Dem quality assessment with a 3d printed gravel bed applied to stereo photogrammetry

• Published in: Photogrammetric record 2014-06, Vol.29 (146), p.241-264
• Main Authors: Bertin, S., Friedrich, H., Delmas, P., Chan, E., Gimel'farb, G.
• Format: Article
• Language: English
• Subjects: 3D printing; Cameras; close range digital photogrammetry; DEM accuracy; Digital Elevation Models; Digital photography; Geophysics; gravel bed; Ground truth; Hydraulics; Photogrammetry; Physics; Quality assessment; Strategy; Three dimensional imaging; Topography
• ISSN: 0031-868X; 1477-9730
• DOI: 10.1111/phor.12061

Using stereo photogrammetry to obtain digital elevation models (DEMs) for surface topography analysis is becoming popular in hydraulic research, especially for coarse gravel beds. This paper assesses the DEM quality by using a realistic 3D printed gravel‐bed model, with known elevations every 0·25 mm, as ground truth. Two Nikon D5100 cameras and non‐proprietary photogrammetric software for camera calibration and DEM reconstruction are used for the study. A measured DEM is compared point by point with the ground truth and displays a very high measurement accuracy. The 3D printing of ground truths facilitates fast and versatile evaluation of both the DEM quality and the sensitivity of its errors to changes in surface topography and collection parameters. It has the potential to streamline evaluations of calibration and image quality, as well as error filtering strategies. Ultimately, 3D printed models will help in exploring stereomatching error reductions in occluded regions and defining the most suitable strategy for gravel‐bed DEM collection, both in air and through water. Résumé L'utilisation de la stéréophotogrammétrie pour obtenir des modèles numériques d’élévation (MNE) destinés à l'analyse de la topographie de surface est devenue courante dans la recherche en hydraulique, y compris pour l’étude des lits de graviers grossiers. Cet article évalue la qualité d'un MNE à partir d'un modèle réaliste de lit de graviers imprimé en 3D, dont les élévations sont connues avec un pas d’échantillonnage de 0,25 mm, comme réalité de terrain. Deux caméras Nikon D5100 et un logiciel libre de photogrammétrie pour l’étalonnage de la camera et la reconstruction du MNE sont utilisés pour cette étude. Un MNE mesuré est comparé point par point avec la réalité de terrain, et il présente une exactitude importante. Les réalités de terrain imprimées en 3D permettent une évaluation rapide et souple de la qualité d'un MNE ainsi que de la sensibilité de ses erreurs aux changements de la topographie de surface et des paramètres d'acquisition. Elles permettent d'optimiser l’évaluation de l’étalonnage et de la qualité des images, ainsi que les stratégies de filtrage des erreurs. A terme, les modèles imprimés en 3D permettront de réduire les erreurs d'appariement stéréoscopique dans les régions cachées et de définir les stratégies les plus adaptées pour l'acquisition de MNE sur des lits de graviers, aussi bien à l'air libre que sous l'eau. Zusammenfassung In der hydraulischen Forschung