenmesinin düzeltilmesi için de bir düzen bulunmaktadır. Vexcel Imaging Austria nın kısa bir süre önce piyasaya sürdüğü Ultra Cam-D isimli digital fotogrametrik resim çekme makinesi teknik verileri DMC ile örtüşmektedir. Sözkonusu resim çekme makinesinde ek olarak bulunan özellikler aşağıdaki gibidir. [3] 300 m lik bir uçuş yüksekliğinde arazide piksel büyüklüğüne karşı gelen değer 3cm dir. Birbirini takip eden çekilen resimler arasındaki süre 0.75s dir. Resim düzleminde geometrik doğruluk < ±2μm Ultra Cam-D nin DMC ye göre önemli bir farkı da pankromatik dört adet CCD kameranın uçuş doğrultusunda yerleştirilmiş olduğu ve senkronize olarak ışıklandırılmadığıdır. Işıklandırma, dört resmin izdüşüm merkezlerinin ülke koordinat sistemi ile mümkün olduğu kadar çakışmalarını sağlamak için biraz gecikmeli olarak gerçekleştirilmektedir.. Her iki resim çekme makinesi arasındaki ikinci fark ise, Ultra Cam D nin dört pankromatik 23

24 kamerasının objektiflerinin her seferin de (uçuş doğrultusuna dik doğrultuda) x 7500 (uçuş doğrultusunda) pikselli tüm resim formatını ışıklandırmasıdır (DMC de ise her seferinde 7k x4k lık kısmi resim ışıklandırılmaktadır. Ultra Cam D nin dört CCD alan algılayıcılı ikinci kamerası, çekim sonrası yapılan bir işlem ile her biri 4k x2.7k sayıda piksellere sahip dokuz kısmı resimden hesapsal olarak oluşan tüm resmin geometrik çerçevesini oluşturmaktadır. Ultra Cam-D tek bir izdüşüm merkezi ve resim koordinat sistemi kavramı kullanmaktadır. Uçağın havadaki hızına senkronize olan bir özel zamanlama mekanizması ile algılayıcılar yer örtü oranının uygun biçimde düzenlenmesini sağlarlar. Bu ise tüm algılayıcılar tarafından çekilen görüntülerin birbirlerine göre msec farkı ile çekilmesi ile sağlanır. 2.2 Digital Üç Satır Resim Çekme Makineleri Şekil Üç Satır Algılayıcılı Resim Çekme Makinesi ile Resim Çekimi O. Hoffmann tarafından önceleri uzay çalışmaları için üretilmiş olan Digital üç satır algılayıcılı kamera kavramı daha sonra uçağa adapte edilerek ve bazı eklemeler ile fotogrametrik uygulamalar için uygun hale getirilmiştir.alman Hava ve Uzay Araştırma 24

25 Merkezinin (DLR) laboratuarlarında geliştirilen HRSC-A (High Resolution Camera Airborne) sistemi fotogrametrik uygulamalar için üretilenlerin en önemlisidir. [4] Daha sonra piyasaya sürülen ticarı amaçlı üç satırlı algılayıcılardan LH sistemlerinin ADS (Airborne Digital Sensor) sisteminde kullanılan üç adet pankromatik satır algılayıcının her birinde adet piksel bulunmaktadır. Bunlar 63 mm lik odak uzaklığında, 6.5 μm piksel büyüklüğünde 70 gon luk bir açıya karşılık gelmektedir Her üç pankromatik satır algılayıcının her birine eklenen uçuş doğrultusuna dik doğrultuda 3.25 μm ötelenmiş bir ikinci satır algılayıcı yardımıyla geometrik çözünürlükte gözle görülür bir artış sağlanmaktadır. [4] Uçuş doğrultusunda arazideki piksel büyüklüğü, yani daha doğru olarak ifade edilirse digitalleştirme aralığı, uçuş hızından belirlenir. ADS de tek tek satırların kayıt edilme çevrimi 800 Hz dir, bu da 370 km/h lık bir uçuş hızında arazide 13 cm lik (=370x10 5 (3600x800)) bir piksel büyüklüğüne karşılık gelir. ADS resim çekme makinesinde öne bakan satır algılayıcının 31.5 gon, arkaya bakanın ise 15.8 gon luk eğim açıları vardır. Örneğin, eğer her iki resim en fazla eğim ile çekilir ise, gonluk bir resim açısı elde edilir, bu da film bazlı hava RÇM de normal açıya karşılık gelir 17.9 gon luk (öne doğru) eğim açısı altında ADS de her biri piksellik üç paralel CCD satır algılayıcı vardır, bunlar mavi, yeşil ve kırmızıya duyarlıdırlar. Renk ayrımı bir ışın ayırıcı ve girişim filtresi ile sağlanır. Kızıl ötesi alan için nadir noktasında pikselli özel bir satır algılayıcı vardır. ADS yalnızca bir pankromatik üç satırlı kamera olmayıp, multispektral bir satır kameradır Kırmızı, Yeşil Mavi, resim öne veya arkaya bakan algılayıcılardan çekilen pankromatik resim ile stereoskopik olarak izlenebilir. Kızılötesi bölgedeki resim için uygun stereo eş yoktur. CCD alan algılayıcılı bir digital kamerada GPS ve IMU bağlantısı çok kıymetli bir tamamlayıcı unsurdur, fakat gerekli değildir. Ancak, ADS gibi satır kameralarda GPS ve IMU destek sistemleri gereklidir. 25

26 2.3. GPS, İnersiyal Sistemler ve Bu Sistemlerin Digital Hava Resim Çekme Makineleri ile birlikte kullanılması Resim uçuşu için yapılan navigasyonunda GPS büyük bir başarı ile kullanılır. Tek tek resimlerin Film bazlı veya CCD alan algılayıcılı resim çekme makinelerinin kullanılması durumunda GPS ile senkronize ışıklandırılması sağlanır. Bu işlemi gerçekleştirmek için uçağın konumu GPS ölçmeleri ile gerçek zamanda belirlenir. Bu tür bir GPS düzeni ile hedeflenmiş tek tek resim çekimleri gerçekleştirilir. Bu nedenle bir örtü oranı düzenleyicisine gerek yoktur. Bahsedilen işlemler için C/A (Coarse/Acqusition) code (Dalga Uzunluğu =293.1m) ile kinematik modda GPS kullanımı söz konusu olur. Burada GPS alıcısından uyduya olan uzaklık elektronik uzaklık ölçme ile belirlenir, yani sinyalin ölçülen varış süresi t ve bilinen dağılım hızı c= km/s C/A kodu 1 ms sonra tekrarlanır. Bu nedenle C/A kodu ile uzaklık ölçme 300 km içinde tek anlamlıdır. Uçağa takılı alıcısından en az üç GPS uydusuna olan uzaklıkların aynı anda belirlenmesi ile uzaysal kestirme yardımıyla WGS84 de (World Geodetic System 1984) koordinatların elde edilmesi sağlanır. Hâlihazır GPS uydularının parametrelerinin kullandığı alıcıdaki saat uydulardaki saatler ile tam doğru olarak senkronize olmadığından alıcının Δ t lik bir zaman farkı bilinmeyen olarak göz önüne alınır. Bu nedenle en az 4 GPS uydusuna aynı anda uzaklık ölçmesi yapılır. Uçakların GPS destekli navigasyonunun doğruluk derecesi ± 50 m dir. Resim üzerinde izdüşürülen ile gerçek resim çekme merkezi arasında ±5mm lik bir fark kabul edilebilir olduğundan, bu doğruluk derecesi den küçük resim ölçek katsayıları için yeterlidir. Çok büyük ölçek katsayılı uçuşlar için daha hassas bir navigasyon gereklidir. Diferansiyel GPS (DGPS) kullanılıması durumunda kinematik moddaki GPS ile navigasyonun doğruluk derecesi metre mertebesine iner. Ancak, bu durumda en az iki alıcı gereklidir. Alıcılardan bir tanesi koordinatları bilinen sabit bir referans istasyonunda, diğeri de uçakta bulunur. Her iki alıcıda C/A kodu ile mutlak olarak konumlandırılırlar. Sabit referans noktasında -gerçek zamanda- düzeltme değerleri belirlenir ve uçaktaki alıcıya iletilir. Sabit referans istasyonlarının işlevleri artık gitgide geçici olarak yerleştirilen GPS istasyonlarının oluşturduğu ağ tarafından yapılmaktadır. GPS ile resim çekme merkezlerinin koordinatları ve IMU (Inertial Measurement Unit) ile de resmin konumunu tanımlayan açılar belirlenir. DGPS ile bugün için on the fly post processing (uçuş esnasında işlem) de yaklaşık desimetre mertebesinde konum doğruluğu 26

27 elde edilir. Gidiş-Dönüş zamanının C/A kodu kullanılarak ölçülmesi yerine daha kısa dalga uzunluklarına sahip her iki GPS taşıyıcı dalgası (L1 = m, L2 = m) ile faz karşılaştırması yöntemi uygulanır. Faz karşılaştırma yöntemi ile bir dalga uzunluğunun ancak bir kısmı elde edilir, bu elde edilen değere tam dalga uzunluklarının ( m veya m) katları eklenir. Sapme değerinin belirlenmesinden sonra GPS alıcısı bir başlangıç değerine göre dalga uzunluğunun tam sayılı katının eklenmesi ve çıkarılmasını saptayarak kayıt eder.. GPS alıcısı ile GPS uyduları arasındaki uzaklıklar atmosferik etkilerden dolayı oldukça sapma gösterirler. Bu hata kaynakları birbirine komşu alıcılarda aynı biçimde etkilerini gösterirler, öyle ki farkları bu (sistematik) hataların etkisinden geniş ölçüde bağımsızdırlar. Asıl uzaklık denklemlerine olan farklardan her iki alıcı arasındaki vektörün bileşkeleri elde edilir. Alıcılardan biri referans istasyonu diye adlandırılan koordinatları bilinen bir noktada ise, referans istasyonunun koordinatlarına eklenecek vektör uçakta bulunan ikinci alıcının koordinatlarını verir. Cycle slips veya Multipath diye adlandırılan etkiler sabit referans istasyonu ve uçakta bulunan GPS antenleri arasındaki vektörlerin sürekli olarak belirlenme işlemini bozabilir. Bu konuda aşağıda değinilecek bazı hususlar vardır. Uçaktaki GPS antenlerinin doğru konumları saniye aralıklarında elde edilir, bu da-uçuş hızına bağlı olarak 50 ila 100 m lik konum farklılıklarına karşılık gelir. Bu (destek) noktaları uzaysal eğriler ile birbirleri ile bağlanabilirler. GPS noktaları ile bu tür bir uzaysal uçuş yörüngesi Şekil 2.16 da gösterilmektedir. Bu eğri boyunca bir zaman skalası parametre olarak bulunmaktadır. Eğer tek tek resim çekme işlemleri aynı zaman skalasında -kural olarak GPS zamanıgerçekleşir ise, interpolasyon ile resimlerin ışıklandırıldığı zaman noktalarında A i anten uçlarının koordinatları bulunabilir. Bu senkronizasyon 1 ms ile mümkündür, yani 250 km/h lık bir uçuş hızında hata 7 cm dir. [4] ŞEKİL GPS konumları ile uçuş şeridi (A i...anten uç noktalarının interpole edilmiş koordinatları, P oi...izdüşüm merkezleri) 27

28 P oi izdüşüm merkezlerinin koordinatlarına geçişte algılayıcının - örneğin film bazlı kameranın- resim çekme anındaki dönüklüklerine de gerek duyulur. Bu üç yöneltme parametresi her resim için dış yöneltmenin gerekli altı elemanının tamamlanması için çok önemlidir. GPS yalnızca A i resim çekme merkezlerinin konumlandırılmasını -bilinen zaman aralıklarından- ve uçağın içine yerleştirilmiş GPS anteninin uçuş yörüngesi boyunca hızını verir. Algılayıcıların hem konumunu hem de dönüklüklerini veren diğer ölçme sistemleri İnersiyal Navigasyon Sistemleridir (INS). Bu sistemde m kütlesinin a ivmesine göre olan ataleti kullanılır. Bir hareketli aracın, bu örnekte bir uçağın, hareketlerini belirlemek için birbirlerine dik olarak yerleştirilmiş üç tane ivmeölçer kullanılır. Bu üç tane ivmeölçer aracın hareketinin tam olarak belirlenmesi için yeterli değildir. Ek olarak doğrultu bilgisine gereksinme vardır. Doğrultular üç dönme ekseninde üç tane jiroskop yardımıyla sürekli olarak saptanırlar (Şekil 2.17). Bu gün artık optik jiroskoplar kullanılmaktadır. ŞEKİL Strap Down Inersiyal Sistemi için Sabit Gövdeli Koordinat Sistemi Bugün için kullanılan inersiyal navigasyon sistemlerinin doğruluk derecelerine göre sınıflandırılmaları Tablo 2.5. de görülmektedir. Hava resimlerinin dış yöneltmelerinin belirlenmesi için orta derecede doğruluk yeterli olmaktadır. Fiyat olarak da uygun olan bu sistemler, kısa zaman aralıkları için desimetre mertebesinde konum doğruluğu vermektedirler. Yalnızca IMU ile belirlenebilen uçağın dönüklükleri bir dakikalık bir 28

29 zaman aralığında orta derecedeki talepleri karşılayacak biçimde 5 mgon luk bir doğruluk derecesi ile elde edilebilirler. Bu da 2000 m lik bir uçuş yüksekliğinde arazide 15 cm lik bir konum hatasına neden olurlar. Klasik harita üretimi için bu değerler yeterli olmaktadır. Bu karışık yapıdaki sistemler harita üretiminde kaliteyi, hızı ve doğruluğu artırmaktadır. TABLO 2.5. Inersiyal Navigasyon sistemlerinin doğruluk derecelerine göre sınıflandırılması Zaman aralığı Sistem doğruluğu yüksek orta düşük Konum 1 h m 1-3 km km 1 dak m m m 1 s m m m Eğim (mgon) 1 h dak s < Fiyat (US$) ~ ~ ~10000 Tablo 2.5. den görülebileceği gibi IMU da konum doğruluğu çok kısa zaman aralıkları için kabul edilebilir değerdedirler. KYS (Konum ve Yöneltme Sistemi) diye adlandırılabilen bir ortak sistemde GPS ve IMU bir araya getirilirler. Konum ve hızın elde edilmesini sağlayan GPS ile IMU desteklenir. Diğer taraftan da IMU ile doğrultular elde edilir ve daha önce bahsedildiği gibi 1s lik bir kayıt aralığında aralarında 50 m ila 100 m arasında olan oldukça uzun uzaklıklar bulunan GPS kayıtları sıklaştırılır. IMU da kayıt aralığı 0.01s(=100Hz) dir. IMU ile GPS in kısa boşlukları (cycle slips) ler de kapatılır. Şekil 2.8., izdüşürülen algılayıcı ile beraber en önemli algılayıcıların ortak düzenini göstermektedir. Bu üç algılayıcının birbirlerine göre olan konumlarının belirlenmesine çok önemlidir.. Tüm algılayıcıların uçağa sabit olarak takılması durumunda konum belirlemek için kullanılan bağıntılar oldukça basitleşir. 29

30 A i anten uç noktalarının GPS koordinatlarından IMU nun belirlediği uzaysal doğrultular boyunca P 0i izdüşüm merkezleri elde edilebilir. Eğer izdüşüren algılayıcı ile IMU nun koordinat eksenleri tam olarak paralel ise, IMU nun dönme açıları izdüşüren algılayıcının dönme açılarına karşılık gelir. İzdüşürülen Algılayıcı ŞEKİL Bir POS sisteminde GPS ve IMU ile birlikte izdüşürülen algılayıcı [3] Bir taraftan sapmanın dengelenmesi için sürekli bir çevirme, diğer taraftan da IMU daki jiroskop yardımıyla izdüşürülen algılayıcının sürekli olarak döndürülmesi, başka bir deyişle stabilize edilmesi durumunda bağıntılar daha karışık bir duruma gelir. Bu durumda, üç algılayıcı arasındaki bağıntıyı işlem sonrası da elde edebilmek için dönmelerin zamana bağımlı olarak kayıt edilmesi gerekir. Bu işlem, eğer, en azından izdüşürülen algılayıcı ve IMU aynı (dönen) platformda, her iki algılayıcı sisteminin tüm uçuş sırasında karşılıklı konumları değişmeden kalacak biçimde yerleştirilmiş iseler, oldukça kolaylaşır. Film bazlı kameralar veya CCD alan algılayıcıları ile çekilen hava resimlerinin değerlendirilmesi için KYS verilerinin olması istenir, fakat bu verilerin digital satır kameralar ile çekilen resimlerin değerlendirilmesinde olduğu gibi çok büyük bir önemi yoktur. Lazer Tarama için de KYS verileri önemlidir. Applanix firması POS/AV markası altında konumlandırma ve yöneltme sistemini piyasaya sunmaktadır. 30

31 2.4. Digital Hava Resim Çekme Makinelerinin Test Sonuçları ve Bunların Karşılaştırılması Fotogrametrik işlemlerde kullanılan algılayıcıların, yani resim çekme makinelerinin gerçek işlem sırasında testlere dayalı analizleri çok önemli bir konudur. Bu amaç doğrultusunda kullanılan resim çekme makinelerinin işlemsel performanslarını belirlemek için test alanları kullanılır. Bu tür performans testleri, özellikle yeni resim çekme makineleri ve sistemler ortaya çıktıkça önem kazanmaktadır. Yeni digital hava resim çekme makinelerinin gelişimi ve ticari kullanıma sunumu ile dünyadaki fotogrametri ile ilgilenenler bu kameralarla elde edilen işlemlerin performansını iyice yerine oturmuş ve işlemsel olarak çok iyi ürünler veren ve bu başarılı ürünleri kanıtlanmış olan analog resim çekme makineleri ile karşılaştırma çabasına girmişlerdir. Yeni üretilen digital resim çekme makinelerini analiz etmek için geliştirilen sistemler yeni yazılım ve donanımlarla sürekli olarak iyileştirilmektedir. Geliştirilen bu sistemlerin üreticileri sistemlerinin performanslarını test alanında elde edilen sonuçlara göre değerlendirip bunların uygulamalardaki başarılarını kanıtlamaya çalışmaktadırlar. Bu çalışmalara ek olarak üretilen bu resim çekme makineleri akademik kuruluşlar tarafından bağımsız olarak test edilmekte ve sonuçlar raporlar biçiminde kamuoyuna sunulmaktadır.. Diğer başka testler ise, son satın alma kararını vermeden önce potansiyel müşteriler tarafından yapılır. Ulusal harita üretim kurumları ise ayrıca üretilen yeni algılayıcıların standartlarının var olan harita üretim standartlarını sağlayıp sağlamadıklarını kontrol ederler.. Sürekli olarak yenilenen bu tür testler ürünün kalitesi hakkında güvenilir bilgiler vermektedir. Aşağıdaki çalışmada ADS40 digital resim çekme makinesinin geometrik performansı yukarda bahsedilen testler kapsamında tüm detayları ile analiz edilmiştir. Elde edilen tüm sonuçlar Vaihingen/Enz Test Alanında gerçekleştirilen deneye dayalı test uçuşundan elde edilmiştir. [1] Vaihingen/Enz Test Alanında ADS40 Sisteminin Testi Bu çalışmada Leica Geosystem üretici firmasının Airborne Digital Sensor (ADS40) resim çekme makinesinin (Şekil 2.20) Vaihingen/Enz test alanındaki (Şekil 2.19) test çalışması incelenmektedir. Bu test alanında 200 adet işaretlenmiş ve bağımsız olarak koordinatları ölçülmüş kontrol noktaları bulunmaktadır. Yapılan uçuşlar Stuttgart Üniversitesi Fotogrametri Enstitüsü ile Leica Geosystem arasında yürütülen ortak bir çalışma ile gerçekleştirilmiştir. Test uçuşunun ham sonuçları standart Leica Yazılımı ve bu verileri kullanabilen alternatif yaklaşımlar kullanılarak değerlendirilmiştir. Tüm bu 31

32 nedenlerden dolayı bu çalışma ADS40 kamerasının gerçek uçuş verisinden elde edilen bir bağımsız değerlendirme olarak kabul edilebilir niteliktedir. Şekil : Vaihingen/Enz test Alanının 3B Görünüşü Uygulamada kullanılan test alanı Güney Almanya da Stuttgart şehri yakınlarında bulunmakta ve uçağa takılı algılayıcıların geometrik doğruluğunun analizi için ideal bir test alanıdır. Bu alan içerisinde bağımsız denetleme noktası olarak kullanılan işaretlenmiş ve koordinat ölçmeleri statik GPS ile elde edilen noktalar bulunmaktadır. Bu noktalar uçağa takılı algılayıcıdan elde edilen cisim noktalarının kalitesini belirlemek amacıyla kullanılacaktır. Bu noktaların dağılımı Tablo 2.6. da görülmektedir. Şekil2.20. : ADS40 sisteminin Vaihingen/ Enz test Uçuşunda Uçağa yerleşmiş hali 32

33 Tablo 2.6. : Vaihingen/Enz Test Alanında Nokta Dağılımı Nokta Türü Nokta Noktaların Konumu Sayısı 1mx1m lik kare biçiminde işaretlenmiş ve 83 Tüm test alanı boyanmış noktalar 0.25mx0.25m lik kare biçiminde işaretlenmiş 62 Test alanının batısı ve boyanmış noktalar İyi tanınan doğal noktalar (Rögar kapağı) 69 Tüm test alanı Bu test uçuşu sırasında geometrik doğruluğun yanı sıra çözünürlülüğü belirlemek amacıyla da taşınabilir hedefler araziye yerleştirilmiştir. Bu işaretlerin kullanılması ile farklı uçuş yüksekliklerindeki görüntü çözünürlülükleri deneye dayalı olarak tahmin edilmiştir. Test alanı 7,5 km doğu-batı ve 4.8 km kuzey-güney doğrultusundadır. Arazi yükseklikleri de m arasındadır. Test uçuşunda kullanılan ADS240 Resim Çekme Makinesine ait önemli bilgiler aşağıda verilmiştir. Odak uzaklığı 62,5 mm, Bir odak düzleminde her biri 6.5 µm x 6.5 µm boyutunda olan piksel içeren 10 adet lineer CCD, 3 tane pankromatik kanal, 4 adet multispectral kanal Uçuş, doğu -batı doğrultusunda uzun şeritler biçiminde yapılmıştır. Genel olarak denetleme noktaları ile yapılan analizde uçuş yüksekliğinin artması ile elde edilen mutlak doğruluğun azaldığı görülmektedir. Yer kontrol noktalarının dengeleme hesabına kapsatılması ile konum doğruluğunun 5 8 cm arasında kaldığı görülmektedir. Uçuş yüksekliğinin artması durumunda bu değerlerde fazla bir değişiklik görülmemektedir. Yükseklik doğruluğu ise 8 12 cm arasındadır. Bu da uçuş yüksekliğine bağlı olarak cisim uzayında pikselin 1/3 1/5 ine karşılık gelmektedir. Deneysel olarak elde edilen değerler beklenen değerlerle karşılaştırıldığı zaman beklentilerin sağlandığı görülmektedir. 33

34 Tablo2.7.: Farklı Uçuş Yükseklikleri için elde edilen Cisim Noktalarının prezisyonları Uçuş Yüksekliği H g (m) YÖU σ x, σ y (yer örnekleme uzunluğu) σ z m xy m z (m) (m) (m) (m) Tablo 2.8.: Denetleme Noktalarından Elde Edilen Doğruluk Dereceleri Uçuş Yük. Kontrol Nok. Sayısı KOH (self kalibrasyon ile) KOH (self kalibrasyon olmadan) X Y Z X Y Z Elde edilen sonuçlara göre aşağıdaki değerlendirmeler yapılabilir: 1- Cisim noktalarının belirlenmesindeki mutlak doğruluk derecesi, DGPS in mutlak doğruluğuna bağlıdır. Eğer yer kontrol noktaları kullanılmazsa farklılıklar doğrudan cisim noktalarındaki ötelemelere dönüşürler. 2- Görüntü uzayından gelen düzeltilmemiş sistematik hatalar, cisim noktalarının performanslarını etkileyebilir. Özellikle yükseklik bileşeni, bu tür hatalardan çok etkilenir. Bu tür etkiler ölçeğe bağımlı olduğu için uçuş yüksekliğinin artması ile büyür. Sonuç olarak, Vaihingen/Enz test alanında yapılan ölçmeler satır tarayıcılı dijital resim çekme makinesi ADS40 sistemi denenmiş ve elde edilen deneysel sonuçlara göre kendini kanıtlamıştır. 34

35 DMC (Digital Mapping Camera) ile Elde Edilen Sayısal Yükseklik Modeli (SYM) nin Analog Resim Çekme Makinesi ile Elde Edilmiş SYM ile Karşılaştırılması Otomatik yüzey belirleme işlemi 70 li yıllardan beri fotogrametrinin en önemli uygulama konularından biridir. SAM leri görüş ve kapsama alanlarının belirlenmesinin yanı sıra gerçek ortofotoların elde edilmesinde önemli bir araçtır. bunlar aynı zamanda GIS de bulunan cisimlerin elde edilmesi ve sınıflandırılmasında, binaların otomatik olarak yeniden oluşturulmasında önemlidir. Bununla ilgili çalışmalar 1980 lerin başından beri stereo eşleştirme teknikleri ile gerçekleştirilmekteydi. 90 ların başında ise LIDAR tarama teknikleri 3 boyutlu nokta kümeleri biçiminde olaya güvenilir bir çözüm getirmiştir. Stereo eşleştirme tekniklerinin sınırlamaları hava digital kameraları ile ortadan kalkmıştır. Tüm görüntü eşleştirme algoritmaları SAM ların elde edilmesinde analog filmleri kullanmaktadır. Digital kameraların kullanılmasıyla elde edilen Digital görüntüler ile daha güvenilir ve ekonomik projeler üretilme olanağı elde edilmiştir. Digital resim çekme makinelerinin farklı bir kalite kontrolu da alan algılayıcılı DMC nin doğruluğu self kalibrasyon parametrelerine bağlı olarak yukarda bahsedilen otomatik Sayısal Yükseklik Modeli elde edilmesindeki doğruluk derecesinin belirlenmesi ile gerçekleştirilmiştir. {5] DMC kamerasının en önemli özelliği yüksek çözünürlüklü 13824x7680 pikselli pankromatik görüntüler ile 4 bantta (kırmızı, yeşil, mavi ve kızıl ötesi) 3042x2048 pikselli çok spektralli görüntülerin aynı anda elde edilmesidir. Bu çalışmada, dört farklı veri grubu kullanılarak inceleme yapılmıştır. Bu dört farklı veri grubu Blok Amposta Blok Rubi Blok 415 Blok 419 Test bloklarında yapılan ölçmelerden elde edilmiştir. 35

36 Şekil Test Blokları Düzeni DMC ile elde edilen hava triyangülasyonu sonuçları, klasik analog görüntülerden elde edilen hava triyangülasyonu sonuçları ile karşılaştırılmıştır. DMC nin geometrisini düzeltmek için self kalibrasyon parametreleri dengeleme modeli içine dahil edilmiştir. Bununla ilgili değerler Tablo 2.9 de verilmiştir. analog manuel DMC manuel DMC otomatik µm piks. µm piks. µm piks. x y Tablo 2.9. : Analog resimlerde manual olarak ölçülmüş noktaların kullanılması ile gerçekleştirilen blok dengelemesinden sonra fotogrametrik ölçmelerdeki artık değerlerin karesel ortalama hataları Sonuçlar incelendiğinde, nokta ölçme doğruluğunun digital DMC görüntülerinin kullanılması durumunda arttığı ve üç boyutlu nokta doğruluğunun analog kameralarla elde edilen resimlerle karşılaştırılabildiği görülmektedir. Araştırmalar göstermiştir ki, özellikle otomatik hava triyangülasyon yöntemleri kullanılması durumunda yüksek doğruluklu kontrol noktalarına gerek duyulmaktadır. DMC ile yapılan çekimlerde baz/yükseklik oranının küçük olması nedeniyle ortaya çıkan sakıncalar azalmaktadır. 36

37 Digital Fotogrametrik Algılayıcıların Geometrik Test Alanı Kalibrasyonu Fotogrametrik görüntüleme teknikleri artık büyük bir hızla analogtan digitale dönüşmektedir. Digital tekniklerin analog tekniklere göre avantajları göz ardı edilemeyecek derecededir. Bu avantajların en önemlileri radyometrik kalite, düşük malzeme masrafı ve kısa üretim süreleridir. Digital görüntüleme ve direkt georeferanslama ile üretimler artık insan etkileşimi olmadan görüntü elde edilmesinden sonraki 1 2 saat içinde gerçekleşebilmektedir. Uygulama tarafında ise iyileştirilmiş görüntü kalitesi görüntü üzerinde yapılan ölçme işlemlerinin otomasyonunu sağlamakta, yorumlamayı çok daha iyi bir hale getirmekte ve uzaktan algılama yöntemleri kullanarak görüntülerin yorumlanması olanağını sağlamaktadır. Tüm bu beklentileri sağlamak için algılayıcıların performansları bilinmeli ve algılayıcıların kalibrasyonları gerçekleştirilmelidir. Test alanı ile yapılan kalibrasyonlar, gelecekteki fotogrametrik üretimin temel bir parçası olacaktır. Teknolojinin gelişmesi ile ortaya çıkan Digital Algılama tekniklerinin doğruluğunun ve stabilitesini tahmin etmek ancak doğru olarak yapılmış kalibrasyon ve performans değerlendirmeleri ile sağlanabilecektir. [6] Digital kameralarda kalibrasyonu geometrik ve radyometrik olmak üzere iki ana gruba ayırmak gereklidir. Özellikle renkli kanallarda geometrik kalibrasyon çok önemlidir. Kullanılan CCD algılayıcıların küçük olması nedeniyle geometrik kalibrasyon özellikle yapılması gereken bir işlemdir. Araştırmalar göstermiştir ki digital kameraların geometrik ve görüntü kalitesi sürekli kontrol altında tutulması gereken unsurlardır. Pratikte geometrik kalibrasyon çeşitli hedef alanlarının kullanılması ile gerçekleştirilir. Bunun için farklı odak uzaklıklarında distorsiyonun da göz önüne alınması ile hedef alanında bulunan noktaların koordinatları ölçülerek kalibrasyon işlemi gerçekleştirilebilir. Farklı yöntemlerin kombinasyonu ile ortofoto üretiminde elde edilmesi gereken çok iyi fotogrametrik doğruluk bu biçimde kontrol edilebilir. Diğer bir kalibrasyon işlemi olan radyometrik kalibrasyon 2 aşamada yapılabilir. Resim çekme makinesi seviyesindeki radyometrik kalibrasyonda algılayıcının hücrelerinin belirli görüntü biçimlerine ( karanlık bölgeler ve pus) verdiği karşılık test edilir. Çok başlı sistemde ise her kanalın kalibrasyonu diğerlerine göre sistemin beyazlık dengesi sağlanarak gerçekleştirilir. Verilen bir kanalın ışıklandırma süresi, diğerlerinden bağımsız olarak bir gri veya beyaz cisimler için tüm algılayıcılardaki aynı sayıda foton un artması durumunda çoğaltılabilir. 37

38 Klasik fotogrametrik harita üretimi 23cmx23cm formatındaki film kameralarını esas almaktadır. Ancak şu anda bu kadar büyük formatta CCD algılayıcı üretilemediğinden dolayı küçük CCD algılayıcıların bir araya getirilmesiyle, veya satır tarayıcılı CCD algılayıcılar kullanılmaktadır. Bu tür çok karışık bir yapıya sahip geniş formatlı digital algılayıcıların geometrik doğruluğu ve stabilitesi önemli bir konudur. Üretilen algılayıcıların optimum kullanımı bunların performanslarının tam olarak bilinmesine bağlıdır. Her türlü uçağa takılı kameranın test alanında geometrik kalibrasyonu için geliştirilen yöntemler ile uygulamada kullanılan tüm yöntemlerin farklı bileşkelerine ait özellikler ve toleranslar elde edilebilir. Bu tür yapılan araştırmala, kamera üreticilerinin çalışmalarını destekler ve uluslar arası ortak çalışmalar sorunların çözümü için gereklidir. Elde edilen sonuçlar ile birinci generasyon digital kamera UltraCamD nin geometrik performansının şaşırtıcı derecede iyi olduğunu göstermiştir. Resim uzayında, yatay koordinatlarda elde edilen 2-3 µm luk koordinat hata değerleri, yükseklikte ise cisim uzaklığının %o dir. Ancak matematik modelde yüksekliği etkileyen faktörlerin yetersiz olmasından dolayı yükseklik doğruluğu için bazı iyileştirmeler yapılabilir. Bu ölçümleme sonuçları üreticilere sistemlerin nasıl kullanılacağını ve üretim hattındaki zayıf noktaları göstermektedir.[6] 38

39 3. LAZER TARAMA Lazer tarama son on yılda hem arazi detayı, hem de yakın uzaklıklardan cisimlerin elde edilmesinde bir devrim yaratmıştır. Lazer taramada, özellikle değerlendirme işlemlerinde, fotogrametri ile ilgili pek çok yaklaşım esas alınmaktadır. Uzaktan Algılama da lazer taramanın uzun zamandan beri Lidar (light detection and ranging) olarak kullanıldığını lazer tarama terminolojisinin sınıflandırılması açısından hatırlatmak gerekir. Aynı zamanda cisimlerin (light amplification by stimulated emission of radiation) lazer yardımı ile konumlandırılması için Lazer- Radar ((radio ( Işın) detection and ranging) tanımı uzaktan algılamada yine sıklıkla kullanılmaktadır. Lazer ışığı güçlü bir biçimde demet yapısını korumakta olup monokromatik ve tutarlıdır. [3] Tarama kavramı bugün için birçok teknik alanda farklı alet ve yöntemlerle uygulanmaktadır. Genel olarak tarama işlemi adı altında bir cisme dokunmadan onu tamamen taramak ve bu biçimde elde edilen bilgilerle bilgisayar ortamında işlem yapmak anlaşılmaktadır. Tarayıcılar tek, iki veya üç boyutlu bilgiler üreten bir Analog- Dijital Dönüştürücü olarak da ele alınabilir. Tek boyutlu taramaya örnek olarak süpemarket kasalarında basılı barkodlardan elektronik kasalarda okunan fiyat bilgileri anlaşılabilir. İki boyutlu tarama ise resimlerin bilgisayarlar tarafından tanınabilen dijital biçime getirme işlemidir. Üç boyutlu tarama işlemi de artık gerçekleştirilmiş ve piyasaya sürülür duruma gelmiştir. Cisimlerin üç boyutlu geometrisinin belirlenmesi fotogrametrik olarak çok resim kullanımı ile jeodezik ölçme yöntemlerinin bir kombinasyonu olarak gerçekleştirilmektedir. Bu işlemler esnasında cismin yapısının karışıklığına ve kullanılan ölçme yöntemine bağlı olarak epey bir zaman kaybı olmaktadır. 15 yıldır gelişmekte bulunan ve bugün güçlü bir biçimde piyasaya giren 3D Laser tarayıcılar jeodezik ve fotogrametrik yöntemlere etkili alternatif olarak gösterilmektedir. Kısa sürede tüm alanı kapsayan çok sayıda üç boyutlu ölçme noktasını işaretleme yapmadan elde etme özelliği mimarlıkta, tarihi eserlerin korunması ve dokümantasyonunda, endüstri tesislerinin ölçülmesinde ve Mühendislik ölçmelerinde büyük bir uygulama potansiyeli oluşturmuştur. 39

40 Şekil 3.1 : Lazer Taramanın Mühendislik ve Endüstride Kullanımı Endüstri alanında 3D Tarayıcılar üretilen parçaların yapısal kontrolünde kullanılmaktadır. Ölçme yöntemleri birbirlerinden farklılıklar göstermekte ve her seferindeki amaca göre belirlenmektedir. Aletlerin çoğunda ışık bilgi taşıyıcı olarak en önemli rolü oynamaktadır. Işık düzenli bir raster içinde tarayıcının göndericisinden ölçülecek cisme doğru yönlendirilir. Tarayıcının alıcı düzeni içerisinde bulunan ışığa duyarlı algılayıcılar cisimden yansıyan ışığı değerlendirirler. Işık cisim geometrisine ve yansıtma özelliklerine göre saptırılır, saçılır veya başka bir biçimde değişir. Karakteristik değişimler cismin geometrisini elde etmekte kullanılır. Laser tarama yersel olarak karışık yapılı cisimlerin biçim belirlenmesinde ve uçağa takılarak da dijital arazi modellerinin elde edilmesinde kullanılır. Laser tarama geometrik özellikleri önplana çıkardığından uzaktan algılamadan ziyade Fotogrametri ile daha yakın bir teknoloji olarak ele alınır. [7] 3.1. Yersel Lazer Tarama Sistemleri ve Bu Sistemlerin Teknik Özellikleri Üç boyutlu otomatik sayısallaştırmada kullanılan yersel tarayıcılar 2000 yılından sonra piyasada ticari amaçlı olarak kullanılmaya başlanmıştır. Bu teknoloji kullanımının ve öğreniminin kolay olması nedeniyle ölçme ve değerlendirme işlerinde artık Standard bir yöntem biçimine gelmiştir. Yersel lazer taramada ana amaç üç boyutlu cisim uzayının geometrik tanımıdır. Yersel lazer tarama sistemleri uygulamalarında bir veya daha çok sayıda 3 Boyutlu nokta kümeleri elde edilir ve bunlar farklı yöntemler ile birbirleri ile bağlanarak georeferanslandırılır. Bu işlemler esnasında Tarayıcı hareket etmez. Uygulamada 40

41 kullanılan diğer tarama yöntemlerinde ise 2 Boyutlu profiller sabit (stop&go) veya hareketli (kinematik) olarak taranır. Bu profillerin birbirleriyle bağlanması için ise ölçme sistemleri (örneğin INS, GNSS veya takeometri) gereklidir. Bu tür uygulamalar özellikle tünel ve yol inşaatlarında hacım hesaplanmasında kullanılırlar. Hızlı tarayıcılar ile büyük yapıların hareket analizleri de yapılabilir. Yersel lazer tarayıcıları, uçağa takılı lazer tarayıcılardan ayıran fark, tarama işlemi sırasında yersel tarayıcıların hareket etmemesidir. Sabit yersel lazer tarayıcılarda iki doğrultu için yönlendirme donanımına gereksinim vardır. Uçağa takılı lazer tarayıcılarda ise lazer ışını tek bir düzlemde uçuş yönüne dik olarak yönlendirilmiştir. Her iki yönlendirme donanımı Şekil 3.2 de gösterilmiştir. Şekilden de görüldüğü üzere Darbeli lazer ışını (1) no lu elektronik birimden hareket eder, daha sonra oldukça yüksek bir hızla dönen küp biçimindeki optik eleman (3) e ulaşır. Şekil 3.2 : Riegl Yersel lazer tarayıcısının Çalışma İlkesi [9] Küp yüzeyinde lazer ışını (2) yönlendirilerek yansıtılmaktadır ve bu şekilde ışın ζ açısı oluşturacak biçimde yönlendirilerek yansıtılır. ζ Profili elde edildikten sonra (4) no lu üst kısım komşu ζ profilinin taranması için tam daire oluşana kadar çok küçük bir Δα açısı kadar döner. Taranacak cisim yersel lazer taramada birbirleri ile çok az örtüşen nokta kümeleri oluşturan durak noktalarından, o şekilde taranır ki, tek tek durak noktalarından taranan bu nokta kümeleri cisim üzerinde az miktarda birbirleri ile örtü oranlarına sahip olsunlar. Durak noktasının konumlandırılmasında GPS iyi sonuçlar vermektedir. Tarama yapılan her bir durak noktasında kutupsal koordinatlar ζ, α ve s elde edilir. 41

42 Georeferanslandırma Bir lazer tarayıcısıyla taranması planlanan cisimler veya alanlar genellikle geniş, büyük ve karışık şekilde olabilirler. Bir kez tarama ile cisim veya alanının tamamı taranamaz, ancak tarayıcının görüş alanına giren bir kısmı taranabilir. Diğer kısımları taranması için tarayıcıların cisim veya alanın diğer bölümünü görebilecek ve ayrıca ilk tarama alanı ile ortak bölge oluşturacak bir yere konumlandırılması gerekir. Ayrıca her iki tarama bölgesinde, hem farklı noktalardan yapılan taramaların birleştirilmesi, hem de taramalar sonucunda elde edilen nokta kümelerinin bir üst koordinat sistemine dönüştürülmesi için, en az 3 tane olacak şekilde kesişen tarama bölgelerine hedef noktaları yerleştirilir. Her tarama bölgesinde bu hedef noktalarının da taranması gerekir. Her tarayıcının kendine ait bir koordinat sistemi vardır. Taramalar sonucu elde edilen nokta kümeleri bu koordinat sisteminde üretilmektedir. Taranmış cisim veya alanı tam olarak elde etmek için, farklı noktalardan taramalar sonucu elde edilen nokta kümelerinin tarayıcıların kendi koordinat sisteminde birleştirilmesi, daha sonra birleştirilen bu noktaların ülke koordinat sistemine dönüştürülmesi gerekir. Buna georeferanslandırma işlemi adı verilir. Lazer tarayıcının georeferanslandırma için Lazer tarayıcının durak noktası (X 0,Y 0,Z 0 ) koordinatları ve yöneltme açıları (α,ζ,s) nın belirlenmesi gereklidir.. α,ζ,s, açıları kutupsal koordinatları ile XYZ- bir üst cisim koordinat sisteminde verilebilir: [7] X X Y = Y Z Z R s sin cos s sin sin s cos (3.1-1) ζ α...düşey (Zenit) açısı, sıfır doğrultusu κ-ekseninde bulunur.... Sıfır doğrultusu κ-dönme açısının sıfır doğrultusu ile çakışan yatay açı Uçağa takılı lazer tarayıcılar ile ilgili tanımlanan bağıntılar ile karşılaştırma yapılırsa dönüşüm parametrelerinin senkronizasyonuna ihtiyaç duyulmaması ve yersel lazer taramadaki kutupsal koordinatların iki yönlendirme açısı ile elde edilebildiği görülebilir. Durak noktasının koordinatları ve yöneltme açıları mevcut değil ise, parametreler kontrol noktalarından dolaylı olarak (dolaylı algılayıcı yöneltme) elde edilebilir. Bu amaç için öncelikle durak noktasındaki her bir tarama da kontrol noktalarının konumlarının bilindiği varsayılmaktadır.. LMS-Z360 laser tarayıcı sisteminde de bu ölçme işlemi, 42

43 kontrol noktalarının küçük retro yansıtıcılar ile işaretlenmesi ile otomatik biçime getirilmiştir. Bu sinyaller işaretlerin çevreleri ile oluşturduğu büyük kontrast nedeniyle yoğunluk resminde otomatik olarak ölçülebilmektedirler.. Normal tarama ve kontrol noktalarının ölçülmesinden sonra, tek tek sinyallerin çevreleri yüksek çözünürlükte taranır. Tekrar taranmış yoğunluk resimlerinde kontrol noktasının ζα-koordinatları alt piksel bölgesinde belirlenebilir ve yakında bulunan dört destek noktasından s-koordinatları bilineer dönüşüm ile bulunabilir. Bir durak noktasının X 0,Y 0,Z 0 ve ω,φ,κ dönüşüm parametreleri en az çok iyi dağılmış üç kontrol noktasından belirlenebilir. Basit bir çözüm olarak aşağıda bahsedilen yöntem uygulanabilir. Bu yöntemde fotogrametrideki stereo modellerin mutlak yöneltilmesine karşılık gelen işlem kutupsal koordinatların lokal kartezyen koordinat sistemine dönüştürülmesi ile başlar; x s sin cos y = s sin sin z s cos (3.1-2) Burada ölçek katsayısı m için bir değeri alınabilir. Algılayıcıların bu şekilde dolaylı olarak yöneltmesinin maliyetleri, bir projedeki tüm taramaların eş zamanlı olarak birbirleri ile çakıştırılmasından dolayısı ile oldukça azalmaktadır. Tüm taramaların toplamı için blokta daha az kontrol noktası cisim koordinatlarının içinde bulunduğu koordinat sisteminde belirlenebilir. Şekil 3.3 de üç farklı lazer tarama durak noktasının ortak noktalar yardımı ile bağlanması gösterilmektedir. Kutupsal koordinatlardan kartezyen koordinatlara dönüşümden sonra her bir tarama için tek bir lokal kartezyen koordinat sistemi elde edilir. (Şekil 3.4 de bu koordinat sistemi sadece ortadaki durak noktası için çizilmiştir.) Buna ek olarak bazı retro (kendinden) yansıtıcı sinyallerin kontrol noktası olarak ölçüldüğü üst XYZ- cisim koordinat sistemi Şekil 3.4 de gösterilmiştir. 43

44 ŞEKİL 3.3: Birden fazla yersel lazer tarama yapılan durak noktalarının (taramalar) bağlanması [3] Tüm taramaların orijinal olarak kutupsal koordinatlardan elde edilen, lokal kartezyen koordinatlarla blok olarak dolaylı algılayıcı yöntemi ile yöneltilmesi, bağımsız modeller ile uzaysal blok dengelemesine karşılık gelir. Tek tek taramaların m ölçek katsayısı, bir olarak alınabilir. Yersel lazer tarama sıklıkla yol kenarındaki her iki yöndeki bina cephelerinin taranmasında kullanıldığından, bu çizgisel düzen için şerit triyangülasyonunda olduğu gibi doğruluk değerleri ve kontrol nokta düzenleri geçerlidir Nokta Kümelerinin Bağlanması Lazer nokta kümeleri içersinde farklı nokta kümelerini birbirine bağlamak için tanımlanabilecek keskin olarak belirlenmiş noktalar bulunmamaktadır. Bu amaç için Retro yansıtıcı işaretlerin kullanılması eş zamanlı taramaların bir proje içersinde birleştirilmesinde olduğu gibi yararlı bir çözümdür. Lazer taramaların yoğunluk resimlerinde bağlantı noktaları manuel olarak ölçülmüş ve tanımlanmıştır. Bu sistemi desteklemek üzere, hava triyangülasyonundaki bağlantı noktalarının otomatik olarak belirlenmesi yöntemine benzeyen bir otomatik hassas ölçme düzeni arka planda çalıştırılabilir. Ancak, lazer-tarama resimleri üç boyutlu ve yoğunluk resimleri de iki boyutludur. S uzaklığı ise üçüncü boyut olarak ele alınabilir. İlgi- Operatörleri bu bağlamda iyi hizmet vermektedir. Havadan kullanılan uçağa takılı lazer taramanın tek tek şeritlerindeki nokta kümelerinin birbirlerine bağlanması için tek noktalardan vazgeçilmiş ve bu kümelerin karşılık gelen bölgelerindeki düzlemler kullanılmıştır. 44

45 Yeni ve üzerinde çok konuşulan bir yöntem ise ICP (iterativ closest point) (iteratif en yakın nokta) olarak bilinmektedir. Burada yaklaşık olarak konumlandırılmış ve yöneltilmiş bir nokta kümesi oluşturulur. Bu iki nokta kümesinin örtüşme alanında, iki alt küme seçilir. Alt kümenin her bir noktasına karşılık gelen nokta bir alt-küme içersinde en kısa öklid uzaklığı olacak şekilde aranır. Bu şekilde bir alt-kümeden diğer alt-kümeye dönüşüm örneğin çok fazla belirli uzaysal benzerlik dönüşümü için pek çok karşılıklı nokta çifti bulunur. Bu şekilde her iki nokta kümesi "yakınlaşır". İkinci bir iterasyon ile karşılıklı nokta çiftleri için en yakın uzaklık sorgulanır ve ikinci bir dönüşüm gerçekleştirilir. İterasyon, nokta çiftlerinin uzaklıklarının karelerin toplamı olarak verilmiş eşik değerin altında kalıncaya kadar devam ettirilir. Ortaya çıkan çok sayıdaki hatalı karşılık gelmelerden dolayı çok fazla belirli olan dönüşümlerin herbirinde robust parametre tahminine geçilir. İki nokta kümesinden tüm nokta kümelerinin eş zamanlı bağlanması için bir yöntem geliştirilmesi bağımsız modellerin blok dengelemesi gibi düşünülebilir. Lazer tarama ölçmesinin sonucu bir nokta kümesidir. Aşağıda açıklanan yöntemde Lazer noktalarının xyz koordinat sşstemine dönüşümü açıklanmaktadır. Bir tarama noktasında elde edilen nokta kümesi Şekil 3.4 de ζα-koordinat düzleminde gösterilmiştir. Farklı s uzaklıkları bu "Resmin" fonksiyon değerleridir. ŞEKİL 3.4 : ζα-referans düzlemindeki lazer noktaları[6] Matris olarak depolanmış ölçme değerlerinin indeksleri üzerinden ölçülmüş bir noktadan komşu ölçme noktasına hızlı bir şekilde ulaşılabilir. Bu ölçme noktaları elle yapılan fotogrametrik değerlendirme veya takeometrik değerlendirmeden farklı olarak herhangi bir "anlam" taşımamaktadır. En son bahsedilen klasik yöntemde her nokta bir özniteliğe (bina köşesi, komşu nokta ile bağlantı bilgisi...vb) atanmaktadır. Lazer taramada nokta 45

46 kümesinden bu bilgi daha sonra kazanılmalıdır. Ek bilgi olarak, lazer tarama yüksek sayıda ölçme yapılmakta, buna karşın klasik yöntemlerde elle önceden girilmiş öznitelikler ile daha az sayıda ölçmenin gerçekleştirildiği söylenebilir. Lazer tarama nokta kümelerinden çizgi ve nokta bilgilerini elde etmeden önce Şekil 3.4 de kapalı olarak ifade edilen geometri ele alınmaktadır.. Sütunlar bir (düşey) düzlemin cisim yüzeyi ile kesişmesinden oluşan cisim noktalarını içermektedir. Her seferinde düşey düzlem çekim merkezini içermekte ve α yatay açısı ile tanımlanmaktadır. Kesişme çizgisi bir (düşey) profildir. Tarama yapılan noktalardan profil noktalarına olan uzaklıklar bilinmektedir; profil noktalarının uzaklığı Δζ- artma ile verilmektedir. Şekil 3,4 te matrisin bir satırı dönel bir koninin tepe noktası alım noktasında ve açılım açısı ζ ile bir cisim yüzeyi ile kesişmesinden oluşan cisim noktalarını içermektedir. Tarama noktalarından bu kesişim noktalarına olan uzaklıklar bilinmektedir; Eğer cisim yüzeyi düzlem ise, koninin cisim düzlemleri ile kesişme çizgisi bir koni arakesitidir,. Eşit aralıklar kaybolmuştur. Fakat lazer noktaları arasındaki basit komşuluk ilişkileri (Topoloji) dönüşüm sırasında değişmemiştir. xyz sistemine dönüşümün en büyük avantajı, düzlem bölgelerin örneğin komşu noktalardan oluşturulan üçgen normallerinin bulunabilmesidir (Şekil 3,4 de ki ζαs-koordinat sisteminde buna karşılık bir düzlemsel bölge bulunmamaktadır, cisim düzlemi kubbe biçiminde, cisim kenarları eğiktir). Burada ele alınan örnekte lazer noktaları Şekil 3,5 de farklı nokta sembolleri ile işaretlenmiş dört düzlem bölge bulunmaktadır. Segmentasyon işleminden sonra birbirlerine komşu düzlem bölgeler birbirleri ile kesiştirilebilir. Sonuç çizgiler ve noktalardır. (Şekil 3,6) Lazer taramanın cisim modelleme için şu strateji temeldir: Nokta kümelerinden tek tek düz yüzey elemanlarına ait olan (örnekte düzlemler) gruplar ve noktalar elde edilir. ŞEKİL 3.5 Kartezyen koordinat sisteminde lazer noktaları ve dört düzlem bölgede segmentasyon sonuçları [3] 46

47 ŞEKİL 3,6: Alanların ve kenarların kesişimi Düz yüzeylerin kesişmesi eğimli kenarları (örneğimizde düz çizgi) ve bu kenarların kesişme noktaları aranan tek tek cisim noktalarını vermektedir. Klasik yöntem ise tam aksi bir strateji izlemektedir: tek tek noktalardan vazgeçilmekte; elde edilen topoloji - çizgilerden ve düz yüzey üzerinde tek tek noktalar ile beraber oluşan çizgilerde- üst yüzey elemanlarını tanımlamaktadır. Lazer noktalardan dolaylı olarak elde edilen çizgi ve noktaların doğrulukları çok yüksektir, çünkü tek bir ölçme yapılmasına oranla cisim üst yüzeylerinde çok fazla sayıda nokta kümesinin kullanılması önemli doğruluk artışlarına neden olur. Düz yüzey elemanlarında tesadüfî ölçme hatasının indirgenmesi (Filtreleme) için robust en küçük kareler enterpolasyonu önerilir. Lazer noktalarının tek tek düz üst yüzey elemanlarına atanması eğer rastlantısal hatalar önceden filtre edilmiş ise bir avantaj olabilir. Uygulamada dönüşümlü olarak segmentasyon veya filtreleme için pek çok iterasyon kullanılmalıdır Uygulamada Kullanılan Yersel Lazer Tarayıcılar HDS D LAZER TARAYICI Leica firmasına ait HDS3000 sağladığı yoğun veri kalitesi ve içerdiği özellikleri ile üç boyutlu bir lazer tarayıcıdır. Bu yersel tarayıcı birçok ölçme ve mühendislik projesinde başarı ile kullanılmaktadır.[8] 47

48 HDS3000 in ana özellikleri aşağıdaki gibidir.: Maksimum 360 x 270 görüş alanı Benzersiz çift pencere tasarımı Tamamen seçilebilen görüş alanı ve tarama yoğunluğu Otomatik olarak kalibre edilen sayısal kamera. <6 mm nokta 50 m 6 mm konum 50 m Cihaz yüksekliği (H.I.) ölçümü Survey noktası üzerinde kurulum Esnek "hot-swap" güç kaynağı sistemi QuickScan (hızlı tarama) düğmesi Şekil 3.7: HDS 3000 RIEGL LMS-Z420i yersel lazer tarayıcı sistemi uzun mesafe için üretilmiş yüksek performanslı 3B lazer tarayıcıdan ve bu lazer tarayıcıya bağlı olarak çalışan RiSCAN PRO yazılımından ve de kalibre edilmiş ve tam olarak yöneltilmiş yüksek çözünürlüklü bir digital kameradan oluşmaktadır. Bu sistem tarama ve görüntü verisini otomatik veya yarı otomatik olarak işleyerek yükseklik bilgisine sahip ortofotolar veya üzeri görüntü ile kaplanmış yüzeyler gibi ürünler elde edilmesinde kullanılır. [9] Şekil 3.8: RİEGL LMS-Z420i The RIEGL LMS-Z420i en zor koşullar altında yüksek kaliteli üç boyutlu verileri elde etmek için dizayn edilmiş güçlü ve taşınabilir bir algılayıcıdır. Standart bir dizüstü bilgisayar ve bu bilgisayarda çalışan RiSCAN PRO ışın demetleri ile dengeleme yazılımı kullanıcıya yüksek kaliteli 3B veriyi arazide hızla elde etme, kayıt etme ve ön işlem yaparak taşıma olanağı sağlar. 48

49 3.2. UCAGA TAKILI LASER TARAMA (AIRBORNE LASER SCANNING) Lazer tarayıcılar cisim yüzeylerinin taranmasında kullanılır. taranır (Şekil 3.9). Lazer tarayıcı ile lazer ışınının yansıtıldığı cisim noktası arasındaki uzaklık demet yapısındaki lazer ışınları yardımı ile bir impulsun gidip tekrar geri gelmesi için gerekli süreden hesaplanır. LAZER TARAMA ŞEKİL 3.9: Uçağa takılı lazer tarama Lazer tarayıcıdan çıkan lazer ışını uçuş yönüne dik olarak yönlendirilir ve bu yönlendirme açısı kayıt edilir. Kutupsal koordinatlardan lazer ışınının isabet ettiği cisim noktalarının XYZ Koordinatlarına dönüşüm için, lazer tarayıcının konum koordinatlarına ve lazer tarayıcının konumlandırma açısına gereksinim duyulmaktadır. Bu sürekli değişen dinamik büyüklükler Global Konumlandırma Sistemi (GPS) ve inersiyal ölçme aleti (IMU) içeren Konumlandırma ve Yöneltme Sistemi (KYS) yardımı ile elde edilmektedir. GPS, IMU ve tarama işlemleri mikro 49

50 saniye aralığında birbirleri ile senkronize olarak çalışmaktadırlar. Uçaktaki algılayıcılar arasındaki ötelenmeler ve dış merkezlik, uçuştan önce aynı zamanda belirlenmelidir. Bir ölçme ışını boyunca, farklı yerlerden yansıma ortaya çıkabilir. Şekil 3.10 da, yukarıda, cisim noktasına giden ilk impuls görülmektedir. Şekil 3.10, altta, en derinde bulunan cisim noktasına, eğer varsa, son impulsun varışı gösterilmiştir. Eğer aradaki uzaklıklar ilk yansıma yardımı ile ölçülürse, elde edilen lazer noktaları ağaç tepesi (soldan ikinci ışın), çatı kenarı (soldan üçüncü ışın), baca (soldan beşinci ışın)..vs olabilir. Eğer uzaklıklar son yansıma ile ölçülürse, elde edilen lazer noktaları, daha önceki sıra ile, ağaç gövdesinde, arazide, yolda, baca dibi...vs olur. Tüm lazer tarayıcılar uzaklığı hem ilk, hem de son yansıma yardımı ile ölçer ve her iki uzaklığı, zamansal olarak çok az ötelenmiş olarak kaydeder. Ek olarak, bazı lazer tarayıcılar, aradaki yansımaları da uzaklık hesaplamak için kullanır ve her lazer ışını için uzaklıkların yayılımını kayıt eden lazer tarayıcılar vardır. Bu kayıt işlemi sırasında bazı sınırlamalar konulmuştur, çünkü kayıtlar arasında, her seferindeki uzaklık ölçme donanımının verimliliğine bağlı olarak, belirli bir minimum uzaklık korunmalıdır. Minimum uzaklık örneğin 1.5 m ( kms -1 (= Işık hızı)10 ns (= Uzaklık ölçme donanımının minimum aralığı)/2 (= Ölçülen uzaklığın yarısı)) olarak bulunur. 1.5 m den küçük bitki örtüsünde, ilke olarak, bir veya başka bir yansıma yüzeyden gelse bile, sadece bitkilerin oluşturduğu üst yüzey taranır. (Şekil 3.10 sol, ilk ışın) Şekil bazı gönderilen impulsların geri dönmediğini göstermektedir. Örneğin çok düz yüzeylerden (örnek araba üstü) doğrudan yansıma (= aynalama) oluşabilir. Bu yönlendirilmiş yansıyan ışın daha sonra dağınık yansıyan başka bir cisim yüzeyine gelir ve yansıma lazer tarayıcıya ulaşır. Bu şekilde (dolambaçlı gelerek-çoklu yoldan) elde edilen uzaklıklar kaba hata oluşturur; Diğer cisim yüzeylerinde (örneğin temiz su, Şekil 3.10 da sağdaki ışın) yutulma çok fazla, yansıma çok azdır, öyle ki uzaklık ölçmek için geriye yansıma olmayabilir. Yutulma lazer ışınının geliş açısına bağlıdır: Örneğin su ile kaplı yüzeylerde ışın su üst yüzeyine dik olarak geldiğinde oldukça güçlüdür. Bu yüzden sulu alanlarda lazer tarama şeritleri ortalarında kenarlardakinden daha az lazer noktası bulunmaktadır. 50

51 ŞEKİL 3.10 : Farklı cisimler için, aynalama ve büyük yutulmalar, Laser taramanın en önemli özelliği de çok kezli yansımanın ayırt edilmesidir. Tek bir laser impulsu için arazideki bitki örtüsü üzerinde birçok yansıma görülebilir. : Şekil 3.11: Laser ışık ımpulsunun bitki örtüsü üzerinde çoklu yansıması Işık impulsunun bir kısmı bitki örtüsü üzerinde yansıtılabildiği gibi, bir kısmı da arazi yüzeyine kadar inebilir ve oradan yansır. Yeni nesil laser tarayıcılarda hem birinci impuls hem de son impulslar kaydedilebilir. Komşu noktaların yükseklik bilgilerine dayalı filtreleme algoritmaları yardımıyla elde edilen noktalar çeşitli nokta gruplarına düzenlenebilir.(sınıflandırma) Noktalar, yer noktaları diye adlandırılan en alçaktaki noktalar ve bitki örtüsü üzerindeki noktalar diye ayırt edilebilir. Kural olarak en alçaktaki noktalar arazinin last pulse kaydındaki noktalardır. Yükseklikteki doğruluk, öncelikle Lazer uzaklık ölçme donanımına ve GPS konumlandırmasına bağlıdır. Bu her iki etki uçuş yüksekliğine çok fazla bağlı değildir. Yükseklik doğruluğunun bu şekilde uçuş yüksekliğine bağlı olması, kat edilen yolun uzunluğuna ve tarama izinin uçuş 51

52 yüksekliğine bağlı olmasından kaynaklanmaktadır. Konum doğruluğu, GPS- konum doğruluğu, IMU- Yöneltme doğruluğu ve lazer ışını sapma açısı kayıt doğruluğundan etkilenmektedir. Son olarak belirtilen iki hata kaynağı uçuş yüksekliklerinin artması ile büyük oranda doğruluk kaybına neden olmaktadır Piyasada çok kullanılan Azimuth Corporation dan alınan Leica Geosystems firmasına ait Airborne Lazer Scanners ALS40 ait teknik veriler aşağıda bulunmaktadır. Tablo 3.2. ise, uçağa takılı lazer tarama sistemlerinin teknik özelkliklerinin genel bir özetini göstermektedir. 52

53 TABLO 3.1.: Uçağa takılı lazer tarayıcısı ALS40 teknik özellikleri Dalga Boyu Satır Frekansı Ölçme hızı Belirlenebilir yansımalar nm (yakın kızıl ötesi) max. 26 Hz, uçuş hızı 70 m/s, satır aralığı 2.7 m khz 5 (15 khz Ölçme oranı) 3 (25 khz Ölçme oranı) Maksimum uçuş yüksekliği 6000 m (15 khz Ölçme oranı) 3000 m ( 25 khz Ölçme oranı) Toplam Açılım açısı (FOV, arazi görüşü) Lazer ışınının açılım açısı (IFOV, anlık FOV) Konumlandırma ve Yöneltme Sistemi Yükseklik Doğruluğu(45FOV) mrad, tarama izi (footprint)) uçuş yüksekliği 1 km olduğunda çap 33 cm, uçuş yüksekliği 3 km olduğunda 1 m. Applanix DG-510 Yükseklik Doğruluğu (75FOV) Konum Doğruluğu (45FOV) Konum Doğruluğu (75FOV) ±17 cm, uçuş yüksekliği 1 ve 2 km ±32 cm, uçuş yüksekliği 6 km den fazla ise ±20 cm, uçuş yüksekliği 1 ve 2 km ±47 cm, uçuş yüksekliği 6 km den fazla ise ±17 cm (Uçuş yüksekliği 1 km) den lineer olarak ±55 cm (6 km) ye kadar ±20 cm (Uçuş yüksekliği 1 km) den lineer olarak ±75 cm (6 km) ye kadar Bellek Kapasitesi ortalama 12 saatlik uçuş için, maksimum = 1.2G = 1.2 milyar Lazer noktası alınabilir. 53

54 Tablo 3.2. Uçağa Takılı Lazer Tarama Sistemleri Bu firmalara ait Web sayfalarının adresleri aşağıdaki gibidir

55 ÜRETİCİ FİRMALAR a- Optech Şekil : OPTECH ALTM Gemini System Uluslararası boyutta bakıldığında airborne laser tarayıcılar üreten firmaların liderliğini OPTECH (Kanada) nın yaptığı söylenebilir. [10] 1990 ların başında, ilk 1020 modelinin üretilmesi ile başlayan süreç, ALTM (Airborne Laser Terrain Mapper) geliştirilmesi ile ALTM 2000 serisi, 2004 yılında ALTM 3100 ve Ocak 2006 da ALTM 3100EA (Enhanced Accuracy doğruluk arttırmak) ile devam etmiştir. ALTM 3100EA, optimum koşullar altında 500 m uçuş yüksekliğinde +/- 5 cm doğruluğa erişebilmektedir. Bu özel model, Yeni Zelanda Hava Haritalama (NZAM),ABD Airborne 1 ve Carnegie Enstitüsü, Kanada da TerraPoint Ve Avrupa da Blom a satılmıştır. INTERGEO 2006 da, OptechALTM Gemini olarak isimlendirdiği son modelini duyurmuştur.altm 3100EA nın günümüzde doğruluk ve gücü (performans) nün daha öncekinden daha fazla uçuş yüksekliğinde -2 km ye kadar- 100kHz pulse tekrar oranında daha fazla olduğu iddia edilmektedir.bu da yeryüzünde daha büyük alanın kaplanmasına izin vermektedir. [11] Optech, Tarayıcılardan elde edilen lidar yüksekliklerle birlikte ALTM laser tarayıcılardan elde edilen görüntüleri birleştirebilen orta formatta digital kameraları da diğer bir çözüm olarak önermektedir. Geçmişte Optech bu amaçla ALTM kaser 55

56 tarayıcılar için DGPS/IMU desteği ile Applanix DSS kameralarını da kullanmıştır. b- Leica Geosystems Şekil 3.13.: Leica ALS40 [16] 2001 yılında Leica Geosystems, Massachusetts te kurulu birkaç tane AeroScan e sahip küçük bir şirket olan Azimuth Şirketini satın alarak uçağa takılı lazer tarayıcı alanına girmiş ve önce ALS40 tarayıcısını ve daha sonra geliştirdiği ALS50 modelini 2003 yılında piyasa sürmüştür. Bu tarayıcılar özellikle kuzey Amerika da büyük bir Pazar bularak, ALS40 ve ALS50 tarayıcıları EartData, Horizons Inc., Kucera, LandAir, Merrick, Nort West Group, Woolpert gibi ticari haritalama firmaları tarafından satın alınmışlardır.als50 tarayıcısının yerine, 2006 Mayısında Reno da yapılan ASPRS toplantısında ALS50-II modeli tanıtılarak piyasaya sürülmüştür. Massachusetts yerine, Heerbrugg (İsviçre) de üretilen ALS50-II, diğerlerine göre daha küçük ve hafif olup, gelişmiş elektronik ünitelerine sahiptir ve yeni IPAS (Inertial Position&Attitude System) ile donatılmıştır. Leica Geosystems in ürettiği bir başka sistemde Multiple Pulses in Air (MPiA) teknolojisidir. Bu teknoloji, Laser tarayıcıya gönderilen pulse un yansımasının dönüşümü beklenmeden yeni pulse üretimine olanak vererek, aynı zaman birimi içinde birden fazla ölçme dairesinin gerçeklenmesi sağlamış, hem uçağa takılı ve hem de yersel 56

57 tarayıcılara uygulama olanağı vermiştir. İlk olarak Leica, uçağa takılı LIDAR kullanıcılarına 150kHz den fazla elde etme oranları olan yeni düzenler sağlamaya çalışmıştır. Bu durum arazide daha yoğun kaplama alanları oluşturulmasına olanak verecektir. Optech gibi Leica Geosystems de de orta formatta digital kameralar ALS laser tarayıcılarla entegre edilerek, laser tarayıcılarla elde edilen yükseklik verileriyle desteklenen digital görüntüler üretilebilmektedir. Bu tür kameralar, Applanix (DSS), Spectrum (NexVue) ve Rollei (AIC) trafından üretilmektedir. Leica kullanıcılarının cok azı ADS40 büyük formatlı digital görüntü kamerasını ALS tarayıcıları ile birlikte kullanmakta, bunların yerine daha ucuz orta formatta digital kameralar tercih edilmektedir. c. Riegl Şekil 3.14.: Riegl tarafından üretilen LMS Q240i laser Tarayıcı Motoru [9] Bir Avusturya firması olan Riegl, yukarıda bahsedilen piyasanın iki lideri olan firmalardan, uçağa takılı lazer tarayıcıların üretilmesi ve satılması açısından farklı bir yaklaşım göstermektedir. Riegl, LMS-Q240i ve LMS-Q560 laser tarayıcı motoru, uzaklık ölçüsü ve döner poligon tarama cihazını çeşitli Alman sistem sağlıyıcılarına satmaktadır. Bu firmalar, kendi kontrol elektronikleri ve DGPS/IMU sistemleri ile birleştirerek bir sistem oluşturmakta ve kullanıcılara sunmaktadırlar. 57

58 d. TopoSys (Falcon) Şekil 3.15: Falcon III sistemi TopoSys in Falcon III sistemi, ilk olarak 2005 yılında INTERGEO da sunulmuştur. Daha önce piyasada bulunan Falcon I ve II modelleri, fiberoptik lazer tarayıcı teknolojileri ile öne çıkmıştır. Falcon III ise bir önceki modellere göre, daha yüksek veri toplama özelliğine sahiptir. e- TopEye Şekil 3.16: TopEye Mk.II sisteminin çalışma ilkesi TopEye sistemi 1990 lı yılların ortalarında kullanılan bir diğer lazer tarama aletidir. Bu sistem ilk olarak İsveç Saab Combitech ve Osterman Helicopters firmalarının, Saab Survey Systems adı altında bir araya gelmesi ile kurulmuştur.1999 yılında Osterman ın firmayı satın alması ile ismi TopEye AB olarak değiştirilmiştir. Daha sonra, TopEye ın Alman ortağı Nebel&Partner ile kurulan firma, TopEye AB uçağa takılı lazer tarayıcıların servislerini özellikle iletişim hatları ve koridor biçimindeki 58

59 uygulamalar için yapmaya başlamıştır. Kullanılan tarayıcılar, İsveç AHAB firması tarafından yenileştirilerek, yeni lazer tarama optikleri ve elektronikleri kullanılmaya başlanmıştır. Bunların bir özelliği de, eliptik (Palmer) tarama yöntemi ile zemin taranabilmesidir. Böylece zemindeki tüm cisimler 2 taraftan ışıklandırılmaktadır. Rollei ve Hasselblad digital kameraları, TopEye taryıcıları ile birlikte kullanılabilmektedir. TopEye sistemindeki tarayıcılar, daha az yüksekliklerde (800 m ye kadar) helikopterlerde, Blom Group un kullandığı Optech ALTM tarayıcıları ise uçağa takılı olarak yüksek irtifada büyük alanların taranmasında kullanılmaktadır.[11] Servis Sağlayıcılar Uçağa takılı lazer tarayıcıların servis sağlayıcıları daha çok Almanya ve Avusturya da kurulmuş firmalardır. Bunların dışında Rus Geocomos ve Italyan Helica gibi firmalarda bulunmaktadır. a- Geocosmos 250 çalışanı ile Geocosmos, 5 ader ALTM 2050 ve 3100 serisinde lazer tarayıcıya sahiptir. Bu sistemler, Kodak DCS 760 ve SLR Pro 14n digital kameraları ile desteklenmektedir. Son günlerde bu firmada, Vexel UltraCam D büyük formatlı digital kamerada kullanılmaya başlanmıştır. Geocosmos daha çok taşıma altyapısı ile ilgili özellikleri örneğin demiryolu, yollar, kanallar gibi düzenleri tarmak için kullanılmaktadır. Ayrıca üç boyutlu şehir modelleri, araziye ait su baskını haritaları, telekominikasyon ile ilgili haritaların üretimi ile ilgili olarak da çalışmaktadırlar. b- Helica Kuzeydoğu İtalya da Avusturya-Slovenya sınırında kurulmuş olan Helica Firması, helikoptere yerleştirilmiş Optech ALTM 3100 sistemi ve bir RolleiMetric digital kamerası ile birlikte çalışmaktadır. Bu firma daha çok Italyan ulusal Osinografi Enstitüsü ile birlikte çalışmaktadır. 59

60 c- Hansa Luftbild& TopScan Almanya nın en eski ve büyük haritalama firması olan Hansa Luftbild, uluslar arası boyutta çalışmaktadır. Firma özellikle koridor şeklinde haritalama işlerinde kullanılan IGI LiteMappersistemine sahiptir. TopScan firması ile ortak olarak birçok projeye de katılan firma, Ruhr bölgesindeki açık kömür ocaklarında yaptığı çalışmaların yanı sıra TerraImaging firması ile de ortak çalışmalarını sürdürmektedir. Firmanın, Amsterdam, Berlin ve Hautmont da da büroları bulunmaktadır. d-toposys Falcon I&II taryıcılarını kullanan TopoSys, içinde Zeiss RMK kamerası bulunan Cessna 340 tipi bir uçağa sahiptir ve Aerodata, Eurosense ve Sodiplan gibi birçok haritalama firması ile de ortak çalışmalarını sürdürmektedir. e- Astec Şekil 3.17: Leica ALS50 lazer tarayıcısı ile ADS40 büyük formatlı satır tarayıcının ikili çalışma düzeni (ASTEC) Terra Digital firmasının yeniden düzenlenmesiyle işlevini sürdürerek Astec adını alan firma, Leica nın ALS50 ve ALS40 tarayıcılarını kullanmaktadır. Birçok ulusal ve 60

61 uluslar arası firmaya destek veren Astec in %20-30 Almanya da olmak üzere birçok projeye katkıda bulunmaktadır. f- Diamond Şekil 3.18.: Diamond DA42 MPP Hafif uçakların üretimini yapan Diamond, uzaktan algılama pazarına çok hafif, çift motorlu karbon-fiber den yapılmış, içine kamera ve tarayıcılar yerleştirilmiş Diamond DA42 MPP (Multi Purpose Platform) ile girmiştir. g- Milan Flug Riegl firmasına ait helikopter veya hafif uçaklarda kullanılabilen LMS-Q560, Q280 ve Q140 laser teknolojileri ile çalışan Milan Flug un en önemli çalışma alanları, arazinin üç boyutlu sunumunu sağlayan sayısal arazi modelleri ve şehir modellemeleridir. Ayrıca açık maden ocaklarında da çalışmalar yapmaktadırlar. Şekil 3.19: Milan Flug tarafından Riegl/IGI uçağa takılı lazer tarama sistemi kullanılarak elde edilen bir açık maden ocağının perspektiv görünüşü 61

62 3.3. ÜÇ BOYUTLU CİSİM VE ARAZİ MODELLERİNİN ELDE EDİLMESİNDE LAZER TARAMA YÖNTEMLERİ Geo-referanslandırmadan sonra geometrik cisim oluşturma işlemleri gerçekleştirilebilir. Lazer tarama noktalarından üretilecek Sayısal Arazi Modeli üretimi son yansıma kullanılarak gerçekleştirilmesine rağmen bitki örtüsü ve bina sıklığına bağlı olarak arazi yüzeyi üzerindeki pek çok lazer noktası elde edilebilir. Şekil 3.23., sol, bir Sayısal Yüzey Modelini göstermektedir. Bu model 2m lik-(ortogonal) Rasterlı düzensiz dağılmış lazer noktalarından örnekleme (Resampling) örneğin en yakın komşuluk yöntemi ile oluşmuştur. Kaplama (rendering) için üst yüzey raster model sol/üstten eğik olarak ışıklandırılmıştır. Lazer noktalarından Sayısal Arazi Modeli oluşturulması için bir profilin başlangıç durumu Şekil 3.20 de verilmiştir. İlk adımda nokta kümesinden dengelenmiş bir yüzey, örnek Şekil 3.20 de dengelenmiş bir eğri bulunmaktadır, yerleştirilir. [12] (Robust) Parametre Tahmini ) adı verilen yöntem ile- güvenilirlik sınırı aşan kaba hatalar için hesaplanan ağırlıklar kullanılır. Kural olarak, ağırlık fonksiyonu için v düzeltmelerinin sıfır noktasında simetrik olan bir çan eğrisi kullanılır. Lazer noktalarından Sayısal Arazi Modelinin SAM robust tahmininde böyle uygun bir ağırlık fonksiyonu yoktur. Bu fonksiyon, noktaların (büyük) pozitif ve (büyük) negatif v i düzeltmeleri ile noktaların etkilerini dengeleyen yüzeye azaltılacaktır. Bu tip robust bir eşitlikten yaklaşık Şekil gösterilen sonuçlar elde edilir. Lazer noktalarından üretilen bir SAM için, robust bir tahmin için ikinci en küçük-kareler dengelemesi için lazer noktaların aşağıdaki hata özelliklerini göz önüne alan bir ağırlık fonksiyonu kullanılır; Pozitif düzeltmeli lazer noktaları (Bunlar büyük olasılıkla arazi noktalarıdır) negatif düzeltme getirilen (büyük ihtimalle arazi üzerinde olmayan noktalar) noktalara göre daha yüksek ağırlık içermelidir (Şekil 3.20 de iki noktada pozitif ve negatif v i düzeltmeleri gösterilmiştir). SAM büyük bir olasılıkla, örneğin ilk en küçük kareler dengelemesi ile elde edilen yüzeyin (Şekil 3.20), dengeleyen eğrinin altında bulunacaktır, ayrıca ağırlık fonksiyonunun sıfır noktasının ötelenmesi de getirilmiştir. Bu istekleri göz önünde bulunduran bir Ağırlık fonksiyonu, aşağıdaki yapıya sahiptir: (Şekil 3.21): 62

63 1 v i g için p i = a,b > 0 b 1+(a vi - g ) (3.1.3) v i > g için p i = 1 v i...birinci en küçük kareler yöntemi ile elde edilen düzeltme a,b...ağırlık fonksiyonunun sağdan sola doğru yönlendirilmesini yavaş yavaş azaltan parametre g...sıfır noktası ötelenmesi, ikinci dengelemeye etkisini azaltan küçük pozitif v i düzeltmeleri etkisini azaltmaktadır. ŞEKİL 3.20 Lazer tarama noktalarından geçen dengeleyen eğri ve birinci en küçük kareler dengelemesinin düzeltmeleri ŞEKİL 3.21:. Lazer noktalarından SAM oluşturmak için kullanılan robust en küçük kareler dengelemesi için ağırlık fonksiyonu 63

64 ŞEKİL 3.22:. Şekil eaki ağırlık fonksiyonu ile ikinci en küçük kareler dengelemesi sonuçları ve Şekil 3.20 de bulunan birinci en küçük kareler yönteminde elde edilen v i düzeltmeleri Şekil 3.22 de Şekil 3.21 de ki ağırlık fonksiyonu kullanılarak ikinci en küçük kareler dengelemesi yöntemi sonucu verilmiştir. Sonuçlar beklentilerimizi karşılamakta; SAM dolaylı olarak en derinde bulunan lazer noktalarından geçmektedir. Üzerinde bulunan noktalar bu ortak enterpolasyonda ve filtrelemede az veya çok bir etkiye sahip değildir. Uygulamada çok sayıda iterasyon gereklidir. İkinci en küçük kareler dengelemesi v düzeltmeleri için gerekli eşik değer seçilerek de araziye ait ve araziye ait olmayan lazer noktalarının sınıflandırılması olanaklıdır. Son olarak farklı ağırlıkları olmayan arazi noktaları ile bir tane daha en küçük kareler dengelemesi yapılması daha kesin sonuca ulaşılması için uygun olur. Sık ormanlık alanlar ve sık binalar için bu enterpolasyon ve filtreleme işlemleri makalede 1 belirtildiği gibi bir hiyerarşik stratejiye geliştirilmelidir. Resim 3.1 de uluslar arası testten küçük bir parçanın sonucu görülmektedir. Lazer noktalarının 0.25 Nokta/m 2 ile nispeten az yoğunluğa sahip olmasına rağmen, yani uçuş doğrultusuna enine ve boyuna doğrultuda ortalama 2m nokta aralığı, sağ resim 3.1 de görüldüğü gibi bitki örtüsünün ve binaların elenmesi mümkün olmuştur. Tren geçidindeki küçük bir bina elenmemiştir: bina yüksekliği çok alçaktır.. 64

65 RESİM Vaihingen- OEEPE Testlerinden küçük bir örnek- Sayısal Yüzey Modeli (sol)ve tam otomatik elde edilmiş SAM (sağ) Şekil 3.23, orijinal verilerin nokta aralığına yaklaşık karşılık gelen yaklaşık 0.5 m raster genişliği ile Viyana üzerinde yapılmış bir lazer uçuşunda elde edilmiş bir SYM yi göstermektedir. Buradan tamamen şehir merkezlerinde tanımlandığı sürece SAM (Şekil 3.24) üretilebilir. Çok sayıda yer kontrol noktası yardımı ile Viyana Belediyesi nin 41. şehir bölgesinin SAM doğruluğu, farklı yüzeylerin kullanımına bağlı doğruluğundan elde edilmiştir. Tablo 3.3. içerisinde sistematik kısımlarında bulunduğu (Lazer ile elde edilen SAM lerde - arazi engebesine ve arazi örtüsüne bağlı olarak sistematik kısımlar oldukça fazladır.) ε gerçek hatalar ile elde edilen karesel ortalama hata ile σ standart sapma arasındaki karşılaştırma gösterilmektedir. ŞEKİL3.23 Lazer tarayıcı verilerinden elde edilmiş Sayısal Yüzey Modeli (SYM) (0.5 m raster genişliği) ŞEKİL Hiyerarşik robust yaklaşım ile elde edilmiş SAM 65

66 k.o.h (cm) σ (cm) Tüm noktalar Park, yoğun bitki örtüsü Park, az bitki örtüsü Park, açık alanlar Park eden arabalarla caddeler Arabalar olmadan cadde Tablo 3.3 Şekil 3.25 Şekil 3.24 de gösterilen SAM için farklı kullanımlardaki f fffffdoğruluklar İlk bakışta, standart sapmanın açık caddelerde ±1.0 cm olması ve tek tek lazer noktasının yükseklikteki doğruluğunun ±6 cm olması (bu doğruluklar TopoSys- lazer tarayıcısı ile elde edilen veriler kullanılarak bulunmuştur) merak uyandırıcıdır. Doğruluktaki bu artmalar kolaylıkla açıklanabilir: Çok az eğimli yüzeylerde en küçük kareler dengelemesi belirli bölgelerdeki lazer noktalarının ortalamasıdır. Kullanılan aritmetik ortalamanın doğruluğu: M = E (3.1-4) n σ E... Tek bir gözlemin standart sapması σ M... Aritmetik ortalamanın standart sapması n... Gözlem sayısı Caddenin 3mx3m bölgesinde Aralıklar 0,5 m.lik karşılık gelen 36 nokta ortalama değere katılır ise, doğrulukta ±6 cm den ±1 cm ye artış kaydedilir. Bazı çalışmalarda yüzey geometrisi ile renk bilgileri otomatik kayıt işlemini düzeltmek amacıyla beraberce kullanılırlar. Maas[13] uçağa takılı lazer tarama verilerini düz arazide lazer tarama şeritleri arasındaki yatay öteleme parametrelerinin elde edilmesinde yükseklik verilerine tamamlayıcı bilgiler olarak kullanmıştır. 66

67 3.4. Bina Modellerinin Elde Edilmesi Hava resimlerine dayalı fotogrametrik tekniklerin yanı sıra LIDAR algılayıcılarından gönderilen nokta bulutları yardımıyla üç boyutlu bina modelleri üretme işlemi son zamanlarda önem kazanmıştır. Bu gelişmenin başlangıcı, uçağa takılı lazer tarayıcıları ile sağlanan yoğun nokta bulutları ile veri elde edilmesine imkân veren algılayıcı teknolojilerindeki ilerlemelere dayanmaktadır. Nokta yoğunluğu birim alana bir nokta düşen LIDAR verisi kullanarak sadece binaları ve yaklaşık taslaklarını (model) saptamakla kalınmaz, ayrıca bu nokta bulutu ile düzlem çatı satıhlarını çıkarmak ve çatı yapılarını aynen yansıtan modelleri oluşturmak da mümkündür. Genel olarak Bina detaylarının çıkartılması iki adımda gerçekleştirilir. İlk önce, binalar LIDAR verilerinden elde edilen görüntülerde belirlenmelidir ve yaklaşık bina taslakları çıkarılmalıdır. Daha sonra, üzerinde çalışılacak olan bölgelerdeki binalar geometrik olarak yeniden düzenlenir. Bu biçimde binalara ait polihedral modeller üretilmiş olur. Geçmişe baktığımızda, LIDAR verileri ile bina detaylarını ortaya çıkarma konusunda pek çok deneme yapılmıştır. Bu denemelerin çoğunda LIDAR noktaları arazi, bina veya bitki örtüsü vb. gibi diğer cisimlere göre sınıflandırılmıştır. Sayısal yüzey modelinden (SYM) elde edilen sayısal arazi modelini (SAM) LIDAR verileri yardımıyla üretmede çoğunlukla morfolojik filtreler veya rank filtreler kullanılmıştır. Normalize edilmiş sayısal yüzey modeline yüksekliğe göre eşik değerleri uygulanarak ilk bina maskesi elde edilmiş olur. Günümüzde Lazer tarayıcı verilerinden bina modeli elde edilmesi yoğun olarak araştırılmaktadır. Burada iki farklı yöntemin sonuçları açıklanacaktır. 67

68 Birinci yöntem Sayısal Yüzey Modelinden Sayısal Arazi Modelinin farklarının oluşturulmasıdır. Fark modelinde binaların yanı sıra, bitki örtüsünü ve yüzey üzerinde bulunan diğer cisimler de bulunmaktadır. Özel filtre yöntemleri ile fark modelinden bina noktaları elde edilir. Bu nokta kümelerinden yatay düzlemsel bölgeler oluşturulur ve çatı tipleri tek tek düzlemler ile birleştirilir. Şekil 3.26 Viyana da ki bir bina bloğu için sonuç gösterilmektedir. Şekil da kullanılan Sayısal Arazi Modeli nin oluşturulması için aynı lazer tarama uçuşunda elde edilmiş lazer verileri kullanılmıştır. Bu yöntemin başlangıcında oluşturulacak fark modeli Şekil 3.24 daki verilerin, Şekil 3.23 daki verilerden çıkarılmasıdır. Çatı saçaklarını kaybetmemek için Sayısal Arazi Modelinde, lazer uzaklık ölçmeleri yöntemi ile gerçekleştirilen bina modellerinde ilk yansıma kullanılır ŞEKİL 3.26 Bina modeli, Lazer tarayıcıdan elde edilmiştir. [6] İkinci yöntem ise Viyana daki Schmid Mühendislik bürosu ile yapılan anlaşma üzerine rekabet merkezi " İleri Bilgisayar Teknikleri (Advanced Computer Vision)" isimli yetkili merkez tarafından geliştirilmiştir. Yukarıda açıklanan birinci yöntem ile belli oranda benzerlikler içermektedir. Yöntem sıklıkla iki boyutlu CBS veri tabanlarının da bulunan, binaların plan bilgilerine dayanmaktadır. 68

69 ŞEKİL 3.27 Bina modeli, iki boyutlu bina planı ve lazer verileri kullanılarak elde edilmiştir. 3.5 Laser Verilerinin Filtreleme Teknikleri LIDAR verisi düzensiz nokta kümeleridir. Burada bu düzensiz nokta kümelerini kullanılabilir biçime getirmek için uygulanacak filtreleme yöntemlerinin genel yapıları açıklanacaktır. Bilindiği üzere bazı filtreleme algoritmaları doğrudan ham veri üzerinden işlem yaparken, bazı algoritmalar ise ham veriyi grid biçimine dönüştürmeyi gerektirecek özelliklere sahip bir yapıdadırlar. Ham verileri filtreleyen algoritmalar komşuluk analizleri ile çalışmaktadırlar. Sınıflandırma işlemi yapılırken iki veya daha fazla nokta aynı anda sınıflandırılmaktadır. Noktadan Noktaya fonksiyonlarda noktalar aynı anda karşılaştırılırlar. Burada iki noktanın birbirlerine göre konumu esas alınmaktadır. Tanımlanan fonksiyon belirlenen eşik değerinden büyükse ilgili nokta, cisme aittir denilmektedir. Noktadan Noktalara fonksiyonlarda komşu noktalardan yararlanılır. Burada da aynı anda tek nokta sınıflandırılmaktadır. Noktalardan noktalara fonksiyonlarda ise birden fazla noktadan yararlanılır, bir veya daha fazla nokta sınıflandırılabilir. Algoritmaların çoğu süreksizliğin belirlenmesi üzerine tasarlanmıştır. Bu ölçmeler eğim, meydana getirilen üçgenlerin yüzeyine olan en kısa mesafe veya parametrik yüzeylere olan en kısa mesafe olarak tanımlanmaktadırlar. Her filtreleme algoritması bir yerel komşuluk içerisinde varsayımlarda bulunmaktadırlar. Eğim analizi uygulayan filtreler iki nokta arasındaki yükseklik farkı ve mesafeyi belirlemektedirler. Eğer eğim belirlenen eşik değerinden büyükse en yüksek noktanın cisme ait olduğu sonucu çıkarılmaktadır. Blok minimum algoritmalarında kesiksizlik fonksiyonu varsayılan bir tampon bölgenin yukarısında 69

70 kalan bir yatay düzlem olarak ifade edilmektedir. Bu düzlem tampon bölgeyi ifade eder ve yer yüzeyine ait noktaların olduğu düşünülen üç boyutlu uzayı ifade etmektedir. Yüzey tabanlı algoritmalarda ise yatay düzlem yerine, noktalar tarafında oluşturulan yüzey ile tampon bölge belirlenmektedir. Bir sonraki adım ise kümeleme, segmentasyon işlemidir. Bu işlemle cisim kümeleri belirlenmektedir. Kümeleme işlemi için de çeşitli algoritmalar geliştirilmiştir. Bazı algoritmalarda noktalar tek adımda sınıflandırılır ve diğerleri içinse iteratif olarak işleme devam edilirken bazı algoritmalarda birden çok adımda sınıflandırma işlemi gerçekleştirilir. Tek adımda gerçekleştirilen algoritmanın avantajı hesap zamanındaki hızdır. Hesap zamanı sonucu iterasyonunda hassasiyeti de etkilemektedir, her iterasyonda komşu noktalar arasında daha fazla bilgi elde edildiği için daha güvenilir sınıflandırma sonuçları elde edilebilmektedir.(17) Ayırma işleminde fıltre işleminden geçirilen nokta ait olduğu kümeden çıkarılır. Ayırma işlemi tipik olarak düzensiz nokta kümeleri üzerinde işlem yapan algoritmalarda uygulanır. Yerleştirme işleminde ise filtrelenen nokta, nokta kümesine enterpole edilmiş yükseklik değeri ile tekrar kümeye geri dönmektedir. Yerleştirme işlemi ise genel olarak grid biçimine dönüştürülmüş nokta kümelerinde için uygundur. Ancak, bazı laser tarayıcılar geri dönen sinyalleri çoklu olarak kaydetmektedirler. Bu özellik, bitki örtüsünün tespit edilebilmesi için bir avantaj sağlamaktadır 3.6. Lazer Tarama Yöntemleri ile Diğer Üç boyutlu Veri Elde Etme Yöntemlerinin Karşılaştırılması Uçağa takılı Laser Tarama araziye ait bilgileri elde etmek için geliştirilmiş çok yönlü otomatik bir yöntemdir. Bu yöntem ile veri işleme ve cisim modelleme ile yüzeyin geometrik tanımına ilişkin bilgiler elde edilir. Lazer arama artık günümüzde hava fotogrametrisine rakip olmaktadır ve fotogrametri ile özellikle dijital görüntülerden sayısal arazi Modellerinin üretilmesi konusunda karşılaştırılabilir. Otomasyona yönelik her iki yöntemde sonuçlar geometriktir ve yüksek prezisyonlu Sayısal Arazi Modellerinde benzer doğruluk derecelerine ulaşırlar. Her iki yöntemde de geniş araziler kolayca taranabilir, ancak fotogrametri de birim alan için uçuş süresi daha azdır. Diğer taraftan her iki yöntem arasında önemli farklar vardır. Laser tarama aktiv bir sistemdir ve gece bile uygulanabilir. Arazi yüzeyi ve yüzeyi örten yapının geometrik özelliklerinden etkilenen sistem tasarımı ile belirli 70

71 bir düzen içinde arazi noktalarını belirler. Otomatik veya interaktiv olarak ölçülen fotogrametrik noktalar önceden belirlenmiş rijit bir örnek ile düzenlenirler. Ancak bunlar ekseriya görüntü özellik ve yapısına göre keyfi olarak seçilebilirler. Arazinin bitki örtüsü ile kaplı olması durumunda bu noktalar bu örtünün altında kalırlar, lazer Tarama noktaları ise bitki örtüsünün altında veya içinde olabilir. Binalar söz konusu olunca her iki yönteminde ilaveli özellikleri vardır. Laser sistemi yüksek yoğunluklu nokta kümeleri ortaya çıkartır, ancak kırık noktaları, çatı ve benzeri özellikleri direkt olarak belirtmez. Diğer taraftan fotogrametri de görüntü hakkında bilgi vardır ve bu özellik de kırık noktaları, lineer ve üç boyutlu cisimlerin kolayca belirlenmesini sağlar. Fotogrametride binaların ve diğer insan eliyle yapılmış yapıların tanınması için gerekli tüm bilgiler bulunmaktadır. Ancak, yine de görüntülerden binaların otomatik ölçülmesinde hala büyük problemler vardır. Uçağa takılı lazer tarayıcıları ve (Stereo-) fotogrametrinin kullanım açısından karşılaştırması ve uçağa takılı lazer tarayıcılar için yararlı parametreler aşağıda verilmiştir: a) Lazer tarama, fotogrametriye göre sık ormanların ve binaların olduğu bölgelerde SAM elde edilmesinde üstündür. Fotogrametride her seferindeki ölçülecek olan arazi noktalarının iki farklı resim çekim noktasından görülmesi gerekirken, lazer taramada tek bir çekim noktasından elde edilebilir olması yeterlidir. b) Aktif algılayıcılar lazer taramayı (doğal) güneş ışığından bağımsız kılmaktadır. Lazer tarama uçuşları ilke olarak günün ve gecenin her saati yapılabilir. Ancak bulutlar, lazer taramada da kullanılan yakın kızıl ötesi ışını fotogrametrik uçuşlarda olduğu gibi engellemektedir. c) Lazer tarama yüzey üzerinde dokuya gerek duymamaktadır. Fotogrametrinin aksine, lazer tarama bitki bulunmayan kum yüzeylerde (kumul), düz kuru tarım arazilerinde, açık renkli beton yüzeylerde, gölgedeki orman zeminlerinde kullanılabilir. Fakat çok düz yüzeylerde (aynalama) ve yansımanın az olduğu yüzeylerde (temiz su) gönderilen ışının yansıması algılayıcıya geri dönmemektedir. d) Fotogrametrik olarak elde edilmiş Sayısal Arazi Modeli doğruluğu uçuş yüksekliği ve RÇM tipine bağlıdır. Lazer tarama verilerinden elde edilen Sayısal Arazi Modeli doğruluğu uçuş yüksekliğine bağlı olmaktan çok uzaktır. (Tablo 3,1) Lazer SAM doğruluğu nokta sıklığına bağlıdır. Lazer taramadaki nokta sıklığı uçuş yüksekliğine, uçuş hızına, tarayıcının açılım açısına ve tarayıcının ölçme hızından etkilenmektedir. Ampirik olarak ulaşılan doğruluk, yükseklikteki doğruluk için kullanılan aşağıdaki deneye dayalı genel formül yardımı ile verilebilir. 71

72 H [cm]= 6 n tan tanα... Arazi eğimi n... m 2 de ki nokta sıklığı e) Lazer tarama verilerinden elde edilen Sayısal Arazi Modeli nin jeomorfolojik kalitesi doğrulukta olduğu gibi nokta sıklığına bağlıdır. Dalgalı bir arazi taranacak ise, tarama teoreminden ( Şekil 3,3 5 esas alınarak) L min minimum dalga uzunluğu ile Δ nokta uzaklığı arasındaki aşağıdaki ifade elde edilebilir. (Lazer taramada doğrudan cisim "sayısallaştırılır"; noktalar arası uzaklık Δ için İngilizce de çok uygun tanım olarak Ground Sampling Distance, GSD, Yer Örnekleme Uzaklığı kullanılmaktadır): L min 3 Lazer tarama sonucu bir nokta kümesi elde edilir, burada yapıyı oluşturan elemanlar (örneğin arazinin kırık noktaları) öne çıkmaz. Fotogrametrik veri elde etmede, genellikle otomatik veri elde etmenin tamamlayıcısı, yapıyı oluşturan elemanlarının elde edilmesine büyük önem verilmektedir. Lazer nokta kümesinde yapıyı oluşturan elemanlarının elde edilmesi için, veri elde etmede çok büyük yoğunlukta noktaların oluşturulması gerekir. f) Fotogrametri ile karşılaştırıldığında lazer taramanın iki sakıncası bulunmaktadır. Bir taraftan çözünürlük daha düşüktür (Lazer taramanın çözünürlüğü mevcut durumda metre, yarım metre mertebesinde iken, fotogrametrinin çözünürlüğü desimetre ve bazen daha da altıdır ve diğer taraftan lazer tarama sadece uzaklık resmi sunarken, fotogrametri görünür bölgede çok spektrumlu bilgi ve yakın kızıl ötesinde ise elektromanyetik ışın bilgisi sunmaktadır. Ayrıca, hâlihazırda fotogrametri konum doğruluğunda daha iyi sonuç verirken, uçağa takılı lazer tarayıcılar yükseklikte daha iyi sonuç vermektedir. İki farklı Paradigma (uçağa takılı lazer tarama ve stereo fotogrametri paradigmaları ) açısından ele alındığı zaman (Paradigma kavramı ile bir uzmanlık alanının en önemli unsurunun temeline karşılık gelen düşünce ve hareket biçimi anlaşılmaktadır.) fotogrametri ve lazer taramanın ortak yanları sözkonusu edilebilir. 72

73 ŞEKİL 3.28 (Stereo-)Fotogrametri ve Lazer tarama ortak paradigması ŞEKİL 3.29 Uçağa takılı lazer tarayıcılar Paradigması (Stereo-) Fotogrametrinin temeli ile 3.28 de gösterilen grafiğe indirgenebilir; üç boyutlu uzaydaki söz konusu cismin en az iki resimden geometrik olarak yeniden oluşturulmasıdır. Bir resim ışın demeti olarak adlandırılan doğrultu demetini tanımlar. Eğer en az iki doğrultu ile belirlenmiş ise, bir cisim noktası üç boyutlu uzayda yeniden oluşturulabilir. Doğrultular, yani ışınlar güneşin doğal ışığı ile elde edilir - pasif algılayıcılar tarafından kaydedilir. Resimlerin film veya elektronik kayıt yolu ile gerçekleştirilmiş olması, Elektronik resim sinyalinin iki boyutlu detektör alanında yada üç satırlı kameranın tek boyutlu detektör satırında kayıt edilmesi, 73

74 Geniş bir şekilde yayılmış cisimlere ait, üçüncü veya daha fazla sayıda resminin olması, Ölçme RÇM (kalibre edilmiş) veya amatör kamera (kalibre edilmemiş) kullanılması, Resim çekime merkezlerinin konumunun ve resimlerin durumunu kontrol veya bağlantı elemanları veya GPS/IMU kayıtlarında elde edilmesinin, olup olmaması fark etmemektedir. Lazer tarama için hangi paradigmanın kullanılacağı cevap verilmesi gerekli sorudur. (Stereo-) Fotogrametride olduğu gibi, lazer tarama da cismin üç boyutlu uzayda geometrik olarak yeniden oluşturulması esas olup, her şeyden önce en az iki resim değil en az bir resim gereklidir. Lazer taramada ise araziye farklı açılardan ve uzaklıklardan değen ışın demetleri yerine, doğrultu ve uzaklıklardan oluşan bir alan, yani bir vektör alanı söz konusudur. Pasif algılayıcılar yerine aktif algılayıcılar kullanılmaktadır. İki veya daha çok resmin uzaysal olarak birleştirilmesi artık yüzey elemanları ve noktalar ile mümkün değildir, GPS/IMU bilgileri burada önem kazanmaktadır.[14] Ortak paradigma ise aşağıdaki gibi açıklanabilir: Her fotogrametrik-piksel en az ilk ve son yansımadan oluşan bir uzaklıklar "Spektrumu"na karşılık gelmektedir. Her lazer tarama pikseli için algılayıcının doğal veya yapay ışın göndermesine bağlı olarak bir elektromanyetik ışın spektrumu bulunmaktadır. Genellikle her piksel için aynı bilgileri taşıyan bir başka piksel bulunmakta, fakat bu piksel diğer doğrultudan 1 elde edilmektedir. Ortak paradigmanın tek tek bileşkelerine getirilecek olası sınırlama uygulama için çok önemlidir. (Tek bir ışın ile cisim yeniden oluşturulması örneği gibi). Ortak paradigmanın gerçekleştirilmesi farklı yollardan olabilir. En basit çözümlerden başlayarak birkaç olasılık aşağıda sıralanmıştır: 74

75 Lazer verilerinden elde edilen SAM nden, bir digital ortofoto elde edilebilir. Lazer verilerinden elde edilen SAM, digital tek resim değerlendirmesinde kullanılabilir. Lazer tarayıcı aynı zamanda yansıyan lazer ışının yoğunluğunu kayıt etmektedir. Sonuç lazer taramanın kötü çözünürlüğünde siyah beyaz-kızılötesiresimdir. Uçağa lazer tarayıcı ile senkronizasyon olmasa da bir digital fotogrametrik kamera - ya CCD- Alan kamerası veya (Üç-) Satır kamerası- yerleştirilebilir. Lazer tarayıcı ve digital satır kamerası jiroskop ile stabilize edilmiş aynı platform üzerinde bulunmaktadır. Bunların montajında her iki algılayıcı arasındaki merkez dışlığının mümkün olduğu kadar küçük olması özellikle önemlidir. Fotogrametrik ve Laser Tarama ile veri elde etme yöntemleri birbirleri ile karşılaştırılınca yöntemlerin birinin zayıf tarafının diğerinin güçlü tarafı olduğu ortaya çıkar ( Tablo:3.4) 75

76 Tablo 3.4. Fotogrametri ve Laser Taramanın Karşılaştırılması FOTOGRAMETRİ AVANTAJLARI Resimler basit bir biçimde yorumlanabilir ve kabul edilmiş bir dokümantasyon araçlarıdır. Eş zamanlı veri elde edilir. Cisimden yansıyan ışık ölçülür. Işık kaynağı gereklidir. LASER TARAMA 1:1 ölçeğinde 3D geometri Hızlı ve otomatik veri elde etme Ölçme sonuçları çevredeki ışıktan bağımsızdır. Gece ve gündüz çalışılabilir. Kısmen veya otomatik değerlendirme olabilir. Fotogrametrik uygulamalardaki gibi kontrol noktalarına gereksinme yoktur. Haritalama amacıyla kullanılan pahalı donanımlara gerek yoktur. Ormanlık alanlarda değerlendirme olanağı vardır. Arazi çalışmalarında %10-20 arası daha az işletme masrafı Toplam maliyette %25-50 azalma Yüksek nokta yoğunluğu (1-5)m DEZAVANTAJLARI 3D geometri oluşturmak için aynı bölgeye ait en az iki resim gerekli İki safhalı işlem: 1. Resim Çekimi 2. Geometrinin belirlenmesi Renk, doku ve malzeme hakkında detay bilgi yok Nokta kümelerinin zor veya bazen imkânsız olan yorumlanması Yalnızca yükseklik noktaları elde edilir, araziye ait bilgiler yoktur. Değerlendirmede desteğe( örneğin ortofoto) gereksinme vardır. Yüksek güçlü bilgisayarlar gereklidir. Büro çalışmaları masraflıdır. Her iki veri elde etme yöntemi karşılaştırıldığı zaman, bu yöntemlerin birbirlerini çok iyi bir biçimde tamamladıkları ve birbirleri ile integre oldukları zaman çok etkili ve çok yönlü bir veri elde etme yöntemi oluşturacakları görülebilir. Laser tarayıcılarla elde edilen her nokta kümesinde çok sayıda rastgele hata bulunmaktadır. 76

77 Bu hatalar ışın yapısı ile ilgili ölçme sistemine etki eden hatalardır. Yapılan ölçmeler bir yerel koordinat sistemine dönüştürülecek ise tanımlanan bu hatalara dışmerkezlik hataları denilir. Bu hatalara kullanılan kontrol noktalarının hataları eklenerek genel bir hata kavramı geliştirilebilir. [17] Lidar sisteminin doğruluğu hakkında pek çok görüş vardır. Sistemin doğruluğu hakkında yargıya varabilmek için sistemin üç birleşeninden (Laser tarayıcı, GPS ve IMU) kaynaklanan hatalar göz önünde bulundurulmalıdır. Lazer tarayıcılar ile elde edilen yükseklik doğruluğunun yaklaşık 10 cm olduğu hesaplanmıştır. Lazer altimetresi ile yatay doğruluğu ölçmek çok zordur, ama bu konudaki genel kanı uygun şartlarda hazırlanmış bir projede yatay doğruluğun düşey doğruluktan 1.5 daha kötü olduğudur. Bu, Lidar ölçümlerinin tipik sonucu olarak düşünülebilir. Bu varsayım iyi kalibre edilebilmiş ve fonksiyonel doğruluk sistemlerde ve yüzey arazi şartları için idealdir. Bu teorem her zaman doğru olmayabilir. Genellikle yatay doğruluğun uçuş yüksekliğinin 1:2000 katı olması istenir. Bugün kü teknik koşullar çerçevesinde Algılayıcı yüksekliği 1200 m den az olduğunda 15 cm den daha iyi bir düşey doğruluk ve m arasında olduğunda 25 m ye kadar düşey doğruluk iyi bir sonuç olarak kabul edilebilir. Lidar doğruluğu ile ilgili ek bir kaç kural aşağıdaki şekilde sıralanabilir Düşük süratteki uçaklar için ayırma aralığı hızlı uçaklara göre daha düşüktür.. Sayısal Arazi modelinin daha iyi olabilmesi için ayırma aralığının sık olması gerekir. Doğruluğun en yüksek olduğu yer nadirde ve salınım açısının yükselmesinin azalmaya başladığı yerlerdir. Dar şeritler ayırma problemine neden olur. SAM verilerinde temel olarak hatanın iki kaynağı vardır: Bunlar interpolasyon ve arazide olmayan noktaların sayısal arazi modeline etkileridir. İnterpolasyon hatasına yönelik olarak iki ana hata kaynağın söz edilir. Bunlar, boşlukların tanımlanması ve bitki örtüsündeki noktaların kaldırılmasıdır. LIDAR sistemleri aşağıda sıralanan birçok konumsal uygulamalarda başarı ile kullanılmaktadır Deniz kıyısı ve kumsal hacim değişimleri Su taşkını analizleri Su akma doğrultusu Doğal ortam haritalama 77

78 Yenileme çalışmaları Orman yönetimi Acil durum amaclı uygulamalar Ulaşım amaclı haritalar 4. GELECEKTEKİ EĞİLİMLER Digital teknolojinin gelecekteki eğilimleri, yeni teknolojiler ve gelişmeler ile günümüzde kullanılan uçağa takılı digital resim çekme makinelerinde bulunan CCD algılayıcılarının büyüklüğü ile ilgili sınırlamaları aşmaktır. Bu sınırlamaları ortadan kaldırmak için büyük formatlı digital görüntüler elde etmek amacıyla çoklu kamera sistemleri kullanılmaya başlanmıştır. Buna rağmen ortaya çıkan görüntüler hala mega piksel arasındadır. [15] Büyük formatlı görüntüler elde etmek için, amatör ve profesyonel fotografçılığın özel alanı içinde 4 ana yaklaşım bulunmaktadır. 1- Büyük formatlı resim çekme makinelerı kullanılarak elde edilen büyük formatlı negatif görüntüler, çok yüksek çözünürlüklü fotogametrik film tarayıcılarda taranır ve istenen büyük formatlı gigapikselli digital görüntüler oluşturulur. 2- Bu yaklaşımda, küçük formatlı digital alan resim çekme makineleri kullanılır. Bu kameralar CCD alan dizileri ile donatılmış olup resmi çekilecek bölgenin çok sayıda birbirini örten görüntüsünü sistematik ve kontrollü bir biçimde elde ederler. Bu görüntüler daha sonra görüntü işleme teknikleri kullanılarak istenen alanın mozaik biçiminde bir tek gigapiksel boyutunda panaromik görüntüsünü oluştururlar. 3- Üçüncü bir yaklaşım ise, odak düzlemi boyunca istenen alanı doğrudan sistematik bir biçimde tarayan CCD lineer dizi tarayıcıları kullanan özel olarak yapılmış veya değiştirilmiş alan bazlı resim çekme makineleri ile elde edilen görüntülerin kullanılmasıdır. Bu tekniğin uygulanmasıyla gigapiksel büyüklüğündeki görüntüler elde edilmektedir. 4- Bu yaklaşımda, yeni geliştirilmiş dönel satır tarayıcıları kullanılarak digital panaromik alan bazlı görüntülerin elde edilmesi amaçlanmaktadır. Lineer 78

79 dizileri esas alan bu teknikte gigapiksel büyüklüğünde görüntüler elde edilmektedir. İleri dönük olarak yapılan araştırmalar, büyük formatlı gigapikselli görüntüleri elde edecek resim çekme makinelerinin yapımı üzerine yoğunlaşmaktadır. [5] 30 cm lik objektifler kullanılarak 23x46 cm boyutunda veya 21 cm lik objektifle 23x34.5 cm boyutunda resimler film resim çekme makineleri ile elde edilebilmektedir. Yüksek çözünürlüklü pankromatik film kullanılarak mm de çizgi çifti değerinde çözünürlükler elde edilmiştir. Bu resim çekme makineleri 20 km yükseklikte U2 veya RB57 casus uçaklarında başarıyla kullanılmıştır. Ayrıca uzay mekiğinde kullanılan büyük formatlı resim çekme makinelerindan elde edilen görüntüler EROS Data Center dan elde edilebilmektedir. Bunların 7µm taranması ile gigapiksel büyüklüğünde görüntüler elde edilebilmektedir. Şekil 4.1: Giga pixel Resim Çekme Makineleri NASA nın yaptığı çalışmaların yanı sıra, birçok amatör ve profesyonel fotoğraf kurum ve kuruluşları gigapiksel boyutunda alan bazlı görüntüleri elde etmek için farklı yaklaşımlarla çalışmalar yapmaktadırlar. Şüphesiz bu konudaki eğilim, istenilen bölgenin doğrudan digital resim çekme makinesi ile görüntülerinin elde edilebilmesidir. Ancak bugünkü koşullarda digital alan bazlı resim çekme makinelerinin ana sakıncası mevcut CCD alan dizilerinin büyüklüğünün yeterli olmamasıdır. Son elde edilecek görüntü için Çok sayıda resim çekme Makinesinden elde edilen görüntüler bir araya 79

80 getirilerek son görüntü oluşturulmaktadır. Bu görüntü megapiksel büyüklüğündedir. Sürekli olarak geliştirilen Laser tarama teknolojisinin kullanımı hızla artmakta ve birçok disiplinde, özellikle karışık yapıdaki yüzey belirleme çalışmalarında, başarı ile kullanılmaktadır. Lazer tarayıcılar ile elde edilen nokta kümelerinin bir araya getirilmesinde de yeni algoritmalar ve yöntemler ön plana çıkmaktadır. 80

81 KAYNAKLAR 1. Cramer. M., The ADS40 Vaihingen/Enz Geometric Performance Test, Photogrammetry and Remote Sensing V. 60, Eylül A.Yıldırım, Doktora Tezi, İTÜ, Jeodezi ve Fotogrametri Müh. Programı, Fotogrametri Cilt I Karl Kraus (Çevirenler, O.Altan ve diğerleri ) İTÜ Yayınları, Nobel Yayınevi, Manual of Photogrammetry, 5. Baskı, American Society for Photogrammetry and Remote Sensing, R, Alamus, W. Kornus, J. Talaya, Studies on DMC Geometry, Photogrammetry and Remote Sensing V. 60, Eylül E. Honkavaara et. all, Geometric Test Field Calibration of Digital Photogrammetric Sensors, Photogrammetry and Remote Sensing V. 60, Eylül Thomas Luhmann, Nachbereichsphotogrammetrie, Wichman Verlag, LEICA: leica-geosystems.com 9. RİEGL : OPTECH: Airborne Laser Scanning New Systems and Services Shown at INTERGEO 2006, Geoinformatics V.9, Aralık Kager, H., Kraus, K.: Optical 3-D Measurement Techniques V (Eds.: Grün/Kahmen), pp , Wichmann Verlag, Maas,H., 2002 Methods for measuring height and planimetry discrepancies in airborne laser scanner data, Photogrammetric Engineering and Remote Sensing 68(9), Kraus, K.: Laserscanning - ein Paradigma-Wechsel in der Photogrammetrie. VPK 10/2002: Gigapixel Frame Images, Part I,II, Geoinformatics V.9, Mart P.Wolf, B.Dewitt, Elements of Photogrammetry, 3.Baskı, Mc Graw Hill, 81

82 17. Arefi, H., Hahn, M., Lindenberger, J., LIDAR data classification with remote sensing tools. Joint ISPRS Commission IV Workshop "Challenges in Geospatial Analysis, Integration and Visualization II", Stuttgart, September 8-9. SONUÇ RAPORU Bilim ve teknolojideki gelişmelere paralel olarak ölçme tekniklerindeki gelişmelerde artan bir biçimde mühendislik uygulamalarında birçok yeniliğin ve kolaylığın ortaya çıkmasını sağlamaktadır. Bunun sonucu olarak ekonomik kazanç ve kısalan çalışma süresi daha büyük, daha prezisyonlu çalışmaları da beraberinde getirmektedir. Fotogrametri ve Uzaktan algılamanın en önemli ürünü olan digital görüntüler bugün artık her türlü çalışmanın en önemli altyapısı olarak karşımıza çıkmaktadır. Elde edilen görüntülerin maliyeti ve kalitesi gerçekleştirilecek projelerin kapsamını genişletmektedir. Metrik özelliklere sahip bu görüntülerin kullanımı ile günlük hayatımızda birçok işlem kolaylaşmış ve tüm dünya bilgisayarlarımızın ekranlarından evimize girmiştir. Taşıt araçlarında kullanılan ve sürücülere büyük bir hareket kabiliyeti sağlayan navigasyon sistemleri artık tüm araçlarda Standard hale gelmektedir. Tüm bunlar digital görüntülerin ve haritaların bize sağladığı olanaklardır. Bir mesleğin önemi insan hayatında ne oranda rol aldığı ile doğru orantılıdır. Tüm bu görüntü elde etme ve değerlendirme işlemlerini bünyesinde barındıran GEOMATİK mühendisliği de hızla önem kazanmakta ve popular meslek disiplinleri içinde yerini almaktadır. Digital hava resim çekme makinelerinin bu teknolojinin kullanılmasından önce yaygın bir biçimde kullanılan analog resim çekme makinelerine göre en önemli avantajları, tamamen digital bir veri akışı, önemli derecede iyileştirilmiş radyometrik görüntü kalitesi, pankromatik, renkli ve yakın kızılötesi görüntülerinin eş zamanlı olarak elde edilmesi olarak belirlenebilmesidir.. Fotogrametrik olarak elde edilen bu digital görüntüler bilgisayar ortamında uygun yazılımlar kullanılarak digital arazi modellerine veya cisimler söz konusu ise bu cisimlere ait digital yüzey modelleri elde etmekte kullanılmaktadırlar. Burada sunulan çalışma görüntü elde etme araçlarının en son geldiği noktayı tüm teknik detayları ile tanıtmayı amaçlamaktadır. Bu görüntü elde etme araçlarının en önemlisi digital hava resim çekme makineleridir. Bu resim çekme makineleri fiziksel yapı ve teknik özellikleri ile tanıtılmakta, bunlara ait uygulamada ortaya çıkan sorunlar ele alınmakta ve en önemlisi bu tür digital resim çekme makinelerinin çeşitli 82

83 üniversite ve kuruluşlara ait test alanlarında yapılan test uygulamaları sonuçları ile birlikte açıklanmaktadır. Kullanıcılar için çok önemli olan bu hususların belirlenmesinden sonra, bu digital RÇM lerinin doğru kullanımlarını sağlayacak, RÇM sini doğruluk ve prezisyon bakımından sürekli güncel tutacak kalibrasyon çalışmaları hakkında bilgi verilmiştir. Açıklanan teknik özellikler ve uygulama yöntemleri ülkemizde yeni yeni kullanılmaya başlayan digital resim çekme makineleri hakkında kullanıcılara geniş bir ufuk sağlamaktadır. LİDAR (Light Detection And Ranging) adı altında kullanılmakta olan. Lazer tarama yöntemleri uygulama alanına çok büyük bir yenilik getirmiştir. Lazer tarama ile her türlü karışık yapıda cismin veya arazinin üç boyutlu modelleri elde edilmektedir. Sunulan çalışmanın lazer tarayıcılar ile ilgili bölümlerinde yersel ve hava lazer tarayıcılar yine fiziksel ve teknik özellikleri ile tanıtılmakta ve uygulama yöntemleri ve tek tek tarayıcılardan elde edilen nokta kümelerinin birbirleri ile bağlanması açıklanmakta, çeşitli modelleme stratejileri ele alınmaktadır. Ayrıca digital görüntüler ile lazer nokta kümelerinin ortak kullanımı hakkında bilgi verilmektedir. Bilindiği üzere, Dijital fotografik verilerden cisme ait dokular alınarak, lazer tarama ile elde edilmiş cismin geometrisinin üst yüzeyine bu dokular georeferans noktaları olarak adlandırılan noktalar yardımıyla taşınmaktadır. Bu biçimde elde edilmiş üç boyutlu modeller arazinin veya cismin gerçek üçboyutlu yapısı hakkında bilgi kaynakları olmaktadır. Lazer tarama tekniklerinin diğer üç boyutlu veri elde etme yöntemleri ile karşılaştırılması ile lazer taramanın doğruluğu hakkında kullanıcılara bilgi verilmektedir. Bu kapsamda her iki yöntemin birbirlerine göre üstünlük veya zayıf tarafları detayları ile ele alınmaktadır. Böylece kullanıcılara yöntem seçiminde bir yol gösterilmektedir. Bu çalışma görüntü elde etme ve üç boyutlu modellemede kullanılan en son teknolojileri tüm ayrıntıları ile ülkemizdeki kullanıcılara ve bu konu ile ilgililere sunmaktadır. 83

84 SONUÇ RAPORU Bilim ve teknolojideki gelişmelere paralel olarak ölçme tekniklerindeki gelişmelerde artan bir biçimde mühendislik uygulamalarında birçok yeniliğin ve kolaylığın ortaya çıkmasını sağlamaktadır. Bunun sonucu olarak ekonomik kazanç ve kısalan çalışma süresi daha büyük, daha prezisyonlu çalışmaları da beraberinde getirmektedir. Fotogrametri ve Uzaktan algılamanın en önemli ürünü olan digital görüntüler bugün artık her türlü çalışmanın en önemli altyapısı olarak karşımıza çıkmaktadır. Elde edilen görüntülerin maliyeti ve kalitesi gerçekleştirilecek projelerin kapsamını genişletmektedir. Metrik özelliklere sahip bu görüntülerin kullanımı ile günlük hayatımızda birçok işlem kolaylaşmış ve tüm dünya bilgisayarlarımızın ekranlarından evimize girmiştir. Taşıt araçlarında kullanılan ve sürücülere büyük bir hareket kabiliyeti sağlayan navigasyon sistemleri artık tüm araçlarda Standard hale gelmektedir. Tüm bunlar digital görüntülerin ve haritaların bize sağladığı olanaklardır. Bir mesleğin önemi insan hayatında ne oranda rol aldığı ile doğru orantılıdır. Tüm bu görüntü elde etme ve değerlendirme işlemlerini bünyesinde barındıran GEOMATİK mühendisliği de hızla önem kazanmakta ve popular meslek disiplinleri içinde yerini almaktadır. Digital hava resim çekme makinelerinin bu teknolojinin kullanılmasından önce yaygın bir biçimde kullanılan analog resim çekme makinelerine göre en önemli avantajları, tamamen digital bir veri akışı, önemli derecede iyileştirilmiş radyometrik görüntü kalitesi, pankromatik, renkli ve yakın kızılötesi görüntülerinin eş zamanlı olarak elde edilmesi olarak belirlenebilmesidir.. Fotogrametrik olarak elde edilen bu digital görüntüler bilgisayar ortamında uygun yazılımlar kullanılarak digital arazi modellerine veya cisimler söz konusu ise bu cisimlere ait digital yüzey modelleri elde etmekte kullanılmaktadırlar. Burada sunulan çalışma görüntü elde etme araçlarının en son geldiği noktayı tüm teknik detayları ile tanıtmayı amaçlamaktadır. Bu görüntü elde etme araçlarının en önemlisi digital hava resim çekme makineleridir. Bu resim çekme makineleri fiziksel yapı ve teknik özellikleri ile tanıtılmakta, bunlara ait uygulamada ortaya çıkan sorunlar ele alınmakta ve en önemlisi bu tür digital resim çekme makinelerinin çeşitli üniversite ve kuruluşlara ait test alanlarında yapılan test uygulamaları sonuçları ile birlikte açıklanmaktadır. Kullanıcılar için çok önemli olan bu hususların belirlenmesinden sonra, bu digital RÇM lerinin doğru kullanımlarını sağlayacak, 84

85 RÇM sini doğruluk ve prezisyon bakımından sürekli güncel tutacak kalibrasyon çalışmaları hakkında bilgi verilmiştir. Açıklanan teknik özellikler ve uygulama yöntemleri ülkemizde yeni yeni kullanılmaya başlayan digital resim çekme makineleri hakkında kullanıcılara geniş bir ufuk sağlamaktadır. LİDAR (Light Detection And Ranging) adı altında kullanılmakta olan. Lazer tarama yöntemleri uygulama alanına çok büyük bir yenilik getirmiştir. Lazer tarama ile her türlü karışık yapıda cismin veya arazinin üç boyutlu modelleri elde edilmektedir. Sunulan çalışmanın lazer tarayıcılar ile ilgili bölümlerinde yersel ve hava lazer tarayıcılar yine fiziksel ve teknik özellikleri ile tanıtılmakta ve uygulama yöntemleri ve tek tek tarayıcılardan elde edilen nokta kümelerinin birbirleri ile bağlanması açıklanmakta, çeşitli modelleme stratejileri ele alınmaktadır. Ayrıca digital görüntüler ile lazer nokta kümelerinin ortak kullanımı hakkında bilgi verilmektedir. Bilindiği üzere, Dijital fotografik verilerden cisme ait dokular alınarak, lazer tarama ile elde edilmiş cismin geometrisinin üst yüzeyine bu dokular georeferans noktaları olarak adlandırılan noktalar yardımıyla taşınmaktadır. Bu biçimde elde edilmiş üç boyutlu modeller arazinin veya cismin gerçek üçboyutlu yapısı hakkında bilgi kaynakları olmaktadır. Lazer tarama tekniklerinin diğer üç boyutlu veri elde etme yöntemleri ile karşılaştırılması ile lazer taramanın doğruluğu hakkında kullanıcılara bilgi verilmektedir. Bu kapsamda her iki yöntemin birbirlerine göre üstünlük veya zayıf tarafları detayları ile ele alınmaktadır. Böylece kullanıcılara yöntem seçiminde bir yol gösterilmektedir. Bu çalışma görüntü elde etme ve üç boyutlu modellemede kullanılan en son teknolojileri tüm ayrıntıları ile ülkemizdeki kullanıcılara ve bu konu ile ilgililere sunmaktadır. 85