Development of an Enhanced Aerial Photogrammetric Process for Precise 3D Model Reconstruction and validation by Volume Calculation

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine perfekte 3D-Statue Ihres Lieblingsspielzeugs zu bauen, aber Sie haben nur eine flache, zweidimensionale Kamera zur Verfügung. Das ist die Welt der Photogrammetrie, ein Zweig der Wissenschaft, der flache Fotos in 3D-Modelle verwandelt. Denken Sie an es wie ein digitales Puzzle: Wenn man genug Fotos aus verschiedenen Blickwinkeln von einem Objekt macht, kann ein Computer herausfinden, wie tief das Objekt ist, genau so, wie Ihr Gehirn zwei Augen benutzt, um Entfernungen einzuschätzen. Normalerweise machen Drohnen dies automatisch, indem sie in perfekten Mustern fliegen, um hunderte von Fotos zu schießen. Aber was, wenn die Drohne müde wird, oder der Akku leer ist, oder der Computer durch zu viele Daten überfordert wird? Hier setzt diese Forschung an und stellt eine einfache, aber knifflige Frage: Brauchen wir wirklich eine Million Fotos, oder können wir das gleiche perfekte 3D-Modell bekommen, indem wir weniger, aber dafür intelligentere Bilder machen?

Die Forscher in dieser Studie wollten den „Sweet Spot“ für das Fotografieren finden. Sie suchten nach den perfekten Kameraperspektiven, die ihnen ein supergenaues 3D-Modell liefern würden, ohne Zeit oder Speicherplatz zu verschwenden. Sie testeten verschiedene Arten, ein Objekt zu betrachten – direkt von oben, von der Seite oder irgendwo dazwischen –, um zu sehen, welche Kombination das beste digitale Abbild erzeugte. Warum ist das wichtig? Weil es in der realen Welt, egal ob Sie einen Erdhaufen auf einer Baustelle vermessen oder ein historisches Gebäude scannen, entscheidend ist, das Volumen (also wie viel Platz es einnimmt) exakt richtig zu erfassen. Wenn Ihre Mathematik nicht stimmt, bestellen Sie vielleicht zu viel Beton oder übersehen einen strukturellen Mangel. Diese Arbeit versucht, den effizientesten Weg zu finden, um diese Mathematik korrekt hinzubekommen.

Die große Suche nach dem Foto-Winkel

Das Team von Garuda Aerospace und mehreren Ingenieurhochschulen in Indien beschloss, ein Spiel namens „Winkel raten“ zu spielen, um zu sehen, wie man das beste 3D-Modell eines einfachen Objekts baut: eines Papierkartons. Sie haben jedoch nicht einfach nur geraten; sie richteten ein sehr spezifisches Experiment ein. Stellen Sie sich einen flachen Kreis auf dem Boden vor, der wie eine Pizza in zwölf Stücke unterteilt ist. Sie platzierten den Karton in der Mitte und standen an jedem dieser Stücke, um ein Foto zu machen.

Aber hier kommt der Clou: Sie standen nicht einfach nur da. Sie neigten ihre Kameras, um den Karton aus vier verschiedenen Sichthöhen zu betrachten: 30°, 45°, 60° und 90°.

• 90° bedeutet, direkt von oben zu schauen, wie eine Vogelperspektive.
• 0° (den sie ebenfalls testeten) bedeutet, direkt von der Seite zu schauen, wie ein Mensch, der daneben steht.
• 30°, 45° und 60° sind die „schrägen“ Winkel, bei denen man schräg auf das Objekt blickt, wie eine Drohne, die diagonal darüber schwebt.

Sie begannen mit einer Mobiltelefonkamera, die in einem konstanten Abstand von 5 Fuß gehalten wurde. Sie machten Fotos des Kartons aus jedem Winkel, manchmal nahmen sie nur einen Winkel (wie nur 45°) und manchmal mischten sie sie (wie Fotos sowohl bei 45° als auch bei 60°). Nachdem die Bilder aufgenommen wurden, fütterten sie diese in ein leistungsstarkes Computerprogramm namens Agisoft Metashape. Diese Software fungiert als digitaler Bildhauer, der die flachen Fotos zusammenfügt, um ein 3D-Modell, ein „Digitales Höhenmodell“ (eine Karte der Höhen) und eine flache, perfekte Luftaufnahme namens „Orthomosaik“ zu erstellen.

Der Volumentest: Hat die Mathematik funktioniert?

Um zu sehen, ob ihre digitalen Modelle tatsächlich gut waren, mussten sie ein „Vergleichen und Prüfen“-Spiel spielen. Sie kannten die exakte Größe des Papierkartons, da sie ihn mit einem Lineal gemessen hatten. Der echte Karton hatte ein Volumen von 0,00189 m³.

Dann baten sie den Computer, das Volumen der durch die verschiedenen Fotosätze erstellten 3D-Modelle zu messen. Sie verwendeten ein anderes Programm, QGIS, um das Volumen des digitalen Kartons zu berechnen und verglichen es mit dem echten. Wenn der Computer sagte, der Karton sei 0,00189 m³, waren sie perfekt. Wenn er sagte, er sei 0,00200 m³, lagen sie ein wenig daneben.

Hier ist, was sie fanden, und es war ziemlich überraschend:

• Der „Überall-durcheinander“-Fehler: Als sie versuchten, alle verfügbaren Winkel gleichzeitig zu verwenden (0°, 30°, 45°, 60° und 90°), wurde der Computer verwirrt. Der Fehler sprang auf massive +82,5 %. Es stellt sich heraus, dass es das Modell sogar schlechter machen kann, wenn man zu viele verschiedene Arten von Fotos zusammenwirft.
• Das „Direkt-von-oben“-Problem: Das Fotografieren nur aus einem 90°-Winkel (direkt von oben) lieferte ein ordentliches Ergebnis, war aber immer noch um -3,70 % daneben. Es fehlten einige der Details an den Seiten.
• Der „Seitenansicht“-Kampf: Nur aus der 0°-Perspektive (direkt von der Seite) zu schauen, war für die Software ein Desaster; sie konnte die Punkte nicht einmal richtig abgleichen, um ein Modell zu bauen.
• Die Gewinnkombination: Die Magie geschah, als sie 45° und 60° unter Verwendung des Mobiltelefons kombinierten. Diese spezifische Kombination aus schrägen Winkeln erzeugte ein 3D-Modell, das dem echten Karton unglaublich nahe kam. Der Computer berechnete das Volumen mit 0,00190 m³, was nur +0,53 % von der echten Messung abwich. Dies war das genaueste Ergebnis der gesamten Studie.

Sie testeten auch eine Mischung aus 30°, 45° und 60°, was ebenfalls gut war, mit einem Fehler von +3,18 %, aber das Paar aus 45° und 60° war der klare Champion.

Vom Telefon zur Drohne: Der Realitätstest

Nachdem sie die besten Winkel mit dem Telefon ermittelt hatten, wollten sie sicherstellen, dass dies auch mit einer echten Drohne funktioniert. Sie tauschten das Telefon gegen eine Garuda Aerospace Drohne aus und flogen sie in einer Höhe von 30 Fuß über das Objekt. Sie verwendeten dieselben gewinnenden Winkel (45° und 60°), um die Bilder aufzunehmen.

Das Ergebnis? Die Drohnenmethode war ebenfalls hochpräzise, wobei der Fehler auf weniger als 2,76 % sank. Die Fähigkeit der Drohne, reibungslos zu fliegen und überlappende Bilder aus genau diesen schrägen Winkeln aufzunehmen, machte das 3D-Modell unglaublich genau. Die Forscher stellten fest, dass dieser „nicht-autonome“ Ansatz (bei dem ein Mensch die Drohne anleitet, um spezifische Fotos zu machen, anstatt die Drohne blind nach einem vorgegebenen Muster fliegen zu lassen) Zeit sparte und die Menge an nutzlosen gesammelten Daten reduzierte.

Das Fazit

Diese Studie legt nahe, dass man nicht eine Million Fotos machen oder eine Drohne in einem komplizierten, automatisierten Gitter fliegen muss, um ein perfektes 3D-Modell zu erhalten. Stattdessen kann man, indem man eine Kamera (oder Drohne) manuell anleitet, um Fotos in den 45°- und 60°-Winkeln zu machen, ein hochpräzises 3D-Modell erstellen.

Die Arbeit hebt hervor, dass die Kombination aus 45° und 60° die höchste Genauigkeit lieferte und einen Fehler von nur +0,53 % bei der Verarbeitung der Mobiltelefonbilder erreichte. Als dieses optimierte Winkelsetup auf die Luftfotogrammetrie mittels einer Drohne angewendet wurde, lieferte es ebenfalls hochgenaue Volumenberechnungen mit einem Fehler von weniger als 2,76 %.

Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass diese spezifischen schrägen Winkel die „Goldlöckchen-Zone“ sind – nicht zu steil, nicht zu flach, sondern genau richtig. Sie bieten genug Details der Oberseite und der Seiten des Objekts, um dem Computer zu helfen, eine solide, genaue 3D-Form zu bauen, ohne durch zu viele zusätzliche Daten verwirrt zu werden. Egal, ob man ein Telefon oder eine Drohne verwendet, das Objekt aus diesen zwei spezifischen Winkeln zu betrachten, scheint das Geheimnis zu sein, das beste digitale Abbild (Digital Twin) überhaupt zu bauen.