Семестр 3 · после стерео, до стенда конспект лекции

Основы фотограмметрии

В Excel эта теория спрятана внутри «предметного моделирования». Отдельный pptx Ф10 / Ф102 как раз про язык учебника: кадровый снимок, связка лучей, внутреннее и внешнее ориентирование. Практика на вазе — Ф09. Жёлтым — формулировки ГОСТ Р 51833 и Чибуничева.

1. Кадровый снимок

Фотограмметрия

Научная дисциплина и технология определения формы, размеров и пространственного положения объектов по их фотографическим изображениям. Определение сверяйте с ГОСТ Р 51833-2001. Фотограмметрия. Термины и определения и с курсом Чибуничев А. Г. Фотограмметрия (МИИГАиК, 2022).

Кадровый снимок — центральная проекция объекта на плоскость приёмника, если можно пренебречь смещениями от дисторсии, атмосферной рефракции и прочих возмущений. Снимок формируется одномоментно для всех точек (центральный или электронный затвор). Сканерная (щелевая) система даёт другое изображение: каждая строка — свой центр проекции; к классической стереопаре её не приклеивают. Мост к Ф03: скользящий затвор на БВС — родственник сканера.

Связка проектирующих лучей — совокупность лучей, которыми получен снимок. Центр проекции S — точка пересечения этих лучей; в оптике она совпадает с передней узловой точкой объектива. Живая модель — симулятор фотограмметрии.

Негативное (обратное) и позитивное (прямое) изображения при анализе равноправны: координаты на снимке можно вести и так, и так, лишь бы знак и система были согласованы с калибровкой.

2. Элементы центральной проекции

Плоскость снимка P, предметная (горизонтальная) плоскость E, центр S.

Точка местности M изображается точкой m. Прямая на местности — прямой на снимке, кроме прямой, прошедшей через S: она схлопывается в точку. Вертикали объекта сходятся в точке надира: n — точка схода отвесных линий. На перспективном снимке здания «падают» к n, не к o. Это уже объясняет, зачем плановая АФС держит α ≤ 3° (А02).

3. Элементы внутреннего ориентирования

Элементы внутреннего ориентирования

Параметры, задающие положение центра проекции относительно снимка: фокусное расстояние f и координаты главной точки (x0, y0) в системе координат снимка. К ним добавляют параметры дисторсии объектива. Это «паспорт камеры», не положение в мире.

Система координат снимка в учебнике обычно: начало в главной точке или в углу кадра — смотрите, как подписано на схеме. В цифре пиксельные индексы ещё нужно перевести в миллиметры через размер элемента матрицы (Ф04, А04). Главная точка не обязана совпадать с геометрическим центром JPEG.

Калибровка (стенд, шахматка, самокалибровка в блоке) как раз оценивает внутренние элементы. Пока дисторсия не в модели, прямые здания на краю — дуги, и отождествление точек врёт. В уравнивании блока дисторсию часто оценивают вместе с внешними элементами — тогда «выпрямлять JPEG заранее» не обязательно, если ПО держит полную модель камеры.

4. Элементы внешнего ориентирования

Элементы внешнего ориентирования

Шесть величин, задающих положение и угловую ориентацию съёмочной камеры в системе координат объекта OXYZ в момент экспозиции: координаты центра проекции XS, YS, ZS и три угла. Наиболее употребительны ω, α (или φ), κ — продольный и поперечный наклоны и угол поворота снимка в своей плоскости.

Последовательность и направление вращений в разных школах различаются (левые/правые углы). На экзамене важнее смысл: три угла однозначно ставят связку лучей в пространстве. Матрица перехода ортогональна.

Уравнения коллинеарности — аналитическая запись «точка объекта, центр S и точка снимка лежат на одной прямой». Это ядро и классической ФГМ, и компьютерного зрения (модель pinhole). По ним строят прямую и обратную фотограмметрические засечки, уравнивание блока, ортотрансформирование.

Связка с ГНСС/IMU (А11): бортовые координаты и углы — приближённые внешние элементы. Точными они становятся после уравнивания с опознаками или после корректной кинематики с меткой затвора.

5. Обратная фотограмметрическая засечка

Опорная точка

Точка, опознанная и на местности, и на снимке, с известными координатами в системе объекта. На схемах часто треугольник. Не путать с контрольной точкой: опознаки входят в уравнивание, контроль — нет, им проверяют точность.

Каждая опорная точка даёт два уравнения коллинеарности (x, y снимка). Неизвестных внешних элементов шесть → минимум три опорные точки, не на одной прямой. Больше трёх — решение по способу наименьших квадратов, появляются невязки. Это тот же смысл, что «ошибка репроекции» в Metashape, только языком учебника.

Прямая засечка — наоборот: известны внешние элементы двух (и более) снимков, ищут координаты новой точки местности по отождествлённым изображениям. Стереопара Ф08 — частный случай.

6. Основные случаи наземной съёмки

В базисной системе (ось Y примерно вдоль оптических осей, базис вдоль X) учебник различает:

Наземную фотограмметрию (фасады, обмеры) смотрите в методичке «Наземная фотограмметрия» и у Luhmann et al. Close-Range Photogrammetry and 3D Imaging (2023).

7. Маршрутная и блочная съёмка, обработка

Та же цепочка, что на слайдах: два кадра → стереопара → ЦММ → орто → дешифрирование.

Маршрут — ряд снимков вдоль базиса с продольным перекрытием. Блок — несколько параллельных маршрутов с поперечным перекрытием. Связующие точки и триплеты сшивают пары в единую сеть (А04).

Раньше: оптико-механические приборы, аналоговая стереомодель. Сейчас: отождествление (коррелятор / признаки), уравнивание связки, плотное облако, ЦМР/орто. ПО на слайде: Metashape, RealityCapture, ContextCapture, Pix4D, Meshroom, VisualSFM — разные реализации одной геометрии. Системные требования: CUDA, SSD, «16 ГБ ROM» на слайде — опечатка, речь про ОЗУ.

Полевое дешифрирование после геометрии: провода, тип столба, этажность — с орто «не видно». Это семестр 5 (А07), но слово нужно уже здесь.

8. Вопросы

  1. Чем кадровый снимок отличается от сканерного?
  2. Что такое связка лучей, главная точка и точка надира?
  3. Перечислите элементы внутреннего и внешнего ориентирования.
  4. Сколько опорных точек минимум для обратной засечки и почему не на одной прямой?
  5. Какой «случай съёмки» у вас на стенде Ф09?

Литература

Основная

Дополнительная