di W. Brucklacher (*)
Nel 1897 Theodor Scheimpflug enunciò probabilmente per primo nel corso di una conferenza svolta a Brunsviga l’idea dell’aerofotografia come mappa topo grafica, cercando di svilupparla successivamente con diverse pubblicazioni e brevetti riguardanti la trasformazione di immagini e di zone d'immagine. La costruzione di stereorestitutori che ebbe inizio verso l’anno 1910 fece però sì che l’idea della fotomappa non venne ulteriormente perseguita. Nel 1929, Lacmann a Berlino s’occupò nuovamente di questo argomento e con il suo prototipo di un « Raddrizzatore per terreno accidentato » indicò la via che con dusse all'evoluzione odierna. Soltanto nel 1955 però s’iniziò la costruzione di apparecchi tecnicamente maturi secondo le esigenze dell'impiego pratico. Questi strumenti dell’ultimo decennio (**), gli « apparecchi della prima generazione », sono caratterizzati dal fatto che l’ortofoto nasce contemporaneamente al pro cesso d’esplorazione del modello stereoscopico. Per rendere ben chiare le diffe renze rispetto agli apparecchi della seconda generazione che descriveremo più avanti, siano citati innanzitutto alcuni rappresentanti caratteristici della « I° ge nerazione ». I. Apparecchi della « I° generazione »
L’ortofotoscopio di Bean utilizza come apparecchio fondamentale il ben noto Balplex, il cui tavolo di proiezione venne trasformato in chassis per la pellicola con un diaframma traslabile in direzione x. L'immagine pro iettata con tonalità azzurra durante la proiezione ad anaglifici produce durante l'esplorazione del modello con questo diaframma l’ortofoto sul materiale foto grafico sensibilizzato all’azzurro. Nell’ortofotografo 693 della SFOM. il tavolo È SA A SA Aa \__G j A = Md i i il di | dl e mia = : \k de rs Da . _% | i 1 a Ka - vi DPR # È poor <-* > LI RE SR Lan SE - a aa Pci RE Fie. 1: Orto-3-proiettore di Carl Zeiss. (*) Carl Zeiss, Oberkochen. (**) Gli apparecchi super-automatici costruiti negli USA per rilevamenti di genere militare ed extraterrestre non hanno finora per motivi di prezzo alcuna importanza per i rilevamenti con renzionali e perciò non verranno discussi in questo luogo.
a chassis costituisce una unità speciale adatta all'impiego sul tavolo di proiezione di vari tipi di plotters simili a quello di Kelsh. In ambedue questi tipiviene da recente utilizzato, come nell’Orto-3-proiettore di Zeiss un terzo proiettore per l’'ortofotoproiezione vera e propria. (Fig. 1). L'apparecchio di Zeiss sidistingue inoltre per la traslazione a meandro completamente automatica deldiaframma nelle due direzioni e per la direzione principale delle strisce in direzione di y — anziché in direzione di x — e la conseguente eliminazione dell’effetto di Fertsch. Lo spazio ridotto del modello consente inoltre un modo dilavoro molto comodo all'operatore seduto, contrariamente agli apparecchi diBean e della SFOM. La misurazione altimetrica avviene in tutti e tre gli apparecchi mediante valutazione stereoscopica secondo procedimenti tradizionali.À I Aia iÈ a pete PIE,MERI otoSREGI dalia = fi i i . ESRdii ni e {ll -G ="iO a at Aff I Si S Ii 7 7 0 Rini e E.5 i ; ma TRI ect -L mne e mil n -Fig. 2: Ortoproiettore GZ 1.Nell’ortoproiettore GZ 1 di Zeiss, l'apparecchio di proiezione forma unaunità autonoma che viene collocata separatamente dal restitutore nella cameraoscura (fig. 2). L'esplorazione a strisce parallele — procedimento che del restosi può ricondurre al Lacmann — si svolge mediante collegamento degli alberellidi comando per i moti nelle varie coordinate nell’apparecchio di restituzionee nel proiettore attraverso trasduttori rotanti. Sul tavolo di proiezione bipartitodell’ortoproiettore GZ 1 avviene contemporaneamente ma separatamente l’elaborazione planimetrica e quella altimetrica, quest’ultima nella forma delle cosiddette « dropped lines» (fig. 3). La messa a fuoco automatica fornisce, contrariamente agli apparecchi prima citati con formazione d’immagine secondo profondità di campo, ia migliore qualità dell'immagine per l’uso immediato dell’ortofotomappa come prodotto finale di questo processo.Nell'’apparecchio Topokart di Jena e nell’A 8-Ortophoto-Attachment diWild simile a quello, l'immagine ortoscopica è derivata dal percorso dei ragginell’oculare e dopo adeguata trasformazione proiettata sulla pellicola fotograficaI14 î
stesa su un iamburo a tenuta di luce trovantesi sul retro dell'apparecchio. Le linee curve del tamburo rappresentano in questi apparecchi la direzione delle strisce. Mediante l’orografo si registrano le dropped lines sul coordinatografo normale del Topokart. — = ne UR n a : = == Cas. 20 3 n= al == = , ES== SIE == VG = trà 4. aeree errnse n = aree OMR 3 e - b. nudi ze = 0 Fig. 3: Mappa altimetrica a dropped lines prodotta con il disposiitvo addizionale per dropped lines dell’ortoproiettore GZ 1 (rapporto d’interpolazione 1/6).
Nello Stereomat B 8 di Wild-Raytheon con esplorazione completamente automatica del modello mediante correlazione elettronica si proietta l’immagine ortoscopica per mezzo di un tubo televisivo sulla pellicola che si trova in un contenitore a tenuta di luce collegato all’apparecchio. La qualità dell'immagine è perciò meno favorevole di quella ottenuta con la proiezione ottica. La valu tazione altimetrica si svolge con un secondo processo d’elaborazione, con il quale si ottengono immediatamente le curve di livello. A questo proposito si fa notare che è stato abbandonato il metodo di generare le curve altimetriche di volta in volta per l’intero percorso di queste e ciò a causa degli svantaggi sistematici con ciò manifestantisi. L’automatismo non riconosce la «chiusura» di una curva altimetrica, ossia esso ripete questa medesima curva fintanto che non venga fermato da un operatore umano. Colline o avvallamenti isolati non ven gono in certe circostanze riconosciuti dall’automatismo e perciò esclusi dall’ela borazione. Nell’apparecchio Stereomat A 2000 è stata perciò abbandonata la riproduzione diretta delle curve altimetriche e in sua vece si procede a ripro durre in tinta rossa sull’ortofotografia in colore blu per le singole strisce brevi tratti di tangenti alle curve altimetriche. Per l'ulteriore impiego si devono poi separare anzitutto con un processo fotografico selettivo i segmenti di tangenti e l’ortofoto dalla pellicola sensibile per il blu e il rosso. La qualità dell’imma gine è stata migliorata rispetto allo Stereomat B 8 con un rimpicciolimento dell'immagine del tubo televisivo.
Za Apparecchi della « II° generazione » Gli apparecchi e metodi per la produzione immediata di ortofotografie con cosiddetto processo « on-line » vengono oggigiorno praticamente applicati presso 1Ò
numerosi enti utilizzatori, anzi essi sono oggetto di continua ulteriore evoluzione. Nei luoghi di produzione però che devono far fronte a una produzionein massa si passa tuttavia sempre di più al cosiddetto « procedimento a memoria », il quale supera notevolmente i « metodi on-line », sia riguardo al latoeconomico, ma sia anche riguardo a precisione e completezza del risultato.La misurazione del profilo nel modello da una parte e la produzione di ortofotografie vera e propria dall'altra vengono con questo procedimento separatesia temporalmente che localmente, con interposizione di una memoria per i profili e del corrispondente dispositivo di lettura. Già molto presto, ancora durantela progettazione del metodo « on-line » è stata presa in considerazione pressola Casa Zeiss la soluzione tecnica che prevede l’impiego di un sistema di memoria. Da vari progetti è risultata infine la soluzione oggi realizzata, cioè ilsistema della memoria analoga con incisione continua dei profili (fig. 4). Mediante l’esplorazione dei profili in un apparechio di lettura a cellule fotoelettriche si trasmette l'informazione altimetrica memorizzata all’ortoproiettore (figura 5). Questo funziona a sua volta completamente automatico senza interventodell'operatore. Le caratteristiche particolari dell'apparecchio di lettura sonole seguenti:TRITO eee er(RITI aa ada ESan Vaieo (I a Cra NIE a I.EE SCA CANE > — eeFig. 4: Lastra di memoria con profili altimetrici.La fotocellula è in grado di leggere i profili a una velocità notevolmentemaggiore di quella possibile ad un operatore umano durante lo scanning.Si possono esplorare contemporaneamente due profili successivi in zoneadiacenti delle strisce. Con ciò si dispone però dell’informazione altimetricaanche in direzione trasversale alla direzione delle strisce.La precisione dell’esplorazione per mezzo delle fotocellule è, come laprecedente precisione d’incisione durante il processo di memorizzazione, tantoelevata da poter escludere ogni possibilità di manifestazione di errori addizionali.16 i
Per l’impiego pratico ne risultano le seguenti possibilità: 2.1 A causa dell’accelerazione del processo di lettura nell’apparecchio di lettura e dell’eliminazione del tempo improduttivo per l'orientamento dei modelli viene aumentata la resa dell’ortoproiettore in misura tale da consentire la lavorazione continua delle lastre a memoria provenienti da più, p. es. 4, resti tutori. Il che conduce, nell’allestimento di opere cartografiche complete, ad un notevole aumento della produzione. 2.2 Nella cosiddetta « soluzione diretta » si è sempre legati per motivi economici a una larghezza più o meno grande delle strisce. Dato che la misu razione del profilo si riferisce sempre alla linea mediana del profilo si mani festano, in caso di pendenze del terreno trasversalmente alla direzione d’esplo razione, degli errori sistematici lungo gli orli delle strisce, le cosiddette discon tinuità: quanto più strette le strisce, tanto minori le discontinuità, ma tanto maggiore il tempo d’esplorazione! Durante la lettura della memoria è ora possi bile, senza accrescere in misura notevole il tempo-macchina, ridurre col metodo dell’interpolazione mediante dimezzamento, divisione per tre e perfino per sei della larghezza di striscia, gli errori sistematici e precisamente con funziona mento completamente automatico — senza operatore. > ina n n nin | ma Rn È e NM 3 A) e «Pa __ Hi e | | si cai Il i i) +» Ve i x Hi ———— ib == iii A ra vr. _M ] fi Gi: dI si, MN — ta i e) BEE ] A i i ® Lode Mo e j 1 rt man — i = (i n Fig. 5: Ortoproiettore GZ 1 con apparecchio di lettura.
Però non ci si è fermati a questo procedimento d’interpolazione. Siccome con la lettura contemporanea di due profili adiacenti si conosce esattamente la pendenza del terreno trasversalmente alla direzione d'esplorazione, sì pre senta quasi spontanea l’idea di un raddrizzamento ottico affine dei singoli ele menti dell'immagine. Questa poteva essere realizzata con impiego delle cosid dette fibre ottiche. L'ottica a fibre, ossia un fascio di fibre di vetro di spes sore microscopico aventi differenti indici di rifrazione nella parete e nel nucleo, consente di trasportare per effetto della riflessione nell'interno della fibra dei punti luminosi da un'estremità all'altra del conduttore ottico. Impiegando dei fasci di fibre « ordinati » è possibile trasportare delle immagini complete. Il di
spositivo speciale creato a questo scopo consiste in un corpo anulare a fibre ottiche, il cui lato inferiore è piano, mentre quello superiore rappresenta una specie di superficie spiraloide che comprende tutte le pendenze possibili del terreno fra 0° e + 35° (fig. 6). Il corpo anulare viene fatto ruotare in modo tale che nel percorso dei raggi di proiezione venga a trovarsi sempre quella parte della superficie spiraloide che presenta la medesima pendenza (o incli nazione) come quella riscontrata per il terreno coll’esplorazione contemporanea dei profili adiacenti. L'immagine incidente sulla superficie obliqua della spirale è poi rifiessa affinemente attraverso l'ottica a fibre sull’apertura del diaframma alla base dell'anello di fibre.
Mentre finora la misurazione dei profili avveniva al centro del diaframma, essa viene ora spostata verso gli orli delle strisce. I successivi collegamenti lungo gli orli delle strisce coincidono pertanto perfettamente e permangono soltanto gli errori causati dalle ondulazioni del terreno fra le singole strisce, i quali però, essendo minori di un intero ordine di grandezza, non hanno più alcuna importanza pratica. A prescindere dall’eliminazione delle discontinuità, ma anche delle zone difettose o delle doppie immagini, si ottiene con questo dispositivo un vero aumento della precisione. Lavori comparativi svolti con e senza interpolazione ottica nella regione sperimentale « Reichenbach » del l’OEEPE hanno fornito i seguenti risultati: senza interpolazione ottica m, = my = +021mm con interpolazione ottica m, = m, = +0,16 mm. | —{( I} , I) il to | 7 io Î ° Cc I I) ——_ | —__ | i + a I! e Il I a -___ t- —y / -—__ ___ | /75X 7 > Fig. 6: Anello di fibre ottiche per l’interpretazione ottica (= restituzione affine degli elementi dell'immagine) per il GZ 1. Dato che con questo metodo si elimina la esplorazione ripetuta entro una 18
striscia, necessaria nei precedenti metodi di dimezzamento, divisione per tre 2 così via, si riduce notevolmente il tempo macchina all’ortoproiettore. P. es. ser un modello per l’ortofotomappa 1:5000 esso è di all'incirca 38 minuti. 2.3 La misurazione altimetrica si svolge nella « soluzione diretta » con una rappreseniazione delle linee altimetriche secondo la giusta posizione e utilizzando diversi simboli per le linee altimetriche susseguentisi. Queste iinee di varia larghezza vengono proiettate otticamente su una pellicola per mezzo di un disco a simboli accoppiato all’alberello della direzione z. Si for mano così le ben note dropped lines, in base alle quali, collegando le estremità dei medesimi simboli nelle strisce successive si costruiscono manualmente le curve altimetriche. Questa successiva elaborazione delle linee altimetriche ri chiede bensì delie ore lavorative, ma non delle ore macchina. Dato che le dropped lines vengono generate durante l'allestimento dell’ortofoto senza im pegno supplementare di ore lavorative, si continuerà a produrle anche per pro zetti per i quali inizialmente si richiede la sola planimetria, per conservarle in vista di eventuali necessità successive d’utilizzazione. Durante il processo di interpolazione della soluzione «a memoria» anche le distanze fra le dropped xines vengono dimezzate, divise per tre ecc., secondo il grado d’interpolazione previsto, semplificando in tal modo in misura notevole la costruzione delle linee altimetriche.
Insieme a quello dell’interpolazione ottica automatica è stato però ora :rovato un procedimento atto a produrre immediatamente, striscia per striscia, Ie linee altimetriche (fig. 7). Coll’esplorazione contemporanea di due profili ai \ {LIZA DI ENDS
Sur pe CDA GT pe (9 o 7, Sf 3 // ce, ; Si CNIL i /I|\ AN Si ET DIRO LL 1 00 RR en - cnc \ TUTT Ca TZZES: Me e im TTT (RNT NR RX ot Fig. 7: Mappe di linee altimetriche automaticamente generate con il dispositivo per linee altimetriche dell’ortoproiettore GZ 1. due orli di una striscia si ottiene la pendenza del terreno fra due punti diret tamente opposti degli orli delle strisce. Un sistema particolare di conteggio fornisce una rappresentazione digitale dell'andamento del profilo trasversale e 19
simo punto anche le loro fasi sono temporalmente in coincidenza, il retino « poggia » stereoscopicamente sulla superficie del modello. Se invece esiste uno sfasamento temporale, le tensioni differenziali formatesi provocano per mezzo di un servomotore sull'asse z l'innalzamento o l'abbassamento del piano di proiezione del restitutore fino a raggiungere la compensazione a zero. Dato che si confrontano delle fasi e non già delle ampiezze, una eventuale differenza della luminosità totale delle due immagini non ha nessun effetto sulla correlazione.
Il correlatore lavora in modo rigidamente « obbiettivo » seguendo i dettagli visibili del terreno. Esso perciò non è in grado, contrariamente ad un, operatore che ragiona « soggettivamente », di traslare la marca di misura sulla superficie del terreno in un bosco, astraendo per modo di dire dagli alberi. Esso sormonta ogni singola casa, ma fallisce quando deve esplorare degli specchi d'acqua uni i formemente anneriti nei fotogrammi. Perciò esso troverà utile applicazione per l'elaborazione di terreni aridi, per l'allestimento di mappe in grandi scale di zone prive di boschi oppure quando è richiesta la sola planimetria ed infine per lavori in piccola scala, quando le altezze degli alberi non hanno più alcun significato rispetto all'intervallo fra le linee altimetriche.
Il correlatore modello EC 5 costruito dalla Ditta ITEK Corp. in stretta collaborazione con la Casa Zeiss può essere applicato a qualsiasi restitutore Planimat prodotio in serie (fig. 9). In connessione al sistema a memoria è stato ora creato il seguente dispositivo molto importante: non appena la correlazione diventa incerta per i motivi sopra elencati, si distacca il bulino per l’incisione del tracciato del profilo, ossia il profilo viene interrotto. Nel contempo si ab bassa la matita del coordinatografo interno del Planimat e traccia una linea retta ni ‘TA gd Î E nu I se i. La 3 0 ds ba o we * i; -- Lo 2 Gelli a = Sa pesBiti n _ i, sl * n dr 4 d | Da 2 7) r i, | dA ; bi - Ri Fig. 9: Planimat con correlatore e memoria per i profili. per tutta la lunghezza della zona d’incertezza. Al termine dell’esplorazione dell'intero modello esiste quindi una mappa dei punti difettosi. Questa potrà essere esplorata dall'operatore passando di profilo in profilo e con continua osservazione stereoscopica questi potrà completare manulamente i tratti man 21
canti del profilo. Ossia non occorre più, come nella « soluzione diretta », p. es. nel caso dello Stereomat, la presenza continua di un operatore per tutta la durata del processo d’esplorazione per poter intervenire immediatamente nei casi critici. Il correlatore EC 5 lavora del resto con la stessa esattezza, ma con una velocità notevolmente maggiore di un ben allenato operatore. 2.5 Aggiornamento di mappe
Infine venga ancora menzionato un vantaggio decisivo dal punto di vista della metodica di lavoro della soluzione a memoria. Per l'aggiornamento delle ortofotomappe sli potrà utilizzare ripetute volte la memoria dei profili creata duarnte la prima elaborazione. Dato che il rilievo fondamentale del terreno praticamente non varia anche entro periodi di tempo più lunghi, si potrà rispar miare in caso di voli fotografici svolti in epoche successive il tempo necessario per la produzione delle memorie di profilo. Condizione essenziale per raggiun gere lo scopo è che i successivi voli coprano pressoché gli spazi modello dei voli precedenti. Ciò potrà essere ottenuto con voli a distanze ravvicinate fra le singole strisce. Tentativi di questo genere sono già stati svolti con successo da vari enti, fra gli altri p.es. l'Ente Nazionale di Rilevamenti Topografici Svedese. 2.6 Grazie alla possibilità di produzione finora realizzata soltanto nel. l'ortoproiettore GZ 1 di doppie ortofotografie in successione senza discontinuità di due modelli si possono produrre direttamente delle mappe, senza dover ricor rere alla compilazione che richiede un notevole dispendio di tempo e riduce nel contempo la precisione. Condizione per questo metodo è che la base delle immagini da restituire sia uguale a metà del formato della mappa e che le relative serie di fotogrammi possano essere scelte da riprese ottenute durante voli fotografici con distanze ristrette fra le strisce. (*)
Riassunto:
Gli apparecchi della « II generazione » per la produzione di ortofotografie che si basano sull'impiego di una memoria per l'informazione altimetrica con sentono l’allestimento decisamente più rapido e più economico delle ortofoto. Grazie alla successione senza discontinuità di modelli doppi si possono produrre delle mappe complete senza dover ricorrere alla compilazione. L’informazione altimetrica si può ottenere dalla memoria in due direzioni, di modo che da un lato diventa possibile il raddrizzamento dei singoli elementi dell'immagine, ossia si evitano i precedenti errori del sistema, mentre dall’altro vengono generate automaticamente le linee altimetriche e precisamente « striscia per striscia ». Con questi due processi viene aumentata non soltanto la precisione, ma si migliora anche la qualità dell’ortofotografia in una misura tale da non poterla più distinguere dalla stampa a contatto di una aerofotografia. L’aggior namento delle mappe che oggi, a parte l'allestimento di nuove mappe, rappre senta ovunque il problema principale degli enti topografici, si può considerare risolto in maniera soddisfacente per le opere cartografiche a base di orto fotografie, grazie alla ripetuta utilizzazione della memoria dei dati altimetrici e all’accelerazione dell’allestimento delle planimetrie da ciò consentita. Per una lavorazione compietamente automatica infine è disponibile il correlatore EC 5. (Traduzione a cura di E. G. Kaetzler) (*) In riguardo ai particolari relativi ai voli fotograci razionali vedasi la pubblicazione di W. Brucklacher, Oberkochen « Zur Frage des optimalen Bildmasstables bei der MHerstellung von Orthophotokarten » su Bildmessung und Luftbildwesen 1970, fascicolo 3. 22