Accuracy assessment of low-cost Terrestrial and UAV-based photogrammetry for Geomatics applications in architectural and cultural heritage contexts

Martinez-Espejo Zaragoza, Isabel

In the last decades, the field of Geomatics applied to architectural and cultural heritage has benefited from some major advances. Upon their introduction, laser scanners have revolutionized the surveying world, gradually establishing as a basic tool, at first for terrestrial and later for airborne surveys. At about the same time, photogrammetry also experienced its own evolution, culminating with Structure from Motion (SfM) and MVS (Multi-View Stereo) algorithms. These algorithms generate dense 3D colour point clouds that however may not always be considered reliable. In fact, matching algorithms can be very sensitive to data collection, lighting and texture, and accuracy control is difficult. The high automation levels attainable also require caution because, while allowing for quicker modelling, control and perception of the steps to follow become looser. In terrestrial surveys, accessibility can still present challenging issues, where both Terrestrial Laser Scanning (TLS) and terrestrial photogrammetry are not viable options. Many situations do not allow acquisition of both images and TLS data, necessary to generate 3D models. A solution of this problem is a new technique for the acquisition of photogrammetric data, based on the use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). Within the broader field of study of Terrestrial and UAV-based photogrammetry in architectural and cultural heritage contexts, this thesis focuses on four aspects in order to provide an operating methodology for surveys: 1-Influence of number and position of Ground Control Points (GCPs) and tie points in SfM and MVS techniques; 2-Best methods for survey assessment; 3-TLS/SfM-MVS integration; 4-Original applications in architecture surveys. Besides, introduction of UAV-based applications has been investigated in some cases. The thesis provides guidelines for low-cost terrestrial and UAV-based photogrammetry aimed at any figure involved in surveying in architectural and cultural heritage contexts. These guidelines include methodologies for accuracy checks and data integration as well as a workflow enabling survey optimization and devising original applications. Besides, integration of the research aspects has allowed to provide accuracy checks of the acquired data and integration of data from different sources, as well as accuracy controls of both each single-technique model and models obtained through technique integration.

In den letzten Jahrzehnten sind im Bereich der Geomatik bei architektonischem und kulturellem Erbe große Fortschritte zu verzeichnen. Nach Einführung des Laserscanners, hat dieser die Welt revolutioniert und sich als Instrument etabliert, zunächst für Untersuchungen am Boden und später auch aus der Luft. Im gleichen Zeitraum erfuhr die Photogrammetrie ebenfalls eine Evolution durch die Algorithmen des Structure from Motion (SfM) und Multi-View Stereo Verfahrens (MVS). Diese Algorithmen erzeugen dichte 3D-Punktwolken, die allerdings nicht immer als zuverlässig gelten. Tatsächlich können Matching-Algorithmen sensibel auf Datenerfassung, Lichtverhältnisse und Oberflächenstruktur reagieren, was die Genauigkeitskontrolle erschwert. Die höchstmöglichen Automatisierungsstufen fordern ebenfalls Vorsicht, denn bei schnellerem Modelling werden Kontrolle und Erfassung auch ungenauer. Bei terrestrischen Vermessungen kann die Zugänglichkeit eine Herausforderung darstellen, wo sowohl Laserscanning (TLS) als auch Photogrammetrie nicht praktikabel sind. Viele Situationen lassen keine gleichzeitige Erfassung von Bildern und TLS-Daten zu, die für die Erzeugung von 3D-Modellen erforderlich ist. Eine Lösung bietet eine neue Technik zur Erfassung von photogrammetrischen Daten, die auf der Verwendung von unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) basiert. Auf dem Forschungsgebiet der terrestrischen und UAV-basierten Photogrammetrie im Kontext von architektonischem und kulturellem Erbe fokussiert diese Arbeit vier Aspekte für eine optimale Untersuchungsmethodik: 1. Einfluss der Anzahl und Positionen der Bodenkontrollpunkte (GCPs) und Passpunkte im SfM und MVS; 2. die besten Untersuchungsmethoden; 3. Integration von TLS/SfM und MVS; 4. Originalanwendungen bei Architekturerhebungen. Zudem wurde auch die Einführung von UAV-basierten Anwendungen untersucht. Diese Dissertation bietet Richtlinien für eine kostengünstige terrestrische und UAV-basierte Photogrammetrie, die sich auf jede Untersuchung im Bereich architektonischen und kulturellen Erbes bezieht. Dazu gehören Methoden zur Genauigkeitsprüfung und Datenintegration sowie ein Workflow, der eine Erhebungsoptimierung und die Anpassung von Originalanwendungen ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht die Integration der Forschungsaspekte die Genauigkeitsprüfung der erfassten Daten und die Einbeziehung von Daten verschiedener Quellen, und damit auch die Genauigkeitskontrolle des Einzeltechnikmodells und von Modellen der Technikintegration.

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Martinez-Espejo Zaragoza, Isabel: Accuracy assessment of low-cost Terrestrial and UAV-based photogrammetry for Geomatics applications in architectural and cultural heritage contexts. 2018.

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