Фотограмметрия - Photogrammetry

Аэрофотоснимок с небольшой высоты для использования в фотограмметрии. Расположение: залив Три-Арк, пляж Лагуна, Калифорния.

Фотограмметрия это наука и технология получения надежной информации о физических объектах и ​​окружающей среде посредством процесса записи, измерения и интерпретации фотографических изображений и структур электромагнитных лучистых изображений и других явлений.[1]

Фотограмметрия появилась в середине 19 век, почти одновременно с появлением фотография сам. Использование фотографий для создания топографические карты был впервые предложен французским геодезистом Доминик Ф. Араго примерно в 1840 г.

Термин фотограмметрия был введен прусским архитектором Альбрехтом Мейденбауэром,[2] в которой появилась его статья 1867 года «Die Photometrographie».[3]

Есть много вариантов фотограмметрии. Одним из примеров является извлечение трехмерных измерений из двумерных данных (т.е. изображений); например, расстояние между двумя точками, лежащими на плоскости, параллельной фотографической плоскость изображения можно определить, измерив их расстояние на изображении, если шкала изображения известно. Другой - извлечение точных цвет диапазоны и значения, представляющие такие величины, как альбедо, зеркальное отражение, металличность, или же окружающая окклюзия по фотографиям материалов в целях физический рендеринг.

Фотограмметрия с близкого расстояния относится к сбору фотографий с меньшего расстояния, чем традиционная аэрофотограмма (или орбитальная). Фотограмметрический анализ может быть применен к одной фотографии или может использовать высокоскоростная фотография и дистанционное зондирование для обнаружения, измерения и записи сложных 2D и 3D поля движения путем подачи измерений и анализ изображений в вычислительные модели в попытке последовательно оценить с возрастающей точностью фактические трехмерные относительные движения.

С самого начала с стереоплоттеры используется для построения контурные линии на топографические карты, теперь он имеет очень широкий спектр применения, например сонар, радар, и лидар.

Методы

Модель данных фотограмметрии[4]

Фотограмметрия использует методы из многих дисциплин, в том числе оптика и проективная геометрия. Захват цифровых изображений и фотограмметрическая обработка включает в себя несколько четко определенных этапов, которые позволяют создавать 2D или 3D цифровые модели объекта как конечного продукта.[5] Модель данных справа показывает, какой тип информации может входить и выходить из фотограмметрических методов.

В 3D координаты определить расположение точек объекта в 3D пространство. В координаты изображения определить расположение изображений точек объекта на пленке или устройстве электронной визуализации. В внешнее ориентирование[6] камеры определяет ее положение в пространстве и направление взгляда. В внутренняя ориентация определяет геометрические параметры процесса построения изображения. Это в первую очередь фокусное расстояние объектива, но может также включать описание искажений объектива. Дальше дополнительные наблюдения играют важную роль: с масштабные линейки, в основном известное расстояние двух точек в пространстве или известное фиксировать точки, создается соединение с основными измерительными блоками.

Каждая из четырех основных переменных может быть Вход или выход фотограмметрического метода.

Алгоритмы фотограмметрии обычно пытаются минимизировать сумму квадраты ошибок по координатам и относительным перемещениям реперных точек. Эта минимизация известна как регулировка связки и часто выполняется с помощью Алгоритм Левенберга – Марквардта.

Стереофотограмметрия

«Стереофотограмметрия» перенаправляется сюда. Не следует путать с Рентгенная стереофотограмметрия.
Основная статья: 3D-реконструкция из нескольких изображений
Главная категория: Стереофотограмметрия
Смотрите также: Компьютерное стереозрение

Особый случай, называемый стереофотограмметрия, предполагает оценку трехмерного координаты точек на объекте, используя измерения, сделанные на двух или более фотографических изображениях, сделанных с разных позиций (см. стереоскопия ). Общие точки обозначены на каждом изображении. Линия обзора (или луч) может быть построена от местоположения камеры до точки на объекте. Это пересечение этих лучей (триангуляция ), который определяет трехмерное положение точки. Более сложный алгоритмы может использовать другую информацию о сцене, которая известна априори, Например симметрии, в некоторых случаях позволяя восстанавливать трехмерные координаты только из одной позиции камеры. Стереофотограмметрия становится надежным методом бесконтактных измерений для определения динамических характеристик и форм колебаний невращающихся[7][8] и вращающиеся конструкции.[9][10]

Интеграция

Фотограмметрические данные с данными плотного диапазона, в которых сканеры дополняют друг друга[неуклюжий ]. Фотограмметрия более точна в направлении x и y, в то время как данные о диапазоне, как правило, более точны в направлении z.[нужна цитата ]. Эти данные диапазона могут быть предоставлены такими методами, как LiDAR, лазерные сканеры (с использованием времени пролета, триангуляции или интерферометрии), дигитайзеры белого света и любые другие методы, которые сканируют область и возвращают координаты x, y, z для нескольких дискретных точек (обычно называемые "облака точек "). Фотографии могут четко определить границы зданий, когда облако точек не может быть использовано. Полезно объединить преимущества обеих систем и интегрировать их для создания лучшего продукта.

Трехмерная визуализация может быть создана путем географической привязки аэрофотоснимков.[11][12] и данные LiDAR в одной системе отсчета, ортотрансформированный аэрофотоснимки, а затем нанесение ортотрансформированных изображений поверх сетки LiDAR. Также возможно создавать цифровые модели местности и, следовательно, 3D-визуализацию, используя пары (или кратные) аэрофотоснимков или спутников (например, Спутник SPOT изображения). Такие методы, как адаптивное стереосогласование методом наименьших квадратов, затем используются для создания плотного массива соответствий, которые преобразуются с помощью модели камеры для создания плотного массива данных x, y, z, которые можно использовать для получения цифровая модель местности и ортоизображение товары. Системы, использующие эти методы, например Система ITG была разработана в 1980-х и 1990-х годах, но с тех пор была вытеснена LiDAR и подходами на основе радаров, хотя эти методы все еще могут быть полезны при построении моделей рельефа на основе старых аэрофотоснимков или спутниковых изображений.

Приложения

Видео 3D модели Горацио Нельсон бюст в Монмут музей, произведенный с помощью фотограмметрии
Гибралтар 1 Неандерталец Каркасная 3D-модель черепа, созданная с помощью 123d Catch

Фотограмметрия используется в таких областях, как топографическая карта, архитектура, инженерное дело, производство, контроль качества, полиция изучение, культурное наследие, и геология. Археологи использовать его для быстрого создания планов больших или сложных сайтов и метеорологи используйте его, чтобы определить скорость ветра торнадо когда невозможно получить объективные погодные данные.

Фотография человека, использующего контроллер для исследования 3D-фотограмметрии, Future Cities от DERIVE, воссоздающего Токио.

Также используется для комбинирования живое действие с компьютерные изображения в фильмах послепроизводственный этап; Матрица является хорошим примером использования фотограмметрии в кино (подробности см. в дополнениях к DVD). Фотограмметрия широко использовалась для создания фотореалистичных объектов окружающей среды для видеоигр, включая Исчезновение Итана Картера а также EA DICE с Звездные войны Battlefront.[13] Главный герой игры Hellblade: Senua's Sacrifice был создан на основе фотограмметрических моделей захвата движения актрисы Мелины Юргенс.[14]

Фотограмметрия также широко применяется при проектировании столкновений, особенно в автомобилях. Когда происходит судебное разбирательство по поводу несчастных случаев, и инженерам необходимо определить точную деформацию, имеющуюся в транспортном средстве, обычно прошло несколько лет, и единственное, что осталось, - это фотографии места аварии, сделанные полицией. Фотограмметрия используется для определения степени деформации рассматриваемого автомобиля, что связано с количеством энергии, необходимой для создания этой деформации. Затем энергию можно использовать для определения важной информации о столкновении (например, скорости во время столкновения).

Картография

Фотокартирование - это процесс создания карты с "картографическими улучшениями".[15] которые были взяты из фотомозаика[16] то есть «составное фотографическое изображение земли», или, точнее, как управляемая фотомозаика, где «отдельные фотографии корректируются для наклона и приводятся к общему масштабу (по крайней мере, в определенных контрольных точках)».

Исправление изображений обычно достигается путем «подгонки проецируемых изображений каждой фотографии к набору из четырех контрольных точек, положение которых было получено из существующей карты или наземных измерений. Когда эти исправленные, масштабированные фотографии помещаются в сетку контрольных точек. , хорошее соответствие может быть достигнуто между ними посредством умелой обрезки и подгонки, а также использования областей вокруг основной точки, где смещения рельефа (которые не могут быть устранены) минимальны ».[15]

«Вполне разумно сделать вывод, что некоторая форма фотокарты станет стандартной общей картой будущего».[17] продолжать предлагать[ВОЗ? ] что «фотокартирование - единственный способ использовать разумные преимущества» будущих источников данных, таких как высотные самолеты и спутниковые снимки. Аэрофотоснимки с самым высоким разрешением на GoogleEarth имеют пространственное разрешение примерно 2,5 см (0,98 дюйма). Самое высокое разрешение Фотокарта ортоизображений была сделана в Венгрии в 2012 году с пространственным разрешением 0,5 см (0,20 дюйма).

Археология

Фотокарта археологических раскопок в полевых условиях с помощью портативного компьютера.

Демонстрация связи между ортофотоплан и археология,[18] исторический аэрофотоснимки фотографии были использованы для помощи в разработке реконструкции миссии Вентура, которая руководила раскопками стен сооружения.

Pteryx БПЛА, гражданский БПЛА для аэрофотосъемки и фотомэппинга со стабилизированной камерой

Фотосъемка с высоты птичьего полета широко применялась для картирования остатков поверхности и раскопок археологических памятников. Предлагаемые платформы для съемки этих фотографий включали: военные шары времен Первой мировой войны;[19] резиновые метеорологические шары;[20] воздушные змеи;[20][21] деревянные площадки, металлические каркасы, сооружаемые над выемкой из котлована;[20] лестницы как отдельно, так и скрепленные шестами или досками; трехногие лестницы; одно- и многосекционные опоры;[22][23] сошки;[24][25][26][27] штативы;[28] четвероногие[29][30] и автовышки («сборщики вишни»).[31]

Цифровые фотографии, сделанные с рук вблизи надира над головой, использовались с географическими информационными системами (ГИС ) для записи обнажений при раскопках.[32][33][34][35][36]

Фотограмметрия все чаще используется в морская археология из-за относительной простоты картографирования участков по сравнению с традиционными методами, что позволяет создавать трехмерные карты, которые могут отображаться в виртуальной реальности.[37]

3D моделирование

Похожее приложение - сканирование объектов для автоматического создания из них 3D-моделей. Изготовленная модель часто все еще содержит пробелы, поэтому дополнительная очистка с помощью программного обеспечения, такого как MeshLab, netfabb или MeshMixer часто по-прежнему необходимы.[38]

Гугл Земля использует фотограмметрию для создания трехмерных изображений.[39]

Еще есть проект под названием Рекрей который использует фотограмметрию для создания 3D-моделей утерянных / украденных / сломанных артефактов, которые затем размещаются в Интернете.

Программного обеспечения

Главная категория: Программное обеспечение для фотограмметрии

Есть много программные пакеты для фотограмметрии; видеть сравнение программного обеспечения для фотограмметрии.

Смотрите также

Главная категория: Фотограмметрия

Рекомендации

  1. ^ ASPRS онлайн В архиве 20 мая 2015 г. Wayback Machine
  2. ^ https://www.cices.org/pdf/P&RSinformation.pdf
  3. ^ Альбрехт Мейденбауэр: Die Photometrographie. В: Wochenblatt des Architektenvereins zu Berlin Jg. 1, 1867, № 14, С. 125–126 (Digitalisat ); № 15, С. 139–140 (Digitalisat ); № 16, С. 149–150 (Digitalisat ).
  4. ^ Виора, Георг (2001). Optische 3D-Messtechnik: Präzise Gestaltvermessung mit einem erweiterten Streifenprojektionsverfahren (Докторская диссертация). (Оптическая 3D-метрология: точное измерение формы с помощью метода расширенной проекции кромки) (на немецком). Гейдельберг: Ruprechts-Karls-Universität. п. 36. Получено 20 октября 2017.
  5. ^ Sužiedelytė-Visockienė J, Bagdžiūnaitė R, Malys N, Maliene V (2015). «Фотограмметрия ближнего действия позволяет документировать деформации архитектурного наследия, вызванные окружающей средой». Журнал экологической инженерии и менеджмента. 14 (6): 1371–1381. Дои:10.30638 / eemj.2015.149.
  6. ^ Ина Ярве; Наталья Либа (2010). «Влияние различных принципов внешней ориентации на общую точность триангуляции» (PDF). Technologijos Mokslai. Эстония (86): 59–64. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-04-22. Получено 2016-04-08.
  7. ^ Сужеделите-Висоцкене, Юрате (1 марта 2013 г.). «Анализ точности измерения точек изображения с близкого расстояния в ручном и стереорежиме». Геодезия и картография. 39 (1): 18–22. Дои:10.3846/20296991.2013.786881.
  8. ^ Бакерсад, Джавад; Карр, Дженнифер; и другие. (26 апреля 2012 г.). Динамические характеристики лопасти ветряной турбины с использованием корреляции трехмерного цифрового изображения. Труды SPIE. 8348.
  9. ^ Лундстрем, Трой; Бакерсад, Джавад; Незрецкий, Кристофер; Авитабиле, Питер (1 января 2012 г.). «Использование методов высокоскоростной стереофотограмметрии для извлечения информации о форме из рабочих данных ветряной турбины / ротора». Темы модального анализа II, том 6. Труды конференции серии Общества экспериментальной механики. Спрингер, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. стр.269 –275. Дои:10.1007/978-1-4614-2419-2_26. ISBN  978-1-4614-2418-5.
  10. ^ Лундстрем, Трой; Бакерсад, Джавад; Незрецкий, Кристофер (1 января 2013 г.). «Использование высокоскоростной стереофотограмметрии для сбора эксплуатационных данных на вертолете Robinson R44». Специальные темы структурной динамики, Том 6. Труды конференции серии Общества экспериментальной механики. Спрингер, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. стр.401 –410. Дои:10.1007/978-1-4614-6546-1_44. ISBN  978-1-4614-6545-4.
  11. ^ А. Сечин. Цифровые фотограмметрические системы: тенденции и разработки. Геоинформатика. №4, 2014, с. 32-34.
  12. ^ Ахмади, Ф.Ф .; Эбади, Х (2009). «Интегрированная система управления фотограмметрической и пространственной базой данных для получения полностью структурированных данных с использованием изображений с воздуха и дистанционного зондирования». Датчики. 9 (4): 2320–33. Дои:10,3390 / с90402320. ЧВК  3348797. PMID  22574014.
  13. ^ «Как мы использовали фотограмметрию, чтобы запечатлеть каждую деталь для Star Wars ™ Battlefront ™». 19 мая 2015.
  14. ^ "Захват движения в реальном времени за" Hellblade "'". engadget.com.
  15. ^ а б Петри (1977: 50)
  16. ^ Петри (1977: 49)
  17. ^ Робинсон и др. (1977: 10)
  18. ^ Estes et al. (1977)
  19. ^ Каппер (1907)
  20. ^ а б c Парень (1932)
  21. ^ Баском (1941)
  22. ^ Шварц (1964)
  23. ^ Уилтшир (1967)
  24. ^ Криглер (1928)
  25. ^ Хэмпл (1957)
  26. ^ Уиттлси (1966)
  27. ^ Фэнт и Лой (1972)
  28. ^ Straffin (1971)
  29. ^ Симпсон и Кук (1967)
  30. ^ Хьюм (1969)
  31. ^ Стеруд и Пратт (1975)
  32. ^ Крейг (2000)
  33. ^ Крейг (2002)
  34. ^ Крейг и Олдендерфер (2003)
  35. ^ Крейг (2005)
  36. ^ Craig et al. (2006)
  37. ^ «Фотограмметрия | Морская археология». 2019-01-19. Архивировано из оригинал на 2019-01-19. Получено 2019-01-19.
  38. ^ СДЕЛАТЬ: 3D-печать Анны Казюнас Франция
  39. ^ Гопал Шах, Объяснение невероятных трехмерных изображений Google Планета Земля, 2017-04-18

внешняя ссылка