Кіріспе
Фотограмметрия – физикалық объектілер мен қоршаған орта туралы сенімді ақпаратты фотосуреттерді, электромагниттік сәулеленудің бейнелерін және басқа да құбылыстарды жазу, өлшеу және интерпретациялау арқылы алу ғылымы және технологиясы. Бұл әдіс авторы ретінде Айме Лауседат аталса, "фотограмметрия" терминін прус архитекторы Альбрехт Мейденбауэр 1867 жылғы "Die Photometrographie" мақаласында енгізген. Фотограмметрияның көптеген түрлері бар. Мысалы, екі өлшемді деректерден (яғни, суреттерден) үш өлшемді өлшемдерді алуға болады; фотосурет жазықтығына параллель жазықтықта орналасқан екі нүктенің арақашықтығын, егер сурет масштабы белгілі болса, суреттегі арақашықтықты өлшеу арқылы анықтауға болады. Тағы бір мысал – материалдардың суреттерін түсіру арқылы альбедо, жарықтандыру, металдық қасиеттері немесе қоршаған ортаның көлеңкесі сияқты шамаларды көрсететін нақты түс диапазондарын және мәндерін алу, оларды физикалық негізде көрсету. Жақын қашықтықтағы фотограмметрия – дәстүрлі әуе (немесе орбиталық) фотограмметрияға қарағанда жақын арадан фотосуреттерді жинау. Фотограмметриялық талдау бір суретке қолданылуы мүмкін, ал жоғары жылдамдықты фотосурет және қашықтан зондтау арқылы күрделі 2D және 3D қозғалыс өрістерін анықтау, өлшеу және жазу үшін есептеу модельдеріне өлшемдер мен суреттерді талдауды енгізу арқылы нақты 3D салыстырмалы қозғалыстарды біртіндеп бағалауға тырысуға болады. Бұл әдіс топографиялық карталарда контурлық сызықтарды жүргізуге арналған стереоплоттерлерден басталып, қазір сонар, радар және лидар сияқты кең ауқымда қолданылады.
Photogrammetry is the science and technology of obtaining reliable information about physical objects and the environment through the process of recording, measuring and interpreting photographic images and patterns of electromagnetic radiant imagery and other phenomena. While the invention of the method is attributed to Aimé Laussedat, the term "photogrammetry" was coined by the Prussian architect Albrecht Meydenbauer, which appeared in his 1867 article "Die Photometrographie." There are many variants of photogrammetry. One example is the extraction of three dimensional measurements from two dimensional data (i. e. images); for example, the distance between two points that lie on a plane parallel to the photographic image plane can be determined by measuring their distance on the image, if the scale of the image is known. Another is the extraction of accurate color ranges and values representing such quantities as albedo, specular reflection, metallicity, or ambient occlusion from photographs of materials for the purposes of physically based rendering. Close range photogrammetry refers to the collection of photography from a lesser distance than traditional aerial (or orbital) photogrammetry. Photogrammetric analysis may be applied to one photograph, or may use high speed photography and remote sensing to detect, measure and record complex 2D and 3D motion fields by feeding measurements and imagery analysis into computational models in an attempt to successively estimate, with increasing accuracy, the actual, 3D relative motions. From its beginning with the stereoplotters used to plot contour lines on topographic maps, it now has a very wide range of uses such as sonar, radar, and lidar.
Әдістер
Фотограметрия оптика және проекциялық геометрияны қоса алғанда, көптеген ғылымдардың әдістерін пайдаланады. Цифрлік бейнелерді түсіру және фотограмметриялық өңдеу бірнеше анықталған кезеңдерді қамтиды, олар түпкі нәтиже ретінде нысанның 2D немесе 3D цифрлық модельдерін жасауға мүмкіндік береді. Оң жақтағы дерек моделі фотограмметриялық әдістерге қандай ақпарат енгізіліп, қандай ақпарат шығатынын көрсетеді. 3D-координаттар нысан нүктелерінің 3D кеңістіктегі орналасуын анықтайды. Бейне координаталары пленкадағы немесе электрондық бейнелеу құрылғысындағы нысан нүктелерінің бейнелерінің орналасуын анықтайды. Камераның сыртқы бағдары оның кеңістіктегі орнын және оның бағытын анықтайды. Ішкі бағдарлау бейнелеу процесінің геометриялық параметрлерін анықтайды. Бұл, негізінен, линзаның фокус арақашықтығы, бірақ линзаның бұрмалануын сипаттауды да қамтуы мүмкін. Қосымша байқаулар маңызды рөл атқарады: масштабтық сызықтар арқылы, негізінен, кеңістіктегі екі нүктенің белгілі арақашықтығы немесе белгілі бекітілген нүктелер арқылы негізгі өлшем бірліктерімен байланыс орнатылады. Төрт негізгі айнымалының әрқайсысы фотограмметриялық әдістің кірісі немесе шығысы бола алады. Фотограмметрия алгоритмдері әдетте координаталар мен анықтамалық нүктелердің салыстырмалы ығысуы бойынша қателердің квадраттарының қосындысын азайтуға тырысады. Бұл азайту түйінді түзету деп аталады және көбінесе Левенберг-Маркардт алгоритмі арқылы жүзеге асырылады.
Стереофотограметрия
Стереофотограмметрия деп аталатын арнайы жағдай, екі немесе одан көп түрлі позициялардан түсірілген фотосуреттердегі өлшемдерді пайдаланып, объектідегі нүктелердің үш өлшемді координаттарын анықтауды қамтиды (стереоскопияны қараңыз). Әрбір суретте ортақ нүктелер анықталады. Камера орналасқан жерден объектідегі нүктеге дейін көру сызығын (немесе сәулесін) жүргізуге болады. Осы сәулелердің қиылысуы (үшбұрыштау) нүктенің үш өлшемді орналасуын анықтайды. Күрделі алгоритмдер алдын ала белгілі сахна туралы басқа да ақпаратты, мысалы симметрияны пайдалана алады, кейбір жағдайларда бір ғана камера позициясынан 3D координаттарды қайта құруға мүмкіндік береді. Стереофотограмметрия – бұл айналмалы және айналмайтын құрылымдардың динамикалық сипаттамаларын және пішіндерін анықтауға арналған сенімді, контактісіз өлшеу техникасы болып табылады. Фотограмметриялық модельдерді жасау үшін түсірілген суреттер жинағын Пьер Сегюиннің есімімен полиоскопия деп атауға болады.
Интеграциялау
Фотограмметриялық деректерді басқа техникалардың қашықтық деректерімен толықтыру мүмкін. Фотограмметрия x және y бағыттарында жоғары дәлдік береді, ал қашықтық деректері әдетте z бағытында дәлдік артықшылығына ие. Бұл қашықтық деректерін LiDAR, лазерлік сканерлер (ұшу уақытын, триангуляцияны немесе интерферометрияны қолдана отырып), ақ жарық дигитайзерлері және кез келген басқа техника қамтамасыз ете алады, ол белгілі бір аймақты сканерлеп, дискретті нүктелердің x, y, z координаттарын қайтарады (бұл әдетте "нүктелік бұлттар" деп аталады). Фотосуреттер ғимараттардың жиектерін анық көрсете алады, ал нүктелік бұлттың іздері болмағанда. Екі жүйенің де артықшылықтарын біріктіріп, жақсы нәтиже алу тиімді. Әуе суреттері мен LiDAR деректерін бірге геореференциялау, әуе суреттерін ортопроекциялау және содан кейін ортопроекцияланған суреттерді LiDAR торына жабу арқылы 3D визуализация жасауға болады. Сондай-ақ, цифрлық жер бедері модельдерін және осылайша 3D визуализацияларды әуе суреттерінің немесе спутниктік суреттердің (мысалы, SPOT спутниктік суреттері) жұптарын (немесе бірнешеуін) пайдалана отырып жасауға болады. Адаптивті ең кіші квадраттар стерео сәйкестендіруі сияқты техникалар қолданылып, камера моделі арқылы өңделінетін сәйкестіктердің тығыз массивін жасауға болады, одан кейін цифрлық жер бедері моделін және ортофотосуреттерді жасау үшін қолданылатын x, y, z деректерінің тығыз массиві алынады. Бұл техникаларды қолданатын жүйелер, мысалы, ITG жүйесі, 1980 және 1990 жылдары әзірленген, бірақ содан бері LiDAR және радарлық тәсілдермен ығыстырылды, дегенмен бұл техникалар әлі де ескі әуе суреттерінен немесе спутниктік суреттерден биіктік модельдерін алу үшін пайдалы болуы мүмкін.
Қолданбалар
Фотограмметрия топографиялық карталау, сәулет, кино түсіру, инженерлік, өндіріс, сапаны бақылау, полиция тергеуі, мәдени мұра және геология сияқты салаларда қолданылады. Археологтар оны үлкен немесе күрделі нысандардың жоспарларын жылдам жасау үшін пайдаланады, ал метеорологтар объективті ауа райы деректері қолжетімсіз болғанда, торнадоның жел жылдамдығын анықтау үшін қолданады. Сонымен қатар, ол фильмдерді постпродакшнде түсірілген кадрларды компьютерлік графикамен біріктіру үшін қолданылады; "Матрица" фильмі фотограмметрияның кинода қолданылуының жақсы мысалы (толық мәліметтер DVD-нің қосымша бөлімінде келтірілген). Фотограмметрия видео ойындар үшін фотореалистік орта элементтерін жасау үшін кеңінен қолданылды, оның ішінде The Vanishing of Ethan Carter және EA DICE-тың Star Wars Battlefront ойындары. Hellblade: Senua's Sacrifice ойынының басты кейіпкері актриса Мелина Юргенстің фотограмметриялық қозғалыс түсіру модельдерінен жасалған. Фотограмметрия соқтығысу инженерлігінде, әсіресе автомобильдерде де жиі қолданылады. Автокөлік апаты бойынша сот процесі кезінде инженерлерге көліктің нақты деформациясын анықтау қажет болғанда, көбінесе бірнеше жыл өтіп, қалған жалғыз дәлел – полицияның апат орнынан түсірген суреттері болады. Фотограмметрия көліктің қаншалықты деформацияланғанын анықтау үшін қолданылады, бұл деформацияны тудыруға қажетті энергиямен байланысты. Бұл энергия апат туралы маңызды ақпаратты анықтау үшін (мысалы, соқтығыс кезіндегі жылдамдық) пайдаланылуы мүмкін.
Картаға түсіру
Фотокарталау – "жердің композициялық фотосуреті" фотомозаикасынан алынған "картографиялық жақсартулармен" карта жасау процесі, немесе дәлірек айтқанда, "жекелеген фотосуреттердің еңістігі түзетіліп, кем дегенде белгілі бір бақылау нүктелерінде ортақ масштабқа келтірілетін" бақыланатын фотомозаика ретінде. Кескіндерді түзету әдетте "әрбір фотосуреттің проекцияланған кескінін, қолданыстағы картадан немесе жер өлшеулерінен алынған координаттары белгілі төрт бақылау нүктесінің жиынтығына сәйкестендіру арқылы жүзеге асырылады. Осы түзетілген, масштабталған фотосуреттер бақылау нүктелерінің торларына орналастырылғанда, шеберлікпен кесу және орнату арқылы, сондай-ақ рельефтік бұрмаланулардың (толығымен жоюға болмайтын) ең аз болатын негізгі нүктенің айналасындағы аймақтарды пайдалану арқылы олардың арасында жақсы сәйкестікке қол жеткізіледі". "Болашақта фотокартаның бір түрі стандартты жалпы картаға айналады деген қорытынды жасауға болады". Олар сондай-ақ "фотокарталау болашақ деректер көздерін, мысалы, жоғары биіктіктегі ұшақтар мен спутниктік суреттерді тиімді пайдаланудың жалғыз жолы болып көрінеді" деп санайды.
Археология
Орфофотокарталау мен археология арасындағы байланысты көрсете отырып, тарихи әуе суреттері құрылыстың қабырғаларын қазу жұмыстарына бағыт беруге көмектесетін Вентура миссиясының реконструкциясын жасауға пайдаланылды. Әуе суреті археологиялық ескерткіштердегі жер бетіндегі қалдықтарды картаға түсіру және қазба ашықтарын тіркеу үшін кеңінен қолданылып келеді. Осы суреттерді түсіруге ұсынылған платформалардың қатарында: Бірінші дүниежүзілік соғыстағы әскери шарлар; резеңке метеорологиялық шарлар; желкендер; қазба ашықтарының үстіне орнатылған ағаш платформалар, металл каркастар; жеке және тіреулермен немесе тақтайшалармен біріктірілген баспалдақтар; үш аяқты баспалдақтар; бір және көп бөлімді тіреулер; екіаяқты штативтер; үш аяқты штативтер; төрт аяқты штативтер және көтерілгіш платформалар ("cherry picker-лар") бар. Географиялық ақпараттық жүйелермен (GIS) қолмен ұсталып, тік бұрышқа жақын алынған цифрлық суреттер қазба ашықтарын тіркеу үшін қолданылды. Фотограмметрия дәстүрлі әдістермен салыстырғанда учаскелерді картаға түсірудің қарапайымдығының арқасында теңіз археологиясында жиі қолданылады, бұл виртуалды шындықта көрсетілетін 3D карталарды жасауға мүмкіндік береді.
3D модельдеу
Осыған ұқсас қолданыс – нысандарды сканерлеу арқылы олардың 3D модельдерін автоматты түрде жасау. Фотограметрия суреттерге негізделгендіктен, қараңғы, жылтыр немесе мөлдір беттері бар нысандардың суреттеріне қатысты физикалық шектеулер бар. Мұндай жағдайларда жасалған модельде әлі де олқылықтар болуы мүмкін, сондықтан MeshLab, netfabb немесе MeshMixer сияқты бағдарламалық қамтамасыз етумен қосымша өңдеу қажет. Балама ретінде, мұндай нысандарды матовый бояумен сырқату арқылы олардың мөлдір немесе жылтыр қасиеттерін жоюға болады. Google Earth 3D суреттерді жасау үшін фотограметрияны пайдаланады. Сондай-ақ, "Rekrei" деп аталатын жоба бар, ол фотограметрияны жоғалған, ұрланған немесе бұзылған артефактілердің 3D модельдерін жасау үшін қолданады, олар кейін интернетке жарияланады.
Бағдарламалық жасақтама
Фотограмметрия үшін көптеген бағдарламалық пакеттер бар; фотограмметрия бағдарламалық жасақтамаларын салыстыруға шолу жасаңыз. Apple 2021 жылғы Apple Worldwide Developers Conference-те macOS Monterey үшін Object Capture деп аталатын фотограмметрия API-ін таныстырды. Бұл API-ді пайдалану үшін macOS Monterey іске қосылған MacBook және түсірілген сандық суреттер жинағы қажет.