Фотограмметрия — метод измерения по фотографиям¶
Фотограмметрия — наука и совокупность методов получения метрических данных о форме, размерах и положении объектов по их фотографических изображениях. Относится к разделу измерительной геодезии и цифровой обработки изображений; позволяет восстанавливать трёхмерную геометрию сцены по одному или нескольким снимкам, сделанным с разных точек. Широко применяется в картографии, архитектуре, археологии, кинопроизводстве, медицине и промышленности.
¶История
Основы фотограмметрии были заложены в 1850-х годах. В 1858 году французский фотограф и воздушный шаровод Гаспар-Феликс Турнашон (известный под псевдонимом Надар) впервые выполнил аэрофотосъёмку с воздушного шара. В 1867 году французский инженер Альдольф Митч изобрёл стереокомпаратор — прибор для параллельного просмотра двух фотографий, что стало основой стереофотограмметрии.
В России развитие фотограмметрии связано с именем военного топографа полковника П. В. Витковского, который в 1874 году предложил метод определения точек местности по двум аэрофотоснимкам и создал первый в стране стереокомпаратор. В 1920-е годы в СССР была организована аэросъёмка для картографирования территории, а в 1930-е годы сформировалась отечественная школа фотограмметрии во главе с профессором М. В. Влодавцем и академиком В. В. Даниловым.
С 1950-х годов в СССР и за рубежом начали создаваться автоматические фотограмметрические станции, а с 1970-х — цифровые фотограмметрические системы. В 1990-е — 2000-е годы произошёл переход к цифровым камерам и программной обработке, что резко снизило стоимость и повысило доступность метода.
¶Принцип работы
Базовый принцип фотограмметрии — триангуляция. Если объект снят как минимум с двух точек, известных относительно друг друга (базис), то по пересечению лучей изображения объекта в двух кадрах можно вычислить его координаты в трёхмерном пространстве. Точка, из которой сделан снимок, называется центром проекции; луч, соединяющий центр проекции с точкой объекта, называется лучом проекции.
Ключевые условия достоверного результата:
- достаточное перекрытие соседних снимков (обычно 60–80 % для аэрофотосъёмки);
- наличие контрольных точек с известными координатами (опорные пункты);
- высокое качество оптической системы камеры и точное знание внутренних параметров (фокусное расстояние, положение главной точки, коэффициенты дисторсии).
¶Классификация методов
По типу исходных данных:
- Аналоговая фотограмметрия — работа с плёночными снимками с использованием оптико-механических приборов (стереопроекторы, планографы, стереокомпараторы).
- Цифровая фотограмметрия — обработка цифровых изображений с помощью компьютерных программ; в настоящее время является основным направлением.
- Видеофотограмметрия — использование видеокадров как источника измерений.
По типу съёмки:
- Наземная (террестрическая) — камера расположена на поверхности Земли; применяется в архитектуре, археологии, инженерных изысканиях.
- Аэрофотосъёмка — съёмка с летательных аппаратов; основной метод картографирования.
- Космическая фотограмметрия — съёмка со спутников; используется для создания картографических продуктов глобального масштаба.
- Подводная — съёмка аквалангистами или аппаратами для изучения дна, коралловых рифов, затонувших объектов.
¶Технологический процесс
Типичный цифровой фотограмметрический конвейер включает:
- Съёмку — получение серии перекрывающихся изображений.
- Определение ориентирования — вычисление положения камеры в пространстве для каждого кадра. Для этого используются маркеры с известными координатами, данные инерциальных систем или алгоритмы структуры из движения (Structure from Motion, SfM).
- Построение плотного облака точек — алгоритмы множественного стерео (Multi-View Stereo) генерируют облако точек с координатами и цветом.
- Построение поверхности — из облака точек создаётся триангулированная модель (меш) или цифровая модель рельефа (ЦМР) / цифровая ортофотомодель (ЦОМ).
- Текстурирование — проекция исходных фотографий на модель для получения реалистичного трёхмерного изображения.
¶Программное обеспечение
В России и за рубежом используются как промышленные, так и свободные решения:
- PhotoScan / Metashape (Agisoft, Санкт-Петербург) — одна из наиболее распространённых программ для SfM-фотограмметрии; применяется в геодезии, археологии, визуальных эффектах.
- ContextCapture (Bentley Systems) — промышленная система для обработки аэрофотосъёмки и создания ЦОМ.
- Pix4Dmapper — решение для мультикоптерной съёмки.
- OpenDroneMap — свободная программа с открытым исходным кодом.
- 3DF Zephyr, RealityCapture — инструменты для сканирования объектов и сред.
¶Применение
- Картография и геодезия — создание топографических карт, ЦМР, ортофотопланов.
- Горное дело и строительство — контроль объёмов выемки и насыпи, мониторинг деформаций.
- Архитектура и реставрация — обмерные чертежи памятников, цифровые двойники зданий.
- Археология — документация раскопов, 3D-реконструкция памятников.
- Кино и игры — создание цифровых двойников объектов и сред для визуальных эффектов (например, технология «облаков точек» для съёмок с последующей композитной обработкой).
- Медицина — 3D-моделирование по рентгеновским и эндоскопическим изображениям.
- Судебная экспертиза — реконструкция обстановки мест происшествий.
¶Ограничения
Точность фотограмметрии зависит от качества оптики, разрешения матрицы, геометрии съёмки и метода сопоставления. Типичная точность наземной фотограмметрии — от долей миллиметра (при съёмке мелких объектов с близкого расстояния) до сантиметров и дециметров для аэрофотосъёмки. Метод чувствителен к однородным текстурам (снег, вода, пустые стены), недостаточной освещённости и динамическим объектам в кадре.
Источники:
- Влодавец М. В. Фотограмметрия. — М.: Недра, 1977.
- Казаков А. И. Фотограмметрия. — М.: Картгеоцентр, 2001.
- Wolf P. R., Dewitt B. A. Elements of Photogrammetry with Applications in GIS. — McGraw-Hill, 2014.
- Luhmann T., Robson S., Kyle S., Boehm J. Close-Range Photogrammetry and 3D Imaging. — De Gruyter, 2014.
- Agisoft Metashape Professional Edition. Documentation. — Agisoft LLC.