Fotogrammetri

Hva er fotogrammetri?

Teksten er hentet fra siden http://www.agisoft.ru/wiki/Photogrammetry og forsøkt oversatt til norsk. Bruk linken dersom du vil vite mer om fotogrammetri (siden er bare delvis oversatt her).
 
Fotogrammetri (gresk: phot (lys) + gramma (noe tegnet) + metrein (mål)) er vitenskapen om å gjøre målinger fra fotografier.
Grunnleggende eksempel: avstanden mellom to punkter som ligger på et plan parallelt med det fotografiske bildeplan kan bestemmes ved å måle deres avstand på bildet og deretter multiplisere den målte avstand med en skalaparameter.
Typiske produkter: et kart, tegning eller en 3D-modell av et objekt eller en scene.
Relaterte felt: Fjernmåling, GIS.
 

Hovedoppgaven for fotogrammetri

Hvis man ønsker å måle størrelsen på et objekt, la oss si lengden, bredden og høyden på et hus, vil man normalt gjennomføre dette direkte på objektet. Imidlertid kan det hende huset ikke eksisterer lenger - det kan være revet el. lign., mens noen historiske bilder fortsatt eksisterer. Dersom en kan fastslå størrelser i bildet (kanskje muren fortsatt står og kan måles), vil det være mulig å få de ønskede data.
 
Man kan bruke bilder for å få informasjon om objekter. Denne typen informasjon er annerledes, f.eks. kan man få kvalitative data (huset ser ut til å være gammelt, veggene er farget lys grønn, etc.) fra fototolkning, eller kvantitative data (huset har en base størrelse på 10 x 14 meter) fra fotomåling, eller informasjon utifra ens egen bakgrunnskunnskap (huset har elementer av klassisk type), og så videre.
 
Fotogrammetri gir metoder for å få informasjon om den andre typen; - kvantitative data. Som uttrykket allerede indikerer, kan fotogrammetri defineres som "vitenskapen om måling i bilder", og er tradisjonelt en del av geodesi, - altså tilhørighet til feltet fjernmåling. Hvis man ønsker å bestemme avstander, arealer eller noe annet, er den grunnleggende oppgaven for å få objektkoordinatene til punkter i bildet som man da kan omgjøre til geometriske data eller lage kart.
 
Fra et enkelt todimensjonalt bilde kan man bare få todimensjonale koordinater. Dersom man trenger tredimensjonale koordinater, må man finne den tredje dimensjonen. Her kan en tenke seg hvordan menneskesynet fungerer. Mennesker er i stand til å se objekter tredimensjonalt, og er dermed i stand til å beregne avstanden mellom et objekt og seg selv. Den menneskelige hjerne tolker hele tiden to litt forskjellige bilder som følge av de ulike posisjonene til venstre og høyre øye, og utifra øyenes sentrale perspektiv.
 
Akkurat dette prinsippet, den såkalte stereoskopiske visning, blir brukt til å få tredimensjonal informasjon i fotogrammetri: Hvis det er to (eller flere) bilder av samme objekt, men tatt fra forskjellige posisjoner, kan man beregne tredimensjonale koordinater på alle punkt som er representert i begge bilder (ved å sette opp ligninger av linjenes opprinnelse i projeksjoner av objektet på bildene, og hvordan linjene passerer gjennom objektet, kan en beregne hvor linjene krysses). Den viktigste oppgaven i fotogrammetri defineres på følgende måte: For ethvert objektpunkt representert i minst to bilder må man beregne tredimensjonale objektkoordinater. Dersom denne oppgaven er oppfylt, er det mulig å digitalisere punkter, linjer og områder for kartproduksjon eller beregne avstander, arealer, volumer, skråninger og mye mer.
 

Når trenger vi fotogrammetri?

Vi har mange gode teknikker for å dokumentere geometriske egenskaper, men de fleste av disse er nyttesløse når selve objektet ikke eksisterer lengre, eller objektet kan ikke nås. Dersom man har tilstrekkelig med bilder av objektet kan det rekonstrueres ved hjelp av fotogrammetri. 

Når man sammenligner laserscanning, som er utbredt i dag - både i terrengmodellering og modellering av objekter på nært hold, for å skaffe større mengder 3D punktdata, med fotogrammetri bør man merke seg følgende: Fordelen med laserskanning er at objektet kan være ha lite tekstur - uten tekstur som holdepunkter i bildene mislykkes gjerne de fotogrammetriske teknikkene.  På den annen side kan ikke laserskanning brukes for objekter i rask bevelgelse. Videre er laser scanning tidkrevende og utstyret fortsatt veldig dyrt, sammenlignet med fotogrammetriske metoder. Derfor kan disse metodene betraktes som komplementære til hverandre.
 

Typer fotogrammetri

Det er vanlig å skille mellom "Aerial fotogrammetri" og "Close-Range fotogrammetri".
I Aerial fotogrammetri er kameraet montert på et fly, og vanligvis rettet vertikalt mot bakken. Flere overlappende bilder tas av bakken. Denne typen brukes gjerne til utvikling av kart, overvåkning av isbreer eller til f.eks. "varetelling" hos grus- og sandleverandører.
 
I Close-range fotogrammetri er kameraet nært motivet og vanligvis håndholdt eller på stativ. Vanligvis brukes denne typen til utviklinger av tegninger og 3D modeller. Her blir helt vanlige kameraer brukt til å modellere bygninger, byggverk, kjøretøy, rettsmedisinske og ulykkessituasjoner scener, filmsett, båter etc.
 

Kort historie

Utviklingen av fotogrammetri reflekterer utviklingen av vitenskap og teknologi. Teknologiske gjennombrudd som fotografering, fly, datamaskiner og elektronikk er fire store stadier i vitenskapshistorien.
Oppfinnelsen av fotografiet
L. Daguerre og N. Niépce la i 1839 grunnstamme for fotogrammetri. Den første fasen av utviklingen (til slutten av 1800-tallet) var en periode for pionerer å studere helt nytt felt og formulere første metoder og prinsipper. De største prestasjonene ble gjort  som terrestrisk ballongfotogrammetri.
Stereofotogrammetri
Det andre vendepunktet var oppfinnelsen av stereofotogrammetri, som er basert på stereoskopisk visning, av C. Pulfrich (1901). Under første verdenskrig ble fly med kameraer satt i drift, og bare noen år senere var hovedprinsippene for kartlegging fra luften formulert. Analoge mekaniske regnemaskiner var tilgjengelige på den tiden, men mengden av nødevendige beregninger i forbindelse med fotogrammetri ble for omfattende for å bruke slike til numeriske løsninger. Otto von Gruber kalte datidens fotogrammetri "kunsten å unngå beregninger". 
Datamaskinen
Den tredje fasen startet når datamaskinen kom. på 1950-tallet kom analytisk fotogrammetri, basert på matrisealgebra. For første gang ble det gjort seriøse forsøk på å bruke justeringsteori til fotogrammetriske målinger, og de første operative dataprogrammer ble tilgjengelig bare noen år senere. Brown utviklet det første blokkjusteringsprogrammet basert på bunter på slutten av sekstitallet. Som et resultat ble nøyaktigheten av aerial triangulering tidoblet. Bortsett fra denne trianguleringen, ble analytisk plotter en annen stor oppfinnelse av tredje generasjon.
Digital fotogrammetri
Etter oppfinnelsen av digitale foto og tilgjengeligheten av lagringsenheter som tillot rask tilgang til digitale bilder fikk vi en fjerde generasjon fotogrammetri. Maskinvare som er støttet av kraftige prosessorer og grafikkkort får fortgang i databehandlingen av bildene.
 

Bildekilder

Analoge og digitale kameraer

Utviklingen av fotogrammetri er nært forbundet med luftfart og fotografering. I løpet av mer enn 100 år har bilder blitt tatt på glassplater eller film. Til tross for at slike kameraer er fortsatt i bruk, må man erkjenne at digital fotografering er den nye standarden.
 
I motsetning til tradisjonelle kameraer som bruker film for å fange og lagre et bilde, bruker digitale kameraer en solid-state enhet som kalles en bildesensor. Disse fingernegl-store silisiumbrikkene inneholder millioner av lysfølsomme dioder kalt "photosites". I det øyeblikket lukkeren åpnes, registrerer hver photosite intensiteten eller lysstyrken til lyset som faller på den ved å akkumulere en energi, jo mer lys, jo mer energi. Lysstyrken registrert av hver photosite lagres deretter som et sett med tall som deretter gis farge og lysstyrke på skjermen, eller blekk på arket for å rekonstruere bildet.
 
Den viktigste fordelen med digitale kameraer over de klassiske filmbaserte kameraer er at bildene er umiddelbart tilgjengelige for videre bearbeiding og analyse. Dette er viktig i real-time applikasjoner (f.eks robotikk, visse industrielle applikasjoner, bio-mekanikk, osv.). En annen fordel er den økte fleksibiliteten til spektral digitale kameraer.
 
Digitale kameraer har blitt brukt til spesielle fotogrammetriske oppgaver siden tidlig på syttitallet. Imidlertid var Vidicon-rør-kameraene, som var tilgjengelig på det tidspunktet, ikke spesielt nøyaktige fordi bildebehandlingsrørene var ustabile. Denne ulempen ble eliminert når solid-state-kameraer kom på begynnelsen av åttitallet. CCD-brikken gir høy stabilitet og er derfor den foretrukne sensoren i dagens digitale kameraer.
 

Metriske og digitale forbrukerkameraer

Metriske kameraer I prinsippet fungerer fotogrammetriske kameraer (også bare kalt metriske kameraer) på samme måte som vanlige amatørkamera, men høyere kvalitetskrav som de første må oppfylle. Spesielt kreverer de optikk og mekanikk med høy presisjon. Metriske kameraer er vanligvis gruppert i fly- og satelittbårne kameraer (aeriale kameraer). Flybårne kameraer er også kalt kartografiske kameraer. Fly- og satelittbårne kameraer for panoramautsikt  er eksempler på ikke-metriske aeriale kameraer.
 
Objektivsystemene i aeriale kameraer er konstruert som en enhet med kamerahuset. Ingen linseendring eller "zoom" er mulig, hvilket gir høy stabilitet og en god linsekorreksjon. Brennvidden er fast, og kameraene har en sentral lukker. Aeriale kameraer bruker et stort filmformat. Mens størrelsen på 24 x 36 mm er typisk for amatørerkameraer - har aeriale kameraer vanligvis en størrelse på 230 x 230 mm. Dermed vil verdiene for vidvinkel-, normal- og telebrennvidder skille seg fra de alminnelig kjente - f.eks har et vidvinkel aerial-kamera en brennvidde på omtrent 153 mm, og i normal-modus en brennvidde ca 305 mm. Det er også utviklet lignende kameraer nærfelts-applikasjoner, med stort filmformat og faste objektiver

Digital forbrukerkameraer I dag har digitale forbrukerkameraer nådd en høy teknisk standard og god geometrisk oppløsning. Derfor kan disse kameraene med hell brukes til mange fotogrammetriske oppgaver.
 
Forskjellene i konstruksjonsprinsippene mellom metriske- og forbruker-kameraer kan ses i kvalitet og stabilitet av kamerahuset og linsen. Forbrukerkameraer har vanligvis en zoomlinse med større forvrengninger som ikke er konstant, men varierer med f.ks brennvidde, slik at det er vanskelig å rette dem opp ved hjelp av en kalibrering.
 
Dersom du bestemmer deg for å kjøpet et kamera til fotogrammetri-bruk, kan det være lurt å være obs på følgende:

1. Generelt: Det bør være mulig å sette parametre (brennvidde, fokus, eksponeringstid og f-tall) manuelt, i hvert fall som et alternativ.
2. Oppløsning (Antall piksler): Det er viktig med ekte (fysisk), og ikke en interpolert oppløsning. Jo høyere antall piksler, jo bedre - men ikke for enhver pris. På en liten sensor med et stort antall piksler vil enkeltpikslene bli meget små og lite lysfølsom, og signal-støy-forholdet vil være dårligere. Denne vil vises i mørke deler av bildet, spesielt med høyere ISO-verdier (200 og mer) .
3. Brennvidde (zoom): Velg optisk zoom, ikke digital (interpolert).
4. Avstandsinnstillingen (fokus): Det bør være mulig å deaktivere autofokus. Hvis kameraet har et makroalternativ du kan bruke det også for små gjenstander.
5. Eksponeringstid, f-nummer: Skulle det maksimale F-nummer (linseåpning) ikke være mindre enn 1:2,8, må eksponeringstiden ha en rekkevidde på minst 1 ... 1/1000 sekund.
6. Bildeformater: De digitale bildene er lagret i et vanlig format som JPEG eller TIFF. Viktig: Bildets kompresjonsforhold skal kunne velges, eller allerhelst skal komprimering kunne slås av for å minimere tap av kvalitet.
7. Andre: Noen ganger kan gjenger for stativ, en fjernutløser og en adapter for en ekstern blits være nyttige.