Comparison of camera equipment for photogrammetric digitization of hard rock tunnel faces

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2021-05-17
Department
Major/Subject
Rock engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Geoengineering (GEO)
Language
en
Pages
62 + 16
Series
Abstract
It is important to have good data for making safe tunnel designs. An understanding of the prevailing discontinuities is crucial to evaluate the quality of the rock mass and reinforcement needs. Photogrammetry using Structure-from-Motion is a 3D-scanning technique from which one can make 3D representations of real-life objects using 2D-photos. The 3D-models allows for more automated and faster discontinuities mapping than traditional compass methods. The research location is the Underground Research Laboratory of Aalto University (URLA), which is a tunnel complex located in underneath Otaniemi campus at Aalto University in Espoo Southern Finland. The research questions are: What are the challenges in tunnel photogrammetry? What are the most efficient methods in capturing tunnel environments? Are 360- and action cameras a viable alternative to more traditional photogrammetry methods using DSLR cameras? Do the methods used produce 3D-models good enough for identifying rock futures and for doing measurements and discontinuity mapping? In this thesis different cameras are compared for Structure-from-Motion photogrammetry, a DSLR camera, a 360-camera, and a GoPro rig that was developed during the research. The GoPro rig combines four GoPro action cameras using a plastic frame and 3D-printed parts and can be used both handheld and on a tripod. An experiment is done using constraints for how close to an unsupported walls work can be done, to simulate a tunnel under construction. The accuracy, speed and resolution of each method is measured. The geometric accuracy is compared with measurements from a laser measurement tool. Traditional compass measurements of discontinuity sets are compared with measurements from 3D-models gathered, including semi-automated measurements of discontinuities in Discontinuity Set Extractor. The results show that out of the methods compared the DSLR method is most accurate and the 360-camera least accurate, yet each method produces a point cloud accurate enough for automatic discontinuity set measurements. Out of the methods tested the GoPro rig was proven to be both the fastest and cheapest method in acquiring images for photogrammetry.

Det är viktigt att ha tillgång till bra data för att designa säkra tunnlar. En bra förståelse för rådande diskontinuiteter, eller sprickplan, krävs för att utvärdera bergmassans kvalitet och behov av förstärkning. Structure-from-Motion fotogrammetri är en teknik som möjliggör tredimensionell skanning av objekt med hjälp av tvådimensionell fotografering. 3D-modellerna möjliggör mer automatisk och snabbare kartläggning av diskontinuiteter än traditionella kompassmetoder. Forskningen görs i det underjordiska forskningslaboratoriet vid Aalto-universitetet (URLA), ett tunnelkomplex som ligger under Otnäs campus vid Aalto-universitetet i Esbo i södra Finland. Forskningsfrågorna är: Vilka är utmaningarna i tunnelfotogrammetri? Vilken fotograferingsmetod är mest effektiv för tunnlar? Är 360- och actionkameror ett användbart alternativ till mer traditionella fotogrammetri-metoder med DSLR-kameror? Är resultatet av metoderna tillräckligt bra för att identifiera bergmassans egenskaper och för att göra mätningar och diskontinuitetskartläggning? I denna avhandling jämförs olika kameror för Structure-from-Motion-fotogrammetri – en DSLR-kamera, en 360-kamera och en GoPro-rigg som utvecklades under forskningen. GoPro-riggen kombinerar fyra GoPro-actionkameror med en ram i plast och 3D-ustrivna delar som kan användas både handhållen och på stativ. Ett experiment görs för att simulera en tunnel under uppbyggnad med begränsningar för hur nära en vägg som inte stöds kan utföras. Noggrannheten, hastigheten och upplösningen för varje metod mäts. Noggrannheten jämförs med mätningar från ett lasermätverktyg. Traditionella kompassmätningar av sprickplan jämförs med mätningar från 3D-modeller, inklusive halvautomatiserade mätningar av diskontinuiteter i Discontinuity Set Extractor. Resultaten visar att DSLR-metoden är mest geometriskt exakt och 360-kameran minst exakt. Dock producerar varje metod ett resultat som är tillräckligt exakta för automatiska mätningar av diskontinuitet. Av metoderna som testas i avhandlingen visade sig GoPro-riggen vara både snabbast och billigast.
Description
Supervisor
Leveinen, Jussi
Thesis advisor
Janiszewski, Mateusz
Keywords
photogrammetry, structure-from-motion, mining, tunnelling, underground research laboratory of Aalto university.
Other note
Citation