ФОТОГРАМЕТРИЯТА – ОТ КОРЕНИТЕ ДО КОРОНАТА

Ст.н.с. д-р инж. Иван Кацарски

            Целта на тази статия е да припомни на колегите, които проявяват интерес към фотограметрията, пътят на нейното развитие от кроените й до нейната корона. Третирани са циклите на развитие, през които е преминала и свързаните с тези процеси личности, фирми и апаратура.

Статията е структурирана в 5 раздела:

• Корените;
• Циклите на развитието;
• Аналоговата, аналитичната и дигиталната фотограметрия;
• Личностите и приносите;
• Фирмите и апаратурата;
• Българското участие.

 КОРЕНИТЕ

Както е известно измерванията във фотограметрията първоначално са се извършвали върху фотоснимки. Основите на тази концепция обаче са развивани още в далечното минало.

            Евклид (323-383 пр.Хр.), древногръцки математик от Александрия, се занимава с природата на светлината и изучава оптическата проектиране на образи.

            Леонардо да Винчи (1452-1519), знаменит италиански архитект, изобретател, инженер, скулптор и художник, около 1480 г. пише приблизително следното:

„Перспективата не е нищо друго освен виждането на един предмет зад парче гладко и напълно прозрачно стъкло, върху повърхността на което могат да се отбележат всички намиращи се зад него предмети. Предметите предават своите образи на окото посредством пирамидални линии, които се пресичат в стъклото. Колкото по-близо до окото се пресичат те, толкова по-малки изглеждат причинените от тях образи”.

Ако стъклото бъде заменено с филм или фотоплака, а окото – с обектив, ще се получи сполучливо описание на фотографията. Така този гении третира въпросите, свързани с изобразяването на точки, линии, ъгли, повърхнини и тела върху образната равнина. Много от картините на Леонардо да Винчи имат съвременен принос за разбиране на проективната геометрия посредством графичната перспектива.

Малко по-късно, през 1492 г., е създадено устройство, което работи на принципите на централната проекция (перспективата), което е известно като „Латерна магика”. Това устройство е подобно на днешния мултимедиен прожектор. Според някои източници Латерна магика води началото си още от древна Гърция.

Принципите на перспективата и проективната геометрия, познати още от древността, формират основата, върху която значително по-късно е изградена теорията на фотограметрията.

Други учени продължават да работят върху проективната геометрия от математическа гледна точка.

Албрехт Дюрер (1471-1528), германски художник, математик и изкуствовед, през 1525 г., като използва законите на перспективата, създава и демонстрира остроумен инструмент за изобразяване на доста точни перспективни скици. Известна е резбата върху дърво от 1525 г., която изобразява този инструмент.

Йохан Хайнрих Ламберт (1728-1777), германски философ, физик астроном и математик, през 1759 г. в тезиса си “Свободна перспектива” развива математическите принципи на един перспективен образ, като използва пространствената обратна засечка за намиране на точка в пространството от която се създава картина.

Връзката между проективната геометрия и фотограметрията е била развита за първи път в Германия през 1883 г. от Фридрих Рудолф Щрум (1832-1902)и Херман Гуидо Хаук (1845-1905).

            Първата фотоснимка е получена през 1814 г. от френския фотохимик-любител и пионер във фотографията Жозеф Нисефор Нипс (1765-1833). За появяване на позитивен образ обаче тогава е била необходима осемчасова експонация. Френският художник и декоратор, един от създателите на фотографията, Луи Жак Дагер (1787-1851) през

1837 г. получава първата „практическа” фотография, като използва процес, наречен „Дагеротипия”.

Доминик Франсоа Араго (1786-1853), известен френски физик, политик, математик, астроном и директор на Парижката обсерватория, около1840 г. обосновава пред Френската академия на изкуството и науката. ползата от фотограметрията с прилагане на процеса „Дагеротипия”, развит от Нипс и Дагер.

ЦИКЛИТЕ НА РАЗВИТИЕТО

            Развитието на фотограметрията, като се започне от около 1850 г., преминава през следните четири цикъла:

• Мензулна фотограметрия или Фотограметрия чрез засечки (от 1850 до 1900 г.), наричана „Метод на Лоседа” по името на французина Еме Лоседа (1862-1907). Този период има за начало откриването на фотографията от Нипс и Дагер;
• Аналогова фотограметрия (от 1900 до 1960 г.) – характерна с използването на стереоскопията като измерителен принцип в стереофотограметрията и с въвеждането на подходящи платформи – въздушния кораб на Граф Фердинад фон Цепелин (1838-1917) и моторния самолет на братята Райт – Орвил (1871-1948) и Уилбър (1867-1912);
• Аналитична фотограметрия (от 1960 г.), която започва с изобретяването на електронната сметачна машина и с осъществените практически приложения на аналитичните методи, например, от Себастиян Финстервалдер (1862-1951);
• Дигитална фотограметрия (от 1990 г.) – предхождана от изстрелването на първия изкуствен спътник на Земята – Спутник (1957 г.), а по късно – Landsat (1972), като междувременно са изстреляни и други спътници.

Някои автори прилагат различен подход и подразделят развитието на топографското картографиране в 4 фази:

• Първата фаза обхваща периода до Първата световна война. Този сегмент най-добре е изразен чрез експериментирането на нови технологии, но с малки възможности за производството на карти. Тази фаза е характеризирана като „голямото международно сътрудничество”.
• Втората фаза обхваща периода на Първата световна война. Експериментирането дава възможност за развиване на елементарни технологии за производство на карти, преди всичко за нуждите на армията.
• Третата фаза обхваща 20-те години на миналото столетие. За отбелязване е използването на аероплана, както и значителен технологичен напредък в инструментостроенето. Фокусът на картографирането се измества от военните към цивилните нужди. Този период се характеризира като национален с малко международно коопериране. Тази фаза се характеризира и с началото на едромащабното картографиране за граждански цели. Фотограметрията се развива от технология за експериментално производство на карти към доказана технология за точно картографиране.
• Четвъртата фаза обхваща 30-те години на миналото столетие, когато технологиите се променят значително. Новата фотограметрична апаратура променя в голяма степен начините на топографското картографиране.

АНАЛОГОВАТА, АНАЛИТИЧНАТА И ДИГИТАЛНАТА ФОТОГРАМЕТРИЯ

Според характера на информацията, която се получава от снимките фотограметрията се подраздела на метрична и интерпретивна. Метричната фотограметрия определя количественото съдържание на снимките, като използва техните метрични (геометрични) качества за получаване на метрична информация. Интерпретивната фотограметрия изяснява съдържанието и смисъла на фотообразите, като изучава съдържанието на снимките, използвайки техните семантични (смислови) свойства за получаване на семантична информация.

Според начина на извличане на информация от снимките, т. е. според начина на извършване на измерванията върху тях, метричната фотограметрия са подраздела на аналогова, аналитична и дигитална.

Аналоговата фотограметрия

Дефиниция. В общия случай аналоговата фотограметрия построява от фотоснимките умален пространствен оптически модел на заснетия обект, върху който се извършват измерванията.При нея се прилагат два основни метода: универсален и (в частност) диференциран. Универсалният метод обхваща целия фотограметричен процес за получаване на ортогонална проекция (карта) на заснетия обект от две (или повече) централни проекции (снимки). Този метод е механизиран и измерванията върху снимките се извършва само с един аналогов (картировъчен) апарат.

Приложение. В близкото минало аналоговата фотограметрия намираше широко приложение за създаване и обновяване на топографски и кадастрални карти в различни мащаби, както и за аналогова аеротриангулация.

Апаратура. Аналоговите стереокартировъчни апарати (аналогови фотограметрични апарати, стереокартировъчни апарати, стереоплотери) имат сложна механична и оптическа конструкция. Предназначението им е създаване на точна ортогонална проекция на заснетия обект от две негови централни проекции (фотоснимки). Съвкупността от процесите, които се изпълняват с аналоговите стереокартировъчни апарати, представлява аналогово стереокартиране (измерване).

Характерно за аналоговата фотограметрия и в частност за аналоговото стереокартиране е, че всички процеси по възстановяване на ортогоналната проекция на заснетия обект от две негови централни проекции се извършват от едно техническо средство. Тези процеси са вътрешно, относително (взаимно) и абсолютно (геодезическо) ориентиране, следвани от определяне формата, размерите и положението на отделните елементи на заснетия обект.

Аналогови фотограметрични апарати, например, са:

• Стереопланиграф С8 на Цайс-Оберкохен;
• Стереопланиграф С5, Стереометрограф, Стеареоавтограф, Топокапрт, Технокарт и Мултиплекс на Цайс-Йена;
• Автографи А2, А5, А6, А7 на Вилд;
• Стереопроектор Романовски (СССР).

Аналитичната фотограметрия

Дефиниция. Аналитичната (изчислителната) фотограметрията е дял от фотограметрията, който третира нейната математическа основа. и има важно теоретично, методично и практическо значение. Аналитичната фотограметрия представя връзките между точките от предметното пространство (обекта, терена) посредством математически модел. който се основава на принципите на централната проекция (перспективата), проективната и епиполярната геометрия.

Подход. Аналитичната фотограметрия решава задачите чрез изчисления, при които главни входни данни са измерванията, направени върху снимките. Прилаганата методика е обща и валидна за земната, въздушната и космическата фотограметрия. Няма ограничения, както за параметрите на използваните метрични камери (фокусно разстояние, ъглов обхват, формат), така също и за тяхното ориентиране в пространството по време експонацията.

Приложение. Аналитичната фотограметрия намира приложение предимно за:

• Аналитична аеротриангулация;
• Създаване на дигитални модели;
• Стереокартиране в дигитален вид;
• Космическата и блозкообхватната (нетопографската)фотограметрия;
• Калибриране на камери.

Апаратура. За прилагане на аналитичната фотограметрия са необходими:

• Стерекомпаратор или монокомпаратор – за измерване на образните координати върху снимките;
• Компютър или регистриращо устройство – за регистриране на измерванията;
• Компютър и съответен софтуер – за извършване на изчисленията;
• Маркировъчен апарат – за маркиране и пренасяне на изкуствени точки върху снимките;
• Аналитичен стереокартировъчен апарат (стереоплотер), който обединява възможностите и функциите на няколко от горепосочените апарати.

За разлика от аналоговите фотограметрични апарати използваните в аналитичната фотограметрия апарати имат по-проста конструкция и по-малко механични и движещи се части. Това са едни от причините за тяхната по-висока точност. В аналитичната фотограметрия се използват, например, следните видове апарати:

• Монокомпаратори (еднообразни компаратори) – Аскорекорд на Цайс-Йена, РК1 на Цайс-Оберкохен, МК2 на Керн;
• Стереокомпаратори (двуобразни компаратори) – Стеко 1818, Стекометър, Дикометър на Цайс-Йена, СК18 и СК1 на Русия, PSK2 на Цайс-Оберкохен;
• Стереокартировъчни аналогови апарати, използвани като компаратори;
• Аналитични плотери (аналитични стереокартировъчни апарати).

Математически условия. Решаването на задачите на аналитичната фотограметрия се основава на математически условия, които изразяват връзката между измерените и неизвестните величини. Тези условия, които представляват доста сложни математически изрази, са:

• Условието за колинеарност;
• Условието за компланарност;
• Условието за равенство на мащабите.

Съгласно условието за колинеарност всяка образна точка p, съответната й точка Pот предметното пространство (обект, местност) и проекционния (перспективния) център S(предната главна точка на обектива на камерата) трябва да лежат на една права, т. е. да са колинеарни. Условието за колинеарност се изразява с двойка уравнения (условия). То е в основата на аналитичната аеротриангулация посредством снопове от проектиращи лъчи (снопово изравнение) – най-съвършеният метод за аеротриангулация.

Съгласно условието за компланарност двата проекционни центъра S₁ и S₂ от една стереодвойка снимки и съответните едноименни образни точки p₁ и p₂ от двете снимки на пространствената точка Р от обекта трябва да лежат върху една равнинна,

т. е. да са компланарни. Това услови се прилага в различна форма, предимно за аналитично относително (взаимно) ориентиране на стереодвойки снимки и за пространствено засичане.

Съгласно условието за равенство на мащабите лъчите, излизащи от три последователни проекционни центъра S₁. S₂. S₃, които преминават през образите p₁, p₂, p₃ на една и съща точкаот обекта върху три последователни снимки (1, 2, 3), трябва да се пресичат в една пространствена точка Р. Това условие се използва заедно с условието за компланарност при аналитичната ивична аеротриангулация.

Дигиталната фотограметрия

Същност. Съвременното развитие на компютърните технологии, както и теоретичните изследвания в областта на образите, направиха възможно прилагането на дигитални технологии. Така се стигна до обособяването на дигиталната (растерната) фотограметрия, При дигиталната фотограметрия фотограметричните процеси са изцяло компютъризирани въз основа на дигитални образи, получени чрез сканиране на фотоснимки или от дигитални метрични камери. Прилагането на дигиталните технологии водят до още по-голямо автоматизиране на фотограметрията.

Под дигитална фотограметрия се разбира една по-нова форма на фотограметрията, която се основава на дигитални образи, за разлика от аналоговата и аналитичната фотограметрия, които се основават на образи върху филм. Дигиталните образи се създават от дигитални системи, които са трето поколение фотограметрични средства, предхождани от аналитичните (второ поколение) и аналоговите (първо поколение) фотограметрични системи.

При дигиталната фотограметрия процесите изцяло са компютъризирани въз основа на дигитални образи от сканирани фотоснимки или от дигитални метрични камери. За разлика от аналоговата и аналитичната фотограметрия при дигиталната фотограметрия извличането на метрична и семантична информация за заснетия обект не се извършва чрез измерване върху фотографски образи (фотоснимки) посредством аналогова или аналитична апаратура, а това става върху дигитални образи, получени направо от дигитална метрична камера или от сканирани фотоснимки, които са въведени в компютър. След изпълнение от компютъра на редица процеси, се получава крайният продукт – топографска или кадастрална карта в дигитален или графичен вид, ортофотоплан, дигитален модел на терена или друга метрична и семантична информация.

Технически средства за дигитална фотограметрия:

• Дигитални метрични камери;
• Фотограметрични скенери;
• Дигитални фотограметрични работни станции.

Дигитални метрични камери. Образната равнинна на една дигитална метрична камера служи за регистриране съдържанието на пространствени обекти в двумерното поле на сензорите на камерата. В сравнение с аналоговите метрични камери с дигиталните метрични камери се постига:

• По-висока разделителна способност;
• Възпроизводима цветна информация;
• По-евтин дигитален образ отколкото фотообраза (спестяват се филм, обзавеждане на фотолаборатория и фотографски процеси);
• Спестяване сканиране на фотоснимките (негативен филм или диапозитиви);
• Незабавна наличност на дигитални образи без сканиране на фотообразите.

Дигитални метрични камери, например, са:

• Дигиталната метрична камера DMC (Z/IImaging);
• Преносимия по въздуха дигитален сензор ADS 40 и 80 (Leica-Helava);
• UltraCam Eagle (Vexcel).

Фотограметрични скенери. В дигиталната фотограметрия скенерите са предназначени за превръщане на фотографския образ от фотоснимките (негативи, диапозитиви) в дигитален вид (ако заснемането не е извършено с дигитална камера),

т.е. скенерите дигитализират фотообразите.Фотограметрични скенери, например, са:

• PhotoScan (Z/I Imaging);
• DSW700 (Leica-Helava);
• UltraScan (Vexcel).

Дигиталните фотограметрични работни станции (системи)са по-ново поколение фотограметрични инструменти (средства) за извличане на метрична и семантична информация за земната повърхност от фото- или дигитални снимки. Те представляват софтуер, основан на алгоритми от аналитичната фотограметрия. За разлика от аналитичните картировъчни апарати (плотери) дигиталните системи нямат оптически и механични конструктивни елементи, тъй като решението се изпълнява изцяло чрез компютърно обработване на дигитални образи.

Дигиталният фотограметричен апарат всъщност представлява мощен компютър, в който е въведен софтуер за дигитална фотограметрия и към който са присъединени подходящи периферни устройства, например:

• Монитор (поне 21 инчов) с висока разделителна способност;
• Устройство за стереонаблюдение (най-често специални очила);
• Триизмерни входни устройство (различен тип) – трак-бол, ролер, специална мишка, ръчни колела, педали.

Минималните изисквания към компютъра са следните:

• Обхващане на данни от сканирани фотоснимки и от дигитални метрични камери;
• Графичен екран 640 х 480 (желателно 1024 х 768) пиксела;
• Разделителна способност 8 bit (желателно 24 bit. – по 8 bit. за всеки от основните цветове – червен, зелен, син);
• Скорост на процесора 12,5 (желателно 25) милиона инструкции (операции, функции) за секунда;
• Главна памет 4 (желателно 8) Mbytes;
• Хард диск 650 MBytes (желателно 2 диска).

За разделно представяне на два дигитални образа върху монитора на дигиталната работна станция (за сега) се прилагат следните 4 начина:

• Представяне на двата образа един до друг върху разделен екрани стереоскопичното им наблюдение с (огледален) стереоскоп.
• Представяне на двата, съответно оцветени върху целия екран, и стереоскопичното им наблюдение посредством очила с допълнителни цветове (анаглифен начин).
• Променливо (алтернативно) представяне на двата образа върху целия екран при честота 50 Hz и стереоскопичното им наблюдение със специални очила, алтернативно пропускащи и блокиращи светлината. За синхронизиране е необходим контролен кабел между екрана и очилата. Механичната версия с такива очила е заменена с очила със затвор от течен кристал. При честото по-висока от около 25 Hzоператорът виждат един стереоскопичен образ.
• Алтернативно генериране на две образа и синхронизираното им представяне върху поляризиран екран. За постигане на стереоскопичност операторът наблюдава екрана чрез поляризационни очила. С тях се постига също алтернативност между наблюдението с лявото и дясното око.

Дигитални фотограметрични работни станции, например, са:

• ImageStation 2001 и ImageStation SSK (Z/I Imaging);
• SOKET SET (Leica-Helava);
• DVP (Leica-Helava);
• PHOTOMOD (Racurs);
• Geomatica OrthoEndine (PCI Geomatics);
• ERDAS IMAGINE (ERDAS).