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Keywords:

  • camera calibration;
  • digital camera;
  • field survey;
  • geology;
  • geomorphology;
  • photogrammetry

Abstract

A photogrammetric method is presented for mapping rock outcrops and other objects in the field. Special attention was paid to simplifying the workflow and to minimising extra bulk and weight of the required equipment while maximising the accuracy of the survey. The minimum equipment needed for the surveys added less than 0·5 kg to the backpack of a field scientist, or as little as 0·2 kg assuming that a suitable camera was already part of the typical equipment carried in the field. Data acquisition in the field took less than 15 min, while image orientation and preparation for stereoviewing took less than 30 min even for a user with little training. Best results were accomplished taking two convergent images as well as three images parallel to the object of interest. Two test sites were surveyed with the method, covering volumes of 3·5 × 5 × 3 m3 and 18 × 20 × 5 m3, to identify the most accurate adjustment method. The maximum length measurement error (LME) was calculated for 28 and 78 distances in the smaller and larger volume, respectively, based on a comparison of the photogrammetric survey with an independent total station survey of the same signalised points. The maximum LME ranged between 0·005 and 0·002 m for the first test site where three cameras were tested, and was 0·021 m for the larger test site where only one camera was tested. The rmse values of the LMEs ranged between 0·003 and 0·001 m for the first and 0·010 m for the second test site, respectively. The smallest and lightest camera, a Ricoh GR Digital, yielded the most accurate results in object space when interior orientation was calibrated on the job. The Sigma SD14 did not require on-the-job calibration for accurate results and was the camera with the best geometric stability. The third camera evaluated, a Rollei d7 metric5, also yielded good results, but could not deliver the extra value that would be expected from a metric camera designed for photogrammetric surveys.

Résumé

Une méthode photogrammétrique est présentée pour la cartographie des affleurements rocheux sur le terrain. On a veillé tout particulièrement à simplifier la procédure et à minimiser l’encombrement et le poids du matériel requis tout en optimisant la précision du levé. L’équipement minimum nécessaire pour les levés a alourdi de moins de 0,5 kg le bagage d’un scientifique de terrain, ou d’à peine 0,2 kg dans le cas où l’équipement de terrain comprend déjà un bon appareil photographique numérique. Il a fallu à un utilisateur peu entraîné moins de 15 minutes pour acquérir les données, et moins de 30 minutes pour orienter les images et préparer l’observation stéréoscopique. Les meilleurs résultats ont été obtenus en prenant deux images convergentes ainsi que trois images parallèles à l’objet étudié. La méthode a été appliquée à deux sites test couvrant un volume de 3,5 × 5 × 3 m3 et 18 × 20 × 5 m3 afin d’identifier la méthode d’ajustement la plus précise. L’erreur maximale de mesure des longueurs a été calculée pour 28 et 78 distances, respectivement dans le plus petit et le plus grand volume, par comparaison du levé photogrammétrique avec un levé indépendant par station totale sur les points signalisés. L’erreur maximale de mesure des longueurs varie de 0,005 m à 0,002 m sur le premier site test où trois caméras ont été testées, et vaut 0,021 m pour le second site test où une seule caméra a été testée. L’erreur quadratique moyenne des longueurs mesurées varie de 0,001 à 0,003 m pour le premier site et vaut 0,010 m pour le second. La caméra la plus petite et la plus légère, une Ricoh GR Digital, a fourni les résultats les plus précis dans l’espace objet avec une orientation interne effectuée sur place. La Sigma SD14 n’a pas nécessité d’étalonnage sur place pour fournir des résultats précis et s’est avérée être la caméra de meilleure stabilité géométrique. La troisième caméra testée, une Rollei d7 metric5, a également fourni de bons résultats, sans pour autant apporter la valeur ajoutée que l’on pourrait attendre d’une caméra métrique conçue pour les levés photogrammétriques.

Zusammenfassung

Es wird eine photogrammetrische Methode zur Vermessung von geologischen Aufschlüssen und anderen Objekten im Gelände vorgestellt. Besonderes Augenmerk wurde darauf verwendet, einen möglichst einfachen Arbeitsablauf zu gewährleisten, um mit minimaler Ausrüstung ein Maximum an Genauigkeit zu erreichen. Die photogrammetrische Mindestausrüstung fügte 0·5 kg Gewicht zur Geländeausrüstung hinzu. Geht man davon aus, dass eine Kamera zur Standardausrüstung im Feldgepäck eines Geowissenschaftlers gehört, und diese auch für photogrammetrische Messungen eingesetzt werden kann, beträgt das Extragewicht nur 0·2 kg. Die Datenaufnahme im Gelände betrug 15 Minuten, die Orientierung der Bilder und die Vorbereitung für eine Stereoauswertung dauerte weniger als 30 Minuten für Anwender mit wenig Erfahrung. Die besten Ergebnisse wurden erreicht, wenn das Untersuchungsobjekt mit zwei konvergenten und drei parallelen Bildern erfasst wurde. Zwei Testobjekte mit einem Volumen von 3·5 × 5 × 3 m3, beziehungsweise 18 × 20 × 5 m3, wurden mit der Methode vermessen, um zu ermitteln, auf welche Art die beste Genauigkeit im Objektraum erreicht werden kann. Die grösste Längenmessabweichung (LMA) wurde für 28 Strecken im kleineren, beziehungsweise 78 Strecken im grösseren Messvolumen, ermittelt. Die LMA basiert auf einem Vergleich von Messungen signalisierter Punkte am Objekt aus den Bildern mit einer unabhängigen Messung der gleichen Punkte mit einer Totalstation. Die grössten LMA variierten zwischen 0·005 m und 0·002 m für den kleineren Ausschluss, an dem Ergebnisse von drei Kameras verglichen wurden, und 0·021 m am grösseren Aufschluss, der nur mit einer Kamera aufgenommen wurde. Die RMSE Werte aller LMA variierten zwischen 0·003 m und 0·001 m für den kleineren und betrugen 0·010 m für den grösseren Aufschluss. Die kleinste und leichteste Kamera im Vergleich, eine Ricoh GR Digital, erzielte die beste Genauigkeit am Objekt, wenn die innere Orientierung simultan kalibriert wurde. Die Sigma SD14 war die geometrisch stabilste Kamera im Test und benötige keine Simultankalibrierung. Die dritte Kamera, die getestet wurde, war eine Rollei d7 metric5, welche auch gute LMA Werte erreichte, jedoch nicht den Mehrwert erbringen konnte, den man von einer metrischen Kamera erwarten würde.

Resumen

Se describe un método fotogramétrico para cartografiar salientes rocosos y otros objetos en el campo con el objetivo de simplificar el flujo de trabajo y reducir la cantidad y peso de los equipos de medida sin por ello comprometer la exactitud del trabajo de campo. El equipo mínimo necesario para los levantamientos supuso añadir menos de medio kilo al peso de la mochila del investigador de campo, o solamente 0,2 kg suponiendo que un equipo típico para observación en campo ya incluye una cámara. A un usuario poco entrenado, la obtención de datos le toma menos de 15 minutos y la orientación y preparación de la imagen para la visión estéreo menos de 30 minutos. Los mejores resultados se obtuvieron tomando dos imágenes convergentes así como tres imágenes paralelas al objeto de interés. Para determinar el método de ajuste más exacto, se realizaron ensayos en dos zonas de 3,5 × 5 × 3 m3 y 18 × 20 × 5 m3. A continuación se calculó el error máximo de medida de la longitud (EML) en 28 y 78 distancias en los volúmenes más pequeño y más grande respectivamente, comparando el levantamiento fotogramétrico con un levantamiento independiente realizado con estación total de los mismos puntos señalizados. El EML osciló entre 0,005 y 0,002 m para la primera zona de ensayo en donde se probaron tres cámaras, y 0,021 m en la zona más grande donde sólo se probó una cámara. Los valores rmse de los EML oscilaron entre 0,001 m y 0,003 m en la primera zona, y 0,010 m en la segunda. La cámara más pequeña y ligera, una cámara Ricoh GR Digital, proporcionó los resultados más exactos en el espacio objeto cuando se calibró la orientación interna sobre el terreno. La cámara Sigma SD14 no requirió de calibración sobre el terreno para obtener resultados exactos y fue la cámara con la mejor estabilidad geométrica. La tercera cámara evaluada, una Rollei d7 metric5, también proporcionó buenos resultados, pero no aportó la capacidad extra esperable en una cámara métrica diseñada para trabajos fotogramétricos.