Hareketli Yersel Fotogrametrik Ölçme Sisteminin Kalibrasyonu HAREKETLİ YERSEL FOTOGRAMETRİK ÖLÇME SİSTEMİNİN KALİBRASYONU Ġ. ASRĠ 1, Ö. ÇORUMLUOĞLU 2, Ġ. KALAYCI 3 1 Gümüşhane Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Harita Mühendisliği Bölümü, Fotogrametri Anabilim Dalı, Gümüşhane, iasri@gumushane.edu.tr 2 Gümüşhane Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Harita Mühendisliği Bölümü, Uzaktan Algılama Anabilim Dalı, Gümüşhane, ocorumlu@hotmail.com 3 Gümüşhane Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Harita Mühendisliği Bölümü, Ölçme Tekniği Anabilim Dalı, Gümüşhane, ikalayci@gumushane.edu.tr Özet GeliĢen algılayıcı sistemler ve hızla artan konumsal bilgi ihtiyacı karģısında harita yapım sistemlerinin de vizyonu sürekli değiģmektedir. Buna paralel olarak günümüz harita üretim sektörü için hareketli platformlar üzerinde birkaç farklı algılayıcının bir araya geldiği doğrudan konum bilgisini üreten sistemler geliģtirilmektedir. Bu sistemlerin önde gelenleri genelde GPS, Kamera, INS/IMU, Lazer, vb. gibi algılayıcıların farklı kombinasyonlarından oluģmaktadır. Sistem tasarlanırken bu farklı algılayıcıların birlikte kullanılmasında çözülmesi gerekli problemlerden biri de algılayıcı sistemlerin bir birlerine göre ofsetlerinin belirlenerek ölçme sistemlerinin kalibrasyonun yapılmasıdır. Bu çalıģmada, yukarıda anılan pahalı sistemlere karģın oldukça ucuz olasının yanında uzaktanlığını (detay temassızlığını) koruyan bir ölçme sitemi olarak tasarlanan hareketli bir yersel fotogrametrik doğrudan konumlandırma sistemi için GPS alıcıları ve fotoğraf kameraları arasındaki ofsetlerin belirlenmesi amacıyla oluģturulan test alanında bir kalibrasyon çalıģması yapılmıģtır. Öncelikle test alanındaki kontrol noktalarına GPS ile koordinat verilmiģ, sonrasında bu noktalar sistem üzerindeki kameralar ile fotoğraflanarak fotogrametrik bir değerlendirme yapılmıģtır. Buradan elde edilen kamera konumları ve dönükleri ile sistem üzerindeki GPS alıcılarından elde edilen platform konumu ve dönükleri arasındaki ofset belirlenerek hareketli yersel fotogrametrik doğrudan konumlandırma sisteminin kalibrasyonu yapılmıģtır. Anahtar Kelimler: Yersel Fotogrametri, Konumlandırma, Kalibrasyon GPS, Fotoğraf Kamerası, Algılayıcı, Doğrudan CALIBRATION OF MOBILE TERRESTRIAL PHOTOGRAMMETRIC SURVEYING SYSTEM Abstract Impacts of advanced technology and rapidly increasing needs of today s societies to information change the vision of mapping technologies. We now see some integrated systems which combine several surveying receivers and sensors on a moving platform and provide spatial coordinates directly. Those are GPS, camera, INS/IMU, laser and etc. One of the problems that have to be solved is determining offset values between each sensor while designing whole system and calibrating integrated system all together. The developed mobile photogrammetric surveying system which is capable of producing detail coordinates directly keeps its remotely design specification without a requirement such as touching details beside being inexpensive contrary to the other mobile systems. This study
introduces calibration process required for the integration of GPS receiver and stereo cameras and it includes determination of offset values between sensors on a test area. During calibration process, first control points in test area were coordinated by a GPS and then the test area was photographed by the cameras for a photogrammetric process. The system offsets between platform rotations and positions determined by onboard GPS antennas in GPS coordinate system and obtained camera rotations and positions from this photogrammetric evaluation process again in GPS coordinate system were described. Keywords: Terrestrial Photogrammetry, Calibration GPS, Photo Camera, Sensor, Direct Goereferencing, 1. Giriş Teknolojik geliģmeler harita veya konum bilgisi üretim iģlerine her geçen gün farklı bir nitelik kazandırmaktadır. Özellikle son zamanlarda Coğrafi Bilgi Sistemleri(CBS) nin hızlı, az maliyetli ve nitelikli konum ve öznitelik bilgi ihtiyacını karģılamak için çok değiģik veri toplama sistemleri geliģtirilmeye baģlanmıģtır. Algılayıcı sistemlerdeki ve uydu bazlı sistemlerdeki göz kamaģtırıcı geliģmeler farklı ölçme ve görüntüleme sistemlerinin bir arada kullanılmasını durumunu ortaya çıkarmıģtır. Bu çoklu sistemler hava fotogrametrisindeki hareketli ölçme sistemini yersel fotogrametride de uygulama imkanını ortaya çıkarmıģtır. Yersel fotogrametrik sistemlere hava fotogrametrisinden daha ziyade hedef objelere yakın olması nedeniyle çok farklı algılama sistemleri entegre edilebilmektedir. Bu entegre çoklu algılayıcılı sistemlerin birlikte kullanılmasındaki en önemli problemlerden biriside farklı algılayıcıların bir birlerine göre konumlarının tespit edilip ofsetlerinin belirlenmesi ve doğal olarak da ölçme sisteminin kalibrasyonunun yapılması problemidir. Bu çalıģma GPS ve fotoğraf kameralarından oluģan Hareketli Yersel Fotogrametrik Ölçme Sistemi(HYFÖS) nin fotogrametrik ölçme için gerekli kamera dönüklükleri ve çekim merkezinin koordinatları tespit edilerek kalibrasyonun yapılmasını içermektedir. Sistemin en belirgin özelliği düģük maliyetli doğrudan konumlandırmadır. 2. Çoklu Algılayıcılı Sistemlerinin Kalibrasyonu Fotogrameterik ölçmenin temeli resim koordinatları ile obje koordinatları arasındaki matematiksel dönüģüme dayanır. Buradan hareketle çoklu algılayıcı sistemlerin kalibrasyonu da bu algılayıcılar arasında matematiksel bir bağıntı kurmaya dayanır. Her algılayıcı kendi içinde bir koordinat sistemi barındırmaktadır. ġekil 1 de görüldüğü gibi GPS, IMU, Kamera, Lazer Tarayıcı vb. sistemlerin bir platform üzerinde birleģtirilmesi durumu aslında her bir algılayıcının kendi içerisindeki koordinat sistemine göre elde edilen verinin ortak bir koordinat sistemine indirgenmesi temel manada ölçme sisteminin kalibrasyonunu oluģturmaktadır.
ġekil 1. Farklı algılayıcılardan oluģan ölçme sistemindeki koordinat sistemleri (Piras ve ark., 2008). 3. Uygulama Bütün hareketli ölçme sistemlerini iki temel algılayıcı gurubu ile izah edebiliriz. Bunlardan ilki konumlandırma (GPS, IMU, tekerlek hareketi sayaçları vb.) algılayıcıları diğeri ise harita yapım algılayıcılarıdır (Kameralar, Lazer Tarayıcılar, vb.). Konumlandırma algılayıcıları algılayıcıların bulunduğu platformun konumunu ve dönüklüğünü tespit etmek için, harita yapım algılayıcıları ise obje konum ve öznitelik bilgilerini elde etmek için kullanılır (Ellum 2001), Harita yapım algılayıcılarının elde ettiği konum ve öznitelik bilgileri algılayıcının kendi koordinat siteminde elde edilir. Daha sonra konumlandırma algılayıcıları ile harita yapım algılayıcıları arasındaki kalibrasyon değerleri kullanılarak istenilen referans koordinat sistemine dönüģtürülür. OluĢturulması düģünülen HYFÖS GPS destekli fotogrametrik ölçme temeline dayanmaktadır. 3 GPS anteni ile platformun dönüklüğü ve konumunun belirlenmesi, sonrasında ise aynı platformdaki iki fotoğraf kamerası ile elde edilen görüntülerden fotogrametrik değerlendirme ile çekim merkezleri ve dönüklüklerinin hesaplanarak sistem kalibrasyonunun yapılması Ģeklinde özetlenebilir. 3.1. Platformun Oluşturulması Sistem 3 GPS anteni ve 2 fotoğraf kamerasının aynı anda bir platform üzerinde konumlandırılması ve hareketli olmasından dolayı GPS alım konumu ile fotoğraf alım konumunun aynı olması esasına dayanır. Mevcut durumda tek GPS alıcısı ve tek fotoğraf kamerası olmasından dolayı sistemin
çalıģılabilirliğini ortaya koymak için bu duruma ve farklı kombinasyonları denemeye uygun bir platform oluģturdu (ġekil 2). 0.75 m 1.25 m 2.00 m ġekil 2. HYFÖS platformu 3.2. Sistem kalibrasyonu Kalibrasyon için 15 detay noktasından oluģan bir test alanı oluģturuldu. Detay noktalarına RTK yöntemi kullanılarak GPS ile koordinat verildi (ġekil 3). Sonraki aģamada 4 istasyonla 1.5 m lik eģkenar üçgen yapısındaki platformun 3 köģesine GPS ile sırası ile koordinat verildi. Her istasyonda 6 noktada fotoğraf alımı yapıldı (1-6: 2m bazı, 2-5:1.25m bazı, 3-4: 0.75m bazı) (ġekil 4). Bu farklı bazlardaki fotoğraf çekiminin sebebi baz uzunluklarının nokta konum doğruluğuna etkisinin araģtırılmasıdır.
ġekil 3. Test alanı ve detay noktalarının GPS ile ölçümü. ġekil 4. Platformun köģelerine GPS ile koordinat verilmesi ve farklı konumlardan fotoğraf çekimi
ġekil 5. Test alanındaki detay noktalarının ve alım istasyonlarının dağılımı GPS ile platformun köģelerine verilen koordinatlardan kamera çekim merkezlerinin ve dönüklüklerin hesabı bizim çalıģmamızın temel problemlerindendir. Ne kamera çekim merkezleri ne dönüklükleri doğrudan ölçülebilmektedir. Ancak değiģik yöntem ve aletlerle hesabı mümkündür. Bunun için PhotoModeler fotogrametrik yazılımında detay noktalarını kontrol noktaları olarak kullanıp her istasyon için klasik fotogrametrik değerlendirme yaparak kamera çekim merkezleri ve dönüklükleri 4 istasyonda 6 kamera konumu için hesaplandı (ġekil 6). ġekil 6. PhotoModeler yazılımı ile değerlendirilmesi yapılan fotoğraflar
1 nolu alım istasyonun pozisyonu koordinat sistemine en yakın olduğu için o sabit istasyon olarak alındı. Baz uzunlukları korunarak sıfıra indirgendi. OluĢan durum sistemin platform koordinat sistemi olarak kabul edildi. 3 boyutlu benzerlik dönüģümü kullanılarak bütün istasyon değerleri platform koordinat sistemine dönüģtürüldü. Platform koordinat sistemindeki kamera çekim merkezi ve dönüklüklerin değerlerinin ortalaması alınarak kamera çekim merkezi ve dönüklük değerlerinin platform koordinat sistemindeki değerleri elde edildi. Bu değerler sıfır konumundaki GPS ve kameralar arasındaki kalibrasyon değerleridir. Alım esnasındaki her hangi yeni bir istasyonda bu sıfır konumu değerleri eski sistem, yeni istasyondaki GPS değerleri yeni sistem olarak kabul edilip 3 boyutlu benzerlik dönüģümü yapıldığında yeni sistemdeki kamera çekim merkezleri ve dönüklükleri elde edilmiģtir. Aynı test noktasında ölçülen ve hesaplanan detay noktası koordinatları karģılaģtırıldığında sistemin temel olarak çalıģmıģ ancak tespit edilen bazı hata kaynakları nedeniyle istenen düzeyde bir sonuç elde edilememiģtir. ÇalıĢma devam etmekte olup hata kaynakları giderildiğinde istenen düzeyde bir sonuç elde edilmesi mümkün olacaktır. 4. Sonuç ve Öneriler HYFÖS nin kalibrasyonu yapılmıģ önceki bölümde de bahsedildiği üzere sistemin çalıģabilirliği ispat edilse de tespit edilen bazı hata kaynakları nedeniyle sistemden beklenen sonuçlar elde edilememiģtir. Hata kaynakları özetlenecek olursa: Öncelikle sistem ilk düģünüldüğünde hiç elle müdahale olmadan bilgisayar kontrollü olarak planlanmıģtır. Ancak eldeki mevcut donanım ile bu mümkün olmamıģtır. Bu nedenle tek GPS anteni ve tek fotoğraf kamerası ile test yapılmaya çalıģılmıģtır. Doğal olarak fotoğraf kamerası ve GPS anteninin konumlarının değiģtirilmesi esnasında sistemin stabilliği korunamamıģtır. Yine fotoğraf kamerasının resim çekim startı bilgisayar ile yapılması planlansa da mevcut kameranın buna imkan vermemesi nedeniyle insan kontrolü ile yapılmıģtır. Buda kameranın çekim esnasındaki stabilliğini bozmuģtur. Buna sebep olan birazda kamera bağlantı noktasının çok sağlıklı olmamasıdır. Sistem kalibrasyonu için kullanılan detay noktalarına ve platform GPS noktalarına RTK ölçme tekniği ile koordinat verilmiģ. 2-4 cm doğruluğa sahip bu teknik kalibrasyon için yeterli doğruluk sağlamamıģtır. Detay noktalarındaki iģaretlemenin yeterli olmaması da olumsuz etkenlerden biridir. OluĢturan platform hareketli ayaklardan oluģması nedeniyle azda olsa sallanmaktadır. Yukarıda bahsedilen hata kaynakları giderilebilir etkenlerden oluģmaktadır. Hatta bu etkenleri giderecek donanım temin edilmiģtir. Ancak yeni bir uygulama yapma imkanı bulunamamıģtır. Temin edilen 2 GPS anteni ve 2 fotoğraf kamerası ile doğrudan bilgisayar kontrolü ile uygulama yapıldığında, bağlantı noktaları yeterli hale getirildiğinde, kalibrasyon için kullanılan detay noktaları ve platform GPS noktaları daha hassas bir GPS ölçme tekniği ile belirlendiğinde, detay noktalarının seçimi ve iģaretlenmesi daha sağlıklı yapıldığında sistemden beklenen yeterli sonuçlar alınabileceği görülmüģtür. ÇalıĢma devam etmekte olup yukarıda bahsedilen önlemler alınarak elde edilen sonuçlar tekrar paylaģılacaktır. Sistemin genel olarak çalıģabilirliği ispat edilmiģtir. Yeterli hassasiyete ulaģması durumunda HYFÖS ile kontrol noktası olmadan doğrudan uzaktaki objelerin koordinatları temas olmaksızın elde edilebilecek, coğrafi bilgi sistemleri ve bir çok mühendislik hizmetleri için konumsal veri üretilebilecektir. Kaynaklar Asri, Ġ., (2005). Üç Boyutlu Modelleme ve Alaeddin Camii Örneği, Y.Lisans tezi, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Konya.
Çorumluoğlu, Ö., Ġ. Kalayci, S.S. Durduran, Ġ. Asri and Ġ.A. Önal, 2004. GPS Virtual Station Technique And Its Challenge In Terrestrial Photogrammetric Applications, XX. ISPRS Congress, 5, 494-497, Ġstanbul. Çorumluoğlu, Ö., Ġ. Kalaycı, Ġ. Asri, (2003). GPSSĠT'Ġn Yersel Fotogrametrik ÇaliĢmalara Uygulanması: GPSSĠT-YFA, I. Ulusal Mühendislik Ölçmeleri Sempozyumu, 205-214, Ġstanbul, Ellum, C., (2001). The Development of a Backpack Mobile Mapping System, MSc Thesis, Report No. 20159, Department of Geomatics Engineering, University of Calgary Piras M., Cina A., Lingua A., (2008). Low cost mobile mapping systems: an Italian experience, 2008 IEEE/ION Position Location and Navigation Symposium, Monterey, California May 5-8, pp. 13, 2008, pagine da 1033 a 1045, ISBN: 1424415373 Tao, C. V. ve Li, J., (2007). Advances in Mobile Mapping Technology Taylor & Francis Group, London, ISBN 978-0-415-42723-4 xi-xiv Tao,( 2000). Mobile Mapping Technology for Road Network Data Acquisition, Proc. Journal of Geospatial Engineering, Vol.2, No.2, pp. 1-13,.