KAHO St-Lieven GENT Thomas More Mechelen 3D PHOTOGRAMMETRY FOR SURVEYING ENGINEERING IWT TETRA project
3D4SURE Werkpakket 2.6 Imaging stations
Auteurs:
IWT-TETRAproject
Bjorn Van Genechten Wouter Dreessen
KaHo Sint-Lieven KaHo Sint-Lieven 3D4SURE
1·26
INHOUDSOPGAVE 1. 2.
INLEIDING .................................................................................................................. 3 OVERZICHT COMMERCIËLE TECHNOLOGIE ............................................................... 4 2.1 TRIMBLE VX SPATIAL STATION ............................................................................. 4 2.2 TOPCON IS-3 ....................................................................................................... 5 2.3 LEICA VIVA TS15I IMAGING STATION / ELCOVISION FOR VIVA ........................... 6 2.4 LEICA NOVA MS50 MULTI STATION ..................................................................... 8 3. TESTEN ....................................................................................................................... 8 3.1 COMPLEXE BOUWKUNDIGE STRUCTUUR ........................................................... 9 3.1.1 GEVELOPMETING MET FOTO’S VERKREGEN DOOR EEN IMAGING STATION (VIA VOORWAARTSE INSNIJDING IN ELCOVISION) .................................................... 9 3.1.2 GEVELOPMETING MET FOTO’S (EN COÖRDINATEN) VAN EEN IMAGING STATION VERWERKT IN AGISOFT PHOTOSCAN........................................................ 12 3.1.3 GEVELOPMETING MET FOTO’S VAN EEN CAMERA DIE WORDEN VERWERKT IN PHOTOSCAN ..................................................................................... 13 3.1.4 VERGELIJKING ............................................................................................ 16 3.2 EENVOUDIGE BOUWKUNDIGE STRUCTUUR ..................................................... 17 3.2.1 GEVELOPMETING MET FOTO’S VERKREGEN DOOR EEN IMAGING STATION (VIA VOORWAARTSE INSNIJDING IN ELCOVISION) .................................................. 18 3.2.2 GEVELOPMETING MET FOTORECTIFICATIE (IN IMAGEMAP) ..................... 20 3.2.3 VERGELIJKING ............................................................................................ 23 4. CONCLUSIE............................................................................................................... 24 4.1 BEPERKINGEN ................................................................................................... 24 4.2 MOGELIJKHEDEN .............................................................................................. 25 4.3 TOEPASSINGEN ................................................................................................. 25
IWT-TETRAproject
3D4SURE
2·26
1. INLEIDING De nieuwere generatie totaalstations kunnen tegenwoordig al meer dan enkel punten inmeten. Ze zijn enerzijds gerobotiseerd en kunnen dus in zekere mate al scannen, anderzijds worden ze nu ook dikwijls uitgerust met een ingebouwde camera. In dit werkpakket zal getracht worden de mogelijkheden van deze camera na te gaan, nu wordt deze camera vooral gebruikt om foto’s te maken bij de ingemeten punten en ze eventueel te voorzien van annotaties om zo achteraf sneller te kunnen begrijpen waar en hoe een punt is gemeten. De beelden kunnen echter ook gebruikt worden in een fotogrammetrisch proces en het feit dat een dergelijke camera ingebouwd is in een totaalstation wil immers zeggen dat de positie en oriëntatie van de camera en dus de foto kan achterhaald worden. In het fotogrammetrische verwerkingsproces vormt een juiste geo-referentie en oriëntatie van de beelden een cruciale maar dikwijls arbeidsintensieve stap waarbij vaak onnauwkeurigheden in de berekeningen sluipen. Bovendien hebben de totaal stations een functie die met panoramafoto’s kan maken met de ingebouwde camera, door verschillende overlappende foto’s te nemen en ze softwarematig aan elkaar te stitchen. Dit heeft als grote voordeel dat de camera’s veel info op korte tijd kunnen capteren. Het doel zal zijn om de beelden en de bijbehorende metadata van dit soort totaalstations te gebruiken om nauwkeurigere metingen te kunnen doen en na te gaan of het de efficiëntie kan bevorderen. De mogelijkheden van dit soort toestellen zou zo uitgebreid kunnen worden. Na het uittesten van enkele van de commercieel beschikbare systemen en door het analyseren van de bijhorende metadata, zullen we in dit subpakket enkele metingen uit het subpakket Erfgoed over doen met dit ‘nieuwe’ systeem. De resultaten van beide deelpakketten kunnen dan onderling vergeleken worden om de efficiëntie en de nauwkeurigheid te analyseren.
IWT-TETRAproject
3D4SURE
3·26
2. OVERZICHT COMMERCIËLE TECHNOLOGIE Er zijn al een aantal commerciële toestellen op de markt die de functies van een totaalstation combineren met een ingebouwde camera, we geven een kort overzicht met de relevante specificaties voor elk van deze toestellen.
2.1TRIMBLE VX SPATIAL STATION
2.1.1 TECHNISCHE GEGEVENS -hoeknauwkeurigheid: 1” -1 geïntegreerde camera (± 36mm onder de optische as) -camerasensor: 3,1 MPix (2048x1536) -beeldhoek: 16,5° (horizontaal) en 12,3° (verticaal) -zoom: 1x, 2x, 4x en 8x -brandpuntsafstand: 23mm (equivalent met 127mm voor 35mm formaat) -depth of field: 3m tot oneindig -exposure: automatisch -contrast: instelbaar -helderheid: instelbaar -resolutie: instelbaar, 2048x1536, 1024x768, 512x384, 256x192 -panoramische functie -scan range: 250m -scan snelheid: maximum 15 punten/seconde -standaard afwijking: 3mm -scan nauwkeurigheid: 10mm -auto-tracking optie
2.1.2 BEREKENING PIXELDICHTHEID -horizontale beeldhoek = 16,5° -horizontale resolutiebreedte = 2048 pixels pixeldichtheid in ‘’/pixel:
16,5° = 124,12 °/𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 2048 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 0,008 °/𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 ∗ 3600 = 29 ′′/𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙
pixeldichtheid in mm/pixel: IWT-TETRAproject
3D4SURE
4·26
360° = 21,82 16,5° 21,82 ∗ 2048 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 = 44687,36 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 (𝑣𝑜𝑜𝑟 360°) 𝑜𝑚𝑡𝑟𝑒𝑘 (𝑏𝑖𝑗 𝑟 = 10𝑚): 2 ∗ 𝜋 ∗ 10𝑚 = 62,82𝑚 62,82 𝑚 ∗ 1000 = 1,4 𝑚𝑚/𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 (𝑏𝑖𝑗 𝑟 = 10𝑚) 44687,36 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙𝑠
2.1.3 SOFTWARE: TRIMBLE BUSINESS CENTRE Trimble maakt gebruik van een eigen software om achteraf de meetdata en het fotografisch materiaal in te verwerken, genaamd Trimble Business Centre. Deze software (vanaf versie 3.00) heeft ook een fotogrammetrie module, maar is vooral bedoeld om luchtbeelden in te verwerken die verkregen zijn met UAV. Hiermee kunnen dan via voorwaartse insnijding punten achteraf opgemeten worden en kunnen ook orthofoto’s, 3D-puntenwolken en DSM’s bekomen worden. Voor fotografisch materiaal verkregen met hun imaging station kan enkel voorwaartse insnijding toegepast worden. Camerakalibratie gebeurt door Trimble en wordt meegeleverd.
2.2 TOPCON IS-3
2.2.1 TECHNISCHE GEGEVENS -hoeknauwkeurigheid: 1“ -camera’s: 2 geïntegreerde camera’s, 1 wide-angle (boven de optische as) en 1 30xtele-zoom (coaxiaal, in de optische as) -camerasensor wide-angle: 1,3 MPix (1280x960) -camerasensor telescope: 1,3 MPix (1280x960) -beeldhoek wide-angle: 33° -beeldhoek telescope: 1° -panoramische functie -scan range: 250m -scan snelheid: maximum 20 punten/seconde -standaard afwijking: 5mm -scan nauwkeurigheid: 12mm -auto-tracking optie
IWT-TETRAproject
3D4SURE
5·26
2.2.2 BEREKENING PIXELDICHTHEID -horizontale resolutiebreedte = 1280 pixels -horizontale beeldhoek = 33° pixeldichtheid in ‘’/pixel: 33° = 0,026 °/𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 1280 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 0,026 °/𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 ∗ 3600 = 93 ′′/𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 pixeldichtheid in mm/pixel:
360° = 10,91 33° 10,91 ∗ 1280 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 = 13964,8 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 (𝑣𝑜𝑜𝑟 360°) 𝑜𝑚𝑡𝑟𝑒𝑘 (𝑏𝑖𝑗 𝑟 = 10𝑚) = 2 ∗ 𝜋 ∗ 10𝑚 = 62,82𝑚
62,82 𝑚 ∗ 1000 = 4,5𝑚𝑚/𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 (𝑏𝑖𝑗 𝑟 = 10𝑚) 13964,8 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙
2.2.3 SOFTWARE: IMAGEMASTER Topcon maakt ook gebruik van een eigen software om achteraf meetdata en fotografisch materiaal in te verwerken, genaamd Topcon ImageMaster Pro. Punten kunnen achteraf opgemeten worden via voorwaartse insnijding en er kunnen ook orthofoto’s, 3D-puntenwolken en DSM’s mee bekomen worden. Er kunnen zowel foto’s van de imaging station in ingelezen worden als foto’s gemaakt met een ander digitaal fototoestel. Voor deze laatste moeten er dan wel handmatig overeenkomstige punten op aangeduid worden. Een andere functie in de software is de featurescan, dit is een soort breeklijnherkenning op basis van contrast waarna karakteristieke punten worden opgemeten met de grove scanfunctie. De kalibratie van de ingebouwde camera gebeurt door Topcon en wordt meegeleverd.
2.3LEICA VIVA TS15I IMAGING STATION / ELCOVISION FOR VIVA
2.3.1 TECHNISCHE GEGEVENS -hoeknauwkeurigheid: 1’’ IWT-TETRAproject
3D4SURE
6·26
-1 geïntegreerde breedhoekcamera (boven de optische as) -camerasensor: 5MPix (2560x1920), -beeldhoek: 15,5° (horizontaal) en 11,7° (verticaal) -brandpuntsafstand: 21mm -depth of field: 2m tot oneindig -zoom: 1x, 2x en 4x -helderheid: instelbaar, zowel handmatig als automatisch -witbalans: instelbaar, keuze tussen automatic, indoor en outdoor -resolutie: instelbaar, keuze tussen 2560x1920, 1280x960, 640x480 -optie om panoramische foto’s te maken -auto-tracking optie
2.3.2 BEREKENING PIXELDICHTHEID -horizontale resolutie: 2560 pixels -horizontale beeldhoek: 15,5° pixeldichtheid in ‘’/pixel:
15,5° = 0,006 °/𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 2560 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 0,006 °/𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 ∗ 3600 = 22 ′′/𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙
pixeldichtheid in mm/pixel:
360° = 23,23 15,5°
23,23 ∗ 2560 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 = 59468,8 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 (𝑣𝑜𝑜𝑟 360°) 𝑜𝑚𝑡𝑟𝑒𝑘 (𝑏𝑖𝑗 𝑟 = 10𝑚) = 2 ∗ 𝜋 ∗ 10𝑚 = 62,82𝑚 62,82 𝑚 ∗ 1000 = 1,1𝑚𝑚/𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 (𝑏𝑖𝑗 𝑟 = 10𝑚) 59468,8 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙
De resolutie wordt evenredig groter met de afstand, voor 20m zal het 2,2mm/pixel worden.
2.3.3 SOFTWARE: ELCOVISION FOR VIVA Elcovision for Leica viva is een softwareplugin voor autocad speciaal ontwikkeld om fotogrammetrische verrichtingen te kunnen doen aan de hand van het beeldmateriaal verkregen met een Leica Viva. Het is vooral bedoeld om achteraf op kantoor punten in 3D te kunnen duiden via minimum 2 foto’s en zo metingen te kunnen verrichten. Het proces bestaat er dus in om panoramafoto’s met de imaging station te maken vanuit minstens 2 verschillende posities met een grote overlap op de foto’s. Daarna kunnen de foto’s samen met hun coördinaten (zowel positie als rotatie) naar de computer overgezet worden door de DBX-data te kopiëren. Daarna kan de elcovision plugin in autocad geopend worden en kunnen de foto’s samen met de andere meetdata in gelezen worden. In de plugin voor autocad kunnen punten in 3D achteraf opgemeten worden op 3 manieren: fotorectificatie, vlaksnijding en voorwaartse insnijding. De voorwaartse insnijding kan gebeuren door middel van 2 foto’s of meerdere foto’s, de vlaksnijding gebeurt door 1 foto gecombineerd met een ruimtelijk bepaald vlak. De kalibratie van de ingebouwde camera gebeurt door Elcovision op aanvraag en staat op de dongle die wordt meegeleverd.
IWT-TETRAproject
3D4SURE
7·26
(In de standaard ‘Elcovision for Viva’ plugin zit geen automatische 3D-reconstructie of densematching.)
2.4LEICA NOVA MS50 MULTI STATION 2.4.1 TECHNISCHE GEGEVENS Technische gegevens zijn dezelfde als de TS15i met een aantal uitbreidingen: -brandpuntsafstand telescopische lens: 21mm-231mm -beeldhoek telescopische camera: 1,5° (diagonaal) -scan range: 1000m (bij 1 punt/sec) -scan snelheid: maximum 1000 punten/sec (tot 300m) -scan nauwkeurigheid: 1mm
2.4.2 BEREKENING PIXELDICHTHEID -diagonale resolutie: 3200 pixels -diagonale beeldhoek: 1,5° pixeldichtheid in ‘’/pixel:
1,5° = 0,00047 °/𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 3200 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 0,00047 °/𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 ∗ 3600 = 1,7′′/𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙
pixeldichtheid in mm/pixel:
360° = 240 1,5°
240 ∗ 2560 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 = 614400 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 (𝑣𝑜𝑜𝑟 360°) 𝑜𝑚𝑡𝑟𝑒𝑘 (𝑏𝑖𝑗 𝑟 = 10𝑚) = 2 ∗ 𝜋 ∗ 10𝑚 = 62,82𝑚 62,82 𝑚 ∗ 1000 = 0,1 𝑚𝑚/𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 (𝑏𝑖𝑗 𝑟 = 10𝑚) 614400 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙
De resolutie wordt evenredig groter met de afstand, voor 20m zal het 0,2 mm/pixel worden.
3. TESTEN Om te zien in welke gevallen een imaging station een meerwaarde kan zijn, zullen we zowel een eenvoudige als een complexe gevel opmeten met een imaging station om er achteraf fotogrammetrie op toe te passen. Bij de eenvoudige gevel is het de bedoeling dat er een simpele geometrie wordt opgemeten om de kwaliteit en efficiëntie van deze methode te vergelijken met die van de huidige meetmethodes. Bij de complexe gevel is het idee dat er een ingewikkelde geometrie moet opgemeten worden die uit meer bestaat dan alleen enkele rechte lijnen. Ook hier zal de kwaliteit en efficiëntie dan weer vergeleken worden met de huidige meetmethodes. IWT-TETRAproject
3D4SURE
8·26
Vermits de beschikbaarheid van een Leica Viva TS15i aan de KaHo St-Lieven en bij Braem NV (lid van de gebruikersgroep) en doordat dit toestel op dit moment de beste resoluties kan halen van de huidige imaging stations, zullen we met dit toestel enkele testen gaan uitvoeren om de mogelijk toepassingen te analyseren.
3.1COMPLEXE BOUWKUNDIGE STRUCTUUR Voor de complexe bouwkundige structuur werd het oude gemeentehuis van NieuwkerkenWaas opgemeten, zowel met de Leica Viva TS15i en Elcovision for Viva, als met een digitale camera en Agisoft Photoscan. Gegevens -adres: Ten Bos 10, Nieuwkerken-Waas -coördinaten: N: 51°11'35.36, E: 4°10'39.77"
3.1.1 GEVELOPMETING MET FOTO’S VERKREGEN DOOR EEN IMAGING STATION (VIA VOORWAARTSE INSNIJDING IN ELCOVISION) In deze test zal een geometrisch complexere gevel gefotografeerd worden door een imaging station waarbij deze imaging station op een aantal posities wordt geplaatst om zo elk geometrisch punt 2 maal op een foto te krijgen. Dit moet dan ook de exacte locatie en oriëntatie van de foto’s geven om daarna in het softwareprogramma Elcovision de geometrie te kunnen natekenen via voorwaartse insnijding. IWT-TETRAproject
3D4SURE
9·26
3.1.1.1 OPMETING MET BEELDOPNAME WORKFLOW -Zorg dat de laatste firmware geïnstalleerd is (de panoramafunctie is er pas vanaf versie 4.00 en instelbare belichting is er pas vanaf versie 5.00). -Na het aanmaken van een nieuw project, kan men gaan naar ‘Leica TPS favourites’ en daar kiezen voor ‘panoramic image’. -Dan kan er gekozen worden tussen een aantal opties om de grenzen van de panoramafoto vast te leggen (rectangular area, polygonal area, multi-row 360°, single row 360). -Daarna zijn er twee opties voor de belichtingswaardes van de panoramafoto, ofwel ‘belichtinswaarde van de eerste foto namen’, ofwel ‘gemiddelde belichtingswaarde per foto’. We kiezen voor de laatste omdat er anders veel delen onderbelicht gaan worden. -Vervolgens wordt de panoramafoto automatisch gemaakt door de imaging station. Het duurt ongeveer een 10 seconden per aparte foto om een panorama te maken op de Leica Viva (indien de resolutie en kwaliteit op maximum staan). Bij afloop worden de foto’s samen met de opmeting opgeslagen in een DBX folder. -Deze DBX data moet dan gekopieerd worden naar een computer (via de SD-memorycard of de USB-stick die bij de Leica Viva zitten).
Figuur 3-1: 4 panoramafoto’s van de complexe gevel
aantal posities totaal station aantal panorama’s IWT-TETRAproject
4 4 3D4SURE
10·26
aantal opgemeten punten tijdsduur opmeting
15 75 minuten
3.1.1.2 VERWERKINSPROCES WORKFLOW -Data importeren door de hele DBX folder naar de computer te kopiëren. -Dan Autocad opstarten samen met de Elcovision plug-in (via de commandline ‘ELCOVISION’ en ‘ELCOTOOLS’ ingeven) -Door minimum 2 foto’s vanuit een verschillend standpunt te gebruiken, kunnen er punten driedimensioneel bepaald worden door het principe van voorwaartse insnijding.
Deze kunnen dan ook rechtstreeks in autocad gezet worden door eerst de Elcovisionfunctie ‘two photo measurement’ aan te klikken en daarna op de punt of lijntool van autocad te klikken (multi photo measurement kan ook indien er meer dan 2 foto’s gebruikt worden). Daarna is het een kwestie van elk punt zowel op de eerste als de tweede foto aan te duiden. Er verschijnen ook epipolaire lijnen bij de tweede foto om het punt te helpen vinden.
Figuur 3-2: screenshot van de software ‘elcovision for viva’ als plugin in autocad
tijdsduur verwerking tijdsduur effectieve verwerking door persoon
900 minuten 900 minuten
3.1.1.3 RESULTAAT
IWT-TETRAproject
3D4SURE
11·26
Figuur 3-3: lijntekening bekomen met elcovision for viva en nabewerkt in autocad
Tijdsduur werk door persoon
975 minuten
3.1.2 GEVELOPMETING MET FOTO’S (EN COÖRDINATEN) VAN EEN IMAGING STATION VERWERKT IN AGISOFT PHOTOSCAN Dezelfde complexe gevel zal nu worden opgemeten door de coördinaten en oriëntaties van alle foto’s (niet de panorama’s maar de aparte foto’s) te exporteren en deze dan te gebruiken in een fotogrammetrische software, in dit geval Agisoft Photoscan. We gebruiken hiervoor de gegevens van de vorige opmeting. 3.1.2.1 OPMETING EN BEELDOPNAME Deze is dezelfde als in de vorige test (zie hoofdstuk 3.1.1).
3.1.2.2 VERWERKINSPROCES WORKFLOW -Om de camerapositie en -oriëntatie te kunnen exporteren vanuit de Leica Viva moet een specifiek .frt bestand op het toestel geplaatst worden. Dit kan door het op de bijhorende USB of SD-kaart het .frt bestand in de map ‘convert’ te plaatsen en het vervolgens via user/tools/transfer objects naar het intern geheugen te verplaatsen. -Hierna kan er een Custom ascii-export uitgevoerd worden om de foto’s van de betreffende ‘job’ samen met hun oriëntatie te exporteren. -Daarna gaan we de foto’s samen met hun oriëntaties importeren in Agisoft Photoscan. Het importeren van de cameracoördinaten kan op dezelfde manier als bij controlepuntcoördinaten. - Daarna klikken we op ‘Align Photos’ aangezien deze stap in photoscan niet overgeslagen kan worden.
IWT-TETRAproject
3D4SURE
12·26
Foto oriëntatie
10 minuten
3.1.2.3 RESULTAAT
Figuur 3-4: screenshot van de ‘mislukte’ photo alignment stap in Agisoft Photoscan
De foto oriëntatie gebeurt helaas niet goed en het heeft geen zin om verder te gaan met een berekening van een puntenwolk. Dit is waarschijnlijk te wijten aan het feit dat de aparte foto’s van de panorama een kleine beeldhoek hebben en te weinig overlap onderling hebben om kenmerken te kunnen herkennen.
3.1.3 GEVELOPMETING MET FOTO’S VAN EEN CAMERA DIE WORDEN VERWERKT IN PHOTOSCAN 3.1.3.1 BEELDOPNAME MET CANON EOS 5D Voor deze test maken we een fotosequentie van de voorgevel met een digitale spiegelreflexcamera en een lens van 24mm. Aangezien de gevel niet hoog is volstaat het om op ooghoogte enkele beelden te maken. We kiezen een afstand van ongeveer 10 meter tot de gevel waardoor de resolutie van de foto’s ongeveer 2,7 mm/pixel is. Verder gebruiken we Fwaarde 11 en sluitertijd 1/50s. aantal foto’s tijdsduur beeldopname
18 15 minuten
3.1.3.2 OPMETING VAN CONTROLEPUNTEN De controlepunten worden reflectorloos ingemeten vanuit één standpunt, hiervoor kiezen we enkele goed verspreide en goed zichtbare punten op de gevel. aantal posities totaal station aantal opgemeten punten tijdsduur opmeting
IWT-TETRAproject
1 15 20 minuten
3D4SURE
13·26
Figuur 3-5: opmeting van de controlepunten
3.1.3.3 VERWERKINGSPROCES Voor de verwerking verwijzen we naar de workflow die we hebben opgesteld voor Agisoft Photoscan, deze is ook terug te vinden op de website van 3D4SURE. Foto oriëntatie Voorlopige geometrie Masken 15 controlepunten maken Definitieve geometrie Orthofoto exporteren
10 minuten 20 minuten 45 minuten 45 minuten 480 minuten 5 minuten
Tijdsduur verwerking Tijdsduur effectieve verwerking door persoon
605 minuten 100 minuten
Verder hebben we ook nog de bekomen orthofoto gebruikt als onderlegger in autocad om hier een lijntekening van te maken. Tijdsduur lijntekening maken
90 minuten
3.1.3.4 RESULTAAT
IWT-TETRAproject
3D4SURE
14·26
Figuur 3-6: orthofoto bekomen met Agisoft Photoscan
Tijdsduur werk door persoon
IWT-TETRAproject
135 minuten
3D4SURE
15·26
Figuur 3-7: lijntekening bekomen in autocad met orthofoto als onderlegger
Tijdsduur werk door persoon
225 minuten
3.1.4 VERGELIJKING IMAGING STATION + ELCOVISION Voor Elcovision werden er 4 opstelpunten gebruikt om elk (belangrijk) punt op minstens 2 foto’s te kunnen zien, wat noodzakelijk is om voorwaartse insnijding te kunnen doen. Deze opstelpunten nemen tijd in beslag omdat de imaging stations dan telkens opnieuw opgesteld, gewaterpast en geöriënteerd moeten worden. De panoramafoto is eigenlijk niet bruikbaar voor een correcte voorwaartse insnijding, enkel de aparte foto’s die gebruikt worden voor de panorama zijn hiervoor bruikbaar. De aparte foto’s onderling hebben namelijk telkens een andere positie en oriëntatie en deze is gekend. Voor de panoramafoto daarentegen hebben al deze foto’s onderling een lichte verschuiving (en dus parallax) t.o.v. elkaar, een gevolg van het feit dat de camera boven de rotatie-as van de imaging station staat. En hierdoor is de panoramafoto niet bruikbaar voor fotogrammetrische doeleinden. Voor meer uitleg zie ‘panoramische fotogrammetrie’ in Werkpakket 3 van het onderzoeksproject. Het is ook niet zo gebruiksvriendelijk om via de autocadplugin punten aan te duiden en in autocad te laten verschijnen. Om ze te kunnen duiden moeten ze namelijk eerst op de aparte foto’s gezocht worden, dus niet op de panoramafoto die werd verkregen uit al deze aparte foto’s. Bij de panoramafunctie in de Leica Viva kan bij het maken van een panoramafoto voor de belichting gekozen worden tussen ‘belichtingswaarde van eerste foto’ en ‘gemiddelde belichtingswaarde van alle foto’s’, maar ze laten beide te wensen over om een goede panorama te bekomen. Bij de eerste optie zal de eerste foto altijd de foto linksboven zijn met als gevolg dat als deze vaak eerst de lucht fotografeert, de rest van de foto vaak onderbelicht zal zijn. Bij de tweede optie, die we in dit geval gebruikt hebben, wordt de panorama een lappendeken van IWT-TETRAproject
3D4SURE
16·26
verschillend belichte foto’s. Groot probleem is hier ook de dakranden die een slechte onderbelichting krijgen doordat de lucht erachter voor een te groot contrast zorgt. Ook duurde het maken van een panoramafoto langer dan op voorhand gedacht, een gevolg van de kleine diafragma’s die ingebouwde camera van de imaging station heeft. Daardoor loopt de sluitertijd bijna altijd op tot een aantal seconden. Hierdoor duurt het nemen van 20 foto’s al gauw 5 minuten, daar komt dan ook nog eens bij dat de panorama automatisch gestitcht wordt na afloop, iets dat ook snel 5 tot 10 minuten duurt (voor 20 foto’s). We rekenen dus op een 10 tot 15 minuten per panorama. CAMERACOORDINATEN VAN LEICA VIVA IMPORTEREN IN AGISOFT PHOTOSCAN Deze test bleek niet te lukken omdat de automatische foto-oriëntatie niet kan overgeslagen worden in Agisoft Photoscan. We hebben dan nog geprobeerd om deze automatische fotooriëntatie uit te voeren om de foutwaardes te kunnen bekijken maar deze is mislukt. Reden hiervoor is waarschijnlijk dat er op de aparte foto’ slechts ‘kleine stukjes’ van het geheel zichtbaar zijn en er weinig overlap is tussen de aparte foto’s onderling. AGISOFT PHOTOSCAN + FOTOTOESTEL Voor de fotogrammetrische opmeting met beelden van een gewone camera was 1 opstelpunt voor een totaalstation voldoende om enkele controlepunten in te meten, daarnaast werd er een fotosequentie van de gevel gemaakt. Zoals uit de cijfers blijkt is dit een stuk sneller. Voor de verwerking is er enerzijds tijd nodig voor de softwarematige berekeningen en anderzijds voor het effectieve werk dat moet gebeuren door een persoon. In Photoscan is er een 100 minuten aan gewerkt (effectieve gepresteerde uren). Verder heeft de software in totaal nog 505 bijkomende minuten moeten berekenen. De softwarematige berekeningen tellen niet echt mee omdat dit enkel rekenkracht van de computer vergt en de persoon dan ander werk kan verrichten. Daarna kan de orthofoto als onderlegger gebruikt worden om de gevel op over te tekenen in een tekenprogramma zoals autocad. Deze methode was over het algemeen duidelijk sneller als we zien dat dit 225 minuten duurde t.o.v. 975 minuten. Bovendien kan de orthofoto ook gebruikt worden als communicatiemiddel, al is deze foto niet perfect, zo ontbreken er stukjes foto boven de ballustrade en zijn de bloembakken wazig.
3.2EENVOUDIGE BOUWKUNDIGE STRUCTUUR Gegevens -adres: Pastorijstraat 40, Nieuwkerken-Waas -coördinaten: N: 51°11'35.03”, E: 4°10'30.37"
IWT-TETRAproject
3D4SURE
17·26
3.2.1 GEVELOPMETING MET FOTO’S VERKREGEN DOOR EEN IMAGING STATION (VIA VOORWAARTSE INSNIJDING IN ELCOVISION) In deze test zal een eenvoudige vlakke gevel gefotografeerd worden met een imaging station vanuit 2 standpunten. Het was eerst de bedoeling om gebruik te maken van de fotorectificatie methode in elcovision maar de panoramafoto’s kunnen hier niet voor gebruikt worden omwillle van het parallax-probleem zoals eerder uitgelegd en dit zou grote onnauwkeurigheden veroorzaken. Indien we de volledige gevel met één aparte foto wilden fotograferen, hadden we op ongeveer 50 meter afstand van de gevel moeten gaan afstaan met als gevolg dat de pixeldichtheid zeer slecht zou worden. Bovendien was het niet mogelijk om op 50 meter afstand de volledige gevel te kunnen fotograferen. Daarom is er voor gekozen om ook met de voorwaartse insnijding te werken. 3.2.1.1 OPMETING MET BEELDOPNAME WORKFLOW -Na het aanmaken van een nieuw project, kan men gaan naar ‘Leica TPS favourites’ en daar kiezen voor ‘panoramic image’. -Dan kan er gekozen worden tussen een aantal opties om de grenzen van de panoramafoto vast te leggen (rectangular area, polygonal area, multi-row 360°, single row 360). -Daarna zijn er twee opties voor de belichtingswaardes van de panoramafoto, ofwel ‘belichtinswaarde van de eerste foto namen’, ofwel ‘gemiddelde belichtingswaarde per foto’. We kiezen voor de laatste omdat er anders veel delen onderbelicht gaan worden. -Vervolgens wordt de panoramafoto automatisch gemaakt door de imaging station. Het duurt ongeveer een 10 seconden per aparte foto om een panorama te maken op de Leica Viva (indien de resolutie en kwaliteit op maximum staan). Bij afloop worden de foto’s samen met de opmeting opgeslagen in een DBX folder. -Deze DBX data moet dan gekopieerd worden naar een computer (via de SD-memorycard of de USB-stick die bij de Leica Viva zitten).
IWT-TETRAproject
3D4SURE
18·26
aantal posities totaal station aantal panorama’s aantal opgemeten punten tijdsduur opmeting
2 2 12 45 minuten
3.2.1.2 VERWERKINSPROCES Het was eerst de bedoeling om ook een fotorectificatie te doen in het programma Elcovision. Maar dit bleek onmogelijk omdat enkel een aparte foto hiervoor gebruikt kan worden en geen panoramafoto, een gevolg van het feit de aparte foto’s parallax vertonen t.o.v. elkaar en dus niet kunnen leiden tot een perfecte panoramafoto. Vandaar is er ook voor deze gevel met de voorwaartse insnijding gewerkt. WORKFLOW -Data importeren door de hele DBX folder naar de computer te kopiëren. -Dan Autocad opstarten samen met de Elcovision plug-in (via de commandline ‘ELCOVISION’ en ‘ELCOTOOLS’ ingeven) -Door minimum 2 foto’s vanuit een verschillend standpunt te gebruiken, kunnen er punten driedimensioneel bepaald worden door het principe van voorwaartse insnijding. Deze kunnen dan ook rechtstreeks in autocad gezet worden door eerst de Elcovisionfunctie ‘two photo measurement’ aan te klikken en daarna op de punt of lijntool van autocad te klikken (multi photo measurement kan ook indien er meer dan 2 foto’s gebruikt worden). Daarna is het een kwestie van elk punt zowel op de eerste als de tweede foto aan te duiden. Er verschijnen ook epipolaire lijnen bij de tweede foto om het punt te helpen vinden.
Figuur 3-8: screenshot van ‘elcovision for viva’ als plugin in autocad
tijdsduur verwerking tijdsduur effectieve verwerking door persoon IWT-TETRAproject
90 minuten 90 minuten 3D4SURE
19·26
3.2.1.3 RESULTAAT
Figuur 3-9: lijntekening bekomen in elcovision
Tijdsduur werk door persoon
135 minuten
3.2.2 GEVELOPMETING MET FOTORECTIFICATIE (IN IMAGEMAP) Dezelfde eenvoudige gevel zal nu gefotografeerd worden met een digitaal fototoestel en er zullen enkele punten (minimum 5) verspreid over de gevel reflectorloos worden ingemeten met een totaal station. Daarna kan de foto gerectificeerd worden, in dit geval met behulp van de gratis software Imagemap. De software dient ook als plugin voor autocad en kan de gerectificeerde foto dus inladen in autocad om ze daar te bewerken of als basis te dienen om de contouren te tekenen. Voor Imagemap is het ook nodig om een lenskalibratie te doen maar aangezien deze kalibratie slechts één keer moet gebeuren en kan herbruikt worden in andere fotorectificaties tellen we deze niet mee in de tijdsduur. 3.2.2.1 OPMETING MET BEELDOPNAME Voor een fotorectificatie is slechts één foto van de gevel voldoende, op voorwaarde dat de nodige informatie in hetzelfde vlak ligt. aantal externe foto’s tijdsduur beeldopname IWT-TETRAproject
1 1 minuut 3D4SURE
20·26
3.2.2.2 OPMETING VAN CONTROLEPUNTEN Er worden met een totaalstation controlepunten ingemeten van de gevel vanuit één standpunt. aantal posities totaal station aantal ingemeten punten tijdsduur opmeting
1 12 15 minuten
3.2.2.3 VERWERKINSPROCES WORKFLOW -Voor de verwerking in imagemap, wordt er eerst in imagemap zelf best een kalibratie gedaan van de camera met de gebruikte lens, om de lensdistorties uit de foto’s te kunnen halen. Eens zo’n kalibratie is gebeurd kan dit voor elk project met die camera en lens gebruikt worden, daarom tellen we deze tijd niet mee in de vergelijking. -Daarna kan de foto ingeladen worden in imagemap en kunnen de controlepunten aangeduid worden. Als men klaar is wordt dit als een imagemapbestand opgeslagen. -Als men daarna Autocad opent, kan men een imagemap plugin voor autocad gebruiken zodat het bestand dat net gecreëerd is, in autocad kan ingelezen worden volgens schaal en de coördinaten van de controlepunten. Hierbij is het wel belangrijk dat het imagemapbestand en het autocadbestand in dezelfde folder staan. -Daarna kan men hier lijntekeningen of zelfs draadmodellen op gaan produceren.
Figuur 3-1: screenshot van de software ‘imagemap’
Tijdsduur verwerking Tijdsduur effectieve verwerking door persoon
16 minuten 15 minuten
Verder hebben we ook nog de bekomen gerectificeerde foto gebruikt als onderlegger in autocad om hier een lijntekening van te maken.
IWT-TETRAproject
3D4SURE
21·26
Figuur 3-10: screenshot van de software ‘imagemap’ als plugin in autocad
Tijdsduur lijntekening maken
35 minuten
3.2.2.4 RESULTAAT
Figuur 3-11: gerectificeerde foto bekomen in imagemap
IWT-TETRAproject
3D4SURE
22·26
Tijdsduur werk door persoon
32 minuten
Figuur 3-12: lijntekening bekomen in autocad met gerectificeerde foto als onderlegger
Tijdsduur werk door persoon
52 minuten
3.2.3 VERGELIJKING IMAGING STATION + ELCOVISION Voor Elcovision werden er 2 opstelpunten gebruikt om elk (belangrijk) punt op minstens 2 foto’s te kunnen zien, wat noodzakelijk is om voorwaartse insnijding te kunnen doen. Voor de kwaliteit van de foto’s geldt hetzelfde als bij de test met de complexe gevel, de belichting varieert nogal fel per foto. Ook zijn de panoramafoto’s niet bruikbaar maar enkel de aparte foto’s. Bovendien duurt het lang om de foto’s te maken met de imaging station omwille van de kleine diafragma-opening. IMAGEMAP Voor de fotorectificatie was 1 opstelpunt voor een totaalstation voldoende om enkele controlepunten in te meten, daarnaast was het voldoende om één foto te maken met een gewone camera. Zoals uit de cijfers blijkt is dit een stuk sneller dan de vorige methode en ook éénvoudiger.
IWT-TETRAproject
3D4SURE
23·26
4. CONCLUSIE Uit de testen die zijn uitgevoerd, blijkt dat de imaging stations op dit moment nog geen efficiënt alternatief vormen om aan fotogrammetrie te doen, alleszins toch niet voor het bekomen van een hele geometrie van een voorwerp, hoogstens voor enkele punten. Zelfs al is de oriëntatie van de camerastandpunten gekend, het grootste voordeel van de imaging stations, toch zorgen de beperkingen van de ingebouwde camera’s voor nog te veel hindernissen. Bovendien gebeurt in de meest recente software deze oriëntatie van de foto’s al automatisch en levert deze in veel gevallen al behoorlijk goede resultaten.
4.1BEPERKINGEN Op dit moment hebben de huidige generaties imaging stations nog een aantal beperkingen die ze ervan weerhouden om op een efficiënte manier fotogrammetrische verwerkingen te kunnen doen. OPSTELPUNTEN IMAGING STATION De foto’s zullen in veel gevallen maar vanuit enkele punten worden genomen omdat het totaalstation ook elke keer opgesteld moet worden en dit telkens een zekere tijd in beslag neemt. Het opstellen van de imaging station op een nieuw stationpunt heeft nu een tijdsduur van gemiddeld 5 a 10 minuten en haalt de efficiëntie voor een foto-opname dus enorm naar beneden aangezien een gewone foto kan immers gemaakt worden op enkele seconden. Dus in het geval van de erfgoedcase met veel insprongen en uitsprongen zal dit simpelweg te arbeidsintensief zijn omdat er veel camerastandpunten voor nodig zijn. Zelfs voor een simpel gevelvlak is het niet zo praktisch om stereofotogrammetrie toe te passen omwille van minimum 2 opstellingen die hetzelfde moeten kunnen zien daar waar een reflectorloze opmeting slechts 1 opstelling nodig heeft. -Bij de huidige generatie imaging stations hebben de ingebouwde camera’s nog niet dezelfde flexibiliteit als gewone digitale fototoestellen qua instellingen, wat vooral nadelig is om een goede belichting te bekomen. INGEBOUWDE CAMERA Ook de beeldhoek is zeer beperkt bij de ingebouwde camera’s, al bestaat wel de optie om panoramafoto’s te maken. Dit zorgt wel voor een langere tijdsduur om een bepaalde oppervlakte te kunnen dekken. Voor een enkele foto kan het namelijk al snel 10 seconden duren omwille van de kleine diafragma-opening die lange sluitertijden met zich meebrengt. Daarbovenop komt ook nog dat de panoramafoto na afloop van de aparte foto’s automatisch de foto al aan elkaar stitcht (plakt) en dit proces kan ook al gauw 5 minuten duren. Indien er een panorama wordt gemaakt van een gekozen zone, dan zal de camera ook steeds linksboven beginnen met zijn eerste foto. Hier speelt dan ook nog eens het bijkomende probleem dat standaard de belichtingswaarde van de eerste foto wordt gebruikt voor de overige foto’s. Aangezien de eerste foto dikwijls een blauwe hemel zal tonen wordt de rest van de foto onderbelicht. Er is in de nieuwe firmware echter een extra optie bijgekomen en deze laat toe om voor elke aparte foto de automatisch gekozen belichtingswaarde toe te kennen. Dit maakt de foto meer leesbaar en duidelijk maar maakt het wel tot een soort lappendeken van belichtingswaardes. De fotokwaliteit van de imaging station is voorlopig dus nog niet dezelfde als die van een degelijk digitaal fototoestel, ook kan men veel meer instellingen aanpassen bij deze laatste wat belangrijk is voor een goede belichting. Bij de imaging stations kan men enkel kiezen uit een aantal opties bij de resolutie en een aantal waardes voor de belichting. Het feit dat de ingebouwde camera die gebruikt wordt voor de panoramafoto’s niet coäxiaal is (niet in de draaias van de imaging station ligt), maar enkele centimeters erboven, zorgt dan ook nog eens voor parallax tussen de verschillende aparte foto’s onderling. Het zijn dus enkel de aparte foto’s die gebruikt kunnen worden voor nauwkeurige fotogrammetrie.
IWT-TETRAproject
3D4SURE
24·26
ELCOVISION FOR VIVA Een eerste moeilijkheid van de software is dat deze niet gebruiksvriendelijk is en nogal omslachtig om tot een resultaat te komen. De bijgeleverde handleiding was ook veel te beperkt waardoor er nogal veel mailverkeer nodig was met het bedrijf zelf om de software te kunnen gebruiken. Eens geweten hoe het programma gebruikt moest worden was het echter traag om een punt op 2 foto’s te localiseren en vervolgens aan te duiden om het te bepalen. De panorama’s kunnen namelijk niet gebruikt worden om punten te duiden en in te tekenen in Elcovision, dit moet met de apart gemaakt foto’s telkens gebeuren wat het tekenproces langzaam maakt bij panorama’s die uit veel foto’s bestaan. Dit is een direct gevolg van het parallax-probleem van de panoramafoto’s. Bovendien kan er in de ‘elcovision 10 for viva’ software standaard geen dense-matching gebeuren, er kunnen dus geen puntenwolken of meshes uit resulteren. Dit zou wel gaan met een uitbreidbare module op de software maar de resultaten die op hun website werden getoond zagen er niet
4.2MOGELIJKHEDEN INGEBOUWD CAMERA De huidige pixeldichtheid die mogelijk is met de ingebouwde camera van de Leica Viva komt wel al overeen van die van een professioneel digitaal fototoestel. Ter vergelijking, voor een canon eos D5 met een 50 mm lens, is de pixeldichtheid op een afstand van 10 meter gelijk aan 1,3mm/pixel. Bij de ingebouwde camera van de Leica Viva is dit 1,1 mm.pixel. Verschil blijft wel dat voor een foto van de canon eos D5 (met 50mm lens) een grotere oppervlakte kan gedekt worden met 1 foto omdat de horizontale beeldhoek 40° is t.o.v. 16,5° bij de Leica Viva. Ook hebben de foto’s geen problemen met scherpte, gezien de lenzen ‘fixed’ zijn en een grote scherptediepte hebben (aangezien een imaging station op een statief staat, kan de sluitertijd als variabele gebruikt worden). Voor de telescoopcamera kan de pixeldichtheid zelfs hoger, al is het op dit moment niet optimaal om deze te gebruiken, de beeldhoek is veel te klein om ze apart te gebruiken, en een panoramabeeld maken zou ontzettend lang duren. ORIËNTATIE Doordat de imaging station op een driepoot wordt opgesteld en gelinkt met andere stationpunten, en doordat op voorhand een kalibratie is gebeurd voor de interne en externe cameraparameters is het grote voordeel dat de oriëntatie van de foto’s (positie en richting) zeer nauwkeurig kan bepaald worden. Dit gecombineerd met de goede scherpte en resolutie maakt wel dat de fotogrammetrische resultaten betrouwbaar zijn. COMBINATIE MET LASERSCANNING Bij sommige van de laatste imaging stations zit er ook een optie om ruwe laserscans te maken. Hierbij kan het ook nuttig zijn qua visualisatie om de puntenwolk RGB-kleuren te geven.
4.3TOEPASSINGEN Gezien de huidige beperkingen en mogelijkheden van de imaging station zijn er een aantal gevallen waarin ze een meerwaarde kunnen bieden. Een toepassing die zeker baat heeft bij de imaging station is het achteraf verrichten van metingen die misschien gemist zijn tijdens het werk in situ of in gevallen waar men tijdens de opmeting nog niet volledig zeker is of alle punten moeten opgemeten worden. Zo kan men vermijden om zich een tweede keer te moeten verplaatsen naar de site. Als er voor elk stationpunt een panorama wordt gemaakt van het onderwerp, kan een punt nog op kantoor ingemeten worden mits het op 2 panorama’s zichtbaar is (voorwaartse insnijding) of indien het in een vlak ligt waar al 3 andere punten voor bekend zijn (vlaksnijding), al is de voorwaarde dan weer dat dit punt samen met de 3 andere punten op één aparte foto zichtbaar zou zijn, dus binnen een beeldhoek van 16,5°. Dit brengt ons dan weer bij de vraag of men in zulke gevallen niet beter bij de eerste opmeting enkele foto’s neemt met een digitaal fototoestel en deze dan IWT-TETRAproject
3D4SURE
25·26
gebruikt achteraf met een fotogrammetrische software (bvb photoscan), moesten er nog extra punten worden ingetekend. Het kan ook handig zijn voor punten waar een reflectorloze meting tekort schiet, bijvoorbeeld punten die op een zeer grote afstand liggen en waarbij de kans groot is dat de reflectorloze meting gedeeltelijk of volledig naast het punt valt. Een goed voorbeeld is bijvoorbeeld het opmeten van punten op een hoogspanningsmast. Al is de vraag of dit dan niet even snel kan gebeuren door een theodoliet op 2 posities te plaatsen (en uiteindelijk een goedkoper alternatief is). Via een eenvoudige geometrische berekening aan de hand van de hoeken van de theodolieten en de afstand tussen beide theodolieten kunnen dan de coördinaten van het punt bepaald worden. Verder is het maken van annotaties bij de foto’s een handige tool voor onder andere plaatsbeschrijvingen, waarbij het tonen van beschadigingen en materiaal belangrijk is. En er is ook de optie om bij elk opgemeten punt automatisch een foto te maken, dit geeft een bewijs van welk punt is ingemeten en kan achteraf handig zijn indien er een punt foutief is opgemeten bijvoorbeeld. Deze toepassingen hebben natuurlijk wel niets te maken met het maken van fotogrammetrische metingen.
IWT-TETRAproject
3D4SURE
26·26
