Photogrammetrie

Die Photogrammetrie ist die Wissenschaft und Technologie zur Gewinnung zuverlässiger Informationen über physikalische Objekte und die Umwelt durch die Aufzeichnung, Messung und Interpretation fotografischer Bilder und Muster elektromagnetischer Strahlung und anderer Phänomene. ^{[ 1 ]}

Während die Erfindung der Methode Aimé Laussedat zugeschrieben wird , ^{[ 2 ]} wurde der Begriff „Photogrammetrie“ von dem deutschen Architekten Albrecht Meydenbauer geprägt , ^{[ 3 ]} der in seinem Artikel „Die Photometrographie“ von 1867 auftauchte. ^{[ 4 ]}

Es gibt viele Varianten der Photogrammetrie. Ein Beispiel ist die Extraktion dreidimensionaler Messwerte aus zweidimensionalen Daten (z. B. Bildern). So lässt sich beispielsweise der Abstand zwischen zwei Punkten, die auf einer Ebene parallel zur Bildebene liegen, durch Messung ihres Abstands im Bild bestimmen, sofern der Bildmaßstab bekannt ist. Ein weiteres Beispiel ist die Extraktion präziser Farbbereiche und -werte, die Größen wie Albedo , Spiegelreflexion , Metallizität oder Umgebungsverdeckung repräsentieren , aus Materialfotografien für physikalisch basiertes Rendering .

Nahbereichsphotogrammetrie bezeichnet die Aufnahme von Bildern aus geringerer Entfernung als bei der herkömmlichen Luftbild- (oder Orbital-)Photogrammetrie. Die photogrammetrische Analyse kann auf ein einzelnes Foto angewendet werden oder Hochgeschwindigkeitsfotografie und Fernerkundung nutzen , um komplexe 2D- und 3D- Bewegungsfelder zu erfassen, zu messen und aufzuzeichnen. Dabei werden Messungen und Bildanalysen in Computermodelle eingespeist , um die tatsächlichen 3D-Relativbewegungen sukzessive mit zunehmender Genauigkeit zu schätzen.

Ausgehend von den Stereoplottern, die zum Zeichnen von Höhenlinien auf topografischen Karten verwendet wurden , hat es heute ein sehr breites Anwendungsspektrum, wie z. B. Sonar , Radar und Lidar .

Die Photogrammetrie nutzt Methoden aus verschiedenen Disziplinen, darunter Optik und projektive Geometrie . Die digitale Bildaufnahme und photogrammetrische Verarbeitung umfasst mehrere klar definierte Schritte, die die Erstellung von 2D- oder 3D-Digitalmodellen des Objekts als Endprodukt ermöglichen. ^{[ 6 ]} Das Datenmodell rechts veranschaulicht, welche Informationen in photogrammetrische Verfahren einfließen und als Ergebnisse dienen können.

Die 3D-Koordinaten definieren die Positionen von Objektpunkten im dreidimensionalen Raum . Die Bildkoordinaten definieren die Positionen der Abbildungen dieser Objektpunkte auf dem Film oder einem elektronischen Bildgebungsgerät. Die äußere Orientierung ^{[ 7 ]} einer Kamera definiert ihre Position im Raum und ihre Blickrichtung. Die innere Orientierung definiert die geometrischen Parameter des Abbildungsprozesses. Dies ist primär die Brennweite des Objektivs, kann aber auch die Beschreibung von Linsenverzerrungen umfassen. Weitere Beobachtungen spielen eine wichtige Rolle: Mithilfe von Maßstabsbalken , die im Wesentlichen einen bekannten Abstand zwischen zwei Punkten im Raum oder bekannte Fixpunkte darstellen , wird die Verbindung zu den Basiseinheiten der Maßeinheit hergestellt.

Jede der vier Hauptvariablen kann als Eingabe oder Ausgabe einer photogrammetrischen Methode dienen.

Photogrammetrie-Algorithmen versuchen typischerweise, die Summe der Fehlerquadrate über die Koordinaten und relativen Verschiebungen der Referenzpunkte zu minimieren. Diese Minimierung wird als Bündelausgleichung bezeichnet und häufig mithilfe des Levenberg-Marquardt-Algorithmus durchgeführt .

Ein Spezialfall, die Stereophotogrammetrie , befasst sich mit der Bestimmung der dreidimensionalen Koordinaten von Punkten auf einem Objekt anhand von Messungen in zwei oder mehr fotografischen Bildern, die aus verschiedenen Positionen aufgenommen wurden (siehe Stereoskopie ). Auf jedem Bild werden gemeinsame Punkte identifiziert. Von der Kameraposition zum Punkt auf dem Objekt kann eine Sichtlinie (oder ein Strahl) konstruiert werden. Der Schnittpunkt dieser Strahlen ( Triangulation ) bestimmt die dreidimensionale Position des Punktes. Komplexere Algorithmen können weitere, a priori bekannte Informationen über die Szene nutzen , beispielsweise Symmetrien , und ermöglichen in manchen Fällen die Rekonstruktion von 3D-Koordinaten aus nur einer Kameraposition. Die Stereophotogrammetrie etabliert sich als robustes, berührungsloses Messverfahren zur Bestimmung der dynamischen Eigenschaften und Schwingungsformen von nicht rotierenden ^{[ 8 ] [ 9 ]} und rotierenden Strukturen [10][11]. ^{Die Bildsammlung zur Erstellung photogrammetrischer Modelle wird, nach Pierre Seguin [ 12 ]} , präziser als Polyoskopie bezeichnet.

Photogrammetrische Daten lassen sich durch Tiefenmessdaten aus anderen Verfahren ergänzen. Photogrammetrie ist in x- und y-Richtung genauer, während Tiefenmessdaten in der Regel in z-Richtung präziser sind. Diese Tiefenmessdaten können beispielsweise durch LiDAR , Laserscanner (mittels Laufzeitmessung , Triangulation oder Interferometrie ), Weißlicht-Digitalisierer und alle anderen Verfahren gewonnen werden, die ein Gebiet abtasten und x-, y- und z-Koordinaten für mehrere diskrete Punkte (sogenannte Punktwolken ) liefern. Fotos können die Kanten von Gebäuden klar darstellen, wenn dies mit Punktwolken nicht möglich ist. Es ist vorteilhaft, die Vorteile beider Systeme zu nutzen und zu integrieren, um ein besseres Ergebnis zu erzielen.

Eine 3D-Visualisierung lässt sich erstellen, indem Luftbilder ^{[ 13 ] [ 14 ]} und LiDAR-Daten im selben Bezugssystem georeferenziert, die Luftbilder orthorektifiziert und die orthorektifizierten Bilder anschließend über das LiDAR-Gitter gelegt werden. Es ist auch möglich, digitale Geländemodelle und damit 3D-Visualisierungen mithilfe von Paaren (oder Vielfachen) von Luftbildern oder Satellitenbildern (z. B. SPOT- Satellitenbildern) zu erstellen. Techniken wie adaptives Least-Squares-Stereo-Matching werden dann verwendet, um ein dichtes Array von Korrespondenzen zu erzeugen, das durch ein Kameramodell transformiert wird, um ein dichtes Array von x-, y- und z-Daten zu erzeugen. Dieses kann zur Erstellung digitaler Geländemodelle und Orthofotos verwendet werden . Systeme, die diese Techniken verwenden, z. B. das ITG-System, wurden in den 1980er- und 1990er-Jahren entwickelt, sind aber inzwischen durch LiDAR- und radarbasierte Verfahren abgelöst worden. Dennoch können diese Techniken weiterhin nützlich sein, um Höhenmodelle aus alten Luftbildern oder Satellitenbildern abzuleiten.

Photogrammetrie findet Anwendung in Bereichen wie topografischer Kartierung , Architektur , Filmproduktion , Ingenieurwesen , Fertigung , Qualitätskontrolle , Polizeiarbeit , Kulturerbe und Geologie . Archäologen nutzen sie, um schnell Pläne großer oder komplexer Stätten zu erstellen, und Meteorologen verwenden sie, um die Windgeschwindigkeit von Tornados zu bestimmen , wenn keine objektiven Wetterdaten verfügbar sind.

Sie wird auch in der Filmnachbearbeitung eingesetzt, um Realfilmaufnahmen mit computergenerierten Bildern zu kombinieren ; „Matrix“ ist ein gutes Beispiel für die Anwendung von Photogrammetrie im Film (Details finden sich im Bonusmaterial der DVD). Photogrammetrie wurde umfassend zur Erstellung fotorealistischer Umgebungen für Videospiele verwendet, darunter „ The Vanishing of Ethan Carter“ und „Star Wars Battlefront“ von EA DICE . ^{[ 15 ]} Die Hauptfigur des Spiels „Hellblade: Senua’s Sacrifice“ basiert auf photogrammetrischen Motion-Capture-Modellen der Schauspielerin Melina Juergens. ^{[ 16 ]}

Die Photogrammetrie findet auch in der Unfallanalyse, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, häufig Anwendung. Wenn es nach einem Unfall zu einem Gerichtsverfahren kommt und Ingenieure die genaue Verformung des Fahrzeugs ermitteln müssen, sind oft mehrere Jahre vergangen, und die einzigen verbleibenden Beweismittel sind die von der Polizei aufgenommenen Unfallfotos. Mithilfe der Photogrammetrie lässt sich das Ausmaß der Verformung des Fahrzeugs bestimmen, woraus sich die zur Erzeugung dieser Verformung benötigte Energie ergibt. Aus dieser Energie können dann wichtige Informationen über den Unfallhergang gewonnen werden (wie beispielsweise die Aufprallgeschwindigkeit).

Diese Technologie wird dank ihrer Fähigkeit, präzise, ​​georeferenzierte 3D-Modelle zu erstellen, auch zur Inspektion von Unterwasserobjekten und -infrastrukturen eingesetzt. Die Anwendungsmöglichkeiten der Unterwasserphotogrammetrie im Bereich der Meeresenergie sind vielfältig und umfassen die Integritätsüberwachung von Offshore-Windkraftanlagenfundamenten, die Beurteilung des Verschleißes von Ankerketten, die Inspektion von Kabelschutz- und Verlegesystemen sowie die Gesamtbewertung von Offshore-Bauwerken. Sie spielt auch im maritimen und Binnenbau eine zunehmend wichtige Rolle, insbesondere bei der Inspektion von Hafenkais, Deichen, Dämmen und anderen Wasserbauwerken. Durch die Bereitstellung zuverlässiger und reproduzierbarer Messdaten verbessert die Unterwasserphotogrammetrie die Überwachung von Strukturveränderungen, optimiert Wartungsarbeiten und reduziert die Kosten für Eingriffe in Unterwasserumgebungen. ^{[ 17 ]}

Photomapping ist der Prozess der Erstellung einer Karte mit „kartographischen Verbesserungen“ ^{[ 18 ]} , die aus einem Fotomosaik ^{[ 19 ]} abgeleitet wurden, das „ein zusammengesetztes fotografisches Bild des Geländes“ oder genauer gesagt ein kontrolliertes Fotomosaik ist, bei dem „einzelne Fotografien entzerrt und auf einen gemeinsamen Maßstab gebracht werden (zumindest an bestimmten Kontrollpunkten)“.

Die Bildentzerrung erfolgt im Allgemeinen durch „Anpassen der projizierten Bilder jedes Fotos an vier Kontrollpunkte, deren Positionen aus einer bestehenden Karte oder durch Geländemessungen abgeleitet wurden. Werden diese entzerrten, skalierten Fotos auf einem Raster von Kontrollpunkten positioniert, lässt sich durch geschicktes Zuschneiden und Anpassen sowie durch die Nutzung der Bereiche um den Hauptpunkt, in denen die Reliefverschiebungen (die nicht korrigiert werden können) minimal sind, eine gute Übereinstimmung erzielen.“ ^{[ 18 ]}

„Es ist durchaus vernünftig anzunehmen, dass eine Form der Fotokartierung in Zukunft zum Standard für allgemeine Karten werden wird.“ ^{[ 20 ]} Weiterhin wird vorgeschlagen, dass „Fotokartierung die einzige Möglichkeit zu sein scheint, zukünftige Datenquellen wie Höhenflugzeuge und Satellitenbilder sinnvoll zu nutzen.“

Um den Zusammenhang zwischen Orthofotokartierung und Archäologie aufzuzeigen , ^{[ 21 ]} wurden historische Luftbilder verwendet, um eine Rekonstruktion der Ventura-Mission zu entwickeln, die als Grundlage für die Ausgrabungen der Mauern des Bauwerks diente.

Die Photogrammetrie wurde auch in der digitalen Kunstrestaurierung eingesetzt , insbesondere für die virtuelle Rekonstruktion historischer Skulpturen und Denkmäler, die während ikonoklastischer Bewegungen zerstört wurden . ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

Die Luftbildfotografie wird häufig zur Kartierung von Oberflächenresten und Ausgrabungsfunden an archäologischen Stätten eingesetzt. Als Plattformen für diese Aufnahmen wurden unter anderem folgende verwendet: Kriegsballons aus dem Ersten Weltkrieg ^{[ 25 ]} ; Gummiballons zur Wetterbeobachtung ^{[ 26 ]} ; Drachen ^{[ 26 ] [ 27 ];} Holzplattformen und Metallkonstruktionen über den Ausgrabungsfunden ^{[ 26 ]} ; Leitern, sowohl freistehend als auch mit Stangen oder Brettern verbunden; dreibeinige Leitern; ein- und mehrteilige Stangen ^{[ 28 ] [ 29 ]} ; Zweibeine ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} ; Dreibeine ^{[ 34 ]} ; Vierbeine ^{[ 35 ] [ 36 ]} und Hubarbeitsbühnen („Cherry Picker“) ^{[ 37 ] .}

Mithilfe von Geoinformationssystemen ( GIS ) wurden handgeführte, nahezu senkrechte Digitalfotografien aus der Vogelperspektive zur Dokumentation von Ausgrabungsaufschlüssen verwendet. ^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]}

Die Photogrammetrie findet in der maritimen Archäologie zunehmend Anwendung, da sie im Vergleich zu traditionellen Methoden eine relativ einfache Kartierung von Fundstätten ermöglicht und die Erstellung von 3D-Karten erlaubt, die in virtueller Realität dargestellt werden können . ^{[ 43 ]}

Eine aktuelle Studie nutzte hochauflösende Photogrammetrie in Kombination mit 3D-Scanning und quantitativer morphometrischer Analyse, um griechisch-römische Totenmasken zu vergleichen. Dies ermöglichte die Reidentifizierung von Fragmenten und die Zuordnung archäologischer Fundorte innerhalb von Museumssammlungen. ^{[ 44 ] [ 45 ]}

Eine ähnliche Anwendung ist das Scannen von Objekten zur automatischen Erstellung von 3D-Modellen. Da die Photogrammetrie auf Bildern basiert, ergeben sich physikalische Grenzen, wenn die Bilder Objekte mit dunklen, glänzenden oder transparenten Oberflächen zeigen. In solchen Fällen weist das erstellte Modell oft noch Lücken auf, sodass eine zusätzliche Nachbearbeitung mit Software wie MeshLab , netfabb oder MeshMixer häufig erforderlich ist. ^{[ 46 ]} Alternativ lassen sich transparente oder glänzende Eigenschaften durch Sprühlackieren solcher Objekte mit Mattlack entfernen.

Google Earth verwendet Photogrammetrie zur Erstellung von 3D-Bildern. ^{[ 47 ]}

Es gibt auch ein Projekt namens Rekrei , das mithilfe von Photogrammetrie 3D-Modelle von verlorenen/gestohlenen/zerbrochenen Artefakten erstellt, die dann online veröffentlicht werden.

Auf dem Mount Stanley erstellte ein vom Projekt Pressure entsandtes Ausstellungsteam mithilfe von Drohnenfotografie und GNSS- Technologie das erste 3D-Modell des Gletschers, das einen Rückgang der Oberfläche um 29,5 % zwischen 2020 und 2024 zeigt. ^{[ 48 ]}

Hochauflösende 3D-Punktwolken, die aus UAV- oder bodengestützter Photogrammetrie gewonnen werden, können verwendet werden, um Gesteinsmasseneigenschaften wie Diskontinuitätsorientierungen, Persistenz und Abstand automatisch oder halbautomatisch zu extrahieren. ^{[ 49 ] [ 50 ]}

Es gibt viele Softwarepakete für die Photogrammetrie; siehe Vergleich von Photogrammetrie-Software .

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• Geschichte der Photogrammetrie
• Photogrammetrie-Übersicht auf der Webseite Cultural Heritage Imaging