Стереофотограмметрия

Стереофотограмметрия — это раздел фотограмметрии, занимающийся определением формы, размеров и пространственного положения объектов по двум или более фотоснимкам, полученным с разных точек съёмки. Метод основан на принципе стереозрения (бинокулярного зрения), при котором по разности координат (параллаксу) одноимённых точек на снимках вычисляется трёхмерная модель местности или объекта. Стереофотограмметрия широко применяется в картографии, геодезии, архитектуре, археологии, промышленности и судебной экспертизе.

История

Первые теоретические основы стереофотограмметрии были заложены в середине XIX века. В 1859 году французский учёный Эме Лосседа (Aimé Laussedat) предложил использовать фотоснимки для составления планов местности, что считается началом фотограмметрии. В 1901 году немецкий геодезист Карл Пульфрих (Carl Pulfrich) разработал стереокомпаратор — прибор для измерения параллаксов на стереопарах снимков, что позволило перейти от качественного стереоэффекта к количественным измерениям.

В 1920-х годах швейцарский инженер Райнхард Хугерсхофф (Reinhard Hugershoff) создал первый стереоавтограф — прибор, автоматически вычерчивающий горизонтали рельефа по стереопарам. В 1930-х годах в СССР под руководством Ф. В. Дробышева были разработаны отечественные стереофотограмметрические приборы, в том числе стереометр и стереопроектор. С развитием вычислительной техники в 1960-х годах началась цифровая обработка стереоизображений, а в 1990-х годах появились полностью автоматизированные системы цифровой стереофотограмметрии.

Физические основы

Стереоскопическое зрение

Человек воспринимает глубину пространства благодаря тому, что глаза видят один и тот же объект с разных точек, расположенных на расстоянии около 65 мм друг от друга (базис глаз). Различие в положении изображений на сетчатках (бинокулярный параллакс) позволяет мозгу оценивать расстояние до объекта. Стереофотограмметрия имитирует этот процесс, используя два снимка, сделанных с разных точек съёмки (стереопара).

Параллакс

Параллакс — это разность координат одноимённых точек на двух снимках стереопары. Различают продольный параллакс (по оси X, вдоль направления базиса съёмки) и поперечный параллакс (по оси Y). Продольный параллакс обратно пропорционален расстоянию до точки: чем ближе объект, тем больше параллакс. Измерение параллаксов позволяет вычислить высоты точек и построить цифровую модель рельефа (ЦМР).

Классификация методов

По способу получения снимков

• Наземная стереофотограмметрия — съёмка ведётся с поверхности Земли с помощью фотокамер, установленных на штативах или специальных платформах. Применяется для архитектурных обмеров, документирования памятников, криминалистики.
• Воздушная стереофотограмметрия — снимки делаются с летательных аппаратов (самолётов, вертолётов, беспилотных летательных аппаратов). Используется для создания топографических карт, кадастровых планов, мониторинга территорий.
• Космическая стереофотограмметрия — съёмка ведётся с орбитальных спутников. Позволяет получать глобальные цифровые модели рельефа (например, SRTM, ASTER GDEM).

По степени автоматизации

• Аналоговая стереофотограмметрия — обработка ведётся на оптико-механических приборах (стереокомпараторах, стереоавтографах). Оператор вручную совмещает стереопару и измеряет параллаксы.
• Цифровая стереофотограмметрия — снимки оцифровываются или сразу получаются в цифровом виде. Обработка выполняется на компьютере с использованием алгоритмов автоматического поиска соответствий (image matching) и построения трёхмерных моделей.

Устройство и оборудование

Стереокамера

Для получения стереопар используются специальные стереофотограмметрические камеры, обеспечивающие фиксированное взаимное положение объективов и синхронную съёмку. Примеры: камера «Уран-9» (СССР), современные цифровые стереокамеры для БПЛА. В наземной съёмке часто применяют две обычные камеры, жёстко закреплённые на одной базе.

Стереокомпаратор

Прибор для измерения координат точек на стереопаре. Состоит из двух микроскопов, позволяющих рассматривать снимки одновременно, и измерительной системы с точностью до 1–2 мкм. В цифровых системах функцию стереокомпаратора выполняет программное обеспечение с возможностью стереоскопического просмотра на мониторе (через анаглифные очки или поляризационные фильтры).

Цифровые фотограмметрические станции

Современные программные комплексы (например, Agisoft Metashape, Pix4Dmapper, PHOTOMOD, SOCET SET) реализуют полный цикл стереофотограмметрической обработки: ориентирование снимков, построение плотных облаков точек, создание ЦМР и ортофотопланов.

Применение

Топография и картография

Стереофотограмметрия является основным методом создания топографических карт масштабов 1:10 000 и крупнее. По стереопарам аэрофотоснимков операторы стереорисовщики вычерчивают горизонтали рельефа, наносят гидрографию, дороги, населённые пункты.

Архитектура и археология

Метод позволяет с высокой точностью (до 1–2 мм) документировать фасады зданий, памятники архитектуры, археологические раскопки. Стереофотограмметрия используется для создания обмерных чертежей, реконструкции утраченных элементов, мониторинга состояния объектов культурного наследия.

Промышленность

В машиностроении и авиастроении стереофотограмметрия применяется для контроля геометрии крупногабаритных деталей, сборки узлов, деформационного мониторинга. Например, при сборке самолётов проверяется взаимное положение панелей фюзеляжа.

Судебная экспертиза

Стереофотограмметрия используется для фиксации места происшествия, реконструкции дорожно-транспортных происшествий, определения траекторий движения объектов. Снимки, сделанные с двух точек, позволяют восстановить трёхмерную сцену с точностью до сантиметров.

Геология и горное дело

Метод применяется для изучения обнажений горных пород, подсчёта объёмов горной массы в карьерах, мониторинга оползневых процессов. Стереопары, полученные с БПЛА, позволяют строить детальные цифровые модели рельефа карьеров.

Точность и ограничения

Точность стереофотограмметрических измерений зависит от:

• масштаба снимков (высоты съёмки, фокусного расстояния камеры);
• качества стереопары (резкость, контраст, отсутствие смаза);
• точности определения элементов внешнего ориентирования (координат центров проекций, углов наклона);
• квалификации оператора (при ручной обработке) или качества алгоритмов автоматического сопоставления.

При оптимальных условиях (аэрофотосъёмка с высоты 500 м, камера с разрешением 20 Мп) точность определения высот точек составляет 5–15 см. Для наземной съёмки с близкого расстояния (2–5 м) точность может достигать 0,1–0,5 мм.

Основные ограничения метода:

• необходимость хорошей освещённости и контрастных текстур на объекте;
• сложность обработки однородных поверхностей (снег, вода, песок);
• невозможность измерения точек, закрытых другими объектами (мёртвые зоны);
• чувствительность к движению объектов во время съёмки (например, листвы на ветру).

Современное состояние

В XXI веке стереофотограмметрия активно вытесняется методами лазерного сканирования (LiDAR) и Structure from Motion (SfM), которые позволяют строить трёхмерные модели по серии произвольных снимков без жёсткой стереопары. Однако стереофотограмметрия сохраняет значение для задач, требующих высокой точности и метрологической аттестации, а также в системах, где использование лазерных сканеров невозможно (например, при съёмке с больших высот или в условиях ограниченного бюджета). В России стереофотограмметрические методы продолжают применяться в Росреестре, Роскартографии, а также в учебных программах геодезических и картографических вузов.

Источники

• Лобанов А. Н. Фотограмметрия. — М.: Недра, 1984.
• Дробышев Ф. В. Стереофотограмметрия. — М.: Геодезиздат, 1958.
• Mikhail E. M., Bethel J. S., McGlone J. C. Introduction to Modern Photogrammetry. — Wiley, 2001.
• Kraus K. Photogrammetry: Geometry from Images and Laser Scans. — Walter de Gruyter, 2007.
• ГОСТ Р 51872-2002. Фотограмметрия. Термины и определения.