Фотограмметрия

Фотограмметрия — это научно-техническая дисциплина, занимающаяся определением формы, размеров, пространственного положения и иных характеристик объектов по их фотографическим изображениям. Основной задачей фотограмметрии является получение точных метрических данных об объекте без непосредственного контакта с ним, путём измерения и интерпретации снимков. Методы фотограмметрии широко применяются в геодезии, картографии, архитектуре, археологии, промышленности, медицине и создании цифровых трёхмерных моделей.

История развития

Зарождение фотограмметрии связано с изобретением фотографии в первой половине XIX века. В 1849 году французский офицер Эме Лосседа сформулировал принципы, позволяющие определять расстояния по стереопарам снимков. В 1858 году другой француз, полковник Адольф де Фоше, впервые использовал фотографирование с воздушного шара для картографирования местности — это стало началом аэрофотограмметрии.

В 1900-х годах немецкие учёные, в частности Карл Пулфрих, разработали стереофотограмметрические приборы, позволявшие выполнять измерения с высокой точностью. В 1910-е годы Генрих Вильд создал первый универсальный стереофотограмметрический прибор, что дало толчок к автоматизации процесса. В Советском Союзе фотограмметрия начала активно развиваться в 1920-1930-е годы в связи с потребностями государственного картографирования и землеустройства. Крупный вклад в теорию и практику внесли учёные Ф. В. Дробышев, Д. М. Дейнеко, А. Н. Лобанов.

В 1950-1960-е годы с появлением электронно-вычислительных машин началась цифровизация фотограмметрических процессов. Ключевым этапом стало создание метода цифровой обработки изображений и алгоритмов автоматизированного построения трёхмерных моделей, таких как корреляция изображений (image matching) в 1970-1980-е.

С начала XXI века фотограмметрия претерпела глубокую трансформацию: вычислительные мощности и высокая разрешающая способность цифровых камер и беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) сделали методы доступными для массового использования. Программное обеспечение, такое как Agisoft Metashape и RealityCapture, позволяет выполнять полную обработку тысяч снимков на персональных компьютерах.

Классификация

Фотограмметрия классифицируется по нескольким признакам.

По способу получения снимков

• Наземная фотограмметрия — съёмка ведётся с поверхности Земли. Применяется в архитектуре (обмеры фасадов), промышленности (контроль качества), криминалистике и археологии.
• Аэрофотограмметрия — снимки выполняются с самолётов, вертолётов или дирижаблей. Традиционный метод для создания топографических карт.
• Космическая фотограмметрия (спутниковая) — съёмка с орбитальных аппаратов. Используется для глобального картографирования и мониторинга изменений земной поверхности.
• Подводная фотограмметрия — съёмка ведётся под водой (например, для изучения затонувших объектов или биологических структур).

По времени получения результатов

• Аналоговая фотограмметрия — исторический метод, при котором измерения выполнялись вручную на оптико-механических приборах (стереокомпараторах, стереопланиграфах).
• Аналитическая фотограмметрия — вычисления проводятся на компьютерах с использованием цифровых моделей местности.
• Цифровая фотограмметрия — весь процесс, от обработки снимков до построения модели, полностью автоматизирован.

По количеству снимков

• Одиночная фотограмметрия — по одному снимку, требующему знания параметров объекта или эталонных размеров.
• Стереофотограмметрия — по паре снимков (стереопаре) с перекрытием, позволяющая получать трёхмерную информацию.
• Многомаршрутная (блочная) фотограмметрия — серия из множества снимков, покрывающих обширную территорию.

Теоретические основы

Фотограмметрия базируется на принципах геометрической оптики и проективной геометрии. Ключевой моделью является камера-обскура: центральная проекция, при которой лучи света, отражённые от точки объекта, проходят через центр проекции (объектив) и формируют изображение на сенсоре.

Для восстановления трёхмерных координат необходимо знать:

• Элементы внутреннего ориентирования (фокусное расстояние, координаты главной точки, размеры и форма пиксела сенсора).
• Элементы внешнего ориентирования (координаты центра проекции и углы поворота камеры в момент съёмки для каждого снимка).

Процесс включает:

1. Выявление и сопоставление характерных точек на пересекающихся снимках (триангуляция).
2. Вычисление параметров камеры и относительного положения снимков (разрешение системы).
3. Построение разреженного облака точек (sparse point cloud).
4. Построение плотного облака точек (dense point cloud) путём полуглобального или Patch-Match сопоставления (MVS — Multi-View Stereo).
5. Создание трёхмерной поверхности (мэша) путём триангуляции точек.

Точность фотограмметрических измерений зависит от разрешения снимков, качества калибровки камеры, точности опорных точек на местности (при наземной привязке) и методов обработки.

Применение

Картография и геодезия

Фотограмметрия является основным инструментом для создания и обновления топографических карт. Аэрофотосъёмка и спутниковая съёмка позволяют получать ортофотопланы — точные планы местности с фотографическим изображением, используемые в градостроительстве, землеустройстве и кадастре. Метод позволяет измерять большие территории за короткое время.

Архитектура и археология

В архитектуре фотограмметрия применяется для обмеров зданий и сооружений, включая исторические и труднодоступные объекты. В археологии с её помощью фиксируют раскопки, создают трёхмерные модели артефактов и реконструируют утраченные элементы. Например, для цифрового сохранения памятников Пальмиры использовались методы фотограмметрии.

Промышленность

Фотограмметрические системы внедрены для контроля качества деталей сложной формы (например, лопаток турбин, кузовов автомобилей), обратного инжиниринга (reverse engineering) — воссоздания цифровых моделей по физическим образцам. Метод позволяет оценивать отклонения размеров от номинала с точностью до долей миллиметра.

Медицина

В ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и стоматологии применяется стоматологическая и медицинская фотограмметрия для создания трёхмерных моделей лица или зубных рядов для протезирования и планирования операций (например, стереофотограмметрические системы для оценки деформаций позвоночника).

Агропромышленный комплекс

С использованием БПЛА (дронов) и фотограмметрии ведётся мониторинг состояния посевов, оценка всхожести, выявление болезней растений и расчёт площади листвы для моделирования роста культур.

Строительство и горное дело

Мониторинг строительных площадок, расчёт объёмов земляных работ, контроль за оползневыми процессами и обвалами в карьерах. Фотограмметрия позволяет оперативно создавать трёхмерные модели рельефа (DEM — Цифровая модель рельефа).

Инструменты и оборудование

Для выполнения фотограмметрической съёмки используются:

• Цифровые камеры — как специализированные измерительные камеры (метрические), так и обычные цифрозеркальные или беззеркальные камеры (неметрические), а также камеры смартфонов.
• Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) — мультикоптеры и самолётного типа (постоянно производящие серии снимков с перекрытием).
• Опорные точки (маркеры) — искусственные или постоянные объекты на местности с известными координатами для привязки моделей к системе координат.
• Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС/ГЛОНАСС) — для определения координат точек съёмки (съёмочных центров) и опорных точек.
• ПО для обработки: Agisoft Metashape, RealityCapture (компании Epic Games), Pix4D, Autodesk ReCap, 3DF Zephyr и открытые пакеты (например, OpenMVG, COLMAP, Meshroom). Некоторые из этих программных продуктов распространяются на условиях коммерческой лицензии.

Ограничения и точность

Точность фотограмметрии ограничена несколькими факторами:

• Разрешающая способность сенсора камеры — влияет на минимальный размер различимых объектов.
• Качество оптики — дисторсия (искажение) объектива должна быть скомпенсирована при калибровке.
• Освещение и текстура поверхности — на однородных поверхностях (белые стены, песок) алгоритмам корреляции трудно найти общие точки, что снижает плотность облака точек.
• Перекрытие снимков — для надёжной триангуляции требуется перекрытие не менее 60% по маршруту и 30% между маршрутами; при недостаточном перекрытии возникают разрывы модели.
• Математическая модель — при съёмке с неподвижной камеры (наземная) на большие расстояния (сотни метров) ошибки в определении фокусного расстояния становятся критичными.

В типичных условиях (аэрофотосъёмка с высоты 150–300 метров) точность построения ортофотоплана может составлять от нескольких сантиметров до десятков сантиметров, а при наземной съёмке с коротких дистанций — до субмиллиметровой.

Литература

1. Лобанов А. Н. Фотограмметрия: Учебник для вузов. — М.: Недра, 1984.
2. Mikhail E. M., Bethel J. S., McGlone J. C. Introduction to Modern Photogrammetry. — Wiley, 2001.
3. Kraus K. Photogrammetry: Geometry from Images and Laser Scans. — de Gruyter, 2007.
4. Agisoft Metashape User Manual: Professional Edition, Version 2.1. — 2023.
5. Гостев Г. М. Фотограмметрия: теория и практика цифровой обработки снимков. — Константа, 2015.