Фотограмметрия: методы и области применения¶

Фотограмметрия — научно-техническая дисциплина, занимающаяся определением формы, размеров, пространственного положения и иных геометрических характеристик объектов по их изображениям, преимущественно фотографическим. Метод основан на измерении координат точек снимка и последующем математическом преобразовании этих данных в систему координат объекта. Фотограмметрия сочетает элементы геодезии, оптики, вычислительной математики и компьютерного зрения и применяется как для создания карт и трёхмерных моделей, так и для контроля деформаций, обмеров сооружений и решения инженерных задач.

¶История

Основы дисциплины заложены в середине XIX века: французский офицер Эме Лосседа в 1851 году предложил использовать фотографии для составления планов местности. Термин «фотограмметрия» ввёл в 1855 году немецкий учёный Алоиз фон Мейденбауэр. С начала XX века развивалась стереофотограмметрия, а с появлением аэрофотосъёмки метод стал основой топографического картографирования. В конце XX века переход к цифровым снимкам и вычислительной обработке вытеснил аналоговые оптико-механические приборы, а с 2010-х годов широкое распространение получили автоматические алгоритмы на основе компьютерного зрения.

¶Классификация методов

По числу и характеру снимков выделяют два основных направления.

• Одиночный снимок — позволяет определить положение объектов в одной плоскости, используется для обмеров плоских фасадов и планов.
• Стереофотограмметрия — по паре перекрывающихся снимков восстанавливается трёхмерная форма объекта; это основной метод построения моделей рельефа и зданий.

По способу получения данных различают:

• Наземную фотограмметрию — съёмка с точек на поверхности земли (архитектура, памятники, промышленные объекты).
• Аэрофотограмметрию — съёмка с летательных аппаратов, включая беспилотники.
• Космическую — обработка снимков со спутников для картографирования больших территорий.
• Ближнюю — дистанции от долей метра до десятков метров, применяется в технике и медицине.

¶Основные этапы обработки

Типовой цикл включает несколько стадий.

1. Съёмка — получение изображений с перекрытием и известными параметрами камеры.
2. Калибровка — определение внутренних параметров камеры (фокусное расстояние, дисторсия).
3. Взаимное ориентирование — поиск соответственных точек на снимках, построение связующих лучей.
4. Внешнее ориентирование — привязка модели к системе координат объекта по опорным точкам или данным ГНСС.
5. Построение модели — создание плотного облака точек, триангуляция поверхности, текстурирование.
6. Измерения и экспорт — получение координат, площадей, объёмов, ортофотопланов и 3D-моделей.

Ключевым современным методом является Structure from Motion (SfM) — автоматическое восстановление структуры сцены и положения камер по множеству перекрывающихся снимков.

¶Области применения

¶Преимущества и ограничения

К достоинствам относят дистанционность, высокую точность (до миллиметров на ближних дистанциях), относительную дешевизну по сравнению с лазерным сканированием и возможность работы с уже имеющимися архивами снимков. Ограничения связаны с зависимостью от условий освещения, сложностью обработки прозрачных, зеркальных и однородных поверхностей, а также с необходимостью вычислительных ресурсов при больших объёмах данных. Точность итоговой модели определяется разрешением снимков, качеством калибровки и геометрией съёмочной сети.

¶Современное состояние

Современная фотограмметрия развивается в сторону полной автоматизации, интеграции с лазерным сканированием и методами машинного обучения, в том числе для распознавания объектов и семантической сегментации. Широкое распространение получили облачные сервисы обработки и съёмка с малых беспилотных аппаратов, что сделало технологию доступной для инженерных, строительных и научных задач.