Co jsou nadirové snímky?

Nadirové snímky jsou letecké fotografie, které kamera pořizuje, když míří svisle dolů k zemi. Nadir je bod na zemi, který leží svisle pod středem kamery v okamžiku expozice.

Co nadir znamená

Nadirový pohled směřuje svisle dolů. Dálkový průzkum používá stejné slovo pro družice. Natural Resources Canada nazývá stopu přímo pod družicí svou svislou (nadirovou) stopou. ESA nazývá přístroj, který se dívá svisle dolů, přístrojem s nadirovým pohledem.

Vyhledávání používá mnoho názvů pro totéž: nadir image, nadir photo, nadir view, nadir perspective a nadir camera. Všechny znamenají snímek z kamery, která míří svisle dolů.

Nadir, hlavní bod a izocentrum

Tři body popisují, kde fotografie leží nad terénem. Hlavní bod je místo, kde kolmice procházející středem objektivu protíná obraz. Izocentrum leží uprostřed mezi hlavním bodem a nadirem.

U skutečně svislého snímku všechny tři body splývají. Žádný skutečně svislý snímek neexistuje, protože každý snímek má nějaký sklon nebo náklon. Snímek s náklonem menším než 3 stupně se pro většinu interpretačních prací považuje za svislý.

Úhel nadiru a úhel od nadiru

Úhel od nadiru je úhel mezi směrem nadiru a směrem pohledu snímače. Úhel 0 stupňů znamená, že snímač míří svisle dolů. Úhel je jiný pro každý pixel obrazu.

Provozovatelé družic často naklánějí snímače mimo nadir. ESA uvádí 30 stupňů jako typické maximum pro optické snímky. Družice SPOT naklápěla své snímače až o 27 stupňů od nadiru. To zvyšovalo četnost opakovaných snímků a umožňovalo stereoskopické pokrytí. Šířka pásu byla 60 km v nadiru a 60 až 80 km, když byly snímače odkloněny.

Na dronu nastavuje úhel kardanový závěs (gimbal). Při řízení závěsu v ArduPilotu nasměruje záporný cílový sklon kameru dolů a příkaz QGroundControl Tilt 90 natočí závěs přímo dolů. Položka Gimbal popisuje osy a režimy. Průzkumy povrchu TarmacView fixují závěs na -90 stupňů, což je poloha v nadiru.

Nadirové a šikmé snímky

Šikmý snímek má odkloněnou osu kamery. Snímek s náklonem větším než 3 stupně se počítá jako šikmý. Vysoký šikmý snímek ukazuje zdánlivý horizont. Nízký šikmý snímek ho neukazuje.

Nadirový snímek ukazuje horní části objektů, které stojí přímo pod objektivem. Ostatní objekty se odklánějí od středu snímku, takže se vidí i jejich boky. Šikmé snímky ukazují boky objektů lépe. Studie dronových snímků z roku 2021 v časopise Sensors zjistila, že šikmé snímky dávají informace o fasádách budov, které se z nadirových snímků získávají obtížně. V té studii směřovaly nadirové snímky kolmo k zemi a šikmé snímky byly odkloněny o 30 stupňů od olovnice. Stíny na šikmých snímcích mohou skrýt pixely, které software potřebuje spárovat.

Reliéfní posun a naklonění budov

Objekty, které stojí nad zemí, se ve svislém snímku jeví posunuté ze svého skutečného místa. To je reliéfní posun. Natural Resources Canada jej označuje za primární geometrické zkreslení svislých leteckých snímků.

Posun se řídí čtyřmi pravidly.

• Je v nadiru nulový.
• Roste s rostoucí vzdáleností od nadiru.
• Roste s výškou objektu.
• Zmenšuje se s rostoucí letovou výškou.

Vztah je d = r h / H. Zde d je posun a r je vzdálenost od nadiru k posunutému bodu. Písmeno h je výška objektu. Písmeno H je letová výška nad základnou objektu. Stejný vztah dává výšku objektu z jeho posunu: h = d H / r. Vysoký objekt blízko okraje snímku se tedy naklání směrem od středu. ESA tento jev nazývá efektem naklonění budov a uvádí, že nižší úhel od nadiru jej snižuje.

Velikost pixelu v terénu

Velikost pixelu v terénu (GSD) je lineární rozměr stopy vzorkovacího pixelu na zemi. Standard ASPRS jej používá pro GSD sběru surového, téměř svislého snímku. Počítá jej z kalibrované ohniskové vzdálenosti a výšky kamery nad průměrnou vodorovnou úrovní terénu.

GSD není u všech pixelů stejné. ASPRS uvádí, že se mění s výškou terénu a dalšími faktory. Glosář USGS ISIS dodává, že jednoduchý odhad rozlišení funguje dobře v blízkosti nadiru a rychle ztrácí přesnost, čím dál od nadiru je snímek pořízen. Plánovač letu, jako je QGroundControl, počítá rozlišení pro letovou výšku průzkumu a předpokládá rovný terén v úrovni výchozí výšky. Tuto hodnotu berte jako nominální GSD.

Mřížkové lety v nadiru

Nadirová mřížka je mřížkový letový vzor, který dron letí s kamerou mířící svisle dolů. QGroundControl vytvoří takovou mřížku nad mnohoúhelníkovou plochou. Pilot může nastavit překrytí zvlášť podél a napříč mřížkovými řádky.

Průzkumy povrchu TarmacView takto fungují. Pořizují snímky v rovnoběžných drahách se závěsem na -90 stupňů a pro každý průzkum nastavují překrytí vpředu a na straně.

Hodnoty překrytí závisejí na projektu. Jeden příklad dává pobřežní mapovací postup USGS pro nadirové a téměř nadirové snímky. Jeho projekt používal přibližně 75 až 80 procent překrytí vpřed a 60 až 70 procent překrytí do stran ve výšce 300 m. USGS také varuje, že příliš malé překrytí může způsobit špatnou rekonstrukci a vzor mezer ve tvaru kolejnic. Tyto hodnoty pocházejí z jednoho projektu. Nejsou pravidlem.

Co může chybět u bloku pouze z nadiru

Blok pouze z nadiru má téměř rovnoběžné směry pohledu. James a Robson zjistili v roce 2014, že to může způsobit širokou svislou chybu vyklenutí v modelu terénu. Příčinou je chybný odhad radiálního zkreslení objektivu, když software kameru během zpracování kalibruje. Zjistili, že šikmé snímky v síti chybu snižují.

V simulaci z roku 2021 testovali Roncella a Forlani 144 konfigurací bloků. Jejich výsledky ukazují, že šikmé snímání je v rovinatém terénu klíčovým předpokladem. Rozdíl přesnosti mezi konfiguracemi se přiblížil řádu. Jejich úvod odkazuje na doporučení zahrnout šikmé snímky 20 až 45 stupňů od nadiru, alespoň 10 procent bloku, aby se snížilo vyklenutí. Dráha nebo odbavovací plocha se blíží případu rovinatého terénu, který tento závěr jmenuje.

Přesnost

Nadirový snímek nezaručuje přesnou mapu. Standard ASPRS Positional Accuracy Standards hodnotí produkt podle střední kvadratické chyby (RMSE) vůči kontrolním bodům. Edition 1 (2014) nespojuje přesnost produktu s GSD zdrojového snímku, velikostí pixelu ani měřítkem mapy. Edition 2 (2023) ruší 95procentní hladinu spolehlivosti a zvyšuje minimální počet kontrolních bodů z 20 na 30.

Letištní vozovka

ASTM D5340 je metoda vizuálního průzkumu pro index stavu vozovky (PCI). FAA AC 150/5380-7B ji popisuje. Letiště vázaná federálními závazky musí podrobně kontrolovat letištní vozovky nejméně jednou ročně. Průzkum PCI může tento interval prodloužit na tři roky.

Oběžník se drony ani leteckými snímky nezabývá. Také uvádí, že samotná vizuální prohlídka nemůže ukázat konstrukční stav vozovky. Nadirový snímek ukazuje povrch shora a nic pod ním. Tato stránka netvrdí, že průzkum nadirovým snímkem nahrazuje nebo splňuje metodu ASTM D5340.