Historia fotogrametrii

Rys historyczny
Początki
Fotogrametria to dziedzina zajmująca się przetworzeniem obrazu
fotograficznego w taki sposób, by moŜna było określić: wymiar, kształt
i połoŜenie sfotografowanych obiektów (np. wykonać mapę terenu).
Przetworzenie to określają reguły geometryczne, w szczególności zasady
rzutu środkowego, mające swe korzenie w rysunku perspektywicznym.
Termin „fotogrametria” powstał z połączenia trzech greckich słów: photos –
światło, gramma – zapis, metreo – pomiar. Jej początki sięgają połowy XIX
wieku i związane są z wynalezieniem fotografii.
Według średniowiecznych kronik rysunek perspektywiczny znali juŜ
staroŜytni. Trzysta lat p.n.e. zagadnieniami geometrii zajmował się Euklides,
który sformułował takŜe podstawowe zasady optyki, m.in. tę, Ŝe promienie
światła biegną po liniach prostych. Reguły rządzące perspektywą opisał w
25. roku przed naszą erą Marcus Witruwiusz Pollio w jednym z tomów swego
dzieła o architekturze. Na początku XI wieku optykę i perspektywę studiował
Ali Al-Hazen – słynny arabski astronom i matematyk. Wiadomo teŜ, Ŝe
tematyką tą zajmował się w drugiej połowie XIII wieku śląski matematyk
Erazm Ciołek (Witelo), którego traktat „Perspectiva” o optyce przez kilka
stuleci był punktem odniesienia dla innych. Bardzo wcześnie rzut
perspektywiczny łączono z pomiarami (geodezyjnymi). W 1557 r. Włoch
Balltasare Lanci skonstruował instrument, który zasadą działania
przypominał stolik topograficzny i pozwalał na tworzenie rysunków
perspektywicznych, prostych map oraz pomiar przewyŜszenia.
Do czasu wynalezienia fotografii „fotograficznym” zapisem otaczającej
rzeczywistości zajmowali się jednak głównie malarze i rysownicy. Na
drzeworycie wykonanym w 1525 r. przez Albrechta Dürera widzimy artystę
szkicującego leŜącą kobietę. Rama z siatką prostopadłych nitek umieszczona
przed modelką, taka sama siatka naniesiona na papierze rysunkowym i
wskaźnik ustawiony w stałej odległości od ramy tuŜ przed okiem artysty
ukazują stosowaną wówczas metodę dla wiernego odtworzenia wizerunku
obiektu. Korzystał z niej sam Dürer. Miała ona jednak solidne fundamenty,
dwa
lata
wcześniej
ukończył on
bowiem
czterotomowe dzieło
pt.: „Unterweisung der Messung mit dem Zirkel und Richtscheit” opisujące
między innymi geometryczne podstawy takiego rysowania. Przyjmuje się,
Ŝe w kartografii jako pierwszy zastosował perspektywę Szwajcar Moritz
Anton Cappeler, który w 1725 r. wykonał mapę góry Pilatus w Alpach
Berneńskich, korzystając z dwóch odręcznych rysunków perspektywicznych.
Camera obscura
Zanim zbudowano pierwszy aparat fotograficzny, przez wiele stuleci jego
namiastką była camera obscura (ciemnia optyczna). Według starych
przekazów korzystał z niej juŜ Ali Al-Hazen w XI wieku. Dzisiaj trudno
określić dokładną datę i faktycznego wynalazcę tego urządzenia. Niektóre
źródła wskazują na staroŜytnych Greków lub Egipcjan, inne na bagdadzki
O jakości (dokładności) odwzorowania obiektu „zdejmowanego” taką metodą
decydowały jednak oko i ręka artysty. Dla zapewnienia poprawności
geometrycznej (matematycznej) potrzebne były pewniejsze podstawy. JuŜ
w 1639 r. francuski matematyk Gérard Desargues w dziele pt. „Brouillon
project” zawarł swe przemyślenia nad geometrią rzutową. Gdy w 1692 r.
Wilhelm Leibnitz wprowadził pojęcie współrzędnych, a w 1759 r. inny
wybitny matematyk Johann Heinrich Lambert opublikował matematyczne
podstawy rzutowania oraz zauwaŜył, Ŝe zasady perspektywy mogą być
wykorzystane do produkcji map – od strony matematycznej podwaliny pod
fotogrametrię zostały połoŜone.
„Dom mądrości” i wiek IX.
Sama kamera to nic innego jak światłoszczelna skrzynka z niewielkim
otworem (obiektywem) znajdującym się w jednej ze ścian i matówki
(pergaminu) na ścianie przeciwległej. Promienie wpadające przez otwór
ulegają załamaniu i tworzą na matówce pomniejszony i odwrócony obraz
obiektu znajdującego się przed otworem. W średniowieczu camera obscura
słuŜyła arabskim astronomom do prowadzenia obserwacji astronomicznych.
Była m.in. obiektem zainteresowania angielskiego fizyka Rogera Bacona,
który w końcu XIII wieku opisał, jak z niej korzystał przy obserwacji
zaćmienia Słońca; w podobnym celu uŜył ją Gemma Frisius w 1544 r. Sam
Leonardo da Vinci zajął się jej udoskonaleniem i pełnym opisem, chociaŜ
najwcześniej opublikowaną pracą na ten temat moŜe poszczycić się jego
uczeń – Caesare Caesarino (1521 r.).
Później ciemnia optyczna stała się pomocnym narzędziem w pracowniach
malarzy. Korzystali z niej: Vermeer, Canaletto, Reynolds. Bywało jednak i
tak, Ŝe występowała w roli jarmarcznej ciekawostki. Swego czasu Włoch
Giovanni Batista della Porta zbudował ciemnię wielkości pokoju, w którym
na ścianie moŜna było oglądać rzutowany obraz artystów występujących na
zewnątrz. Dla widzów sporym utrudnieniem było to, Ŝe obraz „wyświetlany”
był do góry nogami.
Pierwsze kamery miały wymiary niewielkiego pomieszczenia, w XVII wieku
budowano juŜ mniejsze, przenośne wersje urządzenia. Systematycznie
zmierzano do polepszenia jakości obrazu. Prawdopodobnie malarz Jan van
Eyck był pierwszym, który zastosował w otworze ciemni soczewkę (1430 r.).
Przyjmuje się jednak, Ŝe zrobił to włoski matematyk Giordano Cardano (ten
od wału kardana), a miało to miejsce w 1550 r.
W 1673 r. von Horke skonstruował kamerę ze zwierciadłem (tzw. camera
clara) dającym na matówce obraz prosty, który moŜna było łatwo
przerysować. Kolejne udoskonalenia wprowadzone przez weneckiego
architekta i arystokratę Daniela Barbaro – zastosowanie lustra, obiektywu i
przysłony zamieniło skrzynkę w prawdziwy instrument. Następnym
ulepszeniem było zamontowanie (1685 r.) przez niemieckiego zakonnika
Johannesa Zahna zwierciadła umoŜliwiającego rzutowanie obrazu na
płaszczyznę poziomą i znaczne zmniejszenie wymiarów kamery. Istotną
nowością (pod względem fotogrametrycznym) była jednak dopiero tzw.
camera lucida, skonstruowana przez Anglika W.H. Wollastona (1804 r.).
Zbudował on specjalny pryzmat, który pozwalał na przerysowywanie
przedmiotów dzięki pozornemu obrazowi rzucanemu na papier. Przy okazji
wyeliminował zjawisko aberracji wywoływane przez soczewkę. Rozwiązanie
umoŜliwiało korzystanie z kamery w świetle dziennym, a wprowadzenie
obiektywu z soczewką wklęsło-wypukłą znacznie poprawiło jakość obra
Pierwsza fotografia
Kamera miała więc juŜ obiektyw, matówkę, pryzmat i coraz bardziej
przypominała aparat fotograficzny. Trzeba było jeszcze zarejestrować i
utrwalić wyświetlany obraz. Rozwiązanie tego problemu przyniosła chemia.
Pierwsze ścieŜki przetarto juŜ w średniowieczu. Najpierw dominikanin
Albertus Magnus, zajmujący się w XIII w. między innymi alchemią, uzyskał
azotan srebra. Z kolei dwa wieki później (1556 r.) Georg Fabricius
zaobserwował czernienie minerału chlorku srebra pod wpływem promieni
słonecznych.
Pierwsze nietrwałe obrazy otrzymał dopiero w 1727 r. niemiecki lekarz
Johann Heinrich Schulze, który naświetlał chlorek srebra naniesiony na
kredowym podkładzie. Pół wieku później szwedzki chemik Karl Wilhelm
Scheele zaobserwował, Ŝe związki srebra czernieją w róŜnym stopniu w
zaleŜności od czasu ich wystawienia na działanie promieni słonecznych, a
zmiana ta nie zaleŜy od temperatury. Sczerniałym bromkiem srebra było
zredukowane metaliczne srebro, a do utrwalenia obrazu wystarczył zwykły
amoniak. W 1802 r. chemicy Thomas Wedgwood i Humphrey Davy otrzymali
z kolei nietrwały obraz na papierze nasyconym azotanem srebra,
a w 1815 r. John Herschel odkrył tiosiarczan sodu, czyli utrwalacz
(rozpuszczający i wypłukujący substancję światłoczułą), chyba
najwaŜniejszy składnik w całym chemicznym łańcuszku. Było więc coraz
bliŜej.
Za ojca fotografii uwaŜa się powszechnie Francuza Josepha Niecéphora
Niépce, który juŜ w 1816 r. uzyskał obraz (negatywowy) na papierze
powleczonym chlorkiem srebra. Nie potrafił go jednak utrwalić. Po wielu
próbach udało mu się to dopiero w 1826 r.
Niépce przez blisko 8 godzin naświetlał cynową płytę pokrytą światłoczułym
asfaltem syryjskim, który w naświetlonych miejscach twardniał,
a z nienaświetlonych był zmywany terpentyną. Technologię tę nazwał
heliografią. NiezaleŜnie od Niépce, choć bez większych sukcesów, nad tym
samym problemem głowił się malarz i wynalazca diaporamy Louis Jacques
Mandé Daguerre. W 1929 r. obaj Francuzi zaczęli ze sobą współpracować. Po
śmierci Niépce Daguerre pracował dalej nad wynalazkiem bogatszy o wiedzę
przekazaną przez partnera. W 1837 r. zaprezentował metodę otrzymywania
obrazu (pozytywowego) nazwaną od jego nazwiska dagerotypią. Obraz
z kamery rzutowany był na posrebrzaną miedzianą płytę pokrytą warstwą
jodku srebra, proces wywoływania następował w oparach rtęci, tworzących
amalgamat ze srebrem, zarejestrowany obraz utrwalano w gorącym
roztworze soli kuchennej. Czas naświetlania wynosił od kilku do
kilkudziesięciu minut i był uzaleŜniony od warunków oświetleniowych.
Wynalazek Daguerra w 1839 r. przedstawił na posiedzeniu Francuskiej
Akademii Nauk wybitny fizyk François Dominique Arago. Daguerre i
potomkowie Niépce otrzymali z tytułu tak znaczącego osiągnięcia
doŜywotnie renty od rządu francuskiego.
Mniej więcej w tym samym okresie William Henry Fox Talbott pracował nad procesem negatywowopozytywowym.
Anglik stosował zamiast miedzianej płyty papier nasycony najpierw roztworem azotanu srebra, a potem
bromkiem sodu, negatyw zdjęcia wywoływał w roztworze kwasu galusowego i utrwalał tiosiarczanem
sodu. Pierwsze negatywy Talbott otrzymał juŜ w 1835 r., czyli wcześniej, niŜ odbyła się prezentacja
Daguerra we francuskiej Akademii Nauk. Jego odkrycie wyróŜniało to, Ŝe obraz nie był odwrócony
stronami, w dodatku z negatywu moŜna było kopiować dowolną liczbę odbitek. Do dzisiaj istnieją
zwolennicy teorii, Ŝe miano ojca fotografii naleŜy się właśnie jemu. To jednak rozwiązanie Daguerra
niechronione Ŝadnymi patentami szybko rozpowszechniło się na całym świecie. JuŜ w 1940 r. powstały
pierwsze studia fotografujące tą metodą (ParyŜ, Nowy Jork). Kamerę, którą zarejestrowano pierwszy
obraz Niepce’a, moŜna zaś uznać za pierwszą kamerę fotograficzną.
Laussedat, Pulfrich i autografy
Za ojca fotogrametrii uwaŜa się oficera Korpusu InŜynieryjnego armii
francuskiej – Aimé Laussedata. Jego głównym celem było przyspieszenie
i uproszczenie prac topograficznych. Pierwsze próby Laussedata związane
były z wykorzystaniem odręcznego rysunku perspektywicznego, podobnie
jak czynił to ponad sto lat wcześniej Capeller. W 1849 r. Laussedat wykonał
za pomocą camery lucida rysunki perspektywiczne elewacji Pałacu
Inwalidów w ParyŜu, a w niedługim czasie mapę fortu Vincennes. W
kamerze zastosował ulepszony przez siebie pryzmat Wollastona, sama
metoda pomiaru była podobna do znanej z prac topograficznych metody
stolikowej. RóŜnica sprowadzała się do tego, Ŝe kartowanie wykonywano w
pracowni, a nie w terenie. Następnym jego krokiem było wykorzystanie przy
produkcji mapy zdjęć fotograficznych (metodę pomiaru nazwano
„metrofotografia”).
Prace nad udoskonaleniem procesu chemicznego trwały nieustannie. Zmierzano do wyeliminowania
uciąŜliwego procesu mokrego, zwiększenia światłoczułości (skrócenia czasu naświetlania), eliminacji
nieporęcznych płyt. W 1851 r. Frederick Archer i Gustave Le Grey zaprezentowali proces kolodionowy, w
którym materiałem światłoczułym były szklane płyty pokryte mieszaniną spirytusu i eteru. Kolejny
znaczący krok w fotografii uczynił w 1871 r. angielski wynalazca Richard Leach Maddox, który wynalazł
emulsję bromoŜelatynową, co dało początek stosowaniu suchych materiałów światłoczułych. Następne
istotne osiągnięcie było autorstwa George’a Eastmana, który w 1884 r. zastosował celuloid jako podłoŜe
dla warstw światłoczułych. Zastąpienie szklanej płyty lekkim filmem zwojowym umoŜliwiło konstruowanie
aparatów i kamer fotograficznych o niewielkich gabarytach oraz pozwoliło na zautomatyzowanie wielu
operacji. Nowa dziedzina techniki rozwijała się coraz szybciej. Pomysłodawcą terminu „fotografia” był
John Frederick Herschel (1839 r.), który zaproponował takŜe określenia będące do dzisiaj w uŜyciu:
„negatyw” i „pozytyw
W tym celu konieczne stało się przystosowanie aparatu fotograficznego do
celów mierniczych. Konstrukcja zbudowana w 1859 r. dla niego przez
Brunnera była jednym z pierwszych fototeodolitów. Aparat uzbrojony był w
szklaną kliszę o wymiarach 27x33 cm, 50-centymetrowy obiektyw, lunetę,
koło poziome z noniuszami i odfotografowujące się na kliszy znaczki tłowe
wyznaczające oś pionową i poziomą zdjęcia. O słuszności drogi wybranej
przez Francuza świadczyły pierwsze pomiary.
Mapę obszaru o powierzchni 200 hektarów w rejonie wioski de Buc pod
Wersalem wykonano w czasie dwóch dni na podstawie 8 zdjęć
fotograficznych. Wkrótce w armii francuskiej stworzono specjalny oddział
zajmujący się takimi pomiarami.
Technika ta szybko znalazła zastosowanie w innych krajach. W kaŜdym z
nich na bazie własnych doświadczeń rozwijano nowe teorie i metody
pomiarowe oraz doskonalono instrumenty. W połowie XIX wieku jedną z
czołowych postaci był niemiecki architekt Albrecht Meydenbauer. Jego
zainteresowania zwrócone były w stronę architektury, stąd pierwsze próby
związane były z wykorzystaniem fotogrametrii do inwentaryzacji budowli. W
1858 r. wykonał on zdjęcia katedry w Wetzlar, które posłuŜyły do prac
renowacyjnych. W 1885 r. staraniem Meydenbauera zinstytucjonalizowano
nową dziedzinę, powołując w Berlinie Królewski Pruski Instytut
Fotogrametryczny, który istniał do 1945 r. W tym czasie zinwentaryzowano
ok. 2 tys. obiektów architektonicznych w Niemczech i innych krajach.
Albrecht Meydenbauer jest teŜ autorem terminu „fotogrametria” (1893 r.),
jako pierwszy wykorzystał w fotogrametrii obiektyw szerokokątny (1867 r.),
a jego opracowania charakteryzowała wysoka dokładność uzyskana między
innymi dzięki duŜemu formatowi zdjęć (40x40 cm). Był on pierwszym z całej
plejady niemieckich fotogrametrów.
Za oceanem nową technologię z powodzeniem rozwijał przybyły z Francji
hydrograf Edouard Deville – Główny Geodeta Kanady, autor map wielkich
obszarów zachodniej Kanady i Alaski wykonanych metodami fotogrametrii
naziemnej i lotniczej.
We Włoszech znaczący wkład w jej początkowy rozwój wniósł Paul Ignazio
Pietro Porro znany konstruktor instrumentów geodezyjnych (m.in.
tachimetru), który zbudował pierwszą kamerę panoramiczną (1858 r.)
i zaprojektował fotogoniometr (fototeodolit), w którym wyeliminował
zjawisko dystorsji obiektywu (1865 r.). Kolejny był L. P. Paganini, twórca
map Alp wykonanych metodami fotogrametrycznymi i kombinowanymi
(1884 r.). Jako pierwszy zarejestrował na zdjęciu fotogrametrycznym
połoŜenie igły busoli, zbudował równieŜ kamerę przystosowaną do
wykonywania zdjęć nachylonych.
Koniec XIX wieku przyniósł zapoczątkowanie prac nad wykorzystaniem zjawiska stereoskopii. Stereoskop
znany był co najmniej od 1838 r., gdy angielski wynalazca Charles Wheatstone podał teoretyczne
podstawy widzenia stereoskopowego. Pierwsze fotogrametryczne zastosowanie tego zjawiska znalazł
wspomniany wcześniej Deville, który wykorzystał do rysowania warstwic pojedynczy znaczek pomiarowy
i półprzezroczyste zwierciadła rzucające obraz z dwóch sąsiednich zdjęć. Ta niedoskonała, praktycznie
pozbawiona podstaw geometrycznych technika była jednak krokiem we właściwym kierunku. Sprowadzał
się on do wizualizacji modelu terenu i pracy na nim, a nie na zdjęciach.
W 1898 r. Austriak Teodor Scheimpflug rozwinął teorię tzw. podwójnej projekcji, czyli fotografowania
obiektu równocześnie dwiema kamerami ustawionymi w pewnej odległości od siebie. Gdy wywołane
zdjęcia ustawił w tej samej pozycji i oświetlił od tyłu, uzyskał „model optyczny”, na którym moŜna było
juŜ „kreślić” warstwice lub przekroje obiektu. W 1904 r. opisał warunek, którego spełnienie umoŜliwiało
uzyskanie ostrego obrazu (płaszczyzny obiektywu, zdjęcia i projekcji musiały przecinać się w jednej
linii).
Scheimpflug był człowiekiem wyjątkowo zasłuŜonym dla fotogrametrii. W 1903 r. skonstruował pierwszy
przetwornik optyczny (fotoperspektograf) – urządzenie słuŜące do przefotografowywania zdjęć na zadaną
przez operatora płaszczyznę, był takŜe autorem strefowego przetwarzania zdjęć, które eliminowało
zniekształcenia wynikające z deniwelacji opracowywanego terenu. Pierwszym powaŜnym testem
zaproponowanej przez niego technologii było wyprodukowanie ze zdjęcia zrobionego z balonu fotomapy
rejonu połoŜonego na południe od Wiednia.
Przełomowym krokiem w rozwoju fotogrametrii było skonstruowanie przez niemieckiego uczonego Carla
Pulfricha ruchomego znaczka pomiarowego i tym samym zapoczątkowanie fotogrametrycznych pomiarów
stereoskopowych. Podstawy teoretyczne opracował w 1892 r. Franz Stolze, udoskonalił je Pulfrich i w
1901 r. zbudował stereokomparator – urządzenie umoŜliwiające pomiar współrzędnych dowolnego
punktu na podstawie stereoskopowego modelu terenu. Instrument od razu zdobył uznanie i był
z powodzeniem wykorzystywany przez Austriaków przy wykonywaniu map Tyrolu w latach
1902-07. NiezaleŜnie od Pulfricha prace w tym samym kierunku prowadził w Afryce Południowej Henry
George Fourcade, choć ten, zamiast współrzędnych, posługiwał się (podobnie jak Stolze) „pływającą
siatką”. Przy okazji warto wspomnieć, Ŝe w 1899 r. Sebastian Finsterwalder opublikował pierwszy
podręcznik na temat geometrycznych podstaw fotogrametrii.
Następne niezwykle waŜne rozwiązanie zaproponował Eduard Ritter von Orel, który skonstruował w 1907
r. stereoautograf – instrument umoŜliwiający operatorowi bezpośrednie (mechaniczne) kreślenie
warstwic i sytuacji terenowej ze stereoskopowych zdjęć naziemnych, znacznie przyspieszając tym
powstawanie mapy. NiezaleŜnie od Orela podobne urządzenie zbudował w tym samym czasie w Anglii
kapitan Vivian Thompson.
Z balonu i samolotu
W 1783 r., a więc kilka lat po tym jak Scheele badał wpływ światła na związki
srebra, w ParyŜu bracia Montgolfier doświadczalnie sprawdzali, czy balon
napełniony gorącym powietrzem uniesie się nad ziemię. Eksperyment powiódł
się i tym samym zapoczątkowano epokę lotów balonowych.
Wkrótce przyszedł teŜ czas, by z powietrza zacząć fotografować Ziemię.
Pierwszą taką fotografię wykonał paryski fotografik Gaspard Felix
Tournachon, znany pod artystycznym pseudonimem „Nadar”.
Stereoautograf rozpoczął triumfalny pochód autografów, który trwał do lat 80. Urządzeń precyzyjnych,
skomplikowanych, drogich i trudnych w obsłudze. Wśród tych do obróbki zdjęć naziemnych, poza
konstrukcją von Orela, warto wymienić pierwszy autograf, jaki wyprodukowała fabryka Wilda w
Heerbrugg – autograf A1, stereoautograf firmy Zeiss z 1954 r., czy terragraf – konstrukcję zakładów
Opton z Oberkochen z 1962 r. Wśród autografów słuŜących do przetwarzania zdjęć lotniczych zaczynano
od instrumentów wykorzystujących podwójną projekcję, jak fotokartograf Umberto Nistriego z 1920 r.
czy Stereoplanigraf zbudowany przez Waltera Bauersfelda w 1923 r. Konstruktorzy szybko odeszli jednak
od tej koncepcji na rzecz projekcji optyczno-mechanicznej. Urządzeniami tego typu była m.in. znana
konstrukcja
– aerokartograf Hugershoffa z 1926 r. umoŜliwiająca wykonywanie aerotriangulacji przestrzennej, jak i
pierwsze autografy Wilda (seria A1-A4). Drugą, o wiele liczniejszą grupę stanowiły autografy bazujące na
projekcji mechanicznej produkowane od połowy lat 30. XX wieku. Znajdziemy tu głównie modele firmy
Wild (seria A5-A10) i Zeiss (Topocart i Stereotrigomat). Niektóre konstrukcje, jak na przykład autograf
A10, produkowano jeszcze w połowie lat 80.
Do swej kolekcji zdjęć przedstawiających sławy ówczesnego świata sztuki
i kultury dołączył podparyską wieś Petit Bicetre, którą uwiecznił w 1855 r.
Zdjęciami z balonów zainteresowali się bardzo szybko wojskowi. Próby
prowadzili Francuzi, Niemcy, Anglicy, Włosi, Rosjanie. W Stanach
Zjednoczonych utworzono nawet specjalny oddział fotograficznotopograficzny, który w czasie wojny secesyjnej zajmował się fotografowaniem
pozycji przeciwnika (jego szefem był Polak Tadeusz Lowe Sobieski). Z
sukcesem zastosowano tam np. balonową metodę zwiadu w czasie bitwy pod
Richmond w 1862 r.
W końcu XIX wieku kamery podwieszano takŜe do latawców, stosowanych
niekiedy w badaniach meteorologicznych. W ich wykorzystaniu do celów
fotogrametrycznych przodowały te same kraje. We Francji problemem
zajmował się Artur Batut, w USA czołową postacią był W.W. Eddy, a w Anglii
meteorolog Douglas Archibald. Zalety latawców związane z ich niskim
kosztem i krótkim czasem przygotowania do lotu nie równowaŜyły jednak
minusów wynikających z trudności z orientacją kamery i z niestabilności
samego latawca.
W tych pionierskich dla fotogrametrii czasach szukano zresztą róŜnorodnych
rozwiązań. Proste kamery zamieniały się w coraz bardziej wyszukane
urządzenia, tak by przy jednym przelocie sfotografować jak największy
obszar.
Powstawały zatem urządzenia wieloobiektywowe, albo zespoły kamer i
kamery panoramiczne. Wykonywano zdjęcia stereo z dwóch kamer
umieszczonych na końcach kilkumetrowej bazy, a dla uzyskania orientacji
zewnętrznej zdjęć próbowano uŜywać libeli, sugerowano odfotografowywanie
pionów zwisających z balonu jak i sygnalizowanie w terenie wielkich figur
geometrycznych. Niektóre propozycje okazały się ślepą uliczką, inne znalazły
stałe miejsce w technice fotogrametrycznej.
W chwili, gdy bracia Wilbur i Orwile Wright oderwali się swym samolotem po
raz pierwszy od ziemi (1903 r.) fotogrametria zyskała nowego sojusznika.
Samolot umoŜliwiał bowiem szybkie dotarcie prawie w kaŜde miejsce,
robienie zdjęć z róŜnego pułapu, a cięŜar kamery nie był sprawą
pierwszorzędnej wagi. Prawdopodobnie pierwsze zdjęcie z pokładu płatowca
wykonał Wilbur Wright w 1906 r. nad Rzymem, chociaŜ niektóre źródła
podają, Ŝe było to nad Le Mans we Francji w 1908 roku.
Tak czy owak niebawem zdjęcia zrobione z samolotu okazały się niezwykle
przydatne. W okresie I wojny światowej korzystanie ze zdjęć lotniczych w
celach militarnych było na porządku dziennym. Fotografie znakomicie
odgrywały rolę zwiadu wojskowego i kaŜda z walczących armii miała własne
oddziały zajmujące się rozpoznaniem lotniczym. Do 1916 r. zdjęcia
wykonywano na szklanych płytach, w późniejszym okresie stosowano juŜ
błony filmowe. W uŜyciu było w tym czasie kilka tysięcy kamer lotniczych, a
liczba wykonanych zdjęć szła w miliony. Wymuszało to automatyzację
rejestracji obrazu. W 1913 r. pierwszą półautomatyczną kamerą dysponowali
Rosjanie, w 1917 r. taką konstrukcją mogli poszczycić się Francuzi, w 1918 r.
około 100 automatycznych kamer mieli juŜ Niemcy, w tym samym roku
podobną kamerę skonstruowała amerykańska firma Eastman-Kodak.
-----------------------------------------------------------------
Po zakończeniu I wojny światowej w fotogrametrii widoczny był podział
na Europę i „resztę świata”. Kraje starego kontynentu nastawione były na
rozwój technologii i tworzenie nowych instrumentów; w USA, Indiach czy
Kanadzie górę brał aspekt ekonomiczny związany z jak najszerszym
zastosowaniem tej technologii, nawet kosztem jakości prac wynikającym
ze stosowania np. z nie najnowocześniejszych metod. Do najwaŜniejszych
przyczyn takiego stanu rzeczy zaliczyć naleŜy: skoncentrowanie w Europie
ośrodków naukowych zajmujących się rozwojem fotogrametrii, róŜnica
potrzeb i względy ekonomiczne. NaleŜy pamiętać, Ŝe większość państw
naszego kontynentu była od dawna doskonale pomierzona. Technologia
fotogrametryczna nie była łatwa do opanowania, a oprzyrządowanie bardzo
drogie. Na niewielkich obszarach wymagających nowych map pomiary
tradycyjne były nadal tańsze. Dobrze ilustruje to fakt, Ŝe w okresie
międzywojennym w monarchii austriackiej opracowania fotogrametryczne
(naziemne) stosowano sporadycznie tylko w opracowaniach topograficznych
rejonów górskich, natomiast w Związku Radzieckim uruchomiono w 1925 r.
olbrzymi program sfotografowania obszaru około 4,5 mln km2. Technologia
miała ekonomicznie uzasadnienie tylko w pomiarach obejmujących wielkie
tereny, stąd ich powszechność np. w USA czy ZSRR.
W okresie międzywojennym pojawiły się nowe rozwiązania w duŜej mierze
decydujące o dalszym rozwoju fotogrametrii. W 1924 r. w USA opatentowano
film wielowarstwowy, w 1929 r. Aschenbacher konstruuje 9-obiektywową
kamerę lotniczą, a w 1930 r. radziecki uczony Jewgienij Krinow wykonuje
pierwsze zdjęcie spektralne powierzchni Ziemi. Rok później kapitan Albert
Stevens zarejestrował pierwsze panchromatyczne zdjęcie na filmie uczulonym
na podczerwień, a w 1933 r. pokazano multiplex – autograf nowej generacji,
tani instrument przeznaczony do masowej produkcji map średnioskalowych
zaprojektowany przez włoskiego konstruktora Umberto Nistriego,
a produkowany w zakładach OMI-Nistri i Zeiss. W 1934 r. radziecki
fotogrametra F.W. Drobyszew zbudował stereometr – instrument słuŜący do
opracowania rzeźby terenu metodą róŜnicową, zaś w 1937 r. wykonano
pierwsze kolorowe zdjęcie fotogrametryczne. Jak na kilkanaście lat całkiem
sporo.
Z roku na rok przybywało zastosowań cywilnych, zaczęły powstawać
prywatne firmy fotogrametryczne. Na początku lat 20. działały takie w
Holandii i Niemczech.
W 1920 r. po raz pierwszy zdjęcia lotnicze wykorzystano do poszukiwań złóŜ
ropy naftowej. W tym samym roku w Niemczech firma Stereographik GmbH
wykonała pierwszą cywilną fotomapę (wykorzystaną przy projektowaniu
kanału na Izerze).
Od 1924 r. zdjęcia lotnicze rejestruje załoŜony trzy lata wcześniej brytyjski
RAAF. W 1925 r. w rejonie Leningradu (Sankt Petersburg) wykonano zdjęcia
w skali 1:8400 dla zinwentaryzowania lasów. W latach 1928-29 Anglicy
podjęli w Indiach próbę (nieudaną) zastosowania zdjęć naziemnych do prac
katastralnych. W Australii w 1935 r. zdjęcia lotnicze dla celów irygacyjnych
wykonała miejscowa firma Adastra.
W samych Niemczech w latach 1925-45 wykonano fotomapy dla obszaru
około 100 tys. km2. W poszczególnych państwach narodowe słuŜby
kartograficzne zaczynają tworzyć wydziały lub instytucje zajmujące się
wykonywaniem zdjęć i ich przetwarzaniem.
O tym, jak technika ta z roku na rok stawała się coraz popularniejsza, moŜe
świadczyć przykład Polski. W podręczniku „Miernictwo” W. Ehrenfeuchta
z Politechniki Warszawskiej z 1917 r. czytamy o fotogrametrii, Ŝe przedmiot
ten „dosyć rozpowszechniony za granicą, u nas dotąd mało jest stosowany,
podajemy go w ogólnych zarysach, nie wchodząc w Ŝadne szczegóły”,
w związku z czym potraktowano go lakonicznym opisem na kilku kartkach.
Dwadzieścia lat później w „Geodezji” (Miernictwie) Kaspra Weigla z
Politechniki Lwowskiej dostajemy treściwy 20-stronicowy wykład z
odesłaniem do fachowej pozycji, czyli ksiąŜki Edmunda Wilczkiewicza pt.
„Zasady zdjęć fotogrametrycznych”. (Wilczkiewicz – doktor Politechniki
Lwowskiej, twórca aeroprojektora – polskiego autografu, napisał ją w 1930
r.).
Zaczynano skromnie. Dwa lata po odzyskaniu przez Polskę niepodległości
w Wojskowym Instytucie Geograficznym w Warszawie utworzono
kilkuosobowy Referat Fotogrametryczny. W 1920 r. liczył on juŜ 20 oficerów,
na wyposaŜeniu miał m.in. autograf Wilda A2 i aerocartograph Hugershoffa.
W tym czasie wykonano fotomapy dla obszaru 14 tys. km2. Pionierem
polskiej fotogrametrii był profesor Politechniki Lwowskiej Kasper Weigel,
który juŜ w 1918 roku zaproponował wykorzystanie zdjęć fotogrametrycznych
do wykonania mapy Tatr (projekt zrealizowano kilka lat później). Do wybuchu
wojny zdołano sfotografować obszar kraju o powierzchni ponad 180 tys. km2.
W 1930 r. powstała w Polsce pierwsza prywatna firma fotolotnicza –
„Fotolot”, która tuŜ przed wybuchem II wojny światowej dysponowała m.in. 5
samolotami i autografem Wild A2.
W latach 1936-39 „Fotolot” wykonał zdjęcia dla obszaru 30 tys. km2. W
latach 30. pracami badawczymi z zakresu fotogrametrii zajmowały się juŜ
ośrodki naukowe na Politechnice Lwowskiej (Weigel, Wilczkiewicz) i
Warszawskiej (Piasecki).
--------------Cyfrowy skok
W czasie II wojny światowej zdjęcia lotnicze miały podobne zastosowanie
jak w okresie pierwszej, ale w o wiele większym zakresie. Do lotów
rekonesansowych doszło „inwentaryzowanie” skutków bombardowań, jak
chociaŜby na fotografii Jeny z 1945 r. zrobionej przez aliantów.
Szczególne znaczenie połoŜono na fotointerpretację, która w ujęciu
wojskowym jest niczym innym jak odpowiedzią na pytania „co to jest?” i
„jak duŜe jest?” to, co zarejestrowano na (szpiegowskim) zdjęciu. Okazało
się np., Ŝe 80% informacji wywiadowczych z rejonu Pacyfiku armia
amerykańska zdobyła na podstawie analizy zdjęć lotniczych. Gdy nastała
epoka zimnej wojny, technologie związane z pozyskaniem i szybkim
odczytaniem zdjęć znalazły się w centrum zainteresowania wojskowych. Nic
zatem dziwnego, Ŝe w 1952 r. w USA w ramach CIA powstał Photo
Intelligence Division zajmujący się fotointerpretacją i dysponujący sprzętem
fotogrametrycznym najnowszej generacji. Podobne jednostki utworzono w
innych rodzajach sił. Ten sam trend obowiązywał równieŜ w innych armiach,
a zastosowania militarne – choć rzadko upubliczniane – są od lat 50. jednym
z elementów napędowych tej technologii. W końcu zdjęcia wykonane z
pokładu samolotu U2 czy z satelitów szpiegowskiego programu Corona (jeśli
mówić tylko o amerykańskiej stronie tego problemu) trzeba było na czymś
„odczytać”. Między innymi stąd wzięło się zainteresowanie armii autografem
analitycznym Helavy.
Znaczący postęp technologiczny w fotogrametrii nastąpił na przełomie lat
50. i 60., a następnie w dekadzie lat 90. W obu wypadkach umoŜliwił to
rozwój informatyki, która ukazała nieznane wcześniej moŜliwości. Pierwszy
skok dokonał się po wejściu do uŜytku autografu analitycznego. Teoretyczne
przymiarki do fotogrametrii analitycznej publikowane były juŜ przez Otto von
Grubera i Sebastiana Finsterwaldera w latach 30. Praktyczne próby miały
miejsce w latach 40., a na początku następnej dekady Everett Merritt z
Naval Photographic Center w USA zaproponował analityczne rozwiązanie
procesu kalibracji kamery i orientacji zdjęć, zaś Hellmut Schmid zaprzągł do
fotogrametrii macierze i metodę najmniejszych kwadratów. Twórcą
autografu analitycznego – instrumentu rewolucjonizującego fotogrametrię
był Fin Uki Helava, który miał to szczęście, Ŝe w odpowiednim czasie (1954
r.) trafił w odpowiednie miejsce, czyli do Sekcji Fotogrametrycznej National
Research Council (NRC) w Kanadzie. Helava juŜ na początku lat 50. dał się
poznać jako zdolny konstruktor, a z jego pomysłów korzystały m.in. zakłady
Zeissa w Oberkochen. W 1956 r., będąc juŜ pracownikiem NRC zgłosił w
USA patent, a w 1957 r. opublikował zasadę działania autografu
analitycznego. Pierwsze egzemplarze wykonano na zamówienie armii USA,
która od początku była zainteresowana supernowoczesnym urządzeniem.
Poza tym była jednym z nielicznych klientów, których było na niego stać.
Dopiero w 1964 r. wyprodukowano tańszy AP/C.
Podstawowa róŜnica pomiędzy pomysłem Helavy a wcześniejszymi
rozwiązaniami sprowadzała się do zastąpienia analogowej projekcji modelu
projekcją matematyczną. Efektem było przyspieszenie obróbki zdjęć
i zdecydowane „odchudzenie” autografu.
Zastosowanie komputera praktycznie eliminowało większość mechanicznych
części (dlatego autografy analogowe waŜyły ok. 400-500 kg). Cała
skomplikowana natura autografu brała się bowiem z konieczności
przełoŜenia jeszcze bardziej skomplikowanych równań (opisujących
transformację obrazu zdjęcia na obraz terenu) na proste czynności, jakie
musiał wykonać operator urządzenia.
Instrument Helavy składał się z trzech modułów: obserwacyjnego (w którym
umieszczano zdjęcia), maszyny liczącej (komputera) i stołu kreślącego. Po
raz pierwszy zastosowano w takim urządzeniu serwomotory. Autograf
analityczny zautomatyzował i przyspieszył proces orientacji zdjęć, dane z
modelu moŜna było zapisać w formie cyfrowej, a komputer zaprogramować.
Pierwsze egzemplarze AP (analytical plotter) zbudowała firma OMI
(komputer wyprodukowało amerykańskie Bendix Research Labs), a na
oficjalnym pokazie pojawiły się w 1961 r. Helava stał się jednym z
czołowych twórców nowej technologii, którą rozwijał później w ramach
współpracy z OMI, Bendix i Helava Associates. (Zaowocowało to w 1980 r.
zamówieniem z Defence Mapping Agency na dostawę kilkuset sztuk
autografów najnowszej konstrukcji.)
-----------Fotogrametria od chwili zaistnienia charakteryzowała się stosowaniem
pionierskich rozwiązań. Zrozumiałe więc, Ŝe kaŜda z informatycznych nowości
była przez nią skwapliwie wykorzystywana. Pojawienie się pamięci
magnetycznych, nowych języków oprogramowania, wydajniejszych
procesorów i systemów komputerowych przekładało się na koleje zmiany w
technologii obróbki obrazu. W latach 70. i 80. powstało wiele nowych typów
autografów analitycznych, które stopniowo wypierały z rynku instrumenty
analogowe. Sam proces był w coraz większym stopniu zautomatyzowany, ale
i uzaleŜniony od informatyki. Gdy w latach 80. dotychczasowy tekstowy
ekran zastąpiła graficzna reprezentacja obrazu, a procesory radykalnie
zwiększyły swą moc, przyszła pora na stacje robocze. NajwaŜniejszym
elementem było teraz oprogramowanie, a wkrótce podstawowym produktem
fotogrametrycznym stała się ortofotomapa (ortofoto).
Początki rozwiązań cyfrowych moŜna wiązać z systemem Gestalt Photo
Mapper z 1967 r., opracowanym przez Gilberta Louisa Hobrougha z Kanady,
który wykorzystywał korelację obrazów do automatycznej produkcji ortofoto.
Zadaniem fotogrametrii cyfrowej jest bowiem nie tylko zautomatyzowanie
czynności realizowanych przez autograf, ale takŜe przejęcie przez komputer
czynności wykonywanych do tej pory przez operatora.
W 1988 r. na kongresie ISPRS w Kioto zaprezentowano prototyp pierwszej
fotogrametrycznej stacji cyfrowej DSP1 firmy Kern. Mimo iŜ nie był to towar
tani, gra rynkowa została rozpoczęta. Korzyści wynikające zarówno ze
skrócenia drogi od zarejestrowania zdjęcia do otrzymania produktu finalnego,
jak i moŜliwość łatwej integracji danych fotogrametrycznych z innymi
systemami (np. GIS, CAD) były bowiem nie do przecenienia. W 1991 r.
światło dzienne ujrzała cyfrowa stacja fotogrametryczna ImageStation firmy
Intergraph, rok później szwajcarska Leica wprowadziła do sprzedaŜy DPW
produkcji Helava Associates.
W połowie lat 90. szacowano, Ŝe na świecie było w uŜyciu ok. 4-5 tys.
autografów, 1200-1500 autografów analitycznych i ok. 400
fotogrametrycznych stacji cyfrowych (rynek cywilny). Gdy w 1995 r. wśród
25 wytypowanych instytucji z 17 krajów europejskich (instytutów, uczelni,
firm) na co dzień zajmujących się opracowaniami fotogrametrycznymi
policzono sprzęt, na którym pracują, okazało się, Ŝe miały one około 140
autografów analitycznych i ponad 80 stacji fotogrametrycznych. Przyszłość
naleŜała zatem do technologii cyfrowej, chociaŜ na początku był to luksus, na
który nie kaŜdy mógł sobie pozwolić. Stacja Leica/Helava DPW 770, czyli
produkt z tzw. górnej półki, kosztowała ponad 150 tys. dolarów, najtańsze
20-60 tysięcy. Standardy wyznaczały wtedy: DPW (Helava/Leica), Phodis
(Zeiss), Traster T10 (Matra) i ImageStation (Intergraph), ta ostatnia z 27calowym monitorem i 300 milionami operacji arytmetycznych wykonywanych
w czasie 1 sekundy. Podstawowymi elementami takich cyfrowych zestawów
są: stacja cyfrowa/szybki komputer, odpowiedni monitor z przystawkami do
oglądania obrazu stereo (okulary polaryzacyjne) i manipulator (mysz 3d).
W końcu lat 80. okazało się, Ŝe w fotogrametrii niebagatelną rolę ma takŜe
do odegrania technologia GPS, która dała nie tylko moŜliwość precyzyjnego
nawigowania samolotem, ale i generowania współrzędnych środka rzutów
kaŜdego zdjęcia, co wydatnie usprawniło proces aerotriangulacji i wpłynęło na
redukcję liczby punktów osnowy (ograniczenie kosztownych prac
terenowych). Dziesięć lat później, z chwilą pojawienia się na rynku cyfrowych
kamer fotograficznych, wiadomo było, Ŝe jest tylko kwestią czasu, by cały
proces - począwszy od rejestracji obrazu, a na wydruku ostatecznego
produktu fotogrametrycznego skończywszy - będzie odbywał się w
technologii numerycznej. W końcu lat 90. pojawiają się pierwsze testowe
egzemplarze kamer przeznaczonych dla fotogrametrii. W 2000 r. swoje
modele oficjalnie zaprezentowały firmy LH Systems i Z/I Imaging
(Intergraph).
Cyfrowa rejestracja obrazu ma liczne zalety. Przestaje istnieć problem
wywoływania filmu, ziarnistości i niskiej radiometryczności. Eliminuje się
drogi, czasochłonny i będący źródłem błędów proces skanowania filmu.
Jakość obrazu jest lepsza, a co za tym idzie łatwiejsza jest jego interpretacja.
KaŜdy punkt terenowy moŜe być teŜ wielokrotnie odfotografowywany. Co
istotne, moŜna otrzymać zdjęcia wielospektralne, a parametry rejestracji
kontrolować w czasie lotu.
Przy załoŜeniu wykonania w ciągu roku 20 tys. zdjęć koszt wykonania
jednego obrazu kamerą cyfrową jest o prawie 40% niŜszy niŜ kamerą
tradycyjną, biorąc pod uwagę cały proces z wykonaniem DTM, ortofoto i
mapy wektorowej z kaŜdego zdjęcia, koszt ten moŜe być niŜszy nawet o
połowę.
--------Obecnie wytwory fotogrametrii cyfrowej, takie jak numeryczny model terenu,
ortofoto i mapy wektorowe, są podstawowymi produktami wykorzystywanymi
w wielu dziedzinach gospodarki. Przestrzenne modele są dzisiaj chlebem
powszednim. To, co wcześniej było tylko wirtualnym obrazem widzianym
oczami operatora autografu, teraz jest dostępne praktycznie dla kaŜdego
i tylko od potrzeb lub wyobraźni uŜytkownika komputera zaleŜy, co z nim
zrobi. Jak pamiętamy, wszystko zaczęło się 150 lat temu od
perspektywicznych rysunków wykonywanych wprawną ręką pułkownika Aimé
Laussedat.
Numeryczny Model Terenu
Zmiany, które nastąpiły w ostatnich latach, dotyczą w duŜej mierze takŜe
fotogrametrii naziemnej. Nie zajmowano się tu nimi, tak jak i teledetekcją
i fotogrametrią satelitarną.