Applications of low-budget photogrammetry in the geotechnical laboratory

Authors


Abstract

In geotechnical laboratories, complicated geometries have frequently to be surveyed and the surfaces of the test materials, such as soils or geosynthetics, are often hard to handle within the experiments. Compressions, strains, distortions, stresses and failures (for example, cracks) must be identified. Highly accurate measurements of two- and three-dimensional deformations can be performed using photogrammetric systems. Digital close range photogrammetry offers the possibility of capturing three-dimensional points to sub-millimetre accuracy. Because this is a non-contact measurement technology and large point clusters can be captured simultaneously, the method is well suited for geotechnical laboratory applications. Nowadays, digital cameras are well developed, such that even low-budget consumer cameras can be used for surveying tasks with high accuracy requirements. In this context, complex measurements in geotechnical experiments, such as the three-dimensional determination of strains in dynamic systems where several cameras may be needed, can be performed at very low cost.

In the authors’ opinion, low-budget solutions include the use of hardware and software which is already accessible. If the available photogrammetric network does not meet the requirements of the planned task, individual adaptation of this network may still be more cost-effective than purchasing a specialised product. This paper covers a variety of applications using low-budget digital photogrammetric solutions in geotechnical laboratories and emphasises two recent projects at the University of Rostock.

Résumé

Dans les laboratoires de géotechnique, des géométries complexes doivent souvent être mesurées et les surfaces des matériaux étudiés, comme les sols ou les géosynthétiques, sont difficiles à manipuler lors d’expériences. Des compressions, des déformations, des distorsions, des tensions et des ruptures (fissures par exemple) peuvent être identifiées. Des mesures très précises de déformations en deux ou trois dimensions peuvent être effectuées au moyen de systèmes photogrammétriques. La photogrammétrie numérique rapprochée offre la possibilité de localiser des points en trois dimensions avec une précision inférieure au millimètre. Parce que la méthode de mesure s’effectue sans contact et que de grands nombres de points peuvent être mesurés simultanément, la méthode est tout à fait adaptée aux applications d’un laboratoire de géotechnique. De nos jours, les appareils photo numériques se sont bien développés, au point que même des caméras amateurs bon marché peuvent maintenant être utilisées pour des mesures à haute précision. Dans ce contexte, des mesures complexes peuvent être effectuées à bas coût lors d’expériences géotechniques, comme la détermination tridimensionnelle de contraintes dans des systèmes dynamiques, qui nécessite parfois plusieurs appareils photo. Selon les auteurs, les solutions bon marché comprennent l’utilisation de matériels et de logiciels accessibles. Si le réseau photogrammétrique disponible ne répond pas aux exigences de la tâche prévue, une adaptation spécifique de cet équipement peut s’avérer plus rentable que d’investir dans un produit spécialisé. Cet article présente une diversité d’applications utilisant des solutions photogrammétriques numériques bon marché dans des laboratoires de géotechnique, dont deux projets récents de l’université de Rostock.

Zusammenfassung

In Geotechniklaboren müssen häufig komplizierte Geometrien vermessen werden und die Oberflächen der untersuchten Materialien wie Erdstoffe oder Geokunststoffe sind versuchstechnisch oft schwierig zu handhaben. Zumeist sind Kompressionen, Dehnungen, Verzerrungen, Spannungen und der Versagenseintritt (z.B. Rissbildung) zu ermitteln. Zur hochgenauen Messung dieser zwei- und dreidimensionalen Verformungen können photogrammetrische Messverfahren eingesetzt werden. Die digitale Nahbereichsphotogrammetrie bietet die Möglichkeit, dreidimensionale Punkte mit Genauigkeiten im Submillimeterbereich zu erfassen. Da die Messmethode berührungslos arbeitet und mit ihr große Punktwolken simultan erfasst werden können, ist sie sehr gut im Geotechniklabor einsetzbar. Inzwischen ist die Entwicklung von Digitalkameras so weit ausgereift, dass schon preiswerte Amateurmodelle für hochgenaue Vermessungszwecke eingesetzt werden können. Damit können auch sehr aufwändige Vermessungsaufgaben in geotechnischen Experimenten, wie die dreidimensionale Ermittlung von Dehnungen in dynamischen Systemen, für die ggf. eine Vielzahl an Kameras benötigt wird, kostengünstig durchgeführt werden. Unter dem Begriff “low-budget” wird hier auch die Verwendung von Hard- und Software verstanden, die bereits vorhanden sind. Falls das vorhandene Photogrammetriesystem die Anforderungen an das Messsystem nicht erfüllt, kann eine individuelle Anpassung desselben kostengünstiger sein als die Beschaffung einer speziellen Lösung. Dieser Artikel stellt die Anwendung von preisgünstiger digitaler Nahbereichsphotogrammetrie in der geotechnischen Laborpraxis anhand mehrerer Beispiele dar, wobei das Hauptaugenmerk auf zwei aktuelle Projekte gerichtet wird, die an der Universität Rostock durchgeführt wurden.

Resumen

Los laboratorios geotécnicos se enfrentan habitualmente a la tarea de medir superficies de geometría compleja de materiales tales como suelos naturales o sintéticos que no son fácilmente manejables en los ensayos. La tarea consiste en la identificación de compresiones, deformaciones, tensiones, distorsiones y fallos tales como fracturas. Un sistema fotogramétrico permite realizar medidas de deformación en dos y tres dimensiones con una elevada exactitud, de modo que la fotogrametría digital de objeto cercano permite capturar puntos tridimensionales con exactitud submilimétrica. El método se adapta bien al trabajo de un laboratorio geotécnico dado que se trata de una tecnología de medida a distancia que captura simultáneamente voluminosos conjuntos de puntos. El actual desarrollo tecnológico de las cámaras digitales hace que incluso las cámaras de uso común se puedan utilizar para levantamientos que demandan una elevada exactitud. En este contexto, se pueden realizar a muy bajo coste medidas geotécnicas complejas tales como la determinación de tensiones tridimensionales en sistemas dinámicos en donde puede ser necesario emplear varias cámaras. En opinión de los autores, las soluciones baratas se basan en la utilización de programas y equipos fácilmente disponibles. Si la red fotogramétrica disponible no reúne los requisitos especificados, la adaptación de la misma puede ser más asequible que la compra de un producto específico. Este artículo describe un conjunto de aplicaciones y soluciones fotogramétricas digitales de bajo coste que se utilizan en laboratorios geotécnicos y detalla dos proyectos recientes realizados en la Universidad de Rostock.

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