Fotogrammetrie - Photogrammetry

Nízká nadmořská výška letecký snímek pro použití ve fotogrammetrii. Poloha: Three Arch Bay, Laguna Beach, CA.

Fotogrammetrie je věda a technologie získávání spolehlivých informací o fyzických objektech a životním prostředí prostřednictvím procesu záznamu, měření a interpretace fotografických obrazů a vzorů elektromagnetického vyzařování a dalších jevů.[1]

Uprostřed se objevila fotogrammetrie 19. století, téměř současně s výskytem fotografování sám. Použití fotografií k vytváření topografické mapy byl poprvé navržen francouzským inspektorem Dominique F. Arago asi v roce 1840.

Termín fotogrammetrie vytvořil pruský architekt Albrecht Meydenbauer,[2] který se objevil v jeho článku z roku 1867 „Die Photometrographie.“[3]

Existuje mnoho variant fotogrammetrie. Jedním příkladem je extrakce trojrozměrných měření z dvourozměrných dat (tj. Obrázků); například vzdálenost mezi dvěma body, které leží v rovině rovnoběžné s fotografickým obrazová rovina lze určit měřením jejich vzdálenosti na obrázku, pokud měřítko obrazu je známo. Další je extrakce přesné barva rozsahy a hodnoty představující takové veličiny jako albedo, zrcadlový odraz, metalicita nebo ambient occlusion z fotografií materiálů pro účely fyzicky založené vykreslování.

Fotogrammetrie na krátkou vzdálenost označuje soubor fotografií z menší vzdálenosti než tradiční letecká (orbitální) fotogrammetrie. Fotogrammetrická analýza může být použita na jednu fotografii nebo může být použita vysokorychlostní fotografie a dálkový průzkum Země detekovat, měřit a zaznamenávat složité 2D a 3D pohybová pole měřením krmení a analýza snímků do výpočetní modely ve snaze postupně odhadnout s rostoucí přesností skutečné 3D relativní pohyby.

Od začátku s stereoplotry slouží k vykreslení vrstevnice na topografické mapy, má nyní velmi širokou škálu použití, jako je sonar, radar, a lidar.

Metody

Datový model fotogrammetrie[4]

Fotogrammetrie využívá metody z mnoha oborů, včetně optika a projektivní geometrie. Digitální snímání obrazu a fotogrammetrické zpracování zahrnuje několik dobře definovaných fází, které umožňují generování 2D nebo 3D digitálních modelů objektu jako konečného produktu.[5] Datový model vpravo ukazuje, jaký typ informací může jít a vyjít z fotogrammetrických metod.

The 3D souřadnice definovat umístění bodů objektu v 3D prostor. The souřadnice obrazu definovat umístění obrazů bodů objektu na filmu nebo elektronickém zobrazovacím zařízení. The vnější orientace[6] kamery definuje její umístění v prostoru a její směr pohledu. The vnitřní orientace definuje geometrické parametry zobrazovacího procesu. Jedná se primárně o ohniskovou vzdálenost objektivu, ale může zahrnovat i popis zkreslení objektivu. Dále další pozorování hrají důležitou roli: s stupnice, v podstatě známá vzdálenost dvou bodů v prostoru, nebo známá pevné body, je vytvořeno spojení se základními měrnými jednotkami.

Každá ze čtyř hlavních proměnných může být vstup nebo výstup fotogrammetrické metody.

Algoritmy pro fotogrammetrii se obvykle pokoušejí minimalizovat součet čtverce chyb přes souřadnice a relativní posunutí referenčních bodů. Tato minimalizace je známá jako úprava svazku a často se provádí pomocí Algoritmus Levenberg – Marquardt.

Stereofotogrammetrie

„Stereofotogrametrie“ přeadresuje tady. Nesmí být zaměňována s Rentgenová stereofotogrammetrie.
Hlavní článek: 3D rekonstrukce z více obrázků
Hlavní kategorie: Stereofotogrammetrie
Viz také: Počítačové stereofonní vidění

Zvláštní případ, tzv stereofotogrammetrie, zahrnuje odhad trojrozměrnosti souřadnice bodů na objektu využívajících měření provedená na dvou nebo více fotografických obrázcích pořízených z různých pozic (viz stereoskopie ). Společné body jsou identifikovány na každém obrázku. Přímku pohledu (nebo paprsek) lze zkonstruovat z umístění kamery do bodu na objektu. Je to průsečík těchto paprsků (triangulace ), která určuje trojrozměrné umístění bodu. Sofistikovanější algoritmy může využít další známé informace o scéně a priori, například symetrie, v některých případech umožňující rekonstrukce 3D souřadnic pouze z jedné polohy kamery. Stereofotogrametrie se objevuje jako robustní bezkontaktní měřicí technika pro určování dynamických charakteristik a tvarů režimů neotáčivých[7][8] a rotující struktury.[9][10]

Integrace

Fotogrammetrická data s hustým rozsahem dat, ve kterých se skenery navzájem doplňují[trapné ]. Fotogrammetrie je přesnější ve směru xay, zatímco rozsahová data jsou obecně přesnější ve směru z[Citace je zapotřebí ]. Tato data rozsahu mohou být dodána technikami jako LiDAR, laserové skenery (využívající čas letu, trian + gulace nebo interferometrii), digitizéry bílého světla a jakoukoli jinou techniku, která skenuje oblast a vrací souřadnice x, y, z pro více samostatných bodů (běžně se nazývá „mračna bodů "). Fotografie mohou jasně definovat okraje budov, když stopa mračna bodů nemůže. Je výhodné začlenit výhody obou systémů a integrovat je a vytvořit tak lepší produkt.

3D vizualizaci lze vytvořit georeferencí leteckých snímků[11][12] a LiDAR data ve stejném referenčním rámci, ororektifikující letecké snímky a poté přikryjte ortorektifikované snímky v horní části mřížky LiDAR. Je také možné vytvářet digitální modely terénu a tím i 3D vizualizace pomocí dvojic (nebo násobků) leteckých snímků nebo satelitu (např. SPOT satelit snímky). Techniky, jako je adaptivní stereofonní párování s nejmenšími čtverci, se poté používají k vytvoření husté řady korespondencí, které se transformují prostřednictvím modelu kamery a vytvářejí hustou řadu dat x, y, z, která lze použít k výrobě digitální model terénu a orthoimage produkty. Systémy, které používají tyto techniky, např. systém ITG, byly vyvinuty v 80. a 90. letech, ale od té doby byly nahrazeny přístupy LiDAR a radary, ačkoli tyto techniky mohou být stále užitečné při odvozování výškových modelů ze starých leteckých snímků nebo satelitních snímků.

Aplikace

Video z 3D modelu Horatio Nelson prorazit Monmouth Museum, vyrobené pomocí fotogrammetrie
Gibraltar 1 neandrtálec lebkový 3D drátový model, vytvořený pomocí 123d Catch

Fotogrammetrie se používá v oblastech, jako je topografické mapování, architektura, inženýrství, výrobní, kontrola kvality, policie vyšetřování, kulturní dědictví, a geologie. Archeologové použít jej k rychlému vytvoření plánů velkých nebo složitých webů a meteorologové použijte jej k určení rychlosti větru tornáda když nelze získat objektivní údaje o počasí.

Fotografie osoby, která používá ovladač k prozkoumání zážitku 3D fotogrammetrie, Future Cities by DERIVE, obnovující Tokio.

Používá se také ke kombinování žívá akce s počítačem generované snímky ve filmech post produkce; Matice je dobrým příkladem použití fotogrammetrie ve filmu (podrobnosti jsou uvedeny v DVD komparzu). Fotogrammetrie byla značně používána k vytváření fotorealistických environmentálních aktiv pro videohry včetně Zmizení Ethana Cartera stejně jako EA DICE je Star Wars Battlefront.[13] Hlavní postava hry Hellblade: Senua's Sacrifice byl odvozen z fotogrammetrických modelů pro zachycení pohybu pořízených herečkou Melinou Juergensovou.[14]

Fotogrammetrie se také běžně používá v kolizním inženýrství, zejména s automobily. Dojde-li k soudnímu sporu o nehodě a inženýři potřebují určit přesnou deformaci ve vozidle, je běžné, že uplynulo několik let a jediným důkazem, který zbývá, jsou fotografie z místa nehody pořízené policií. Fotogrammetrie se používá k určení toho, jak moc bylo dané auto zdeformováno, což souvisí s množstvím energie potřebné k vytvoření této deformace. Energii lze poté použít k určení důležitých informací o srážce (například rychlosti v době nárazu).

Mapování

Fotomapování je proces vytváření mapy s „kartografickými vylepšeními“[15] které byly čerpány z a fotomosaic[16] to je „kompozitní fotografický obraz země“ nebo přesněji jako řízená fotomosaika, kde „jsou jednotlivé fotografie upraveny tak, aby byly nakloněny a přeneseny do společného měřítka (alespoň v určitých kontrolních bodech)“.

Opravy snímků se obvykle dosáhne „přizpůsobením promítaných obrazů každé fotografie do sady čtyř kontrolních bodů, jejichž polohy byly odvozeny z existující mapy nebo z pozemních měření. Když jsou tyto opravené, zmenšené fotografie umístěny na mřížku kontrolních bodů lze mezi nimi dosáhnout dobré korespondence pomocí zručného ořezávání a lícování a využití ploch kolem hlavního bodu, kde jsou minimální reliéfní posuny (které nelze odstranit). ““[15]

„Je docela rozumné dojít k závěru, že nějaká forma fotomapy se stane standardní obecnou mapou budoucnosti.“[17] pokračujte v navrhování[SZO? ] že „fotomapa se jeví jako jediný způsob, jak využít rozumné výhody“ budoucích zdrojů dat, jako jsou letadla s vysokou nadmořskou výškou a satelitní snímky. Letecké fotomapy s nejvyšším rozlišením na GoogleEarth jsou přibližně 2,5 cm (0,98 palce) obrázky v prostorovém rozlišení. fotomapa orto obrázků byla vytvořena v Maďarsku v roce 2012 s prostorovým rozlišením 0,5 cm (0,20 palce).

Archeologie

Pomocí počítače pentop k fotomapě archeologický výzkum v terénu

Prokázání vazby mezi ortofotomapování a archeologie,[18] historický letecké fotografie fotografie byly použity na pomoc při vývoji rekonstrukce mise Ventura, která vedla výkopy stěn konstrukce.

Pteryx UAV, civilní UAV pro letecké snímkování a fotomapování s kamerou stabilizovanou proti převrácení

Fotografování nad hlavou bylo široce používáno pro mapování zbytků povrchů a výkopových expozic na archeologických nalezištích. Navrhované platformy pro zachycení těchto fotografií zahrnovaly: Válečné balóny z první světové války;[19] gumové meteorologické balóny;[20] draci;[20][21] dřevěné plošiny, kovové konstrukce, postavené nad odkrytím výkopu;[20] žebříky samostatně a držené pohromadě s tyčemi nebo prkny; třínohé žebříky; jedno a vícečlánkové póly;[22][23] dvojnožky;[24][25][26][27] stativy;[28] tetrapods,[29][30] a vzdušné korečkové vozy („sběrače třešní“).[31]

Ruční digitální fotografie nad hlavou nad hlavou byly použity s geografickými informačními systémy (GIS ) pro záznam expozic výkopu.[32][33][34][35][36]

Fotogrammetrie se stále více používá v námořní archeologie vzhledem k relativní snadnosti mapování webů ve srovnání s tradičními metodami, což umožňuje vytváření 3D map, které lze vykreslit ve virtuální realitě.[37]

3D modelování

Poněkud podobnou aplikací je skenování objektů, aby se z nich automaticky vytvářely 3D modely. Vyrobený model často stále obsahuje mezery, takže další vyčištění pomocí softwaru jako MeshLab, netfabb nebo MeshMixer jsou často stále nutné.[38]

Google Earth používá fotogrammetrii k vytváření 3D snímků.[39]

Existuje také projekt s názvem Rekrei který pomocí fotogrammetrie vytváří 3D modely ztracených / odcizených / rozbitých artefaktů, které jsou poté zveřejněny online.

Software

Hlavní kategorie: Software pro fotogrammetrii

Existuje mnoho softwarové balíčky pro fotogrammetrii; vidět srovnání fotogrammetrického softwaru.

Viz také

Hlavní kategorie: Fotogrammetrie

Reference

  1. ^ ASPRS online Archivováno 20. května 2015, v Wayback Machine
  2. ^ https://www.cices.org/pdf/P&RSinformation.pdf
  3. ^ Albrecht Meydenbauer: Die Photometrographie. V: Wochenblatt des Architektenvereins zu Berlin Jg. 1, 1867, č. 14, S. 125–126 (Digitalisat ); Č. 15, S. 139–140 (Digitalisat ); Č. 16, S. 149–150 (Digitalisat ).
  4. ^ Wiora, Georg (2001). Optische 3D-Messtechnik: Präzise Gestaltvermessung mit einem erweiterten Streifenprojektionsverfahren (Disertační práce). (Optická 3D metrologie: Přesné měření tvaru s rozšířenou metodou třásněného promítání) (v němčině). Heidelberg: Ruprechts-Karls-Universität. p. 36. Citováno 20. října 2017.
  5. ^ Sužiedelytė-Visockienė J, Bagdžiūnaitė R, Malys N, Maliene V (2015). „Fotogrammetrie na krátkou vzdálenost umožňuje dokumentaci environmentální deformace architektonického dědictví“. Environmentální inženýrství a management Journal. 14 (6): 1371–1381. doi:10.30638 / eemj.2015.149.
  6. ^ Ina Jarve; Natalja Liba (2010). „Vliv různých principů vnější orientace na celkovou přesnost trojúhelníku“ (PDF). Technologijos Mokslai. Estonsko (86): 59–64. Archivovány od originál (PDF) dne 2016-04-22. Citováno 2016-04-08.
  7. ^ Sužiedelytė-Visockienė, Jūratė (1. března 2013). „Analýza přesnosti měření obrazových bodů na krátkou vzdálenost pomocí manuálního a stereofonního režimu“. Geodézie a kartografie. 39 (1): 18–22. doi:10.3846/20296991.2013.786881.
  8. ^ Baqersad, Javad; Carr, Jennifer; et al. (26. dubna 2012). Dynamické charakteristiky lopatky větrné turbíny pomocí 3D digitální korelace obrazu. Sborník SPIE. 8348.
  9. ^ Lundstrom, Troy; Baqersad, Javad; Niezrecki, Christopher; Avitabile, Peter (1. ledna 2012). "Použití technik vysokorychlostní stereofotogrametrie k extrakci informací o tvaru z provozních dat větrné turbíny / rotoru". Témata v modální analýze II, svazek 6. Sborník z konference Společnosti pro experimentální mechaniku. Springer, New York, NY. str.269 –275. doi:10.1007/978-1-4614-2419-2_26. ISBN  978-1-4614-2418-5.
  10. ^ Lundstrom, Troy; Baqersad, Javad; Niezrecki, Christopher (1. ledna 2013). „Použití vysokorychlostní stereofotogrametrie ke shromažďování provozních dat na vrtulníku Robinson R44“. Speciální témata ze strukturní dynamiky, svazek 6. Sborník z konference Společnosti pro experimentální mechaniku. Springer, New York, NY. str.401 –410. doi:10.1007/978-1-4614-6546-1_44. ISBN  978-1-4614-6545-4.
  11. ^ A. Sečin. Digitální fotogrammetrické systémy: trendy a vývoj. GeoInformatika. # 4, 2014, s. 32-34.
  12. ^ Ahmadi, FF; Ebadi, H (2009). „Integrovaný fotogrammetrický a prostorový systém správy databáze pro produkci plně strukturovaných dat pomocí leteckých a dálkových průzkumů Země“. Senzory. 9 (4): 2320–33. doi:10,3390 / s90402320. PMC  3348797. PMID  22574014.
  13. ^ „Jak jsme pomocí fotogrammetrie zachytili každý poslední detail pro Star Wars ™ Battlefront ™?“. 19. května 2015.
  14. ^ „Zachycení pohybu v reálném čase za‚ Hellblade'". engadget.com.
  15. ^ A b Petrie (1977: 50)
  16. ^ Petrie (1977: 49)
  17. ^ Robinson a kol. (1977: 10)
  18. ^ Estes a kol. (1977)
  19. ^ Capper (1907)
  20. ^ A b C Guy (1932)
  21. ^ Bascom (1941)
  22. ^ Schwartz (1964)
  23. ^ Wiltshire (1967)
  24. ^ Kriegler (1928)
  25. ^ Hampl (1957)
  26. ^ Whittlesey (1966)
  27. ^ Fant and Loy (1972)
  28. ^ Straffin (1971)
  29. ^ Simpson a Cooke (1967)
  30. ^ Hume (1969)
  31. ^ Sterud a Pratt (1975)
  32. ^ Craig (2000)
  33. ^ Craig (2002)
  34. ^ Craig a Aldenderfer (2003)
  35. ^ Craig (2005)
  36. ^ Craig a kol. (2006)
  37. ^ "Fotogrammetrie | Námořní archeologie". 2019-01-19. Archivovány od originál dne 19. 1. 2019. Citováno 2019-01-19.
  38. ^ Zhotovit: 3D tisk od Anny Kaziunas Francie
  39. ^ Gopal Shah, Neuvěřitelné 3D snímky Google Earth, vysvětleno, 2017-04-18

externí odkazy