FOTOGRAMETRIA wg GEOFORUM

FOTOGRAMETRIA wg GEOFORUM
Definicja
Fotogrametria jest stosunkowo młodą dziedziną nauki. Jej naukowe początki sięgają
połowy XIX wieku. W przedwojennej Wielkiej Ilustrowanej Encyklopedii Gutenberga (Kraków,
1929-39) czytamy m.in.:
Fotogrametrja, zastosowanie zdjęć fotograficznych do celów pomiaru uwidocznionych na
kliszy przedmiotów lub krajobrazów. Udoskonalenie metod f. spowodowało zastosowanie jej
przede wszystkiem do celów topograficznych. (...)
Fotogrametrja posługuje się fototeodolitem, w którym luneta zastąpiona jest przez kamerę
fotograficzną. Na podstawie zdjęć fotograficznych i pewnych pomiarów w terenie uzyskujemy
potrzebne do wiernego odtworzenia elementy topograficzne.
Bardzo lapidarna definicja fotogrametrii pojawiła się w popularnej w latach 70. serii wydawniczej
Ministerstwa Obrony Narodowej pt. "1000 słów o...". W części "1000 słów o fotografii" autorstwa
Henryka Latosia (Warszawa, 1979) czytamy:
Fotogrametria - oparty na fotografowaniu terenu i jego fotogramach dział nauki i techniki
zajmujący się pomiarem terenów i obiektów przestrzennych, ustalaniem ich kształtu
i połoŜenia.
Najpełniejszą definicję moŜemy znaleźć w 31-tomowej Wielkiej Encyklopedii PWN z 2002 r. Jej
autorem jest wybitny polski fotogrametra prof. Jerzy Sitek, a zaczyna ona się tak:
Fotogrametria [gr.], dziedzina nauk techn. zajmująca się pozyskiwaniem, przekształcaniem,
prezentacją i gromadzeniem informacji (ilościowych i jakościowych) dotyczących danego
terenu lub obiektu na podstawie zdjęć fotogrametrycznych (tzw. fotogramów) lub ich
reprezentacji cyfrowych. (...)
Określenie "cyfrowych" odzwierciedla skok technologiczny, jaki dokonał się w fotogrametrii na
przestrzeni ostatnich dwudziestu lat. Obecnie mamy bowiem do czynienia z fotogrametrią cyfrową,
w której z niebywałym powodzeniem wykorzystuje się techniki komputerowe.
O ile trudno znaleźć podobieństwa między sztuką fotografowania i tworzenia map uprawianą
w XIX wieku przez twórcę fotogrametrii Francuza Aimee Laussedata, a dzisiejszą masówką w postaci
tysięcy cyfrowych ortofotomap, to niezmienne pozostało, to co napisał w 1917 r. w podręczniku do
miernictwa profesora Wiktora Ehrenfeucht, czyli Ŝe "zdjęcie szczegółów [pomiar] gruntów i terenu
przy zastosowaniu fotogrametrji odbywa się w domu. Robota zaś w polu, polegająca na orjentowaniu
narzędzia i fotografowaniu, zabiera bez porównania mniej czasu, niŜ przy stosowaniu innych
sposobów".
Chronologia do 1900
1901-1950
1951-1980
1981-2005
295 p.n.e.
Euklides (ok. 365-300), grecki matematyk, w dziele „Elementy”
usystematyzował całą ówczesną wiedzę matematyczną m.in. z zakresu:
planimetrii, stereometrii, algebry geometrycznej. Jego dzieło „Optyka” jest
pierwszą grecką pracą na temat perspektywy.
A-295_Euklid_opt
ok. 1035
Ali Al-hazen, Ibn al-Haytham (965-1038), arabski fizyk, matematyk, astronom
z Basry wykazał przy pomocy kamery obscura, Ŝe światło dociera do oczu po
liniach prostych. Al-hazen Zajmował się m.in. soczewkami, zwierciadłami,
perspektywą i teorią liczb.
1268
Roger Bacon (ok. 1214-92), angielski filozof, uczony, franciszkanin, opisał
szkła (soczewki) wypukłe i przewidział róŜne ich zastosowania (mikroskop,
teleskop). Bacon zajmował się równieŜ zagadnieniem odbicia i refrakcji światła.
1270-73
Zakonnik Erazm Ciołek, znany jako
Vitello, fizyk i matematyk pisze dzieło z
zakresu optyki pt. „Perspectiva”, w
którym odrzuca pogląd lansowany przez
Greków, Ŝe promienie „podróŜują” od oka
do rzeczy widzialnych; analizuje fizjologią
widzenia i anatomią oka, zajmuje się
zagadnieniami optyki geometrycznej,
załamaniem i odbiciem światła.
1480
Włoski malarz, architekt, myśliciel
Leonardo da Vinci (1452-1519) porównuje
odbicie światła do odbicia fal
dźwiękowych. Opisuje zasady działania
kamery obscura
1525
Niemiecki malarz i rytownik Albrecht Durer (1471-1528) pisze traktat
„Underweysung der Messung mit dem Zirkel und Richtscheit”, pierwszą
ksiąŜkę z zakresu matematyki jaka ukazała się w języku niemieckim. W
czwartej księdze traktatu Durer zawarł wstęp do teorii rysunku
perspektywicznego.
1544
Regnier Gemma Frisius (1508-55) niderlandzki astronom,, matematyk i
kartograf zaobserwował przy pomocy kamery obscura zaćmienie KsięŜyca,
które zilustrował w wydanym rok później dziele De Radio Astronomia et
Geometrica.
1572
Friedrich Risnor wykonał pierwsze topograficzne zdjęcie terenu wykorzystując
do tego przenośną kamerę obscura.
1585
Holenderski uczony Simon Stevin (1548-1620) w pracy „De Theinde”
przedstawił podstawy rachunku dziesiętnego. Stevin opisał m.in. zasady
tworzenia rysunku perspektywicznego i podstawy miernictwa.
1613
Jezuita Francois d’Aguillion (1567-1617) napisał traktat, w którym pojawił się
termin „stereoskopia”.
1637
René Descarets, Kartezjusz (1596-1650),
francuski filozof i matematyk, publikuje
„La Géométrie”, w której opisuje układ
współrzędnych (układ kartezjański) i
zastosowania algebry w geometrii.
Wprowadził osie współrzędnych, a dzięki
nim liczbowy opis figur geometrycznych –
płaszczyzna kartezjańska. Dzieło
przyczyniło się do rozwoju geometrii
analitycznej oraz powstania rachunku
róŜniczkowego i całkowego.
1639
Gérard Desargues (1593-1661), francuski matematyk i architekt, publikuje
dzieło znane jako „Brouillon project” (Brulion), w którym przedstawia wyniki
badań nad geometrią rzutową.
1670
Anglik Izaak Newton (1642-1727) fizyk, matematyk, filozof zaprezentował
rozszczepienie promienia światła białego przechodzącego przez pryzmat.
Dodanie soczewki i drugiego pryzmatu powodowało otrzymanie ponownie
wiązki światła białego.
1692
Wilhelm Gottfried Leibnitz (1646-1716),
filozof i matematyk niemiecki wprowadził
pojęcie „współrzędna”.
1715
Angielski matematyk Brook Taylor
(1635-1731) opublikował dzieło „Linear
Perspective”, w którym prezentuje
rzutowanie 3-wymiarowego obiektu na
płaszczyznę i wykłada podstawy
perspektywy.
Rys historyczny
Początki
Fotogrametria to dziedzina zajmująca się przetworzeniem obrazu fotograficznego w taki sposób, by moŜna
określić: wymiar, kształt i połoŜenie sfotografowanych obiektów (np. wykonać mapę terenu). Przetworzenie
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
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
Hazen – słynny arabski astronom i matematyk. Wiadomo teŜ, Ŝe tematyką tą zajmował się w drugiej połowie
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
1557 r. Włoch Balltasare Lanci skonstruował instrument, który zasadą działania przypominał stolik topograficzny
pozwalał na tworzenie rysunków perspektywicznych, prostych map oraz pomiar przewyŜszenia.
Do czasu wynalezienia fotografii „fotograficznym” zapisem otaczającej rzeczywistości zajmowali się jednak
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
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
fundamenty, dwa lata wcześniej ukończył on bowiem czterotomowe dzieło pt.: „Unterweisung der Messung
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.
O jakości (dokładności) odwzorowania obiektu „zdejmowanego” taką metodą decydowały jednak oko i ręka
Dla zapewnienia poprawności geometrycznej (matematycznej) potrzebne były pewniejsze podstawy. JuŜ w
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.
Rys historyczny
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 „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 obrazu.
Rys historyczny
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
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
(negatywowy) na papierze powleczonym chlorkiem srebra. Nie potrafił go jednak utrwalić. Po wielu próbach
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
śmierci Niépce Daguerre pracował dalej nad wynalazkiem bogatszy o wiedzę przekazaną przez partnera. W
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
wybitny fizyk François Dominique Arago. Daguerre i potomkowie Niépce otrzymali z tytułu tak znaczącego
osiągnięcia doŜywotnie renty od rządu francuskiego.
Rys historyczny
Mniej więcej w tym samym okresie William Henry Fox Talbott pracował nad
procesem negatywowo-pozytywowym.
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.
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”.
Rys historyczny
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
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”).
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
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
na podstawie 8 zdjęć fotograficznych. Wkrótce w armii francuskiej stworzono specjalny oddział zajmujący
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
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.
Rys historyczny
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.
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.
Rys historyczny
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”.
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 fotograficzno-topograficzny,
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.
Rys historyczny
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
2
obszaru około 4,5 mln km . 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
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,
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
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
Australii w 1935 r. zdjęcia lotnicze dla celów irygacyjnych wykonała miejscowa firma Adastra.
2
W samych Niemczech w latach 1925-45 wykonano fotomapy dla obszaru około 100 tys. km . 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,
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
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
2
fotomapy dla obszaru 14 tys. km . Pionierem polskiej fotogrametrii był profesor Politechniki Lwowskiej Kasper
Weigel, który juŜ w 1918 roku zaproponował wykorzystanie zdjęć fotogrametrycznych do wykonania mapy
(projekt zrealizowano kilka lat później). Do wybuchu wojny zdołano sfotografować obszar kraju o powierzchni
2
ponad 180 tys. km . W 1930 r. powstała w Polsce pierwsza prywatna firma fotolotnicza – „Fotolot”, która
przed wybuchem II wojny światowej dysponowała m.in. 5 samolotami i autografem Wild A2.
2
W latach 1936-39 „Fotolot” wykonał zdjęcia dla obszaru 30 tys. km . W latach 30. pracami badawczymi z
zakresu fotogrametrii zajmowały się juŜ ośrodki naukowe na Politechnice Lwowskiej (Weigel, Wilczkiewicz
Warszawskiej (Piasecki).
Rys historyczny
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.)
Rys historyczny
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 27-calowym 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.
Rys historyczny
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.
Oprac. JP
Krótki wykład - Definicje
Regina Tokarczyk
Piękno Krakowa uwiecznione zostało na niezliczonych fotografiach. Szczególnie cenne są stare zdjęcia
ukazujące, jak kiedyś Ŝyli krakowianie, jak wyglądały ulice miasta, jego budowle. Oto kilka z fotografii
przedstawiających krakowski Rynek na przełomie XIX i XX w. Są one dokumentem historycznym, ale nie tylko
Rys. 1. Stare fotografie Rynku w Krakowie (lata 1880-1938).
Własność Muzeum Historycznego Miasta Krakowa
Widzimy na nich dziwną budowlę "przyklejoną" do WieŜy Ratuszowej. To austriacki Odwach (wartownia, areszt
Ten obiekt w stylu późnogotyckim, z wieŜyczkami i podcieniami, postawiono w 1882 r. w miejscu starego
klasycystycznego odwachu. W XIX wieku mieściły się w nim posterunki wojsk austriackich i Księstwa
Warszawskiego, później milicji "wolnego miasta Krakowa", a w okresie międzywojennym - siedziby straŜy
poŜarnej i straŜy miejskiej. Budynek został zburzony w 1946 r.
A oto ten sam Odwach "jak Ŝywy" na obrazie uzyskanym z modelu komputerowego. MoŜemy oglądać budynek
róŜnych stron, poznać jego dokładne połoŜenie i wielkość, zmierzyć poszczególne elementy, obejrzeć fakturę
ścian i narzucić fotorealistyczne tło.
Rys. 2. Rekonstrukcja komputerowa trójwymiarowego modelu Odwachu. Model "wire frame" pokryty jest
rastrem pochodzącym ze zdjęć archiwalnych, tło wybrano z dostępnych tekstur oprogramowania MicroStation
Praca wykonana w Zakładzie Fotogrametrii i Informatyki Teledetekcyjnej Wydziału Geodezji Górniczej i InŜynierii
Środowiska AGH w Krakowie (ZFiIT) w ramach pracy magisterskiej przez Magdalenę Brodzińską.
Dziedziną, która dostarcza informacji o nieistniejącym obiekcie na podstawie zachowanych obrazów, jest
fotogrametria. Dzisiaj wiąŜe się ją z teledetekcją (nauką, która rozwinęła się znacznie później i oddzielnie
poniewaŜ obydwie bazują na informacji obrazowej, a w wielu miejscach łączą się i uzupełniają. Od 1998 r.,
od XVI Kongresu Międzynarodowego Towarzystwa Fotogrametrii i Teledetekcji w Kioto, podaje się ich wspólną
definicję: Fotogrametria i teledetekcja to dziedziny nauk technicznych zajmujące się zdalnym
pozyskiwaniem wiarygodnych informacji o obiektach fizycznych i ich otoczeniu drogą rejestracji
pomiaru i interpretacji obrazów i zdjęć.
Ściślej rzecz ujmując - fotogrametria zajmuje się zdalnym pomiarem obiektów, wyznaczaniem ich kształtu
połoŜenia w przestrzeni, natomiast teledetekcja - rozpoznawaniem i pomiarem cech innych niŜ geometria
obiektów. Z kolei obrazy i zdjęcia to zdalny zapis promieniowania elektromagnetycznego odebranego za
pomocą sensorów, wyposaŜonych w detektory, czyli elementy czułe na promieniowanie. Na przykład dla
promieniowania elektromagnetycznego o długości fali w zakresie widzialnym sensorem moŜe być kamera
fotograficzna (w której rolę detektora odgrywa światłoczuła emulsja pokrywająca film) lub kamera cyfrowa
(wtedy detektorem jest matryca CCD).
Zarejestrowany obraz (np. zdjęcie Odwachu z 1938 r.) podlega pomiarowi fotogrametrycznemu, w którym
wykorzystujemy zaleŜności matematyczne zachodzące między rodzajem rzutowania, jakie reprezentuje obraz
trójwymiarowym pozycjonowaniem punktów mierzonych obiektów. Wyniki takiego pomiaru moŜna przedstawić
w postaci:
graficznej - mapa, plan (postać wektorowa),
obrazu o określonych cechach metrycznych - ortofotogram, ortofotomapa (postać rastrowa),
zbioru liczb (współrzędnych punktów w trójwymiarowej przestrzeni).
Krótki wykład - Podstawy matematyczne
Regina Tokarczyk
Na krakowskim Rynku - oprócz Sukiennic, pomnika Mickiewicza i WieŜy
Ratuszowej - znajduje się maleńki kościółek pod wezwaniem św. Wojciecha.
Rys. 1. Kościół pod wezwaniem św. Wojciecha w Krakowie
Oto wyniki nowoczesnej inwentaryzacji fotogrametrycznej tej XII-wiecznej
budowli. MoŜna je przedstawić w sposób tradycyjny (za pomocą rzutów,
przekrojów, planów elewacji) albo teŜ jako komputerowy trójwymiarowy model
wektorowy (wire frame) lub model pokryty fikcyjnym materiałem z biblioteki
oprogramowania.
Rys. 2. Kościół św. Wojciecha w Krakowie. Przekrój pionowy zewnętrza. W
ramach pracy magisterskiej w ZFiIT wykonała Joanna Gacka.
Rys. 3. Kościół św. Wojciecha w Krakowie. Model wektorowy 3D. W ramach
pracy magisterskiej w ZFiIT wykonała Joanna Gacka.
Najlepiej zaś pokryć go fakturą odfotografowaną na zdjęciu, co przyda
obrazowi realistycznego wyglądu. Taki sposób prezentacji zabytku umoŜliwia
wirtualny spacer wokół niego, a jeśli inwentaryzacja jest całościowa - takŜe
obejrzenie wnętrza.
Rys. 4. Kościół św. Wojciecha w Krakowie. Zwizualizowany model
powierzchniowy (AutoCAD). W ramach pracy magisterskiej w ZFiIT wykonała
Joanna Gacka.
W jaki sposób moŜna uzyskać przestrzenne współrzędne punktu w terenowym
układzie odniesienia na podstawie zdjęcia fotogrametrycznego? Zgodnie z
zasadą rzutowania, wektor promienia rzutującego w przestrzeni obrazowej
kamery jest kolinearny (współliniowy) z wektorem w przestrzeni
przedmiotowej. Współrzędne pierwszego wektora są wyznaczane przez
elementy orientacji wewnętrznej kamery oraz połoŜenie punktu obrazu w
układzie tłowym, natomiast pozycję drugiego określa się w zewnętrznym
układzie odniesienia (rys. 5). Kolinearność tę moŜna zapisać w postaci prostej
zaleŜności:
Sprowadzając obydwa wektory do tego samego układu, mamy:
(3) i (4)
gdzie:
- A jest ortogonalną macierzą transformacji przez kolejne obroty o kąty
orientacji: ω, φ, κ przestrzennego układu tłowego zdjęcia w stosunku do
układu odniesienia XYZ,
- X0, Y0, Z 0 to współrzędne środka rzutów w układzie odniesienia.
(Wielkości: X0, Y0, Z 0, ω, φ, κ nazywamy elementami orientacji
zewnętrznej zdjęcia)
Rys. 5. Kolinearność wektorów w przestrzeni obrazowej i w przestrzeni
przedmiotowej
Krótki wykład - Podstawy matematyczne
Równanie kolinearności jest podstawą do rozwiązania większości problemów
związanych ze znalezieniem przestrzennego połoŜenia punktów. Pozwala ono
równieŜ na wyznaczenie elementów orientacji zewnętrznej zdjęcia, co wymaga
jednak znajomości współrzędnych tłowych i terenowych przynajmniej trzech
punktów (tzw. fotopunktów).
Promień rzutujący odtworzony na podstawie zdjęcia fotogrametrycznego
(rzutu środkowego) to zbyt mało, aby znaleźć połoŜenie punktu w przestrzeni.
ZaleŜność (3) przy znanej orientacji zdjęcia daje tylko trzy równania z
czterema niewiadomymi: X, Y, Z, λ. Dwa rzuty z dwóch róŜnych punktów
umoŜliwiają natomiast wykonanie fotogrametrycznego wcięcia w przód
(rys. 6), poniewaŜ kolinearność dwu promieni rzutujących daje 6 równań z
pięcioma niewiadomymi: X, Y, Z punktu i współczynniki skali λ΄ i λ”.
Rys. 6. Wyznaczenie połoŜenia punktu na podstawie dwóch zdjęć
Z rys. 6 wynika, Ŝe wektor łączący oba środki rzutów (wektor bazy) oraz
wektory rzutowe do punktu A są współpłaszczyznowe, czyli komplanarne.
Warunek ten jest spełniony, gdy iloczyn mieszany tych wektorów jest równy
zeru:
Warunek komplanarności wraz z warunkiem kolinearności jest stosowany przy
wyznaczaniu przestrzennego połoŜenia punktu, pozwala równieŜ na określenie
wzajemnego połoŜenia obu zdjęć w tzw. orientacji wzajemnej.
Fotogrametryczne pozycjonowanie wymaga zatem pomiaru na co najmniej
dwóch zdjęciach odpowiadających sobie punktów - punktów
homologicznych. Jeśli są to wyraźne i dobrze zdefiniowane szczegóły
sytuacyjne, to pomiar ten nie nastręcza trudności. Ale co zrobić, jeŜeli na
przykład chcemy pomierzyć na zdjęciach lotniczych punkty, które mają
posłuŜyć tylko jako pikiety wysokościowe, albo na zdjęciach naziemnych odpowiadające sobie punkty na gładkiej powierzchni kopuły?
Z pomocą przychodzi wtedy sztuczny efekt stereoskopowy pozwalający na
podstawie obserwacji dwóch (odpowiednio wykonanych) zdjęć uzyskać
wraŜenie przestrzenności obiektu. JeŜeli wykonamy zdjęcia tego samego
obiektu z dwóch róŜnych miejsc w przestrzeni, osie zdjęć będą w przybliŜeniu
równolegle i prostopadłe do bazy. Uzyskany w ten sposób stereogram zdjęć
normalnych po odpowiednim ułoŜeniu zdjęć pozwoli na uzyskanie efektu
przestrzennego dla obszaru wspólnego dla obu zdjęć. Ale to nie wszystko.
Wprowadzając do obserwowanego modelu przestrzenny znaczek
pomiarowy (rys. 7), uzyskamy podwójną korzyść: moŜliwość pomiaru
trudnych do identyfikacji punktów homologicznych i zrównanie dokładności
pomiaru na zdjęciach poprzez ujednolicenie sygnalizacji punktów (sztucznym
sygnałem - znaczkiem).
Rys. 7. Pomiar stereoskopowy za pomocą wirtualnego znaczka pomiarowego
Przyleganie znaczka do mierzonego punktu na modelu przestrzennym oznacza,
Ŝe na obydwu zdjęciach zostaną znalezione i pomierzone odpowiadające sobie
punkty. Takie pomiary umoŜliwiają wyznaczenie współrzędnych tłowych na
zdjęciach, a potem przejście do interesujących nas wielkości w mierze
terenowej. Minimalne przesunięcie jednego ze znaczków zgodnie z kierunkiem
bazy będzie postrzegane jako jego przemieszczenie w kierunku "do" lub "od"
obserwatora. Efekt głębi obiektu daje róŜnica paralaks podłuŜnych jego
punktów, czyli róŜnic współrzędnych tłowych wzdłuŜ osi równoległej do bazy.
Znacząca większość opracowań fotogrametrycznych (zwłaszcza w
zastosowaniach kartograficznych) wykorzystuje sztuczny efekt stereoskopowy.
Stereogramy zdjęć normalnych ułatwiają równieŜ automatyzację pomiaru na
zdjęciach, o czym mowa będzie dalej.
Dr Regina Tokarczyk jest pracownikiem naukowym Zakładu
Fotogrametrii i Informatyki Teledetekcyjnej Wydziału Geodezji
Górniczej i InŜynierii Środowiska AGH w Krakowie
Krótki wykład - Autografy
Regina Tokarczyk
Z krakowskiego Rynku udajemy się na Wawel. Oto wyniki fotogrametrycznej inwentaryzacji ołtarza Świętej
Trójcy z Kaplicy Świętokrzyskiej: plan w postaci rysunku oraz fotoplany skrzydeł tego ołtarza (rys. 1 i rys
2). Oba opracowania łączy przedstawiony na nich obiekt, natomiast dzieli cała epoka rozwoju technik
fotogrametrycznych. Plan wykonano metodą autogrametryczną na autografie analogowym, kolorowy obraz
skrzydeł jest z kolei wynikiem przetwarzania obrazu cyfrowego.
Rys. 1. Plan ołtarza Świętej Trójcy w Kaplicy Świętokrzyskiej na Wawelu. Wykonano w ZFiIT.
Rys. 2. Fotoplany skrzydeł ołtarza Świętej Trójcy w Kaplicy Świętokrzyskiej na Wawelu. Wykonano w ZFiIT
W jaki sposób moŜna uzyskać tak wspaniale efekty? Za pomocą jakich metod i przyrządów? Konstruktorzy
pierwszych fotogrametrycznych urządzeń słuŜących do kreślenia planów i map stanęli przed trudnym
zadaniem. NaleŜało zbudować mechanizm realizujący w sposób ciągły zaleŜności matematyczne pomiędzy
współrzędnymi tłowymi zdjęć a współrzędnymi terenowymi (przy załoŜeniu wykorzystania sztucznego efektu
stereoskopowego). Innymi słowy trzeba było "zrekonstruować" wiązki promieni rzutujących, a następnie
wykonać fotogrametryczne wcięcie w przód.
Wyniki ich prac były imponujące dosłownie i w przenośni. Powstały urządzenia o wadze co najmniej kilkuset
kilogramów i zajmujące niekiedy powierzchnię kilkudziesięciu metrów kwadratowych - autografy
analogowe (stereoplotery). Oprócz nośników, układów optycznego i podświetlającego składały się z
systemu wodzideł i liniałów realizujących w sposób mechaniczny lub mechaniczno-optyczny wspomniane
wyŜej zaleŜności matematyczne. Niezwykłą precyzję gwarantowały doskonałe materiały konstrukcyjne, z
jakich je wykonano, i stabilność wynikająca z duŜego cięŜaru urządzenia (rys. 3).
Rys. 3. Autograf A8 Wilda i stereoplanigraf Zeissa
Metody autogrametryczne bazują na budowie modelu przestrzennego w oparciu o orientację wzajemną
stereogramu i wpasowaniu go w fotopunkty w procesie skalowania i poziomowania modelu. Podstawą
do uzyskania efektu przestrzennego i budowy modelu opracowywanego obiektu jest pomiar paralaksy
poprzecznej (czyli róŜnicy współrzędnych tłowych y) wybranych punktów, co pozwala na wyznaczenie
wzajemnego połoŜenia obu zdjęć. Skala takiego modelu jest w zasadzie dowolna. Po skalowaniu i
poziomowaniu modelu fotogrametra-obserwator moŜe przystąpić do obwodzenia znaczkiem mierzącym
szczegółów interesującego go obiektu na modelu. KaŜdy ruch znaczka przenoszony jest z kolei na
urządzenie kreślące.
Zmiana współrzędnych (połoŜenia) znaczka mierzącego dokonywana przez obserwatora za pomocą
manipulatorów powoduje wyliczenie przez "komputer analogowy" odpowiadających im współrzędnych
tłowych i sterowanie ruchem zdjęć, tak by cały czas był realizowany efekt stereoskopowy (rys. 4).
Rys. 4. Zasada pracy na autografie. Zmiana współrzędnych punktu trójwymiarowego modelu powoduje ruch
nośników zdjęć i zmianę połoŜenia znaczków mierzących do punktów o odpowiednich współrzędnych
tłowych.
Skonstruowano wiele typów autografów analogowych róŜniących się głównie sposobem budowy modelu
przestrzennego: optyczne, optyczno-mechaniczne, mechaniczne. Wśród nich były urządzenia uniwersalne
oraz przeznaczone tylko do opracowania zdjęć naziemnych lub lotniczych. Epoka tych urządzeń zakończyła
się w latach 60. ubiegłego wieku.
Kolejnym etapem w rozwoju fotogrametrii były autografy analityczne, w których wodzidła i liniały zastąpił
komputer sterujący w czasie rzeczywistym przesuwającymi się względem siebie nośnikami ze zdjęciami.
Części mechaniczne zredukowano do ortogonalnych liniałów, które pozwalały na niezaleŜny ruch zdjęć
względem siebie i realizowały współrzędne tłowe zgodnie z równaniem kolinearności. Oprogramowanie
komputera pozwalało natomiast na edycję mapy wektorowej. Niektóre z modeli wyposaŜono w urządzenia
umoŜliwiające automatyczny pomiar danych do budowy numerycznego modelu terenu. Ograniczenie części
mechanicznych zapewniało wysoką niezawodność urządzeń oraz uzyskiwanie najwyŜszych dokładności.
Wymienione wyŜej rodzaje autografów zostały juŜ prawie całkowicie wyparte przez autografy cyfrowe,
zwane teŜ fotogrametrycznymi stacjami roboczymi. Zdjęcia analogowe zastąpiono w nich obrazami
cyfrowymi powstałymi przez zeskanowanie klatek filmu albo pozyskanymi z kamer cyfrowych.
Stereopercepcję obrazów wyświetlanych na monitorze uzyskuje się róŜnymi metodami. Do najprostszych
naleŜy obserwacja obrazów wyświetlanych na podzielonym na dwie części ekranie monitora za pomocą
stereoskopu lub wykorzystanie właściwości obrazu anaglifowego. NajwyŜszy komfort zapewniają jednak
systemy wykorzystujące aktywne lub pasywne okulary polaryzacyjne. Oprogramowanie stacji
fotogrametrycznych pozwala na wyprodukowanie w krótkim czasie, często w sposób automatyczny,
wektorowych i rastrowych map oraz planów, przetwarzanie cyfrowych wyników pomiaru (np. obliczanie
objętości czy pól powierzchni).
Dr Regina Tokarczyk jest pracownikiem naukowym Zakładu Fotogrametrii i Informatyki
Teledetekcyjnej Wydziału Geodezji Górniczej i InŜynierii Środowiska AGH w Krakowie
Krótki wykład - Robimy mapę
Regina Tokarczyk
Oto przedstawiony na mapie sytuacyjno-wysokościowej fragment jednego z
najpiękniejszych i największych w Europie rynków miejskich (rys.1).
Rys. 1. Fragment arkusza mapy zasadniczej w skali 1:500 rejonu Rynku
Głównego w Krakowie. Mapy w tej skali dla terenów miejskich nie sporządza
się metodą fotogrametryczną (mapa udostępniona przez MODGiK w Krakowie)
Rys. 2. Fragment cyfrowej ortofotomapy rejonu Rynku Głównego w Krakowie
(ortofotomapa udostępniona przez OPGK Sp. z o.o. w Krakowie)
Jego urody nie odda mapa kreskowa, ale wystarczy spojrzeć na barwną
ortofotomapę (rys. 2). JakieŜ bogactwo kolorów! Co prawda, zamieszczona
powyŜej mapa nie jest akurat produktem fotogrametrycznym, lecz zwykłą
mapą analogowa, ale przecieŜ kaŜdy pretekst jest dobry, aby pokazać
krakowski Rynek.
Przyjrzyjmy się zatem etapom opracowania mapy ze zdjęć lotniczych metodą
autogrametryczną, czyli właśnie mapy kreskowej (wektorowej), bo taki sposób
przedstawiania powierzchni Ziemi dominował jeszcze do niedawna.
Zdjęcia lotnicze wykonywane są zgodnie ze sporządzonym wcześniej
projektem lotu fotogrametrycznego. Rejestracja fotograficzna przebiega w
szeregach (rys. 3), dla których minimalne pokrycie podłuŜne (między
zdjęciami) wynosi 60%, a pokrycie poprzeczne (między szeregami) - 25-30%.
Rys. 3. Schemat wykonywania lotniczych zdjęć szeregowych
Stosując system GPS/INS, moŜna wykonać zdjęcia celowane, czyli o
zadanej orientacji. Przed nalotem fotogrametrycznym projektuje się i
przewaŜnie sygnalizuje niezbędną liczbę odpowiednio rozmieszczonych
punktów osnowy terenowej. Po wykonaniu i sprawdzeniu jakości zdjęć i ich
zgodności z projektem lotu następuje ich uczytelnienie (rys. 4). Jest to po
prostu wniesienie na powiększenia zdjęć - na podstawie wywiadu terenowego
- znaków graficznych reprezentujących obiekty będące treścią wykonywanej
mapy zasadniczej.
Rys. 4. Uczytelnione zdjęcie lotnicze dla opracowania mapy w skali 1:2000
Krótki wykład - Robimy mapę
Następnym etapem jest aerotriangulacja - kameralne zagęszczenie osnowy
fotogrametrycznej, połączone z wyznaczeniem orientacji kaŜdego zdjęcia. Jej
celem jest dostarczenie fotopunktów potrzebnych do orientacji bezwzględnej
kaŜdego opracowywanego modelu lub dostarczenie orientacji zewnętrznej
zdjęć na potrzeby tworzenia ortofotomapy. Obliczenie i wyrównanie
aerotriangulacji dokonywane jest obecnie dwoma metodami:
- niezaleŜnej wiązki (rys. 5)
- niezaleŜnych modeli (rys. 6).
Rys. 5. Sieć aerotriangulacji - metoda niezaleŜnej wiązki
Rys. 6. Sieć aerotriangulacji - metoda niezaleŜnych modeli
Punkty wiąŜące ze sobą zdjęcia lub modele - szczegóły sytuacyjne
sygnalizowane w terenie lub sztucznie na zdjęciach - po aerotriangulacji stają
się fotopunktami słuŜącymi do opracowania modeli na autografie.
Opracowanie autogrametryczne rozpoczyna się od tak zwanego strojenia
zdjęć, co oznacza wykonanie orientacji wzajemnej i wpasowanie powstałego
przestrzennego modelu w fotopunkty przez skalowanie i poziomowanie modelu
na autografach analogowych lub orientację bezwzględną na autografach
analitycznych i cyfrowych.
Kreślenie pierworysu mapy (stereodigitalizacja) rozpoczyna się od wniesienia
rzeźby terenu w postaci linii szkieletowych oraz warstwic, co sprowadza się do
prowadzenia znaczka na określonej wysokości tak, aby cały czas "dotykał"
terenu. Ruch znaczka przenoszony jest na rysik urządzenia kreślącego. Oprócz
rysowania warstwic moŜna takŜe zaznaczać punkty pikiet wysokościowych.
Kolejnym etapem jest wniesienie sytuacji - obserwator, osadzając znaczek
mierzący na stereoskopowym modelu terenu, zgodnie z uczytelnieniem
"kreśli" linie odpowiadające np.: krawędziom dachów, liniom dróg, chodników,
ogrodzeń, granic działek oraz zaznacza obiekty punktowe, np.: słupy, włazy,
studnie, naziemne elementy urządzeń podziemnych.
Na fotogrametrycznych stacjach roboczych pozyskiwanie danych
wysokościowych wygląda nieco inaczej - punkty wysokościowe (rozproszone
lub rozmieszczone w regularnej siatce) mierzone są manualnie lub
automatycznie. Na ich podstawie tworzone są później warstwice lub teŜ
stosowane są inne sposoby przedstawienia rzeźby terenu.
Fragmenty mapy opracowane na podstawie pomiaru poszczególnych modeli po
uzgodnieniu styków łączone są w sekcje pierworysu. Z pomiarów
bezpośrednich i uzupełniających dodawane są jeszcze do niego te elementy
pokrycia terenu, które z róŜnych przyczyn nie zostały pomierzone na
stereogramach.
Następną fazą produkcji mapy jest jej opracowanie kartograficzne. Rysunek
naleŜy przedstawić w odpowiednim odwzorowaniu i kroju arkusza oraz
uzupełnić nazwami, symbolami, siatką z opisem współrzędnych i informacjami
pozaramkowymi. Produkt finalny poddaje się sprawdzeniu pod kątem
kompletności opracowania i zgodności rysunku ze znakami umownymi
obowiązującymi w odpowiedniej instrukcji, a takŜe kontroli dokładności.
Wynikiem opracowania na autografach analitycznych i cyfrowych jest mapa
numeryczna, dla której na nośniku magnetycznym zapisany jest nie tylko
wektor - wynik pomiaru, ale równieŜ dane topologiczne i opisowe. Jej
uzupełnieniem jest numeryczny model terenu lub numeryczny model
pokrycia terenu. Baza danych mapy numerycznej pozwala nie tylko na łatwy
dostęp do przechowywanych danych, ale równieŜ na przeprowadzanie na nich
róŜnych operacji i analiz.
Dr Regina Tokarczyk jest pracownikiem naukowym Zakładu
Fotogrametrii i Informatyki Teledetekcyjnej Wydziału Geodezji
Górniczej i InŜynierii Środowiska AGH w Krakowie
Krótki wykład - Cyfrowa ortofotomapa
Regina Tokarczyk
Z krakowskiego Rynku przenieśmy się tym razem w samo serce nieodległych
Tatr. Oto fragment barwnej cyfrowej ortofotomapy przedstawiającej okolice
Morskiego Oka (rys. 1). Jak powstaje ten rodzaj mapy, tak róŜny od
tradycyjnej mapy kreskowej?
Rys. 1. Ortofotomapa Tatr, rejon Morskiego Oka. W ramach pracy
magisterskiej
wykonał Sławomir Trybuś
Mapa wektorowa otrzymana w procesie stereodigitalizacji pozbawiona jest
znacznej części informacji znajdujących się na zdjęciach, poniewaŜ z racji
stosowania znaków umownych przedstawiających treść mapy naleŜy je
generalizować. Ponadto niektóre szczegóły sytuacyjne są pomijane, jako Ŝe
nie stanowią treści mapy w danej skali.
Znacznie więcej informacji znajduje się na fotomapach, które zawierają
wszystkie informacje przedstawione na zdjęciach, a jednocześnie są
materiałem w pełni kartometrycznym. Są szczególnie przydatne w takich
dziedzinach jak: planowanie przestrzenne, leśnictwo, rolnictwo, górnictwo
odkrywkowe, ochrona środowiska, słuŜyć mogą jako materiał źródłowy do
tworzenia map tematycznych.
Kiedy zdjęcie lotnicze moŜna uznać za fotomapę? Takie hipotetyczne zdjęcie
naleŜałoby wykonać jako ściśle pionowe (przy pionowej osi kamery), a teren
na nim przedstawiony winien być poziomy i płaski. Niespełnienie powyŜszych
warunków powoduje zniekształcenia skali na zdjęciach. Wpływ nachylenia
zdjęcia moŜna usunąć drogą specjalnego przefotografowania, wykorzystując
zaleŜność rzutową między jego płaszczyzną a płaszczyzną terenu, natomiast
trudniej się pozbyć wpływu drugiego czynnika - deniwelacji (rys. 2). RóŜnice
wysokości między płaszczyzną odniesienia (np. przebiegającą przez średnią
wysokość terenu) a punktami terenu powodują przesunięcia punktów - tym
większe, im większe są deniwelacje i odległości od środka zdjęcia.
Zniekształcenia te zmniejszają się w miarę zwiększania wysokości lotu, dlatego
teŜ przy tej samej skali zdjęcie wykonane kamerą o dłuŜszej ogniskowej ma
mniejsze zniekształcenia, niŜ uzyskane przy pomocy kamery
nadszerokokątnej.
Rys. 2. Wpływ deniwelacji terenu ∆h na przemieszczenie punktu na zdjęciu,
powodujące niejednolitość skali
Fotomapy były dawniej produktami przetwarzania zdjęć metodą
fotomechaniczną, opracowywano je dla terenów płaskich i falistych. W
metodzie tej wykorzystywano zaleŜność rzutową między płaszczyzną zdjęcia i
płaszczyzną terenu, deniwelacje uwzględniano na drodze pracochłonnego
przetwarzania strefowego.
W następnym etapie rozwoju technologii fotogrametrycznych fotomapy
uzyskiwano na emulsji światłoczułej przez przetwarzanie róŜniczkowe w
przyrządach zwanych ortoprojektorami współdziałającymi z autografami
analogowymi. Te urządzenia w kaŜdym punkcie ekspozycji poprawiały błędy
wynikające zarówno z nachylenia zdjęć, jak i deniwelacji terenu. Obecnie
stosuje się przetwarzanie metodą fotogrametrii cyfrowej, uzyskując cyfrowe
ortofotomapy, które całkowicie wyparły ortofotomapy analogowe.
Czym jest cyfrowa ortofotomapa? W jaki sposób powstaje? Jaki są jej zalety?
Ortofotomapa cyfrowa jest to kartometryczny obraz terenu w formie rastrowej,
powstały w wyniku przetworzenia obrazów cyfrowych, odpowiadający rzutowi
ortogonalnemu na powierzchnię odniesienia, przedstawiony w odpowiednim
odwzorowaniu i kroju arkusza. Materiałem do przetwarzania są zeskanowane
zdjęcia lotnicze, zdjęcia z cyfrowych kamer lotniczych, obrazy uzyskane za
pomocą skanerów lotniczych i satelitarnych.
ZaleŜność między pikselem cyfrowego zdjęcia, powierzchnią terenu
reprezentowaną przez siatkę NMT i pikselem ortoobrazu (ortofotogramu)
pokazuje rys. 3.
Rys. 3. ZaleŜność między zdjęciem, terenem reprezentowanym przez NMT a
ortofotogramem
Krótki wykład - Cyfrowa ortofotomapa
Ortorektyfikacja cyfrowego zdjęcia polega na takim przetworzeniu pikseli
obrazu źródłowego, Ŝe powstały nowy obraz pozbawiony jest wpływu
nachylenie zdjęcia i deniwelacji terenu. Korzystając z orientacji zdjęcia, na
podstawie równania kolinearności wyznacza się przebicie promienia
rzutującego przechodzącego przez środek piksela zdjęcia z powierzchnią NMT,
a następnie otrzymane w ten sposób przestrzenne współrzędne rzutowane są
na płaszczyznę ortoobrazu w przyjętym układzie współrzędnych i
odwzorowaniu kartograficznym. PoniewaŜ w wyniku tego postępowania
następuje zmiana geometrii obrazu źródłowego, zmiana wielkości i radiometrii
pikseli, to kaŜdy piksel zdjęcia podlega przepróbkowaniu (resamplingowi).
PowyŜszy sposób generowania ortoobrazu nazywa się metodą bezpośrednią
albo "w przód" (rys. 4)
Rys. 4. Ortofotoprojekcja metodą bezpośrednią (ortofoto "w przód"),
wg "Fotogrametria" J. Butowtt, R. Kaczyński
W metodzie pośredniej, znanej równieŜ jako "ortofoto wstecz", załoŜone
współrzędne XY piksela na ortofotogramie rzutowane są na siatkę NMT, gdzie
interpolowana jest współrzędna Z. Następnie znając orientację zdjęcia, na
podstawie równania kolinearności oblicza się współrzędne obrazowe na obrazie
źródłowym (rys. 5). Współrzędne te wyznaczają punkt przebicia zdjęcia
promieniem rzutującym, punkt ten z reguły nie pokrywa się ze środkiem
piksela. NaleŜy wyinterpolować jasność (kolor), jaką miałby piksel, gdyby jego
środek był w tym miejscu. Tą jasność (kolor) przyporządkowujemy pikselowi
ortofotomapy.
Rys. 5. Ortofotoprojekcja "wstecz", wg "Fotogrametria" J. Butowtt, R.
Kaczyński
Na ortofotogramach w rzucie ortogonalnym odwzorowana jest powierzchnia
terenu, natomiast elementy napowierzchniowe (takie jak: budynki, słupy czy
drzewa) są przesunięte (rys. 6).
Rys. 6. NałoŜenie na ortofotomapę mapy wektorowej (budynki).
Widać przesunięcia rzutu ortogonalnego (wektor) w stosunku do obrazu
rastrowego
Wielkość przesunięcia zaleŜy od czynników przedstawionych na rys. 2. MoŜna
je usunąć za pomocą odpowiedniego oprogramowania tworząc "true
ortho" (rys. 7).
Rys. 7. Mapa wektorowa nałoŜona na "true ortho"
nie wykazuje przesunięć w stosunku do obrazu rastrowego
Jeśli na utworzenie arkusza ortofotomapy potrzeba więcej niŜ jedno
przetworzone zdjęcie, podlegają one mozaikowaniu, czyli geometrycznemu
dopasowaniu połączonemu z wyrównaniem ich radiometrii.
Etapem końcowym przy produkcji ortofotomapy jest kartograficzne
opracowanie uzyskanych ortoobrazów. W etapie tym powstały ortoobraz
przedstawia się w odpowiednim odwzorowaniu i kroju arkusza oraz uzupełnia
się go nazwami, symbolami, siatką i opisem współrzędnych, a takŜe
informacjami pozaramkowymi. Tak powstały produkt jest pełnowartościową
mapą, nadaje się do tych samych celów, co mapa wektorowa, a w połączeniu z
numerycznym modelem terenu jest źródłem informacji przestrzennej o
połoŜeniu obiektów na powierzchni Ziemi.
W Polsce produkcja cyfrowych ortofotomap została zapoczątkowana w końcu
lat 90., ze zdjęć barwnych w skalach 1:26 000 i 1:5 000 wykonanych w
ramach projektu PHARE. Do końca 2005 roku planowane jest wykonanie
ortofotomap dla całej powierzchni Polski, co wiąŜe się z naszym wejściem do
Unii Europejskiej, a dokładnie potrzebami Zintegrowanego Systemu
Zarządzania i Kontroli (IACS). Ortofotomapy są równieŜ podstawową warstwą
informacyjną Krajowego Systemu Informacji Geograficznej.
Dr Regina Tokarczyk jest pracownikiem naukowym Zakładu
Fotogrametrii i Informatyki Teledetekcyjnej Wydziału Geodezji
Górniczej i InŜynierii Środowiska AGH w Krakowie
Krótki wykład - Rejestracja obrazu dla celów fotogrametrycznych
Regina Tokarczyk
"Przychodzi baba do lekarza, a lekarz mówi: Zapraszam na pomiar
fotogrametryczny". To wcale nie dowcip, czego dowodzą zamieszczone poniŜej
zdjęcia przedstawiające stanowisko robocze fotogrametrycznego systemu do
trójwymiarowego pozycjonowania ciała, znajdujące się w przychodni
rehabilitacyjnej (rys. 1) oraz okno programu tego systemu (rys. 2).
Rys. 1. Fotogrametryczny system trójwymiarowego pozycjonowania
ciała stworzony przy współudziale pracowników
Zakładu Fotogrametrii i Informatyki Teledetekcyjnej WGGiIŚ AGH w Krakowie
Rys. 2. Okno programu do trójwymiarowego pozycjonowania ciała. Lekarz,
obserwując wzajemne ułoŜenie punktów i odcinków definiowanych przez
wybrane miejsca na ciele pacjenta, wnioskuje o ewentualnych
nieprawidłowościach postawy, co pomaga mu w kierowaniu przebiegiem
rehabilitacji
Urządzeniem do rejestracji fotogrametrycznej są tu zwykłe amatorskie cyfrowe
aparaty fotograficzne. Czy to oznacza, Ŝe do celów fotogrametrycznych
niepotrzebny jest specjalistyczny sprzęt do rejestracji obrazu - kamery
fotogrametryczne?
I tak, i nie, zaleŜy to od celu pomiaru fotogrametrycznego, jego Ŝądanej
dokładności i ekonomiki. Uogólniając: w zastosowaniach topograficznych,
inwentaryzacji architektonicznej oraz w tych przypadkach, gdzie Ŝądana jest
bardzo wysoka dokładność pomiaru - stosuje się do rejestracji kamery
fotogrametryczne zwane metrycznymi. Przy pomiarach nietypowych
obiektów lub zjawisk, gdzie dopuszcza się mniejszą dokładność lub nie jest
moŜliwe stosowanie kamer fotogrametrycznych - stosuje się kamery
niemetryczne, do których zaliczamy między innymi aparaty fotograficzne.
Co róŜni obydwa rodzaje kamer? Kiedy i w jaki sposób moŜna wykorzystywać
obrazy z kamer niemetrycznych? Zadaniem kamery fotogrametrycznej jest
uzyskanie obrazu, który ma być rzutem środkowym, wobec tego powinien być
on zarejestrowany na płaszczyźnie, a promienie rzutujące w przestrzeni
przedmiotowej i obrazowej mają być kolinearne. WiąŜe się to ze stosowaniem
w kamerach analogowych klisz szklanych lub specjalnie wypłaszczanych
materiałów fotograficznych o podłoŜu plastycznym, obiektywy kamer są prawie
pozbawione dystorsji (rys. 3), nie uŜywa się migawek zniekształcających
obraz. Rekonstrukcja wiązki w kamerze dokonywana jest na podstawie
znajomości jej elementów orientacji wewnętrznej, co wymusza ich stabilność i
obecność na kaŜdym zdjęciu zmaterializowanego układu odniesienia (rys. 4).
Rys. 3. Średnia dystorsja radialna obiektywu 15/4 UAG-S kamery lotniczej
RC-30 Wild (Leica)
Rys. 4. Układ odniesienia na zdjęciu lotniczym materializowany jest przez
znaczki tłowe
Kamery fotogrametryczne posiadają równieŜ urządzenia przeznaczone do
orientowania rejestrowanego obrazu w przestrzeni: orientowniki, libele,
stabilizatory połoŜenia (dla kamer lotniczych). Ze względu na efektywność
pomiaru stosuje się duŜe formaty obrazu, a z uwagi na wymagane dokładności
- wysoką rozdzielczość materiałów negatywowych lub matryc detektorów.
Krótki wykład - Rejestracja obrazu dla celów fotogrametrycznych
O róŜnorodności kamer uŜywanych do celów fotogrametrycznych świadczy
choćby wielość kryteriów ich podziału. Mamy więc: kamery lotnicze i
naziemne, ogniskowane na nieskończoność i bliskiego zasięgu, o stałym
ogniskowaniu i o ogniskowaniu zmiennym, pojedyncze i stereometryczne,
metryczne, semimetryczne i niemetryczne, a wreszcie - analogowe i cyfrowe.
Nowoczesną analogową kamerę lotniczą tworzą cztery główne części (rys. 5a,
5b):
- podwieszenie mocowane nad lukiem samolotu, stabilizowane za pomocą
Ŝyroskopów, w którym umieszczany jest stoŜek kamery,
- stoŜek kamery - wymienna część zbudowana z obiektywu (o róŜnych
ogniskowych) połączonego na stałe z ramką tłową,
- ładownik na film zawierający równieŜ kompensator rozmazania obrazu
FMC,
- urządzenie sterujące przeznaczone do zdalnego sterowania kamerą złoŜone z
komputera i odpowiedniego oprogramowania podłączone do systemu GPS/INS.
Rys. 5a. Kamera RC30 Leica (Wild)
Rys.5b. Kamera RC30 Leica (Wild). Wymienne stoŜki róŜnią się obiektywami.
Elementy orientacji wewnętrznej kamer lotniczych wyznaczane są w procesie
kalibracji dokonywanej zazwyczaj w specjalistycznych laboratoriach na
przyrządach zwanych kalibratorami lub goniometrami. W metryce kamery,
będącej podstawą do rekonstrukcji wiązki promieni rzutujących, wraz ze
współrzędnymi znaczków tłowych w układzie tłowym umieszczane są
informacje o dystorsji obiektywu (radialnej i tangencjalnej) i jego
rozdzielczości.
Na kaŜdym zdjęciu lotniczym znajduje się 4-8 znaczków tłowych oraz
informacje umieszczane na ramce tłowej, takie jak: numer zdjęcia, ogniskowa
obiektywu, wskazanie wysokościomierza i czasomierza (rys. 4), a w
nowoczesnych kamerach mogą to być teŜ współrzędne środka rzutów
pozyskane za pomocą GPS.
Ramka tłowa jest połączona na stałe z obiektywem, tworząc stoŜek kamery.
Zazwyczaj dany model kamery wyposaŜony jest w kilka standardowych
stoŜków, róŜniących się ogniskową obiektywu. Wybór stoŜka do fotografowania
jest uzaleŜniony od rodzaju opracowania fotogrametrycznego (mapa
wektorowa, rastrowa) i jego dokładności, od pokrycia i deniwelacji
obrazowanego terenu. Tabela 1 przedstawia charakterystykę i przeznaczenie
współczesnych stoŜków kamer lotniczych o formacie zdjęcia 23 x 23 cm.
Tabela 1. Charakterystyka standardowych stoŜków współczesnych
kamer lotniczych
Nazwa stoŜka
Ogniskowa
obiektywu
[mm]*
Kąt widzenia
wzdłuŜ
przekątnej
[°]*
Standardowa rekomendacja
Nadszerokokątny
88
123
Wykonanie map
wektorowych o duŜej
dokładności dla terenów
płaskich i lekko falistych
Szerokokątny
150
95
Wykonanie map
wektorowych terenów
płaskich i pagórkowatych
Półnormalnokątny
210
76
Wykonanie fotomap terenów
podgórskich i górskich
Normalnokątny
300
57
Wykonanie fotomap,
aktualizacji sytuacyjnej
opracowań mapowych, dla
terenów wysokogórskich
Fotografowanie duŜych
miast z bardzo wysoką
zabudową
* Zarówno ogniskowa, jak i kąt rozwarcia kamery podane są w przybliŜeniu
Wąskokątny
600
30
Kamery lotnicze z racji fotografowania z duŜych odległości ogniskowane są na
stałe na nieskończoność, natomiast kamery naziemne wykazują większe
zróŜnicowanie nastawienia odległości obrazowej. Jeszcze stare typy kamer
(rys. 6), przeznaczone do opracowań topograficznych, ogniskowane były na
stałą odległość, ich głębia ostrości była zazwyczaj duŜa i sięgała do
nieskończoności. Po opanowaniu opracowań topograficznych przez
fotogrametrię lotniczą opracowania naziemne dotyczą głównie zastosowań
średniego i bliskiego zasięgu, zatem naziemne kamery fotogrametryczne mają
najczęściej zmienną odległość obrazową (rys. 7). Ich metryki są bardziej
rozbudowane niŜ dla kamer lotniczych, poniewaŜ zarówno elementy orientacji
wewnętrznej, jak i dystorsja obiektywu przynaleŜą do kaŜdej odległości
nastawienia na ostro.
Rys. 6. Kamera Photheo 19/1318 Zeiss Jena, kiedyś jedna z
najpopularniejszych kamer naziemnych w Polsce. Ogniskowana na stałe, z
przesuwanym w pionie obiektywem, orientownikiem i dwoma libelami do
nastawiania orientacji zewnętrznej, pasująca do standardowej spodarki Zeissa
Rys. 7. Uniwersalna kamera pomiarowa UMK 10/1318 Zeiss Jena, jedna z
najpopularniejszych kamer naziemnych w Polsce. Kamera o zmiennej
odległości ogniskowania, z pochylaną osią w płaszczyźnie pionowej. Urządzenie
do orientacji znajduje się w podwieszeniu kamery, libele - na jej korpusie
Krótki wykład - Rejestracja obrazu dla celów fotogrametrycznych
Do aplikacji inŜynierskich, gdzie warunki powodują trudności w orientowaniu
kamer na stanowisku pomiarowym, wyprodukowano kamery stereometryczne
(rys. 8) składające się z dwu bliźniaczych kamer umieszczonych stabilnie w
podwieszeniu, tak Ŝe ich wzajemne połoŜenie, tzn. odległość między środkami
rzutów (baza) i kąty orientacji, znane jest z duŜą dokładnością.
Rys. 8. Kamera stereometryczna SMK 40 Zeiss Jena
(baza =40 cm) posiada wymienne zamocowanie
realizujące bazę fotografowania 120 cm
Rozwój techniki obliczeniowej umoŜliwił sięgnięcie po takie urządzenia do
rejestracji obrazu, jak: aparat fotograficzny, kamera filmowa, kamera
telewizyjna czy kamera wideo, co zaowocowało stosowaniem fotogrametrii w
bardzo róŜnorodnych dziedzinach nauki i techniki. UŜycie obrazów z kamer
niemetrycznych wiąŜe się z odpowiednią metodą pomiaru. Generalnie moŜna
wyróŜnić trzy grupy tych metod. Pierwsza zakłada adaptację kamery
niemetrycznej do pomiarów fotogrametrycznych, a więc:
- w celu rejestracji obrazu na płaszczyźnie - fotografowanie na płytach
szklanych,
- do wprowadzenia układu odniesienia na zdjęciach - domontowanie znaczków
tłowych lub płytki Reseau,
- do ustalenia parametrów orientacji wewnętrznej - stabilizację połoŜenia
obiektywu względem płaszczyzny rejestracji (rys. 9).
Orientacja wewnętrzna i dystorsja obiektywu takiej kamery wyznaczana jest
w procesie kalibracji na specjalnym polu testowym.
Rys. 9. Kamera semimetryczna Rolleiflex 6006
metric kalibrowana do kilku odległości
ogniskowania, z płytką Reseau
Druga grupa metod, zwana on the job calibration, polega na wyznaczeniu
parametrów rzutowania drogą ich obliczenia na podstawie współrzędnych
znacznej ilości punktów dostosowania, w które musi być zaopatrzony mierzony
obiekt.
Trzecia grupa - metody samokalibracji - charakteryzuje się wysoką
dokładnością pomiaru, tym większą, im więcej wykona się zdjęć i pomierzy na
nich punktów homologicznych. Wymagana jest niewielka liczba punktów
dostosowania (minimum 3) i niestety - skomplikowane specjalistyczne
oprogramowanie.
Fotograficzny proces negatywowy był bardzo długo "wąskim gardłem" metod
fotogrametrycznych i powodował, Ŝe nie mogły one dawać wyników pomiaru
odpowiednio szybko, a tym bardziej w czasie rzeczywistym na stanowisku
pomiarowym. Sytuację tę diametralnie odmieniło skonstruowanie kamery
cyfrowej, w której obraz rejestrowany jest na matrycy światłoczułych
detektorów. Obraz cyfrowy pozyskany w ten sposób moŜe być przekazany do
odbiorcy bardzo szybko, a nawet przetwarzany w czasie rzeczywistym.
Pierwsze kamery posiadające niewielką rozdzielczość wykorzystywano do
pomiarów nietopograficznych, ich najczęstszym zastosowaniem okazała się
robotyka.
Problem niewystarczającej rozdzielczości światłoczułych matryc do
wielkoformatowych kamer naziemnych usiłowano pokonać przez umieszczenie
w płaszczyźnie tłowej kamery skanera, jednak zbyt długi czas rejestracji
obrazu powstałego w tej płaszczyźnie spowodował, Ŝe kamery te moŜna
zastosować tylko do rejestracji obiektów statycznych, na przykład w
inwentaryzacji architektonicznej.
Metody stereofotogrametrii lotniczej, których głównym produktem jest mapa
w formie wektorowej lub rastrowej (co nie wymaga natychmiastowego
otrzymania produktu finalnego), bazują obecnie głównie na zdjęciach
analogowych, zamienianych na postać cyfrową za pomocą wysoko dokładnych
skanerów fotogrametrycznych. Niemniej od kilku lat produkowane są cyfrowe
kamery lotnicze, a ich popularność powoli rośnie. Wielkość i rozdzielczość
dotychczas produkowanych matryc detektorów CCD lub CMOS nie pozwala na
proste zastąpienie przez nie materiału negatywowego, tak jak to stało się w
cyfrowych aparatach fotograficznych. Problem ten udało się częściowo
rozwiązać dwiema metodami: przez skonstruowanie kamery opartej na
koncepcji skanera elektrooptycznego z linijkami detektorów (rys. 10) oraz
cyfrowej kamery modułowej (rys. 11).
Rys. 10. Zasada obrazowania lotniczej kamery cyfrowej, opartej na koncepcji
skanera elektrooptycznego. Obrazowanie w zakresie panchromatycznym
realizowane jest przez trzy linijki rejestrujące nadirowo, wstecz oraz w przód i
daje pokrycie stereoskopowe. Ponadto nadirowo rejestruje się obraz w zakresie
RGB i w IR.
Rys. 11. Zasada obrazowania lotniczą cyfrową kamerą modułową. Kamera
składa się z czterech kamer - modułów panchromatycznych, obrazujących
teren z niewielkim pokryciem. Zasięg obrazów panchromatycznych pokrywa się
z zasięgiem dodatkowych kamer obrazujących w zakresie RGB i IR. W procesie
obróbki w oprogramowaniu kamery generowany jest jeden obraz - rzut
środkowy z obrazów składowych
Dr Regina Tokarczyk jest pracownikiem naukowym Zakładu
Fotogrametrii i Informatyki Teledetekcyjnej Wydziału Geodezji
Górniczej i InŜynierii Środowiska AGH w Krakowie
Krótki wykład - Fotogrametria cyfrowa
Regina Tokarczyk
W Krakowie jest wiele obiektów zabytkowych, które z róŜnych przyczyn nie
mogą być udostępnione do bezpośredniego zwiedzania. NaleŜy do nich
absydiola odkryta niedawno w kościele św. Andrzeja - maleńkie pomieszczenie
o wymiarach: 0,6 m głębokości, 1,5 m szerokości i 3,5 m wysokości.
Odsłonięte w niej freskowe malowidła pochodzące z połowy XII wieku są
najprawdopodobniej najstarszym zachowanym zespołem romańskich fresków
w Polsce. Wirtualne zwiedzanie absydioli umoŜliwia wizualizacja
opracowania fotogrametrycznego w 3D z zastosowaniem języka VRML
(wykonał Aleksander Dziedzic w pracy magisterskiej "Komputerowa
wizualizacja 3D reliktów romańskich z kościoła św. Andrzeja w Krakowie".
Rys. 1. Widok fresków romańskich na tle zrekonstruowanej
absydioli w kościele św. Andrzeja w Krakowie.
W ramach pracy magisterskiej w ZFiIT wykonal Aleksander Dziedzic.
Takie efekty daje połączenie moŜliwości internetu z produktami fotogrametrii
cyfrowej, której metody dominują obecnie w opracowaniach
fotogrametrycznych. Fotogrametria cyfrowa jako materiał źródłowy
wykorzystuje obraz cyfrowy, pozyskany z róŜnych sensorów zaopatrzonych w
detektory uczulone na promieniowanie elektromagnetyczne w róŜnych
zakresach długości fal. Klasyczna fotografia oparta na związkach srebra
pozwalała na zapis promieniowania głównie w zakresie światła widzialnego i
bliskiej podczerwieni, Obecnie obrazy cyfrowe moŜna rejestrować prawie z
całego zakresu promieniowania elektromagnetycznego. Otrzymuje się je za
pomocą:
- skanowania zdjęć analogowych z uŜyciem skanerów fotogrametrycznych,
- cyfrowych kamer fotogrametrycznych,
- skanerów liniowych lub powierzchniowych umieszczonych na pokładach
samolotów lub satelitów,
- radiometrów i systemów mikrofalowych,
- amatorskich cyfrowych aparatów fotograficznych,
- innych urządzeń.
W urządzeniach tych następuje próbkowanie i dyskretyzacja sygnałów
dochodzących do detektorów. Obraz cyfrowy jest uporządkowanym
zapisem odpowiedzi spektralnych pomierzonych na elementarnych
polach obiektu (Z. Kurczyński, R. Preuss, "Podstawy fotogrametrii"). Jego
przedstawieniem jest macierz o wymiarach M x N x K, gdzie M i N to liczba
wierszy i kolumn macierzy, K jest ilością kanałów spektralnych rejestrowanego
promieniowania. KaŜdemu elementowi macierzy - pikselowi (rys. 2)
odpowiada pewna liczba wyraŜająca wartość energii odbitej lub emitowanej
(jasność piksela) od elementarnego pola obiektu, najczęściej z zakresu 0-255,
co wynika z przyjętego jej zapisu na 8 bitach pamięci. Jednak rozdzielczość
radiometryczna obrazu cyfrowego moŜe być teŜ inna, moŜna np. utworzyć
obraz dwutonalny czy w barwach naturalnych (rys. 3).
Rys. 2. Obraz cyfrowy składa się z pikseli,
którym odpowiada pewna liczba wyraŜająca jego jasność
Rys. 3. Obrazy o róŜnej rozdzielczości radiometrycznej. A) obraz dwutonalny
1
8
(1 bit = 2 tonów), B) obraz w odcieniach szarości (8 bitów =2 = 256 tonów),
24
C) obraz barwny RGB (24 bity = 2 = 16,7 milionów tonów). [Wykorzystano
fragment zdjęcia J. Tarkowskiej "Widok z ulicy Kanoniczej" http://
www.wawel.krakow.pl/wyniki_konkursu_0.htm]
Krótki wykład - Fotogrametria cyfrowa
Rozdzielczością geometryczną obrazu cyfrowego nazywamy liniową
wielkość piksela obrazu lub odpowiadającą mu wielkość na przedstawionym
obiekcie. Pierwsza miara rozdzielczości przyjęta jest dla obrazów powstałych
przez skanowanie zdjęć analogowych lub obrazów pozyskanych z kamer
cyfrowych, druga - dla obrazów otrzymanych ze skanerów lotniczych lub
satelitarnych.
Z kolei rozdzielczość spektralna dotyczy szerokości przedziału długości fali
rejestrowanego promieniowania elektromagnetycznego; jest to wielkość
istotna raczej dla obrazów wykorzystywanych w metodach teledetekcji.
Na obrazach panchromatycznych (w odcieniach szarości) zapisana jest
informacja o odpowiedzi spektralnej elementów obiektu w szerokim zakresie
promieniowania widzialnego. Obrazy w barwach naturalnych najczęściej
zapisywane są w systemie RGB, co oznacza , Ŝe kaŜda elementarna
powierzchnia obiektu odwzorowana za pomocą piksela ma przyporządkowane
trzy odpowiedzi spektralne: w zakresie promieniowania widzialnego
odpowiadającego barwie czerwonej, zielonej i niebieskiej (rys. 4).
Rys. 4. Rejestracja na materiale panchromatycznym i RGB
Obraz cyfrowy charakteryzowany jest przez jego histogram, czyli
statystyczny rozkład odpowiedzi spektralnych (jasności) pikseli, przedstawiany
najczęściej w sposób graficzny. Na histogramie obrazu z przewagą tonów
jasnych najwięcej będzie pikseli o duŜych wartościach odpowiedzi
spektralnych, obraz o małym kontraście ("mdły") ma większość pikseli o
podobnej wartości jasności. Histogram umoŜliwia przekształcenie obrazu, co
wykorzystywane jest przewaŜnie w celu poprawienia jego czytelności.
PoniŜej (rys. 5) przedstawione są cztery obrazy oraz cztery histogramy tych
obrazów, przy czym te ostatnie są podane w niewłaściwej kolejności.
Wskazówka, jak przyporządkować histogram właściwemu obrazowi, znajduje
się na końcu tego wykładu.
Rys. 5. Cztery obrazy tego samego obiektu i odpowiadające im histogramy
(podane jednak w niewłaściwej kolejności), przy czym obraz A) jest obrazem
wzorcowym, o prawidłowym rozkładzie jasności, obraz B) jest zbyt ciemny, C)
- zbyt jasny, D) - przekształcony tak, Ŝe większość pikseli jest ciemna, jednak
część celowo zachowano jako jasne
Korzystając z macierzowego zapisu obrazu, moŜna go poddawać rozmaitym
przekształceniom: geometrycznym, punktowym, kontekstowym
(filtracje, konwolucje), morfologicznym i widmowym. Daje to olbrzymie
moŜliwości przetwarzania obrazów do osiągnięcia róŜnych celów: poprawienia
jakości, kompresji, ekstrakcji pewnych cech, zmiany geometrii, tworzenia
wirtualnych modeli obiektów. Dzięki temu opracowania fotogrametryczne
mające przed nastaniem fotogrametrii cyfrowej głównie postać wektorową
(kreskową) zostały wzbogacone o produkty w postaci rastrowej.
Rejestracja za pomocą sensorów dających na wyjściu obraz cyfrowy pozwoliła
na przyspieszenie otrzymania finalnego produktu pomiaru fotogrametrycznego
przez pominięcie procesu negatywowego. Chyba istotniejsza jest jednak inna
zaleta stosowania obrazów cyfrowych: moŜliwość automatyzacji znacznej
części procesów pomiaru fotogrametrycznego.
Automatyczne wyszukiwanie i pomiar odpowiadających sobie
(homologicznych) punktów na róŜnych obrazach dokonywane jest za pomocą
metod korelacji krzyŜowej (Cross Correlation), zwanych teŜ digital
image matching. Termin ten oznacza wyszukanie i dopasowanie dwóch lub
więcej obrazów, kierując się podobieństwem ich cech, takich jak: odpowiedź
spektralna (rys. 6), kształt, barwa szczegółów. Metoda ta jest
wykorzystywana w automatycznym pomiarze znaczków tłowych kamery
i automatycznym dopasowaniu punktów homologicznych na zdjęciach.
Rys. 6. Zasada area based matching. W pewnym obszarze obrazu cyfrowego
(search matrix) poszukuje się najlepszej zgodności jasności jego pikseli
wyraŜonej przez współczynnik korelacji r (0<r<1) z jasnością wzorca (target
matrix). Wzorcem moŜe być fragment jednego ze zdjęć lub teŜ przykładowy
obraz elementu poszukiwanego, np. znaczka tłowego kamery. [rysunek
pochodzi z programu edukacyjnego LDIPInter (http://ldipinter.sunsite.dk/]
Wyszukiwanie ułatwiają utworzone z obrazów rzeczywistych obrazy
znormalizowane - epipolarne, na których poszukiwanie ogranicza się nie do
całej powierzchni obrazu cyfrowego, lecz do odpowiadających sobie wierszy
(rys. 7). Obrazy epipolarne wykorzystywane są teŜ na fotogrametrycznych
stacjach cyfrowych dla uzyskania efektu stereoskopowego bez konieczności
eliminowania w czasie rzeczywistym paralaksy poprzecznej.
Rys. 7. Obrazy rzeczywiste zamieniane są na obrazy
ekwiwalentne - epipolarne. Są to hipotetyczne obrazy
wykonane z tych samych środków rzutów, ale tak,
Ŝe ich linie epipolarne są do siebie równoległe
Pomocne w matchingu są teŜ obrazy piramidalne lub piramidy obrazów. Są to
obrazy posiadające strukturę hierarchiczną, generowane przez redukowanie
rozdzielczości obrazu pierwotnego (rys. 8a). Zmniejszona wielkość
i rozdzielczość obrazu umoŜliwia szybsze wyszukiwanie przybliŜonego
dopasowania (rys. 8b).
Rys. 8a. Powstawanie piramidy obrazów. Kolejne obrazy
zredukowane powstają przez zazwyczaj dwukrotną redukcję
rozdzielczości metodami: eliminacji co drugiego wiersza
i kolumny, uśredniania czterech (2 x 2)
sąsiadujących pikseli, resamplingu.
Rys. 8b. Wykorzystanie obrazu piramidalnego
o zmniejszonej wielkości przyspiesza
przeszukiwanie zgodności z wzorcem.
Dzięki automatycznemu matchingowi moŜliwe jest szybkie wykonanie
pomiarów do aerotriangulacji, dostarczenie danych dla numerycznego modelu
terenu, sporządzenie ortofotomapy. Na metodach fotogrametrii cyfrowej
oparte jest teŜ maszynowe widzenie, tak powszechne obecnie w robotyce.
Prawidłowa odpowiedź: A-4, B-3, C-1, D-2
Dr Regina Tokarczyk jest pracownikiem naukowym Zakładu
Fotogrametrii i Informatyki Teledetekcyjnej Wydziału Geodezji
Górniczej i InŜynierii Środowiska AGH w Krakowie
(Opracowanie zamieszczono na GeoForum w styczniu 2006 r.)