Čo je nadirové snímkovanie?

Nadirové snímkovanie je letecká fotografia, ktorú kamera zaznamenáva, keď je namierená priamo nadol na zem. Nadir je bod na zemi priamo pod stredom kamery v okamihu expozície.

Čo znamená nadir

Nadir je pohľad priamo nadol. Diaľkový prieskum používa to isté slovo pre satelity. Natural Resources Canada nazýva pozemnú stopu priamo pod satelitom vertikálnou (nadirovou) stopou. ESA nazýva prístroj, ktorý smeruje zvisle nadol, prístrojom s nadirovým snímaním.

Vo vyhľadávaní sa pre to isté používa mnoho názvov: nadirový snímok, nadirová fotografia, nadirový pohľad, nadirová perspektíva a nadirová kamera. Všetky znamenajú snímku z kamery, ktorá smeruje priamo nadol.

Nadir, hlavný bod a izocentrum

Tri body opisujú, kde fotografia leží nad zemou. Hlavný bod je miesto, kde kolmica prechádzajúca stredom šošovky pretína obraz. Izocentrum leží v polovici medzi hlavným bodom a nadirom.

Na skutočne vertikálnej fotografii sa všetky tri zhodujú. Žiadna skutočne vertikálna fotografia neexistuje, lebo každá fotografia má určitý náklon. Fotografia s náklonom menším ako 3 stupne sa pre väčšinu interpretačnej práce považuje za vertikálnu.

Uhol nadir a off-nadir uhol

Off-nadir uhol je uhol medzi smerom nadir a smerom pohľadu snímača. Uhol 0 stupňov znamená, že snímač smeruje priamo nadol. Uhol sa líši pre každý pixel obrazu.

Prevádzkovatelia satelitov často nasmerujú snímače mimo nadiru. ESA uvádza 30 stupňov ako typické maximum pre optické snímky. Satelit SPOT namieroval svoje snímače až do 27 stupňov od nadiru. Zvýšilo to frekvenciu prelietania a umožnilo stereoskopické pokrytie. Šírka záberu bola 60 km v nadire a 60 až 80 km, keď snímače smerovali preč.

Na drone uhol nastavuje gimbal. V riadení držiaka v ArduPilote záporný cieľový sklon nasmeruje kameru nadol a príkaz QGroundControl Tilt 90 nasmeruje držiak priamo nadol. Záznam o gimbale vysvetľuje osi a režimy. Skenovanie povrchu TarmacView fixuje gimbal na -90 stupňoch, čo je poloha nadir.

Nadirové a šikmé snímky

Šikmá fotografia má naklonenú os kamery. Fotografia s náklonom viac ako 3 stupne sa považuje za šikmú. Vysoká šikmá fotografia zobrazuje zdanlivý horizont. Nízka šikmá fotografia ho nezobrazuje.

Nadirový snímok zobrazuje vrchy objektov, ktoré stoja priamo pod šošovkou. Ostatné objekty sa nakláňajú od stredu záberu, takže sa vidia aj ich bočné strany. Šikmé snímky lepšie ukazujú bočné strany objektov. Štúdia z roku 2021 o dronových snímkach v časopise Sensors zistila, že šikmé snímky dávajú informácie o fasádach budov, ktoré sa z nadirových snímok ťažko získavajú. V tejto štúdii nadirové snímky smerovali 90 stupňov k zemi a šikmé snímky 30 stupňov od zvislice. Tiene na šikmých snímkach môžu skrývať pixely, ktoré softvér potrebuje spárovať.

Reliéfne posunutie a naklonenie budov

Objekty, ktoré stoja nad zemou, sa na vertikálnej fotografii zobrazia posunuté oproti svojej skutočnej polohe. Toto je reliéfne posunutie. Natural Resources Canada ho označuje za hlavné geometrické skreslenie vertikálnych leteckých fotografií.

Posunutie sa riadi štyrmi pravidlami.

• Je nulové v nadire.
• Narastá so vzdialenosťou od nadiru.
• Narastá s výškou objektu.
• Klesá so zvyšovaním výšky letu.

Vzťah je d = r h / H. Pritom d je posunutie a r je vzdialenosť od nadiru k posunutému bodu. Písmeno h je výška objektu. Písmeno H je výška letu nad základňou objektu. Ten istý vzťah dáva výšku objektu z jeho posunutia: h = d H / r. Vysoký objekt pri okraji záberu sa preto nakláňa od stredu. ESA to nazýva efektom naklonenia budov a uvádza, že nižší off-nadir uhol ho znižuje.

Vzorkovacia vzdialenosť na zemi

Vzorkovacia vzdialenosť na zemi (GSD) je lineárny rozmer stopy vzorkovacieho pixelu na zemi. Štandard ASPRS ju používa ako zberovú GSD surového, takmer vertikálneho snímku. Vypočíta ju z kalibrovanej ohniskovej vzdialenosti a výšky kamery nad priemernou vodorovnou výškou terénu.

GSD nie je rovnaká pre každý pixel. ASPRS uvádza, že sa mení s výškou terénu a ďalšími faktormi. Glosár USGS ISIS pridáva, že jednoduchý odhad rozlíšenia funguje dobre pri nadire a rýchlo strácá presnosť, keď sa obraz vzďaľuje od nadiru. Plánovací nástroj, napríklad QGroundControl, vypočíta pozemné rozlíšenie pre výšku prieskumu a predpokladá rovný terén vo výške štartu. Túto hodnotu berte ako nominálnu GSD.

Mriežkové lety v nadire

Nadirová mriežka je mriežkový letový vzor, ktorý dron lieta s kamerou namierenou priamo nadol. QGroundControl vytvorí takú mriežku nad mnohouholníkovou oblasťou. Pilot môže nastaviť prekrytie zvlášť pozdĺž a napríč mriežkových čiar.

Skenovanie povrchu TarmacView funguje takto. Snímky robí v rovnobežných priechodoch s gimbalom na -90 stupňoch a pre každé skenovanie nastavuje pozdĺžne a priečne prekrytie.

Hodnoty prekrytia závisia od projektu. Pracovný postup USGS na mapovanie pobreží pre nadirové a takmer nadirové snímky uvádza jeden príklad. Jeho projekt používal pozdĺžne prekrytie asi 75 až 80 % a priečne prekrytie 60 až 70 % z výšky 300 m. USGS tiež upozorňuje, že príliš malé prekrytie môže spôsobiť slabé rekonštrukcie a vzor medzier ako koľajnice. Tieto hodnoty pochádzajú z jedného projektu. Nie sú pravidlom.

Čo môže nadirový blok prehliadnuť

Blok tvorený iba nadirovými snímkami má takmer rovnobežné smery pohľadu. James a Robson zistili v roku 2014, že to môže spôsobiť širokú vertikálnu chybu klenutia v modeli terénu. Príčinou je chybný odhad radiálneho skreslenia objektívu, keď softvér kameru kalibruje počas spracovania. Zistili, že šikmé snímky v bloku chybu znižujú.

Roncella a Forlani testovali v roku 2021 simuláciu 144 konfigurácií blokov. Ich výsledky ukazujú, že šikmé snímanie je kľúčovým predpokladom na rovinatom teréne. Rozdiel v presnosti medzi konfiguráciami sa môže blížiť k jednému rádu veľkosti. Ich úvod uvádza odporúčanie pridať šikmé snímky 20 až 45 stupňov od nadiru, aspoň 10 % bloku, aby sa znížilo klenutie. Dráha alebo odbavovacia plocha sa blíži k prípadu rovinatého terénu, ktorý tento záver pomenúva.

Presnosť

Nadirový snímok nezaručuje presnú mapu. Štandardy ASPRS pre polohovú presnosť hodnotia produkt podľa strednej kvadratickej chyby (RMSE) voči kontrolným bodom. Vydanie 1 (2014) nespája presnosť produktu s GSD zdrojových snímok, veľkosťou pixelu ani mierkou mapy. Vydanie 2 (2023) ruší 95-percentnú úroveň spoľahlivosti a zvyšuje minimálny počet kontrolných bodov z 20 na 30.

Vozovky letiska

ASTM D5340 je metóda vizuálneho prieskumu pre index stavu vozovky (PCI). FAA AC 150/5380-7B ju opisuje. Letiská s federálnymi záväzkami musia podrobne kontrolovať letiskové vozovky aspoň raz ročne. Prieskum PCI môže tento interval predĺžiť na tri roky.

Obežník nespomína drony ani letecké snímky. Tiež uvádza, že samotná vizuálna kontrola nemôže ukázať konštrukčný stav vozovky. Nadirový snímok ukazuje povrch zhora a nič pod ním. Táto stránka netvrdí, že prieskum nadirovými snímkami nahrádza metódu ASTM D5340 alebo ju spĺňa.