Data and quality metadata for continuous fields
Données et Métadonnées de Qualité pour les Champs Continus
Dati e Metadati di Qualità per i Campi Continui
Résumé
This thesis deals with data processing in Geomatics. It ranges from data acquisition in Photogrammetry to data representation as well as in Cartography. Thanks to a co-supervision agreement with INSA de Lyon (LIRIS) and the Politecnico di Milano (DIIAR), it has been enriched with new knowledge about links between Geomatics and Computer Science.
The objective of this research was to use statistical techniques of data processing for the creation of digital surface models starting from photogrammetric images.
The main function of photogrammetry is the transformation of data coming from the image space to the object space. We can make this transformation in a direct way, with collinearity equations, or in two steps, with the formation of a model and, only in a second time, reconstructing the original object. We choose a two-step procedure which permits the definition of the problem of absolute orientation, separately from the relative orientation one. An easy solution for three image orientation is proposed. Firstly, each model coming from two images of the triplet is analyzed and a relative orientation between them computed. Usually the solution for this task can be obtained after a linearization of a non-linear functional model, in which the preliminary values of the unknown parameters are strictly required. In this new solution, we use an exhaustive research of preliminary values (of parameters) for relative orientation. This non-conventional approach gives good results for the orientation of two images, taking into account also a priori information among four basic solutions. The automatic procedure of orientation implies to skip the manual assessment by using three images, which allows the solving for the ambiguous solutions in an automatic way. Once each model has been relatively registered, the absolute orientation is computed by using a linear parameterization of this problem.
The orientation procedure above described has some relevant advantages for environmental and monitoring applications, and makes it a very powerful tool in addition to more traditional methodologies. This method runs automatically without requiring the interactive control of the user, who has only to set up some initial parameters and it doesn’t need any preliminary values of the unknown parameters. These features allow that this method could be easily used also by users not skilled in photogrammetry. Among many different applications, an interesting project for the survey of a hydraulic 3D model of a stream confluence in the mountain area (Laboratory of the Hydraulics and Water Infrastructure Sections of the DIIAR at the TU of Milan-Italy) has been performed. Our purpose was to perform a static and a dynamic survey, for the realization of temporal digital surface models. The static survey has been carried out by traditional close range photogrammetry, while in a second stage, the dynamic survey of the water flooding surface has been carried out by using three digital video-cameras, focusing on the confluence area.
The dynamic survey was done by means of a system of three synchronized webcams, with a triangular configuration. We performed the survey in different conditions of flows and improve the contrast on the water surface by using sawdust and pieces of paper. Sensor orientation has been performed by using the generalized procedure proposed along the thesis. The successive step has been the physical plotting of DSM for every sequence, and the spatio-temporal interpretation of the water surface dynamics.
From a computing point of view, we propose a description of the photogrammetric data based on the XML format for geographic data (Geographic Markup Language). The aim is to optimize the archiving and management of geo-data. Starting from the creation of a conceptual model for the photogrammetric data by using the UML/INTERLIS Editor, a GML Schema was created for the whole model. With this model it was possible to describe the whole photogrammetric process from image acquisition to the representation and mosaicking of the geo-data. Then a XML/GML file has been developed from the Schema with a common XML editor. XML permits the creation of an interoperable mean for geo-data coming from photogrammetric survey. Thanks to the knowledge of all the concerned metadata it becomes really easy to get information about the data and use them without a further contact with the data producers.
As a conclusion, an original software product which allows to model terrains starting from three-image photogrammetry has been developed and tested.
Le sujet principal de ma thèse est le traitement des données en géomatique allant de l’acquisition des données photogrammétriques à la représentation cartographique. Grâce à la convention de cotutelle signée entre l’INSA de Lyon (LIRIS) et le Politecnico di Milano, j’ai eu la possibilité d’enrichir ce sujet avec des connaissances nouvelles qui lient la Géomatique à l’Informatique.
L’objectif de ma recherche est ainsi l’utilisation des techniques statistiques pour le traitement des données géomatiques afin de créer des modèles numériques des terrains en partant des données photogrammetriques.
La fonction principale de la Photogrammétrie est la transformation des données en partant de l’espace-image à l’espace-objet. On peut réaliser cette transformation avec les équations de colinéarité d’une façon directe, ou avec une procédure en deux étapes qui sépare la formation du modèle de la reconstruction de l’objet original. Dans ce travail, nous avons choisi la procédure en deux étapes pour définir différemment le problème de l’orientation absolue de celui de l’orientation relative. Nous avons proposé une solution pratique pour l’orientation automatique à partir de trois images. En premier lieu, chaque couple d’images du triplet doit être orienté relativement. Normalement la solution pour cette procédure peut être obtenue après une linéarisation du modèle fonctionnel non-linéaire, où les valeurs approximées des paramètres inconnus sont indispensables. Avec cette nouvelle solution, est utilisée une recherche exhaustive des valeurs (des paramètres) approximées d’orientation relative. Cette méthode non conventionnelle donne des bons résultats pour l’orientation de couples d’images, après avoir considéré certaines informations de base pour discriminer entre les quatre solutions obtenues après ce premier pas. La procédure automatique d’orientation implique l’absence d’intervention humaine grâce à l’introduction de la troisième image, qui permet de résoudre l’ambiguïté de manière automatique. Une fois chaque modèle relatif enregistré, on peut réaliser l’orientation absolue en utilisant une paramétrisation linéaire du problème.
Cette méthodologie d’orientation présente de nombreux avantages pour les applications environnementales et de surveillance, et elle est un puissant instrument que l’on peut utiliser à côté de méthodologies plus traditionnelles. Cette méthodologie fonctionne automatiquement sans l’intervention interactive de l’utilisateur, qui doit seulement l’initialiser avec quelques paramètres, mais sans aucune valeur approchée des inconnues. Cette caractéristique fait que la procédure peut être utilisée également par des personnes non expertes en photogrammétrie. Parmi diverses applications possibles, on a choisi de construire le relief d’un modèle hydraulique 3D qui représente la confluence de deux torrents dans une région montagneuse.
Notre but a été de produire un relief statique et un relief dynamique pour la réalisation des modèles numériques temporels de la surface de l’eau. Le relief statique a été exécuté avec une méthodologie classique de photogrammétrie terrestre, alors que dans une seconde étape nous avons réalisé le relief dynamique de la surface de l’eau (en mouvement) avec un système de trois video-caméras numériques encadrent la zone de confluence.
Le système a été formé de trois Webcams synchronisées disposées triangulairement ; il a permis de créer le relief sous différentes conditions de débit d’eau et de contraste de la surface d’eau (illumination transversale, morceaux de papier et de sciure). Nous avons modifié l’orientation des capteurs appliquant la procédure généralisée expliquée dans ma thèse, avons tracé le modèle numérique pour chaque séquence, et ensuite avons interprété la surface de l’eau avec une interpolation spatio-temporelle.
D’un point de vue informatique, nous avons proposé une description de données photogrammétriques basée sur le format XML pour les données géographiques (extension de GML, Geographic Markup Language). L’objectif est d’optimiser l’archivage et la gestion des données géomatiques. Le premier pas a été celui de faire un modèle conceptuel avec l’éditeur INTERLIS d’UML ; puis nous avons pu générer un Schéma GML du modèle tout entier. Avec ce modèle, il a été possible de décrire tout le processus photogrammétrique : acquisition d’images, représentation, et mosaïquage de données photogrammétriques. Ensuite nous avons développé un fichier XML/GML à partir du Schéma à l’aide d’un éditeur XML. XML nous a ainsi permis de construire un système interopérable pour les données qui proviennent d’un relief photogrammétrique. Grâce à la connaissance des métadonnées, il est très facile d’avoir des informations concernant les données et de les utiliser sans aucun contact ultérieur avec le producteur des données.
Enfin, un logiciel original a été produit, qui permet de modéliser les terrains en utilisant la photogrammétrie à trois images.
Questa tesi si occupa del trattamento dei dati in Geomatica. Spazia dalla Fotogrammetria alla rappresentazione dei dati propria della Cartografia. Grazie ad un accordo di tesi in cotutela con l’INSA di Lione (LIRIS) e il Politecnico di Milano (DIIAR) è stata arricchita di nuove conoscenze che legano la Geomatica all’Informatica.
L’obiettivo di questa ricerca è quello di usare tecniche statistiche di rocessamento dei dati per la creazione di superfici digitali del terreno partendo da immagini fotogrammetriche.
Lo scopo principale della fotogrammetria è la trasformazione di dati dallo spazio immagine allo spazio oggetto. E’ possibile eseguire questa trasformazione in maniera diretta con le equazioni di collinearità, o in due passi con la creazione del modello, e solo in un secondo momento, ricostruendo l’oggetto. In questo lavoro si è scelta la procedura in due passi che permette la risoluzione dell’orientamento assoluto separatamente da quella dell’orientamento relativo. E’ stata proposta/utilizzata una soluzione attraverso/per l’orientamento di tre immagini sincrone. In primo luogo viene analizzato ciascun modello proveniente da una coppia della tripletta di immagini, e si effettua l’orientamento relativo dello stesso. Normalmente la soluzione dell’orientamento relativo si può ottenere solo dopo una linearizzazione del modello funzionale non lineare adottato, dove valori approssimati delle incognite sono strettamente necessari per la sua risoluzione. In questo lavoro si è adottato un nuovo approccio, che utilizza una ricerca esaustiva dei valori approssimati delle incognite (dei parametri) nella fase di orientamento relativo. Questo approccio non convenzionale dadei buoni risultati per l’orientamento relativo di due immagini, tenendo inconsiderazione alcune informazioni a priori per poter discriminare tra le quattro soluzioni di baseche si ottengono. E’ possibile automatizzare la procedura di orientamento, evitando così l’intervento umano per la scelta della soluzione cercata, attraverso l’uso di tre immagini. Una volta effettuato l’orientamento relativo, è possibile calcolare l’orientamento assoluto, usando una parametrizzazione lineare del problema.
La procedura di orientamento appena descritta possiede alcuninotevoli vantaggiper applicazioni di sicurezza e monitoraggio ambientale, diventando uno strumento potente da affiancare alle metodologie classiche. Questo metodo procede automaticamente senza l’intervento iterativo dell’utilizzatore, una volta inizializzato il processo, e non necessita di valori approssimati delle incognite a priori. Questo permette il suo utilizzo anche da parte di utilizzatori non esperti infotogrammetria. Tra le diverse possibili applicazioni, si è scelto di eseguire il rilievo fotogrammetrico di un modello idraulico 3D della confluenza di tre torrenti ubicati inzona alpina (Laboratoriodi Idraulica e di Infrastrutture Idrauliche del DIIAR del Politecnico di Milano). Il nostro obiettivo è quello di effettuare un rilievo statico e uno dinamico per la creazione di modelli digitali temporali della superficie dell’acqua. Il rilievo statico è stato effettuato attraverso metodologie classiche di fotogrammetria terrestre, mentre in un secondo momento è stato eseguito il rilievo dinamico dell’acqua in movimento attraverso l’uso di un sistema formato da tre webcams puntate sull’area di confluenza.
Il rilievo dinamico è stato eseguito conun sistema di tre webcams sincronizzate, disposte in una configurazione triangolare. Il rilievo è stato eseguito indiverse condizioni di portata, e per migliorare il contrasto della superficie dell’acqua si è usata segatura e pezzetti di carta. Orientamento dei sensori è stata fatta con la procedura descritta lungo la tesi. Il passo successivo è stato quello del plottaggio elle singole scene inmodelli digitali della superficie dell’acqua, e successivamente di una loro interpretazione dinamica nel tempo.
Da un punto divista computazionale si è proposta una descrizione dei dati fotogrammetri ci attraverso il formato XML per i dati geografici (Geographic Markup Language). L’obiettivo è quello di ottimizzare l’archiviazione e la manipolazione dei dati geografici. Partendo dalla creazione di un modello concettuale deidatifotogrammetrici utilizzando l’Editor di UML, è stato possibile creare lo Schema GML per l’intero modello. Grazie a questo modello è possibile descrivere l’intero processo fotogrammetrico, dall’acquisizione di immagini alla rappresentazione dei dati geografici. Successivamente con un comune editor di XML si è sviluppato un file XML/GML relativo allo Schema GML. XML permette la creazione di un mezzo interoperabile per i dati geografici provenienti da un rilievo fotogrammetrico. Grazie alla conoscenza dei relativi metadati diventa davvero semplice ottenere informazioni circa i dati e usarli senza un ulteriore contatto con il produttore di dati.
Per concludere, in questo lavoro di tesi è stato sviluppato un software originale che permette di modellizzare i terreni partendo da un rilievo fotogrammetrico a tre immagini, e inoltre archiviare e scambiare i dati relativi a rilievo stesso.