• 2022-04-25

Gyorstalpaló – Ismerd meg a fotogrammetriát: térképek és 3D modellek!

Gyorstalpaló – Ismerd meg a fotogrammetriát: térképek és 3D modellek!

Gyorstalpaló – Ismerd meg a fotogrammetriát: térképek és 3D modellek! 1024 576 SurveyTransfer

Egyre több fotós és drónpilóta érdeklődik a fotogrammetria (térképezés és 3D modellezés) felhasználási területei iránt. Úgy határoztunk, hogy segítünk a kezdőknek elindulni ezen az úton és egy cikksorozatot indítunk. Amelyik cikkünk „Gyorstalpaló” címmel kezdődik, azok abszolút kezdőknek szólnak. A lehető legegyszerűbben igyekszünk elmagyarázni ezt a bonyolult szakterületet, hogy hobbiként létre tudj hozni pár mutatós térképet és 3D modellt.

Azt azonban mindig tartsd észben, hogy ezek kezdőknek szóló írások! Tehát, ha üzletileg szeretnél hasznosítani egy térképet vagy 3D modellt, akkor mélyedj el jobban a szakmában!

A „Gyorstalpaló” jellegű cikkek során mindig ingyenesen felhasználható szoftvereket mutatunk be, hogy azokat bárki ki tudja próbálni. 🙂

MI AZ A FOTOGRAMMETRIA?

Ahogy említettem, egyszerűen fogalmazok és csak a legelterjedtebb, 3D modellezéshez használt SfM (Structure from Motion) + SIFT (Scale Invariant Feature Transform) algoritmusok működését mutatom be… A fotogrammetria a távérzékelés egyik fajtája. A lényege, hogy egy fényképezőgéppel fotókat készítünk, majd egy külön feldolgozás során meghatározzuk az átfedésben lévő képeken az azonos pontokat. Ennek eredményeként a fotózott objektum alaktani mérése és térbeli pozíciójának meghatározása válik elérhetővé. A pontok meghatározása során kirajzolódik, hogy a kamera hol is helyezkedett el a fotózott objektumhoz képest. Ezt a folyamatot akár egy mobiltelefon kamerájával készült fotókkal is meg lehet tenni. Egy modern feldolgozó szoftver egy drón esetében figyelembe veszi a drón aktuális koordinátáit (helyadatait) is. A feldolgozó program különféle számításokat végez a képeken, melynek eredménye pontfelhő, textúrázott 3D modell, ortofotó térkép, digitális domborzatmodell állomány lesz. Érzékelheted, hogy ez a sok-sok számítás igencsak erőforrás igényes lehet, ezért megfelelő hardveres kapacitással rendelkező PC-n kell futtatnod a képek kiértékelését.

A fotogrammetria segítségével a leképezendő objektumok geometriai, radiometriai (elektromágneses hullámok sugárzásának mérése) és szemantikai (tartalmi) tulajdonságait vizsgálhatjuk. A fotogrammetria nagy előnye, hogy a felmérés során egy egységnyi területre vetítve gyorsan, sűrű mintavételi eljárás mellett nagy adathalmazt nyerhetünk ki.

A FOTOGRAMMETRIA KORLÁTAI

A fotogrammetriának, mint adatgyűjtési módszernek is megvannak a maga korlátai, amit nem árt észben tartani. Az eljárás során fényképek alapján reprodukálunk geometriákat és az összetartozó pixeleket határozza meg a feldolgozó szoftver. Tehát elsődleges cél, hogy a fényképek jó minőségben készüljenek, azaz élesek, jól exponáltak legyenek. Egy elmosódott, zajos képet nem tud majd értelmezni a feldolgozó szoftver.

Fotogrammetriai úton az áttetsző, homogén és fényes, visszatükröződő felületeket nehéz vagy egyes esetekben lehetetlen leképezni. Mik lehetnek ilyenek? Például egy üveg, tükör, víztest, frissen hullott hó, egy jól csiszolt fémes felület, autó és így tovább.

Ugyanakkor, ha ügyes az ember, akkor vannak megoldások. Egy tükröződő, fényes felületet mattíthatsz, erre már létezik egy úgynevezett szkenner-spray. Többféle is elérhető ebből. Arra érdemes figyelni, hogy optimális kontrasztot adjon, és ne legyen túl vastag a bevonat rétegmagassága (~10 µm alatt már jó). Még egy dolog… ha szempont az is, hogy ne maradjon örökké matt a felvételezendő tárgy, akkor érdemes elillanó spray-t nézned.

Az áttetsző, homogén felszíneket különböző színű filcekkel, festéssel vagy megvilágítással láthatod el. Ennek lényege, hogy megtörje azt a monoton pixelhalmazt, amit nem tud értelmezni a feldolgozó algoritmus. A sok-sok különböző színű vonal és azok metszéspontjai segítik a szoftver munkáját, hogy könnyebben megtalálja a kapcsolódó pixeleket.

A felületek bevonattal való ellátása azt vonja maga után, hogy csak geometriai információd lesz az objektumról, hiszen az eredeti szín információtartalma elvész.

Mi az, ami nélkül egyáltalán nem működik a fotogrammetria? A fény. Fény hiányában a fotogrammetriai mérés nem lehetséges. A látási viszonyok ugyanúgy befolyásolhatják a képrögzítést és a minőséget, mint például a csapadék, a köd vagy a sűrű növénytakaró is blokkolhatják a fényképezőgép látóterét, vagy korlátozhatják a tiszta fényképezéshez szükséges fényt.

Tehát ebből az következik, hogy mindig biztosíts megfelelő minőségű fényforrást, de a fotózott felszín ne csillogjon, hiszen az problémát okozhat a feldolgozás során!

A FOTOGRAMMETRIA CSOPORTOSÍTÁSA

Ebben a fejezetben a fotogrammetria csoportosítását mutatom be, hogy képbe kerülj az alapfogalmakkal. A szempontrendszerek szerint érzékelhető lesz, hogy ez egy igen nagy és kiterjedt tudományterület.

A fotogrammetria története szinte a fényképezéssel egyidős, gyakorlati alkalmazása az 1800-as évek második felétől indult. A felhasználásának korai szakaszában földi felvételeket alkalmaztak, elsősorban építészeti célokra (építészeti fotogrammetria). A képek elkészítésének és feldolgozásának módja szerint csoportosítható:

  • Analóg – A fényképek feldolgozása az 1970-es évekig analóg műszerekkel történt. Kizárólag optikai-mechanikai elven működő műszerek léteztek, ahol a fényképek (negatívok) kiértékelése speciális vetítők segítségével történt.
  • Analitikus – Az analóg módszert a számítógépekkel irányított analitikus műszerek váltották fel, de a fényképek továbbra is analóg fotók voltak. Lényeges változás az analóg fotogrammetriai műszerekhez képest, hogy a kiértékelés eredménye itt már egy digitális állomány, amely CAD (Computer-aided design) szoftverrel feldolgozható.
  • Digitális – ma a feldolgozandó képek és a feldolgozás eszközei egyaránt digitálisak.

A feldolgozott képek száma szerint:

  • Egyképes fotogrammetria – Síkfotogrammetriának is szokták hívni, hiszen egy felvételből készít mérésre, térképezésre alkalmas anyagot. Csak kétdimenziós, síkbeli adatok meghatározására alkalmas.
  • Sztereofotogrammetria – Fényképpárok alapján előállított térmodell.
  • Többképes fotogrammetria – Értelemszerűen sok-sok képből álló modellezést jelent. Jelenleg ez a legelterjedtebb fajta. Nagyobb projektek esetében több ezer fénykép alapján zajlik a térképgenerálás és modellalkotás.

A fényképezőgép és a hordozóeszköz, valamint a felvételezett objektum távolsága szerint:

  • Földi fotogrammetria – Akkor beszélhetünk földi fotogrammetriáról, ha földi álláspontról fotózunk. A kamera és a felvételezett objektum egymáshoz viszonyított helyzete alapján tovább oszthatunk:
    • Közelfotogrammetria – A tárgytávolság 300 m-en belül van.
    • Mikro fotogrammetria – A fotogrammetriai modell méretaránya 1:1-nél nagyobb.
    • Mobil fotogrammetria – Az adatgyűjtés egy mozgó járműről történik.
  • Légi fotogrammetria – A légi felvételekre történő alkalmazást 1923-ban dolgozták ki. A levegőből készített képeket csoportosíthatjuk a kameratengely dőlésszöge alapján:
    • Vertikális (vertical) – Teljesen függőleges kameraállás (nadír fotózás).
    • Kissé ferde (low oblique) – 3° és 30° közötti kameradőlés. Ezek a fotók hasznosak lehetnek olyan közeli felvételek készítéséhez, amelyek több részletet igényelnek.
    • Erősen ferde (high oblique) – 30° és 60° közötti kameradőlés. Ebben az esetben a teljesen függőleges geometriák leképezése is lehetővé válik (pl. házfalak).
  • Űr fotogrammetria – Műholdképek alapján feldolgozott állományok.

A FOTOGRAMMETRIA KIMENETI ÁLLOMÁNYAI

Ahogy azt részben említettem, a képek alapján fotogrammetriai módszerrel előállíthatók és aktualizálhatók a következő adatállományok:

  • Vektorok:
    • Egyszerű 2D és 3D pontok, vonalak, felületek
    • 3D modellek
    • Pontfelhők – Térbeli pontok halmaza, ami egy adott objektumot vagy terepfelszínt ábrázol
  • Raszterek: 
    • Ortofotók – Az ortofotó megjelenésében a hagyományos fényképre hasonlít, de annak minden geometriai torzulásától mentes, egységes méretaránnyal rendelkezik, ezért pontos mérések végezhetők rajta
    • Digitális magassági modellek (DEM) – ide sorolható a digitális felszínmodell (DSM), ami egy erdőrészlet esetében a lombkorona szintet is megmutatja, valamint a digitális terepmodell (DTM) is, ami csupán a talajszintet reprezentálja.
    • Textúrák

A FOTOGRAMMETRIA ALKALMAZÁSI TERÜLETEI

ÉPÍTÉSZET ÉS ÖRÖKSÉGVÉDELEM

Talán a fotogrammetria legnépszerűbb alkalmazási területe. A kategórián belül olyan gyakorlati felhasználások említhetők, mint az épület homlokzat felmérés, a mozgásvizsgálat és deformációs mérések, vagy éppen a történelmi épületek dokumentálása. Ide tartoznak továbbá a különböző jellegű állapotfelmérések, az átalakítás, tervezés előtti felmérések, az épületkárok felmérése és a belső terek felmérése. Nagy segítséget nyújt a háromdimenziós városmodellek elkészítésében is, ami több SmartCity projekt alapjául szolgál.

Megjegyzés: Ha komolyabban érdekel, hogy hogyan lehet elvégezni egy épület mozgásvizsgálatot, akkor ezt a cikkünket is olvasd el.

ERDÉSZET

A fotogrammetriával generálható állományok segíthetnek erdészeti térképek elkészítésében. Például egy ortofotó és domborzatmodell alkalmas lokális és regionális léptékű erdőterületek térképezésére és újra felmérésére. A nehezen megközelíthető területek is térképezhetővé válnak, továbbá a tömeges adatgyűjtésnek köszönhetően a károsult (pl. szúkár) területek is felmérhetők. Famagasság mérésre is alkalmas, ha leképezzük a terület felületmodelljét (DSM) és a terepmodelljét (DTM), majd a különbség alapján meghatározható az erdőállomány famagassága. Számos más felmérésre is alkalmas a fotogrammetria az erdészet területén, néhány ezek közül: lombkorona csúcsmagassága és átmérője, lomb térfogata, fatörzs kerülete és átmérője. 

MEZŐGAZDASÁG

A fotogrammetria a különböző növényborítások, a nyílt vízfelszínek és az eltérő nedvességtartalmú talajok térképezését is lehetővé teszi. Ezeken kívül, a légi fotogrammetriának köszönhetően, tőszámolással a vetést követően egy térképen számszerűsíteni lehet a vetés sikerességét. A kikelt gyomokat is a vetési tábla egészére vizsgálhatjuk, egy vektorizált gyomtérkép készítésével. Ezek az adatok nem csak vizuális információt nyújtanak, hanem segítenek a precíziós mezőgazdaságban a tápanyagok és trágyák minél hatékonyabb térbeli kiszórásában.

TÉRKÉPÉSZET

Főként légi fotogrammetriára igaz, hogy nagy részletességgel készíthetők térképek és 3D modellek igen nagy területekről. Az ily módon készített térképek jóval több részletes információt tartalmaznak (domborzat, növényzet, épületek, vízrajz, infrastruktúra, stb.), mint a hagyományos vektoros térképek. Nagy segítség például az önkormányzatok számára, hogy a nagy pontosságú, időben gyorsan megismételhető felvételek alapján, könnyebben tervezhető és ellenőrizhető a település infrastruktúrája.

GÉPGYÁRTÁS

A fotogrammetriát felhasználják a gépgyártás területén is. Itt a szerszámgépek tervezésében, a gyártás során használt robotok kalibrációjában, vagy a töréstesztek rögzítésében és elemzésében játszik szerepet. 

Az ipari felhasználás mellett a járművek segédrendszerei már önállóan is képesek fotogrammetriát használni. A bányagépek egy részébe is bekerülhet olyan fotogrammetriai adatgyűjtő és elemző rendszer, ami automatizáltan képes kiszámolni, hogy egy markoló kanalában vagy egy dömper platóján mekkora térfogatú anyagmennyiség található. Az önvezető autókra is gondolhatunk, melyek saját monitoring rendszereikkel valós időben képesek az útviszonyok elemzésére. Itt muszáj megemlíteni, hogy az önvezető autók területén egyre inkább a LiDAR alapú technológia térhódítása jelenik meg.

RÉGÉSZET

Az archeológiai kutatások térképezése során, illetve az ásatások és a leletek dokumentálásakor mára bevett módszer a fotogrammetriai modellezés és térképkészítés. A különféle térképek és 3D-s modellek városi környezetben, épületekben vagy romterületeken folytatott feltárásokon való alkalmazásával azonnal mérhető adatokat szolgáltat a tervezők és a kutatók felé. A fotogrammetriával újabb adatok nyerhetők ki vektorgrafikus rajzos dokumentációval és a valóságot pontosabban leképező textúrázott modellekkel.

ORVOSTUDOMÁNY ÉS FIZIOLÓGIA

Legáltalánosabban a plasztikai és fogászati beavatkozások előkészítésénél, valamint mozgásszervrendszeri elemzéseknél használnak fotogrammetriát. Például, több olyan gyakorlatorientált kutatás is létezik, ami olyan speciális ortopéd cipőket és rögzítőket gyárt 3D nyomtatókkal, amiket teljes mértékben a betegek lábára terveztek. A 3D nyomtatáshoz használt modell alapját rendszerint a beteg lábáról készült fotogrammetriai modell adja. A technológia olyan speciális felhasználása is kivitelezhető lehet, mint egy emberi szív érhálózatának vagy az agy röntgenfelvételekből történő 3D rekonstrukciója.

TERMÉSZETTUDOMÁNYOK

A természettudományok területén a módszert legfőképpen időbeli változások detektálására alkalmazzák, például nyersanyagkutatások, folyadékáramlási vizsgálatok, talajok, sőt gleccserek mozgásának tanulmányozására is. 

VIZUÁLIS EFFEKTEK KÉSZÍTÉSE

A fotogrammetria talán legdinamikusabban fejlődő felhasználási területén belül, a videójátékok és a mozifilmek készítésében vállal döntő szerepet. A hétköznapi tárgyak virtuális térbe való implementálásától kezdve, a színészek mozgásának modellezésén át, egészen a VR (Virtual Reality – Virtuális Valóság) és AR (Augmented Reality – Kiterjesztett Valóság) technológiák fejlesztéséig mindenütt találkozhatunk vele.

MIRŐL LESZ SZÓ A KÖVETKEZŐ GYORSTALPALÓ CIKKEKBEN?

A következő gyorstalpalókban megmutatom, hogy hogyan érdemes fotóznod közelfotogrammetriai modellezés esetén (egy mobiltelefont használva). Majd ezekből a fotókból ingyenes programokkal 3D modellkészítést mutatok be. Ezt a két fázist 2 cikkben fogom megírni, tehát lesz egy adatgyűjtés és egy adatfeldolgozás.

Mindezek mellett azt tervezem, hogy gyorstalpaló cikk készül a drónos fotogrammetriai útvonaltervezésről, majd a légi fotókból elkészíthető térképekről és 3D modellekről. Ez szintén 2 újabb cikket fog kitenni. 🙂

Ha ebben a cikkben is volt új és hasznos információ, akkor légy olyan kedves és töltsd ki ezt az 5 perces kérdőívet, hogy a SurveyTransfer minél inkább a Te igényeidre szabva lássa meg a napvilágot!

Ha nagyon-nagyon tetszett, amit olvastál, akkor meg is oszthatod az ismerőseiddel. Ne fogd vissza magad! 🙂

Tetszett, amit olvastál? Akarsz hasonlókat olvasni?

SurveyTransfer uses cookies to enhance the user experience, which you acknowledge when using the website.
Read more