Основные события в истории фотограмметрии

Появлению фотограмметрии предшествовал многовековой период возникновения и совершенствования графического способа получения перспективных изображений местности и преобразования их в план. Для этого использовалась камера-обскура (темная), являвшаяся прообразом фотокамеры. Описания работы с ней имеются в трудах Леонардо да Винчи (Leonardo da Vinci, 1500 г.) и немецкого астронома и математика И.Кеплера (J.Kepler, 1611 г.). Для удобства работы на свету была разработана камера-клара(светлая). Швейцарец М.А.Каппелер (M.A.Cappeler) в 1725 г. нарисовал две панорамные картины с целью составления карты горного массива Пилатус. Для этого он впервые использовал принцип пространственной засечки, названной впоследствии фотограмметрической. В 1759 г. немецкий математик И.Г.Ламберт (I.H.Lambert), используя принцип пространственной засечки, изложил теоретические основы перспективных изображений объектов. В 1791-1793 гг. на основе этих разработок французский гидрограф Ш.Ф.Ботан-Бопре (Ch.F.Beautemps-Beaupre) провел съёмку камерой-клара территорий Вера Круз и Ван Дименсленд и составил планы с помощью разработанного им способа иконометрия (от греческого слова eikon - изображение). Однако требовался способ закрепления для длительного хранения изображения, полученного в камере-обскура. В 1839 г. француз Л.Ж.Дагер (L.J.Daguerre) и англичанин Ф.Талбот (F.Talbot) объявили о разработанных ими способах получения фотоизображений в камере-обскура, а английский астроном Д.Гершель (J.Herschel) впервые применил термин фотография. Дальнейшие достижения в фотографии и создании мобильных фотокамер открыли дорогу появлению фотограмметрии.

В 1852 г. французский топограф, инженер-майор Эмe Лосседа (Aime Laussedat) первым в мире выполнил фотосъёмку местности с целью создания по снимкам её плана. С этого года начинается история фотограмметрии, хотя это название появилось позже. Т.к. съёмка производилась для топографических целей, её назвали фототопографической. В 1858-1859 гг. под руководством Э.Лосседа с учётом набранного опыта была изготовлена первая в мире съёмочная система, приспособленная для наземных фототопографических съёмок и названная фототеодолит. Его конструкция представляла собой сочетание фотокамеры и теодолита.

В 1858 г. французский фотографФ.Турнашон (F.Tournachon), публиковавший свои статьи под псевдонимомНадар (Nadar), первым в мире выполнил фотосъёмку местности с воздушного шара. Он взял привилегию на воздушную фотосъёмку с целью определения границ земельных участков. Однако, столкнувшись со сложностями преобразования снимков в план, ограничился выполнением и рекламированием воздушной фотосъёмки.

В 1858 г. немецкий архитекторА.Мейденбауэр (F.Meydenbauer) использовал фотосъёмку для составления планов зданий и тем самым положил начало прикладному применению фотограмметрии, в данном случае в архитектуре. Он же в 1867 г. предложил название фотограмметрия.

В России 18 мая 1886 г. первую фотосъёмку с воздушного шара произвел поручик А.М.Кованько (впоследствии генерал-лейтенант). В этом же году В.И.Срезневский создал первый в России фотоаппарат, предназначенный для воздушной фотосъёмки и являющийся прототипом аэрофотоаппарата. Этим фотоаппаратом 6 июля 1886 г Л.Н.Зверинцев произвел фотосъёмку с воздушного шара, управляемого А.М.Кованько. Они пролетели от Санкт-Петербурга до Кронштадта и отметили возможность изучения по воздушным фотоснимкам рельефа дна.

В 1887-1889 гг. немецкий профессор К.Коппе (C.Koppe) создал фототеодолит, у которого впервые в мире на прикладной рамке были установлены координатные метки, которые закрепили на снимке координатную систему.

В начале 90-х годов 19 века инженер-поручик В.Ф.Найденов (впоследствии полковник, профессор Военно-инженерной академии (ВИА)) начал проводить работы с целью созданию планов местности по воздушным фотоснимкам и в 1907 г. написал первый русский учебник "Измерительная фотография и применение её к воздухоплаванию".

В 1891 г. инженер путей сообщений Н.О.Виллер впервые в России применил наземную фотосъёмку при изысканиях железных дорог на Кавказе.

В 1892 г. немец Ф.Штольц (F.Stolze) предложил для стереоскопических измерений снимков способ мнимой марки, который впоследствии стали использовать в большинстве стереофотограмметрических приборов, в том числе и на современных цифровых фотограмметрических системах.

В 1895-1896 гг. Ф.Н.Чернышев и академик Б.Б.Голицын провели наземные фототопографические съёмки на Новой Земле. В отчёте Б.Б.Голицын отметил, что по сравнению с мензульной съёмкой этот вид съёмки имеет преимущество во времени выполнения съёмки и в количестве измеряемых точек с одной постановки инструмента.

В конце 1896 г. и начале 1897 г. инженер МПСР.Ю.Тиле находился в загранкомандировке, в которую его послали с целью изучения разработок в области фототопографии. Собранная информация была им издана в 1897 г. в трёх номерах журнала МПС, а затем в 1898 г. в брошюре "Практическая фототопография (фотограмметрия)". Сам Р.Ю.Тиле был назначен заведующим фототопографическими работами МПС. В 1908-1909 гг. он издал трёхтомную монографию "Фототопография в современном развитии", в которой впервые в России в единой связности описал историю развития фотограмметрии, её теоретические основы, съёмочное и обрабатывающее оборудование, применение фотограмметрии в различных областях деятельности человека.

В 1898 г. для съёмки с воздушного шара поручик С.А.Ульянин создал фотокамеру под названием "телеаппарат", который в то время был наиболее совершенным и использовался в течение долгого времени.

В 1901 г. научный сотрудник немецкой фирмы Carl Zeiss К.Пульфрих (C.Pulfrich) разработал конструкцию стереокомпаратора, который был первым и самым высокоточным оптико-механическим стереофотограмметрическим прибором в течение 20 века. Кроме того, было положено начало существованию стереофотограмметрии.

В 1908 г. австрийский военный топограф Э.Орель (E.Orel) на основе стереокомпаратора разработал конструкцию первого стереофотограмметрического прибора для составления топографических карт по наземным фотоснимкам и дал ему название "автостереограф". В сотрудничестве с К.Пульфри-хом прибор был усовершенствован и под названием стереоавтограф серийно выпускался фирмой Carl Zeiss в разных модификациях до 70-х гг. 20 века.

В 1910 г. в России были выполнены первые опытные фотосъёмки с самолёта лётчиками Севастопольской школы; С.А.Ульянин создал первый в России фотоаппарат, предназначенный для съёмки с борта самолёта; С.М.Соловьев опубликовал брошюру "О стереофотограмметрии".

В 1911 г. прошли первые испытания и с 1913 г. началась эксплуатация первого в мире полуавтоматического плёночного аэрофотоаппарата полковника В.М.Потте. Конструкция этого аэрофотоаппарата была в то время лучшей в мире, и у нас он использовался до конца 20-х гг.

В 1915 г. в Германии М.Гассер (M.Gasser) сконструировал двойной проектор, который был первым фотограмметрическим прибором для создания топографических планов и карт по аэрофотоснимкам. Однако он не нашел применения, т.к. не было использовано стереоскопическое наблюдение и измерение снимков. Этот прибор положил начало созданию нового класса приборов - универсальных стереофотограмметрических приборов (УСП), которые позволяли оператору выполнить все процессы, связанные со съёмкой плановой и высотной частей топографической карты по аэроснимкам. В начале 20-х годов в Германии был создан автокартограф, у которого наблюдение и измерение снимков производились с использование стереозрения.

В 1917 г. в России Р.В.Животовский написал "Курс аэрофотограмметрии", что указывает на смену термина "воздушная фотосъёмка" на аэрофотосъёмку.

В России в 1920 г. Н.М.Алексапольский начал чтение курса по фотограмметрии в Московском межевом институте (ММИ), а в 1921 г. на геодезическом факультете ВИА. В 1925 г. под руководством Н.М.Алексапольского в ММИ была организована кафедра фотогеодезии (с 1939 г. фотограмметрии). Он же с 1932 г. был первым начальником кафедры фотограмметрии в ВИА. Н.М.Алексапольский был энтузиастом внедрения аэросъёмки в топографическое производство и своими работами способствовал развитию контурно-комбинированной съёмки. Совместно с П.П.Соколовым Н.М.Алексапольский разработал фототрансформатор МГИ.

В разработку теории фотограмметрии и фотограмметрического приборостроения, кроме упомянутых соотечественников, свой вклад внесли Ф.В.Дро-бышев, А.С.Скиридов, Н.Я.Бобир, Н.Н.Веселовский, Н.А.Урмаев, М.Д.Коншин, Г.В.Романовский, А.Н.Лобанов, В.Б.Дубиновский, Р.П.Овсянников, Е.И.Калан-таров и др. Ф.В.Дробышев создал линейку для построения координатной сетки, стереометр для рисовки горизонталей по стереопаре, стереограф для создания топографических карт по стереопарам аэроснимков и другие приборы. А.С.Скиридов получил авторские свидетельства (1927, 1929, 1933 гг.) на автоматическое вычерчивание горизонталей путём сравнения перемены плотностей фотоизображений вокруг соответственных точек на левом и правом фотоснимках. Только появление компьютеров позволило решить данную проблему. Н.Н.Веселовский был в числе первых, кто выполнял опытные производственные работы по аэросъёмке городов в крупных масштабах. Разработанные в ходе выполнения всех этих работ методики легли в основу подобных последующих съёмок. Н.А.Урмаев в 1941 г. опубликовал "Элементы фотограмметрии", где изложил теорию фотограмметрии с использованием векторной алгебры. Эта работа, стала основой для написания учебников и монографий по фотограмметрии. Труды М.Д.Коншина способствовали разработкам теории и технологии дифференцированного метода создания топографических карт. Его теория обработки аэроснимков с преобразованными связками проектирующих лучей позволила создать в середине 50-х гг. отечественные УСП: стереопроектор(Г.В.Романовский, Е.И.Калантарови др.), стереограф (Ф.В.Дробышев). А.Н.Лобанов, В.Б.Дубиновский, Р.П.Овсянников своими работами способствовали внедрению в нашей стране аналитических методов обработки снимков с использованием вычислительной техники.Г.В.Романовский и Е.И.Калан-таров разработали автоматизированный стереокомпаратор СКА с инструментальной точностью 2 мкм.

В 1957 г. канадский фотограмметрист Ю.В.Хелава (U.V.Helava) на 1-м Международном фотограмметрическом съезде предложил создать аналитический фотограмметрический прибор. Первый в мире образец этого прибора, созданный фирмами OMI (Италия) и Bendix (США) под названием АР-1 (analytical plotter), был продемонстрирован в 1960 г. Конструкция прибора состояла из измерительного блока, в качестве которого был использован стереокомпаратор, компьютера и координатографа (графопостроителя). Программное обеспечение составил Ю.В.Хелава. Это было началом перехода фотограмметрии на использование компьютерной техники.

В 90-е годы 20 века произошел полный переход на компьютерные технологии и цифровую обработку снимков, полученных различными съёмочными системами. Компьютер с программным пакетом полной обработки снимков стал цифровой фотограмметрической системой. Появился термин цифровая фотограмметрия и новые виды картодокументов - цифровая карта, цифровой ортофотоплан, цифровая модель местности, цифровая модель рельефа. Был создан высокоточныйфотограмметрический сканер, преобразующий в цифровую форму снимки, полученные с помощью аналоговой фотокамеры, с сохранением их геометрических, фотометрических и точностных характеристик. Аналоговые фотокамеры уступают место цифровым фотокамерам, позволяющим вводить снимки в компьютер без использования сканера.

Интересующиеся историей развития фотограмметрии в 19 - 20 веках могут прочитать об этом в Интернете: bvkras.narod.ru

3. Цифровые карты (планы)

В настоящее время по аэро-, наземным и космическим снимкам карты (планы) создаются, хранятся, обновляются и передаются пользователям вцифровой форме. Прежняя графическая форма карт (планов) используется по просьбе пользователя или по другим причинам. Конечной продукцией, кромецифровой карты (плана), может быть цифровой фотоплан и цифровая фотокарта, у которой информация в векторном виде наложена на растровое изображение. Также по снимкам создаются цифровые модели рельефа (ЦМР) и цифровые модели местности (ЦММ).

Цифровая карта,как и еепредшественница «бумажная карта», является моделью местности, объекты которой по координатам поворотных точек записаны в цифровом виде по определенным правилам. С одной стороны - это правила отображения графических объектов с определенными топологическими связями (точки, линии, полигоны, и т.д.), с другой стороны - это отображение объектов по правилам, которые предписывает классификатор (дома, дороги, леса, реки и т.д.).

Согласно [4]: Цифровая карта (ЦК) - цифровая картографическая модель, содержание которой соответствует содержанию карты определенного вида и масштаба.

В [5] дается определение цифровой модели местности, как множества, элементами которого являются топографо-геодезическая информация о местности и правила обращения с ней.

Оба понятия «цифровая карта» (ЦК) и «цифровые модели местности» (ЦММ) практически тождественны, с тем только отличием, что первый четко определяет содержание «модели» и показывает «картографическое» происхождение определения, а второй имеет претензию на более широкое толкование.

В [6] определена классификация цифровых карт по содержанию и назначению, например: цифровая топографическая карта, цифровая кадастровая карта, цифровая авиационная карта и др. Цифровая карта является основным продуктом картографического производства. Для ее создания, обновления, манипулирования с ней - решения картометрических задач, проектирования и т.д. используются автоматизированные картографические системы (АКС) и географические информационные системы (ГИС). Цифровая карта является базовой информационной основой ГИС и это новое качество существенно изменяет и расширяет области использования картографической продукции.

В начальный период перехода от «бумажной» карты к цифровой состоял в оцифровке картографических произведений на твердом носителе (бумага, пластик, разделенные копии на алюминиевой основе). Непродолжительное время для этого использовались дигитайзеры, сейчас твердые копии сканируют на планшетном или барабанном сканере, а затем оцифровывают (векторизуют) в различных графических редакторах, работающих с растрами.

В настоящее время основными способами созданияиобновления(актуализации) ЦК являются:

- наземная тахеометрическая съёмка,

- наземная съёмка с использованием спутниковых систем глобального позиционирования,

- фотограмметрическая обработка данных аэрокосмической фотосъёмки,

- обработка данных воздушного лазерного сканирования.

Очевидно, что перечисленные выше способы создания и обновления ЦК используются, как самостоятельно, так и в комбинации, что обусловлено выбором оптимальной технологии.

Принадлежность цифровой карты к ГИС привела к тому, что перечисленные способы создания ЦК стали называть сбором пространственных данных.

Программной средой создания и обновления ЦК могут быть специализированные программы обработки пространственных данных (например - лазерного сканирования или тахеометрической съёмки), автоматизированные картографические системы, географические информационные системы, цифровые фотограмметрические системы (ЦФС). Наблюдается тенденция на интеграцию функциональных возможностей различных систем, например ЦФС с ГИС, как система сбора пространственных данных и манипулирования ими.

Цифровые карты позволяют создавать банки цифровой топографической и картографической информации, которая может быть использована многократно, полностью или частично по мере надобности.