Hava Kameralarında Kalibrasyon Parametrelerinin Zamansal Değişimin Analizi

PROJENİN ADI: Fotogrametrik Dijital Geniş Formatlı Hava Kameralarında Kalibrasyon Parametrelerinin Zamansal Değişiminin Analizi

PROJENİN AMACI:  Her alanda olduğu gibi fotogrametri alanında da kaydedilen teknolojik gelişmeler sayesinde elde edilen görüntülerin geometrik doğrulukları ve radyometrik çözünürlükleri artmıştır. Analog kamera sistemlerinin yerini sayısal hava kameraları almış, çok mercekli ve tek-çok CCD (Charge Couple Device) algılayıcılar sayesinde görüntüler elektronik ortamdan sayısal ortama aktarılmaktadır. Bunun yanında sayısal hava kameraları ile bütünleşik çalışan GNSSIMU sistemleri sayesinde fotoğraf çekim anının konum ve dönüklük verisi uçuş anında belirlenebilmektedir. Bu karmaşık yapının birbiriyle bütünleşik çalışması zorunluluğu sistem kalibrasyonunun yapılması ihtiyacını doğurmaktadır.

Kamera kalibrasyonları kendi içinde operasyonel (yerinde) ve laboratuvar olarak ikiye ayrılmaktadır. Laboratuvar kalibrasyonu daha çok üretici firma tarafından yapılmaktadır. Algılayıcı hataları Kalman Filtreleme ile uygun deterministik modellerle kalibre edilir. IMU ve GNSS alıcısının kalitesi, deterministik parametreler hakkında yüksek doğruluklu bilgi sağlar. Fakat gürültü ve rastlantısal hata gibi stokastik kısmın modellenmesi uzun süren sabit testlere ve uygun modellere bağlıdır (Titterton ve Weston, 1997; Britting, 1997; Scherzinger, 1997 ve Ip, 2005). İç yöneltme elemanı olarak bilinen kamera odak uzaklığı ve fotoğraf koordinat sisteminde asal noktanın konumu, kamera kalibrasyonu ile belirlenmektedir. Bu işlem genellikle üretici firmalar tarafından laboratuar ortamında yapılmaktadır. Kalibrasyon sonuçları üretici firma tarafından kullanıcılara verilmektedir. Kamera kalibrasyon raporlarında kalibrasyon tarihindeki kalibre edilmiş odak uzaklığı, radyal distorsiyon ölçüm değerleri, objektifin çözünürlüğü, asal noktanın konumu, çerçeve işaretlerinin fotoğraf koordinat sistemindeki koordinatları ve radyal distorsiyon hatasına ilişkin grafikler bulunmaktadır. Kamera kalibrasyon değerleri zamana bağlı olarak değiştiği için belirli aralıklarla yenilenmesi gerekmektedir (Yastıklı,  2003).

Operasyonel kalibrasyon yöntemi ise daha çok kamera ile GNSSIMU sistemi arasındaki senkronizasyonu sağlamak amacıyla yapılmaktadır. IMU’nun stabil-sabit şekilde monte edilmesi IMU ile kamera sensoru arasındaki öteleme vektörünün hesaplanmasını kolaylaştırmaktadır. GNSSIMU öteleme vektörü kurulum sırasında basitçe hesaplanmaktadır. Bu hesap santimetre hassasiyetinde olabilir. Fakat GNSS anteni ile kameranın iz düşüm merkezi arasındaki öteleme vektörü tam olarak hesaplanmalıdır. Öteleme vektörünün hesaplanmasında iki metot kullanılmaktadır. Bunlardan ilki fotogrametrik blok dengelemesinde öteleme vektörü bilinmeyen olarak dengelemeye sokulmaktadır. Bu yöntem çok fazla tercih edilen bir yöntem değildir. Çünkü GNSS anteninin konumunu hesaplarken korelasyon değeri yüksek çıkmaktadır (Ackerman, 1992;Ip, 2005). İkinci yöntem ise öteleme vektörünü GNSS/IMU verileriyle hesaplanmasıdır. Bu yöntemde öteleme vektörü kabaca ölçülmektedir. Bu ölçüm için kullanılan aletlerden bir tanesi de total-station dur. Daha sonra GNSS/IMU verilerinin işlenmesi kısmında yaklaşık öteleme vektörü (LeverArm) sisteme girilmekte ve sistem kalman filtrelemesi yardımıyla hassas öteleme vektörünü hesaplamaktadır. Bunu bir kez hesaplamak yeterli olmaktadır.

IMU ve kamera algılayıcıları arasındaki mesafenin fiziksel ölçülmesi sistemler monte edilirken yapılmaktadır. Teoride IMU ve kamera sensörü arasında dönüklük olmaması beklenir. Fakat bu mümkün değildir. Kamera ile IMU arasındaki öteleme boresight kalibrasyonu ile belirlenir. Boresight hesabı blok dengeleme sonuçları ile GNSS/IMU entegrasyonu sonucunda elde edilen sonuçlar arasındaki farklardan ya da blok dengelemeye bilinmeyen olarak eklenerek elde edilmektedir. Bu işlem sonucunda dönüklük açı farkları (dw, dj, dk) ve GNSS drift parametreleri (dx, dy, dz) elde edilebilmektedir (Kiracı vd., 2010).

PROJENİN ÖNEMİ: Analog hava kameralarının aksine sayısal hava kameraların birçok bileşeni olduğu ve bu bileşenlerin operasyonel anlamda birbirleriyle etkileşim halinde olduğu gerçeğinden yola çıkarak bu etkileşim labaratuvar kalibrasyonuyla ölçülememektedir, bu sebeplerden dolayı operasyonel kalibrasyonun yapılması gerekmektedir (Merchant vd., 2004). Buna paralel olarak yeni gelişen sayısal hava kamera sistemleri çok mercekli ve CCD sistemleri sebebiyle çok karmaşık bir yapıya sahip olduğu bu karmaşık yapıyla üretilen fotoğrafların kullanılabilmesi için, karmaşık geometrik yapılarının anlaşılması, gerçek kamera değerlerinin belirlenmesi, kalibre edilmiş kamera geometrisi ile perspektif geometri arasındaki ilişkinin analiz edilmesi ve kamera kalibrasyonlarının hangi sıklıkta yapılması gerektiğinin analiz edilmesi gerekmektedir. Bu maddelerden bir kısmı uzun süreçli tecrübe ve araştırma gerektiriken bir kısmının ise kısa süreçlerde araştırılabileceği aşikardır. Bu kapsamda UltracamX sayısal hava kamerasının geometrisini analiz etmek, eğer varsa uygun bir kalibrasyon yöntemini belirlemek, alternatif kamera kalibrasyon yaklaşımlarını irdelemek, fotoğraf, yer kontrol ve bağlama noktası sayısının kalibrasyon matrisini belirlemeye etkisini araştırmak maksadıyla kalibrasyon uçuşları gerçekleştirilmiş, tüm blok yapılarında yer kontrol noktası kullanılmadan boresight parametrelerinin belirlendiği sadece tek kolonlu bloklarda yer kontrol noktasına ihtiyaç duyulduğunu, bağlama noktası sayısının kalibrasyon sürecine etkisinin göz ardı edilebilecek kadar küçük olduğu belirlenmiştir (Qtaishat vd. 2008).

Literatürdeki yayınlar taranmış ve aşağıdaki hususlar tespit edilmiştir.

1. Sistem kalibrasyonunun sistemlerin ayrı ayrı kalibrasyonu ve birbirlerine göre kalibrasyonu olmak üzere ikiye ayrılmış ve sistemlerin kalibrasyonu iç yöneltme elemanlarının belirlenmesi süreci olduğu, sistemlerin birbirine göre kalibrasyonunun ise kamera ile navigasyon sistemlerinin birbirlerine göre konum ve dönüklüklerini içerdiği belirtilmiştir (Skaloud, 1999).
2. Montaj parametrelerinin belirlenmesi; GPS anteni ile kamera arasındaki fiziksel mesafenin belirlenmesi (Lever-Arm) ve IMU ile kamera arasındaki dönüklüğün  belirlenmesi (Boresight) olarak ikiye ayırmıştır. Lever-Arm kalibrasyonunun zorunlu olmadığını fakat gözetildiğini, GPSINS verileri kullanılarak kalman filtrelemesi yöntemiyle belirlenebildiğini ifade etmiştir. Herşeye rağmen Lever-Arm parametreleri diğer sistematik hatalarla yüksek korelasyon içindedir. Lever-Arm kalibrasyonun aksine boresight parametrelerinin belirlenmesi yüksek doğruluk için gereklidir (Skaloud, 2007).
3. Boresight dönüklükleri fiziksel olarak ölçülemediği için kalibrasyon uçuşuyla belirlenmektedir (Skaloud vd., 1996). Geleneksel 6 parametreli sistem kalibrasyonunun 3 GPS kayıklığı ve 3 boresight dönüklüğünden oluştuğu ve bu 6 parametrenin test uçuşuyla hesaplanabileceği ifade edilmiştir (Wegmann, 2002).
4. Kamera kalibrasyon süreçleri; iç yöneltme elemanlarının labaratuvar ve operasyonel kalibrasyonla belirlenmesi, kamera nodal noktasının (paralaksın olmadığı nokta) labaratuvar kalibrasyonuyla belirlenmesi, kamera ile GPS anteni arasındaki mesafenin yersel ölçümlerle belirlenmesi ve uçuş anında hassaslaştırılması, kamera ile IMU arasındaki dönüşüm matrisinin operasyonel kalibrasyonla belirlenmesi ve son olarakta kamera ile GPS arasındaki zamansal farklılığın laboratuvar ve operasyonel kalibrasyon ile belirlenmesi işlem adımlarına ayrılmaktadır. Bunun için 4 ana yönde iki farklı uçuş yüksekliğinde küçük bir blokla kalibrasyon uçuşunun yapılması gerekmektedir (Colomina, 2002).
5. Jacobsen ve Wegmann (2002) odak uzaklığının operasyonel koşullar altında değiştiğini, boresight parametrelerinin belirlenmesinde eğer iki ayrı yükseklikte uçuş gerçekleştirilirse yöneltme elemanların da belirlenebileceğini, eğer tek uçuş yüksekliği kullanılırsa ve yer kontrol noktaları yaklaşık olarak aynı yükseklikte olursa düşey yöndeki kayıklık ile odak uzaklığının değişiminin hesaplanmasının imkansız olacağını ifade etmiştir.
6.  Kalibrasyon uçuşuyla iç yöneltme elemanlarının belirlenmesi için uçuşun iki farklı yükseklikte yapılması gerekmektedir. Aynı yükseklikte yapılacak kalibrasyon uçuşunda GPS’in sabit hataları ile iç yöneltme elemanlarının hatası arasında yüksek korelasyon olmaktadır ve bunları birbirinden ayırmak münkün olmamaktadır. Her bir uçuş yüksekliği için GPS hataları sabitken iç yöneltme elemenları uçuş yüksekliğine bağlı olarak değişmektedir. İşte bu sebeple iki farklı uçuş yüksekliğinde sadece iç yöneltme elemanlarının değişimi gözlenmekte ve belirlenmektedir. Eğer proje ve boresight kalibrasyon uçuşu aynı yükseklikte yapılırsa iki ayrı uçuş yüksekliğine gerek olmadığını, sabit GPS hataları iç yöneltme elemanlarının değişmesi neticesinde oluşan hataları da içerecektir (Jacobsen, 2002).
7. UTM ölçek faktörünün başlangıç meridyeniyle olan uzaklığı göre değişim gösterdiği, belirlenen sistem kalibrasyon değerlerinin bu değişimden etkilendiği ve bu sebeple test bölgesi ile proje bölgesi arasındaki mesafenin az olması gerekmektedir (Jacobsen, 2002).
8. Boresight paremeterelerinin belirlenmesinde bağlama noktalarının etkisi, yer kontrol noktalarının kullanımı ve kalibrasyon bloğunu yapısı doktrinde yeterince tartışılmış ve ortak fikir birliğine varılmıştır (Kurz ve vd., 2007; Mostafa, 2002; Qtaishat vd., 2008; Qtaishat vd., 2008; Smith vd., 2006; Wegmann, 2002).
9. Sonuçların büyük bir çoğunluğu test amaçlı uçuşlarda denenmiş standart harita üretimi için yapılan uçuşlarda denenmemiştir.

Tüm bu çalışmalara rağmen;

1.  Test bölgesi ile proje bölgesi arasındaki mesafenin etkisini uygulama olarak gösteren bir çalışma bulunamamıştır.
2. Test alanlarının nasıl olması gerektiği araştırılmış buna rağmen sistem kalibrasyonu için özel bir test alanında kalibrasyon uçuşu gerekliliğinin analizi yapılmamıştır.
3. Boresight parametrelerinin zamansal değişimini sadece 4 aylık bir süreçte gerçekleştirilmiştir. Yıllara sari bir uçuş verisinin uygulandığı bir çalışma bulunamamıştır Qtaishat vd., 2008; Jacobsen, 2003).