写真測量
写真測量に使用するための低高度航空写真。場所：カリフォルニア州ラグナビーチ、スリーアーチ湾。

写真測量法は、写真画像や電磁放射画像やその他の現象のパターンを記録、測定、解釈するプロセスを通じて、物理的物体や環境に関する信頼できる情報を得る科学技術です。[ 1 ]

ブラジル、サンカルロス州、ファゼンダ ド ピニャル本社の写真測量

この手法の発明はエメ・ローセダ[ 2 ]によるものとされているが、「写真測量法」という用語はドイツの建築家アルブレヒト・マイデンバウアー[ 3 ]によって造られ、1867年の論文「Die Photometrographie」[ 4 ]に掲載されている。

ブラジル、サンカルロス州、ファゼンダ ド ピニャル本社の写真測量

写真測量には様々なバリエーションがあります。例えば、2次元データ（画像）から3次元測定値を抽出することが挙げられます。例えば、写真画像平面に平行な平面上にある2点間の距離は、画像のスケールが分かっていれば、画像上でそれらの距離を測定することで決定できます。また、物理ベースレンダリングを目的として、材料の写真からアルベド、鏡面反射、金属度、アンビエントオクルージョンなどの量を表す正確な色範囲と値を抽出することも挙げられます。

近距離写真測量とは、従来の航空写真（または軌道写真）よりも短い距離から撮影した写真の収集を指します。写真測量分析は、1枚の写真に適用することも、高速写真撮影とリモートセンシングを用いて複雑な2Dおよび3Dの運動場を検出、測定、記録することもできます。具体的には、測定値と画像分析を計算モデルに入力することで、実際の3D相対運動を精度を高めながら逐次推定します。

地形図に等高線を描くために使用されたステレオプロッタから始まり、現在ではソナー、レーダー、ライダーなど、非常に幅広い用途に使用されています。

方法

写真測量のデータモデル[ 5 ]
トゥーレ・レッパネン、復元I ：日本庭園の地上写真数百枚から写真測量法で構築された3Dモデルからの2D画像

写真測量は、光学や射影幾何学など、多くの分野の手法を用いています。デジタル画像の撮影と写真測量処理には、明確に定義された複数の段階が含まれており、最終製品として対象物の2Dまたは3Dデジタルモデルを生成することができます。[ 6 ]右側のデータモデルは、写真測量手法によってどのような種類の情報が入力され、出力されるかを示しています。

3D座標は、3D空間における物体点の位置を定義します。像座標は、フィルムまたは電子撮像装置上の物体点の像の位置を定義します。カメラの外部標定[ 7 ]は、空間におけるカメラの位置と視線方向を定義します。内部標定は、撮像プロセスの幾何学的パラメータを定義します。これは主にレンズの焦点距離ですが、レンズの歪みの記述も含まれる場合があります。さらに、追加の観察が重要な役割を果たします。スケールバー、つまり基本的に空間内の2点間の既知の距離、または既知の固定点を使用することで、基本的な測定単位への接続が作成されます。

4 つの主な変数はそれぞれ、写真測量法の 入力または出力になります。

写真測量のアルゴリズムは、通常、参照点の座標と相対変位の誤差の二乗和を最小化しようとします。この最小化はバンドル調整と呼ばれ、多くの場合、レーベンバーグ・マルカートアルゴリズムを用いて実行されます。

立体写真測量

ステレオ写真測量法と呼ばれる特殊なケースでは、異なる位置から撮影された2枚以上の写真画像で行われた測定値を用いて、物体上の点の3次元座標を推定します（ステレオスコピーを参照）。各画像には共通点が特定されます。カメラの位置から物体上の点までの視線（または光線）を構築できます。これらの光線の交点（三角測量）によって、点の3次元位置が決定されます。より高度なアルゴリズムでは、対称性など、事前にわかっているシーンに関する他の情報も利用できます。これにより、1つのカメラ位置からのみ3次元座標を再構築できる場合もあります。ステレオ写真測量は、非回転構造[ 8 ] [ 9 ]および回転構造[ 10 ] [ 11 ]の動的特性とモード形状を決定するための、堅牢な非接触測定技術として登場しています。写真測量モデルを作成するための画像の収集は、より正確には、ピエール・セガン[ 12 ]にちなんでポリオスコピーと呼ばれます。

統合

写真測量データは、他の技術による距離データで補完することができます。写真測量はx方向とy方向の精度が高いのに対し、距離データは一般的にz方向の精度が高いです。この距離データは、LiDAR、レーザースキャナー（飛行時間法、三角測量法、干渉法を使用）、白色光デジタイザーなど、領域をスキャンして複数の離散点（一般に「ポイントクラウド」と呼ばれる）のx、y、z座標を返すあらゆる技術によって提供できます。写真であれば、ポイントクラウドのフットプリントでは明確に特定できない建物の輪郭を明確に特定できます。両方のシステムの利点を組み合わせ、統合することで、より優れた製品を生み出すことができます。

3D ビジュアライゼーションは、航空写真[ 13 ] [ 14 ]と LiDAR データを同じ参照フレームでジオリファレンスし、航空写真をオルソ補正し、オルソ補正された画像を LiDAR グリッドの上にドレープすることで作成できます。また、航空写真や衛星 ( SPOT 衛星画像など) のペア (または複数) を使用してデジタル地形モデルを作成し、それによって 3D ビジュアライゼーションを作成することも可能です。その後、適応型最小二乗ステレオ マッチングなどの手法を使用して対応関係の稠密な配列を作成し、これをカメラ モデルで変換して、デジタル地形モデルやオルソ画像製品の作成に使用できる x、y、z データの稠密な配列を生成します。これらの手法を使用するシステム (ITG システムなど) は 1980 年代と 1990 年代に開発されましたが、その後 LiDAR やレーダー ベースのアプローチに取って代わられました。ただし、これらの手法は古い航空写真や衛星画像から標高モデルを導出する際に今でも役立つことがあります。

アプリケーション

写真測量法を用いて制作された、モンマス博物館所蔵のホレーショ・ネルソン胸像の3Dモデルのビデオ
ジブラルタル1ネアンデルタール人の頭蓋骨3Dワイヤーフレームモデル（123d Catchで作成）

写真測量は、地形図作成、建築、映画制作、エンジニアリング、製造、品質管理、警察捜査、文化遺産、地質学などの分野で利用されています。考古学者は、大規模または複雑な遺跡の図面を迅速に作成するために写真測量を使用し、気象学者は客観的な気象データが得られない場合に 竜巻の風速を測定するために写真測量を使用します。

DERIVEのFuture Citiesで東京を再現した3Dフォトグラメトリー体験をコントローラーで体験している人の写真

また、映画のポストプロダクションにおいて、実写とコンピューター生成画像を組み合わせる際にもフォトグラメトリが用いられています。映画『マトリックス』は、写真測量が映画に用いられた好例です（詳細はDVDの特典映像をご覧ください）。写真測量は、『イーサン・カーターの消失』やEA DICEの『スター・ウォーズ バトルフロント』といったビデオゲームのフォトリアリスティックな環境アセットの作成に広く用いられました。[ 15 ]ゲーム『ヘルブレード：セヌアズ・サクリファイス』の主人公は、女優メリナ・ユルゲンスをフォトグラメトリでモーションキャプチャしたモデルから作成されました。[ 16 ]

写真測量は、特に自動車の衝突工学においても広く利用されています。衝突事故に関する訴訟が発生し、エンジニアが車両の正確な変形状況を特定する必要がある場合、数年が経過し、残っている証拠は警察が撮影した事故現場の写真だけということがよくあります。写真測量は、問題の車両がどの程度変形したかを特定するために用いられます。これは、その変形を発生させるのに必要なエネルギー量と関連しています。このエネルギーは、衝突に関する重要な情報（衝突時の速度など）を特定するために使用できます。

この技術は、高精度で地理参照された3Dモデルを作成できるため、水中物体やインフラの検査にも利用されています。海洋エネルギー分野では、海底写真測量の用途は多岐にわたり、洋上風力タービン基礎の健全性監視、アンカーチェーンの摩耗評価、ケーブル保護および埋設システムの検査、海洋構造物の総合評価などが含まれます。また、海事・河川土木工学においても、港湾岸、堤防、ダム、その他の水力構造物の検査において、ますます重要な役割を果たしています。信頼性と再現性のある測定データを提供することで、水中写真測量は構造変化の監視を改善し、保守作業を最適化し、水中環境への介入に伴うコストを削減します。[ 17 ]

マッピング

フォトマッピングとは、「地面の合成写真画像」であるフォトモザイク[ 19 ]から作成された「地図作成強化」 [ 18 ]を備えた地図を作成するプロセスであり、より正確には、「個々の写真の傾きを修正し、共通のスケール（少なくとも特定の制御ポイントで）にした」制御されたフォトモザイクです。

画像の補正は、一般的に「既存の地図または地上測定から得られた位置にある4つのコントロールポイントに、各写真の投影画像を当てはめる」ことによって実現されます。「これらの補正された縮尺の写真をコントロールポイントのグリッド上に配置すると、巧みなトリミングとフィッティング、そして主点周辺の（削除できない）地形変位が最小限に抑えられた領域の利用によって、それらの間の良好な対応関係が得られます。」[ 18 ]

「何らかの形の写真地図が将来の標準的な一般地図になると結論付けるのは、かなり合理的である。」[ 20 ]さらに彼らは、「写真地図作成は、高高度航空機や衛星画像などの将来のデータソースを合理的に活用する唯一の方法であるように思われる」と示唆している。

考古学

ペントップコンピュータを使用して、現場での考古学的発掘現場をフォトマップ化する

オルソフォトマッピングと考古学のつながりを示すために、[ 21 ]歴史的な航空写真は、構造物の壁の発掘を導くベンチュラミッションの再構築の開発に役立てられました。

Pteryx UAV は、ロール安定化カメラヘッドを備えた航空写真撮影および写真マッピング用の民間 UAV です。

頭上写真撮影は、考古学遺跡における地表遺構や発掘現場の露出部分のマッピングに広く応用されてきました。これらの写真を撮影するためのプラットフォームとして提案されているものには、第一次世界大戦の軍用気球、[ 22 ]ゴム製気象観測気球、 [ 23 ]凧、[ 23 ] [ 24 ]発掘現場上に構築された木製のプラットフォーム、金属フレーム、[ 23 ]はしご（単独または棒や板で支えられたもの）、三脚はしご、単節および多節の棒、[ 25 ] [ 26 ]二脚、[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]三脚、[ 31 ]テトラポッド、[ 32 ] [ 33 ]空中バケットトラック（「チェリーピッカー」）[ 34 ]などがあります。

発掘調査の露出を記録するために、手持ちで撮影したほぼ天底の俯瞰デジタル写真が地理情報システム（ GIS ）とともに使用されてきた。[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]

写真測量は、従来の方法に比べて遺跡の地図作成が比較的容易で、仮想現実でレンダリングできる3Dマップの作成が可能であるため、海洋考古学でますます利用されるようになっています。[ 40 ]

3Dモデリング

これに似た応用として、物体をスキャンして自動的に3Dモデルを作成するというものがあります。写真測量は画像に依存するため、暗い色、光沢のある色、透明な表面を持つ物体の画像の場合、物理的な制限があります。このような場合、生成されたモデルには依然として隙間が残ることが多く、MeshLab、netfabb、MeshMixerなどのソフトウェアによる追加のクリーンアップが必要になることがよくあります。[ 41 ]また、そのような物体にマット仕上げのスプレー塗装を施すことで、透明感や光沢感を取り除くことができます。

Google Earthは写真測量法を使用して3D画像を作成します。[ 42 ]

また、写真測量法を使用して、紛失/盗難/破損した遺物の 3D モデルを作成し、それをオンラインで公開する Rekreiというプロジェクトもあります。

スタンレー山では、プロジェクトプレッシャーから派遣された展示チームがドローン写真とGNSS技術を使用して、2020年から2024年の間に表面積が29.5％減少することを示す史上初の氷河の3Dモデルを作成しました。[ 43 ]

岩石力学

UAVや地上写真測量から得られた高解像度の3D点群は、不連続面の方向、持続性、間隔などの岩盤特性を自動的または半自動的に抽出するために使用できます。[ 44 ] [ 45 ]

ソフトウェア

写真測量用のソフトウェア パッケージは多数存在します。写真測量ソフトウェアの比較を参照してください。

参照

参考文献

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  2. ^ 「写真測量の歴史と現代の用途」 2022年6月8日。
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出典

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