CORSO DI FOTOGRAMMETRIA Politecnico di Torino Dipartimento di Georisorse e Territorio Settore di ricerca: Topografia e Geomatica A.A. 2003-2004 CORSO DI FOTOGRAMMETRIA Fotogrammetria - Lezione 1

Fotogrammetria - Lezione 1 DEFINIZIONI La fotogrammetria è la scienza che consente di ottenere informazioni affidabili di oggetti fisici e dell’ambiente circostante mediante processi di registrazione, misura e interpretazione delle immagini fotografiche e digitali formate dall’energia elettromagnetica radiante e da altri fenomeni fisici. [Manual of Photgrammety, ASPRS, 1980] La fotogrammetria è la scienza che consente di estrarre informazioni da immagini e di presentarle all’utente in modo efficace. [PE&RS, 1999] Fotogrammetria - Lezione 1

Fotogrammetria - Lezione 1 APPLICAZIONI Rilevamento di oggetti di qualsiasi forma e dimensione che necessitano di un elevato numero di punti per una descrizione di forma completa Produzione di cartografia numerica mediante raccolta di misure e di informazioni da immagini aeree e satellitari Rilevamento di oggetti difficilmente o del tutto inaccessibili Rilevamento di oggetti accessibili per un limitato intervallo di tempo Rilevamento di organismi viventi Rilevamento di oggetti piccoli Fotogrammetria - Lezione 1

PRINCIPIO DELLA FOTOGRAMMETRIA La prospettiva centrale è un procedimento geometrico che trasforma una realtà 3D in una realtà 2D La tecnica fotogrammetrica nasce con la definizione della prospettiva centrale. Fotogrammetria - Lezione 1

PRINCIPIO DELLA FOTOGRAMMETRIA Utilizzando due prospettive centrali di uno stesso punto oggetto, è possibile ricostruire la posizione spaziale del punto stesso. Fotogrammetria - Lezione 1

Fotogrammetria - Lezione 1 CENNI STORICI (1) 1. I PRECURSORI DELLA FOTOGRAMMETRIA L’inizio della storia della fotogrammetria può essere considerata coincidente con l’opera di Leonardo da Vinci (1452-1519): i suoi studi di geometria, ottica, meccanica e la sua fervida intuizione consentirono di dimostrare graficamente nel 1492 i principi della proiezione ottica. A lui si devono anche la progettazione dei primi strumenti per la costruzione delle lenti. Fotogrammetria - Lezione 1

Fotogrammetria - Lezione 1 CENNI STORICI (2) Il pittore tedesco Arbrecht Dürer (1471-1528) produsse nel 1525 una macchina in grado di generare prospettive centrali di oggetti tridimensionali. Questo strumento include un apparato utile alla produzione di prospettive centrali di uno stesso oggetto con centri di proiezione e piani distinti (disegni stereoscopici). Fotogrammetria - Lezione 1

Fotogrammetria - Lezione 1 CENNI STORICI (3) Nel 1600 l’astronomo tedesco Johannes Kepler (1571-1630) fornisce una precisa definizione del termine STEREOSCOPIA e il pittore fiorentino Jacopo Chimenti produce quella che può essere considerata la prima coppia stereoscopica di disegni (Museo Wicar - Lille - Francia). Fotogrammetria - Lezione 1

Fotogrammetria - Lezione 1 CENNI STORICI (4) Le prospettive prodotte con gli strumenti prima ricordati avevano molte limitazioni nei riguardi della correttezza geometrica e della riproduzione fedele dei dettagli dell’oggetto. L’introduzione della camera obscura rappresentò un notevole passo avanti nella produzione di prospettive di oggetti tridimensionali La camera obscura (descritta da uno studente arabo all’inizio dell’XI secolo) fu inizialmente una vera e propria stanza con un piccolo foro praticato su una parete. La luce passante attraverso questo foro produceva sulla parete opposta una prospettiva dello spazio esterno alla camera. La modesta quantità di luce e gli effetti di diffrazione ai bordi del foro generavano immagini sfuocate Fotogrammetria - Lezione 1

Fotogrammetria - Lezione 1 CENNI STORICI (5) Numerosi sforzi furono fatti per trasformare la camera obscura in uno strumento trasportabile inserendo nel foro sistemi ottici inventati per aumentare la quantità di luce penetrante. Giovanni Battista Porta nel 1558 raccomandava l’uso di questo strumento ai giovani artisti per la produzione di prospettive reali. In seguito la camera obscura fu dotata di specchi in grado di riflettere l’immagine su un piano orizzontale sul quale si poteva posizionare più comodamente il foglio da disegno. Fotogrammetria - Lezione 1

Fotogrammetria - Lezione 1 CENNI STORICI (6) Nel 1804 il fisico Wollaston inventò la camera lucida consistente in un prisma ottico a quattro facce montato ad una opportuna distanza da un piano orizzontale. L’immagine dell’oggetto tridimensionale veniva proiettata dal prisma sul piano consentendo il tracciamento manuale della prospettiva. Lo stesso Wollaston nel 1812 migliorò la camera obscura introducendo sistemi ottici più efficaci di quelli fino ad allora utilizzati. Si deve a Edward Bausch l’introduzione dell’uso del diaframma a diametro variabile. Fotogrammetria - Lezione 1

Fotogrammetria - Lezione 1 CENNI STORICI (7) Il concetto dei disegni stereoscopici fu utilizzato per un rilevamento dal fisico svizzero F. Kapeller nel 1726 che produsse una mappa topografica del Monte Pilato sul Lago di Lucerna. L’ammiraglio francese Beautemps-Beaupré compilò mappe topografiche a partire da coppie stereoscopiche di prospettive utilizzando le formulazioni matematiche fornite dal Henry Lambert (1728-1777) nel trattato “La prospettiva libera” del 1759. Questo trattato esplica il concetto della prospettiva centrale e della intersezione spaziale di coppie di raggi omologhi (raggi provenienti dalle due immagini prospettiche di uno stesso punto oggetto): esso descrive i fondamenti geometrici della tecnica che 100 anni più tardi assumerà il nome di FOTOGRAMMETRIA Fotogrammetria - Lezione 1

Fotogrammetria - Lezione 1 CENNI STORICI (8) Nello stesso anno, 1759, Schultze (chimico di Norimberga) osservò che il nitrato d’argento si scuriva se esposto alla luce solare. Nello stesso periodo Giovanni Battista Beccaria riportò risultati di precedenti osservazioni del medesimo effetto sul cloruro d’argento. Storicamente si riconosce al francese Niépce la dimostrazione (1816) che esponendo in una camera obscura fogli di carta ricoperti di cloruro d’argento successivamente fissati con un bagno di acido nitrico si possono ottenere immagini negative: egli chiamò questa tecnica eliografia. Successivamente lo stesso Niépce dimostrò che utilizzando fogli di bitume si potevano ottenere immagini positive. Da questo momento cominciò l’estenuante ricerca dei chimici tedesci, francesi e inglesi per scoprire come registrare in modo permanente l’immagine prodotta da un sistema ottico. Fotogrammetria - Lezione 1

Fotogrammetria - Lezione 1 CENNI STORICI (9) Nello stesso periodo l’inglese Fox Talbot riuscì a produrre con la sua camera obscura alcuni negativi, mentre Arago e Niepce annunciavano la scoperta del metodo di riproduzione eliografico. Nel 1837 Louis Daguerre presenta all’Accademia delle Arti e delle Scienze di Francia le prime immagini positive su lastra metallica (i dagherrotipi). Il suo metodo fu presto acquisito, migliorato e diffuso in tutta Europa. Immediatamente si pensa alla produzione di fotografie aeree: dopo i primi esperimenti di fotografia aerea realizzati da Nadar nel 1858 si assiste ad una vera e propria esplosione nello studio, progettazione e realizzazione di camere idonee all’acquisizione di immagini fotografiche da aeromobili (mongolfiere, dirigibili e infine, con la fine della prima guerra mondiale, da aerei). Fotogrammetria - Lezione 1

Fotogrammetria - Lezione 1 CENNI STORICI (10) È universalmente accettato il fatto che la prima restituzione fotogrammetrica fu eseguita dal colonnello francese Aimé Laussedat per il rilevamento architettonico e per la compilazione di una mappa topografica della città di Parigi utilizzando fotografie riprese dai tetti degli edifici nel 1864. Gli studi eseguiti e i notevoli contributi originali alla nuova tecnica di rilievo gli valsero il titolo di “padre della fotogrammetria”. Dalla seconda metà del XIX secolo la ricerca si volse alla progettazione di strumenti idonei alla restituzione di fotogrammi aerei e terrestri basati su soluzioni di tipo ottico e meccanico (restitutori analogici): Scheimpflug, Von Orel, Pulfrich, Von Gruber, Wild, Nistri, Santoni, Hotine, Deville non sono che alcuni tra i più famosi studiosi che consentirono lo sviluppo della tecnica fotogrammetrica in questo periodo. Fotogrammetria - Lezione 1

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Fotogrammetria - Lezione 1 CENNI STORICI (11) Nel 1958, Helava presenta il prototipo di un restitutore fotogrammetrico analitico nel quale tutti i problemi di orientamento e restituzione vengono risolti da un calcolatore collegato ad uno strumento (lo stereocomparatore) per l’individuazione e la misura delle coordinate dei punti omologhi. L’avvento di potenti mezzi di calcolo aprono un periodo di intensa attività nel mondo della ricerca: il restitutore analitico presentato da Helava viene affiancato nel 1972 da un nuovo strumento ideato da Inghilleri, vengono messi a punto i programmi di compensazione delle triangolazioni fotogrammetriche e vengono realizzati gli ortoproiettori analitici. Nel 1981 Sarjakoski dimostra la possibilità di produrre e utilizzare le immagini digitali per scopi fotogrammetrici. Ha così inizio l’attuale periodo di evoluzione della tecnica fotogrammetrica che vede la possibilità di raggiungere la completa automazione dell’intero processo di rilevamento. Fotogrammetria - Lezione 1

Fotogrammetria - Lezione 1 Terminologia O = Centro di proiezione ( punto di presa) PP = Punto principale c = distanza principale FC = centro fiduciale Fotogrammetria - Lezione 1

Fotogrammetria - Lezione 1 Terminologia L’orientamento interno è l’insieme dei parametri utili a definire la geometria interna della camera da presa. I parametri dell’orientamento interno sono: 0, 0 = coordinate del punto principale nel sistema fiduciale c = distanza principale della camera Essi definiscono la posizione del centro di proiezione rispetto al sistema fiduciale definito sul piano del fotogramma. Definito l’orientamento interno è possibile tracciare la stella di direzioni formata dalle rette che uniscono i singoli punti immagine con il centro di proiezione. Il fotogramma può dunque essere visto come la registrazione delle direzioni azimutali e zenitali individuate da un teodolite avente il suo centro strumentale coincidente con il centro di proiezione Fotogrammetria - Lezione 1

Fotogrammetria - Lezione 1 Terminologia L’orientamento esterno è l’insieme dei parametri utili alla definizione dell’assetto spaziale della camera (fotogramma + punto principale internamente orientati) rispetto ad un sistema di riferimento tridimensionale. Essenzialmente definisce la posizione spaziale di un corpo rigido (la camera) nello spazio. Quindi è definito da 6 parametri: tre traslazioni e tre rotazioni. Fotogrammetria - Lezione 1

Fotogrammetria - Lezione 1 Terminologia Consideriamo due fotografie che riprendono uno stesso oggetto. I raggi delle stelle proiettive che passano per le immagini di uno stesso punto (immagini omologhe) si intersecano nello spazio (se esiste l’orientamento esterno !!!). L’insieme dei punti di intersezione delle infinite coppie di raggi omologhi si chiama modello stereoscopico Fotogrammetria - Lezione 1

Fasi del processo fotogrammetrico Presa Appoggio Orientamento Restituzione Integrazione ed editing Vestizione (rappresentazione) Ogni fase del processo fotogrammetrico richiede una attenta fase di progettazione e una fase di verifica. Il procedimento è sequenziale: un errore in una fase condiziona negativamente tutte le fasi successive Fotogrammetria - Lezione 1