写真測量

写真測量法は、写真画像や電磁放射画像パターン、その他の現象を記録、測定、解釈するプロセスを通じて、物理的な物体や環境に関する信頼できる情報を取得する科学技術である。^{[ 1 ]}

この方法の発明はエイメ・ラウセダットによるものとされているが、^{[ 2 ]}「フォトグラメトリー」という用語はドイツの建築家アルブレヒト・マイデンバウアーによって造語され、^{[ 3 ]} 1867年の論文「Die Photometrographie」に登場した。^{[ 4 ]}

写真測量には多くの種類があります。例えば、2次元データ（画像）から3次元の測定値を抽出する方法があります。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、画像の縮尺が分かっていれば、画像上でそれらの距離を測定することで求めることができます。また、物理ベースレンダリングの目的で、素材の写真からアルベド、鏡面反射、金属光沢、環境遮蔽などの量を表す正確な色範囲と値を抽出する方法もあります。

近距離写真測量とは、従来の航空写真測量（または軌道写真測量）よりも近距離から写真を収集することを指します。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の動き場を検出、測定、記録することもできます。これは、測定値と画像解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段階的に推定していくものです。

地形図に等高線を描くために使用されるステレオプロッターから始まったこの技術は、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利用されている。

写真測量法は、光学や射影幾何学など、多くの分野の手法を使用します。デジタル画像の取得と写真測量処理には、いくつかの明確に定義された段階が含まれており、最終成果物としてオブジェクトの 2D または 3D デジタル モデルを生成できます。^{[ 6 ]}右側のデータ モデルは、写真測量法に入力および出力される情報の種類を示しています。

3D座標は、3D 空間におけるオブジェクト点の位置を定義します。画像座標は、フィルムまたは電子画像装置上のオブジェクト点の画像の位置を定義します。カメラの外部方向^{[ 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。内部方向は、イメージング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、レンズの歪みの説明も含まれる場合があります。さらに追加の観測が重要な役割を果たします。スケール バー、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によって、基本測定単位との関連付けが作成されます。

これら4つの主要変数はそれぞれ、写真測量法の入力または出力となり得る。

写真測量アルゴリズムは通常、基準点の座標と相対変位に関する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して知られており、多くの場合、レーベンバーグ・マルカート法を用いて行われます。

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方向の精度が高い一方、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、三角測量、干渉法を使用）、白色光デジタイザー、その他領域をスキャンして複数の離散点（一般に「点群」と呼ばれる）のx、y、z座標を返すあらゆる技術によって得られます。写真では、点群では捉えられない建物の輪郭を明確に定義できます。両方のシステムの利点を活用し、統合することで、より優れた成果物を生み出すことができます。

3D 可視化は、航空写真^{[ 13 ] [ 14 ]}と LiDAR データを同じ参照フレームにジオレファレンスし、航空写真をオルソ補正し、オルソ補正された画像を LiDAR グリッド上に重ね合わせることで作成できます。また、航空写真や衛星画像 (例えばSPOT 衛星画像) 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、3D 可視化を作成することも可能です。適応型最小二乗ステレオマッチングなどの技術を使用して、カメラモデルを通して変換された対応点の密な配列を生成し、デジタル地形モデルやオルソイメージ製品の作成に使用できる x、y、z データの密な配列を生成します。これらの技術を使用するシステム (例えば ITG システム) 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、これらの技術は、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は依然として役立つ可能性があります。

写真測量は、地形図作成、建築、映画製作、工学、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平面図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。

また、映画のポストプロダクションで実写映像とコンピュータ生成映像を組み合わせるためにも使用されます。映画『マトリックス』は、フォトグラメトリーが映画で使用された良い例です（詳細はDVDの特典映像に記載されています）。フォトグラメトリーは、『The Vanishing of Ethan Carter』やEA DICEの『Star Wars Battlefront』などのビデオゲームのフォトリアルな環境アセットを作成するために広く使用されました。^{[ 15 ]}ゲーム『Hellblade: Senua's Sacrifice』の主人公は、女優メリーナ・ユルゲンスを撮影したフォトグラメトリーモーションキャプチャ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広く用いられています。衝突事故の訴訟が発生し、技術者が車両の正確な変形を特定する必要がある場合、事故発生から数年が経過し、警察が撮影した事故現場の写真だけが唯一の証拠となることがよくあります。写真測量は、問題の車両がどれだけ変形したかを判断するために使用され、これはその変形を引き起こすのに必要なエネルギー量と関連しています。そして、そのエネルギー量を用いて、衝突時の速度など、衝突に関する重要な情報を特定することができます。

この技術は、正確な地理参照付き 3D モデルを作成できるため、水中の物体やインフラストラクチャの検査にも使用されています。海底写真測量の用途は海洋エネルギー分野で数多くあり、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、洋上構造物の総合評価などが含まれます。また、特に港湾岸壁、堤防、ダム、その他の水力構造物の検査において、海洋および河川土木工学でますます重要な役割を果たしています。信頼性が高く再現性のある計測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、水中環境での介入に伴うコストを削減します。^{[ 17 ]}

考古学

オルソフォトマッピングと考古学の関連性を示す例として、^{[ 21 ]}歴史的な航空写真が、ベンチュラ伝道所の復元図の作成に役立てられ、建造物の壁の発掘を導いた。

写真測量はデジタル美術修復、特に偶像破壊運動中に破壊された歴史的彫刻や記念碑の仮想再構築に用いられてきた。^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

上空からの写真撮影は、考古学的遺跡の地表遺構や発掘現場のマッピングに広く用いられてきました。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は、第一次世界大戦時の戦争気球^{[ 25 ]}、ゴム製の気象観測気球^{[ 26 ]} 、凧^{[ 26 ] [ 27 ]}、発掘現場の上に構築された木製プラットフォームや金属製のフレームワーク^{[ 26 ]}、単独または棒や板で連結された梯子、三脚梯子、単段および多段の棒^{[ 28 ] [ 29 ]}、二脚^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}、三脚^{[ 34 ]}、四脚^{[ 35 ] [ 36 ]}、高所作業車（「チェリーピッカー」）^{[ 37 ]などが提案されています。}

手持ち式のほぼ真下からの俯瞰デジタル写真が、地理情報システム（ GIS）とともに発掘現場の記録に使用されている。 ^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]}

写真測量は、従来の方法に比べて遺跡のマッピングが比較的容易であるため、海洋考古学でますます使用されるようになり、仮想現実でレンダリングできる3Dマップの作成が可能になっています。^{[ 43 ]}

最近の研究では、高解像度写真測量法を3Dスキャンおよび定量的形態計測分析と組み合わせてギリシャ・ローマ時代の葬儀用マスクを比較し、博物館のコレクション内での断片の再識別と考古学的起源の帰属を可能にした。^{[ 44 ] [ 45 ]}

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

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• 写真測量の歴史
• 文化遺産画像処理ウェブサイトにおける写真測量の概要