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).
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
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.
- главный луч — через S перпендикулярно P;
- главная точка снимка o — след главного луча на P;
- фокусное расстояние съёмочной камеры So = f (калиброванное, не надпись на оправе);
- точка надира n — пересечение отвесной линии из S с плоскостью снимка; её проекция на E — N; SN = H — высота фотографирования;
- угол наклона снимка α0; связь on = f tg α0.
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
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:
- нормальный случай — оси камер почти параллельны базису координат, α ≈ 0, ω ≈ 90°, κ ≈ 0; формулы параллакса наиболее простые;
- равноотклонённый — оптические оси параллельны между собой и отклонены от оси Y на угол α;
- равнонаклонный — оси параллельны, наклон к горизонту ω;
- конвергентный — оси повернуты друг к другу, пересекаются под углом конвергенции γ (это ваш стенд Ф08/Ф09);
- общий случай — ориентация произвольная, оси примерно в середину объекта.
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
- Чем кадровый снимок отличается от сканерного?
- Что такое связка лучей, главная точка и точка надира?
- Перечислите элементы внутреннего и внешнего ориентирования.
- Сколько опорных точек минимум для обратной засечки и почему не на одной прямой?
- Какой «случай съёмки» у вас на стенде Ф09?
Литература
Основная
- ГОСТ Р 51833-2001. Фотограмметрия. Термины и определения
- Чибуничев А. Г. Фотограмметрия. М.: МИИГАиК, 2022
- ГКИНП (ОНТА) 02-036-02. Инструкция по фотограмметрическим работам
Дополнительная
- Agisoft Metashape User Manual
- Camera Lenses. Cambridge in Colour — дисторсия оптики