Краткий исторический очерк развития и современное состояние фотограмметрии

Истоки фотограмметрии как науки о свойствах перспективных изо­бражений и о ме­тодах их преобразования относятся к эпохе Воз­рож­де­ния, когда были заложены основы тео­рии по­строения таких изо­браже­ний и определения по ним формы, размеров и положения объек­тов.

Измерительную фотографию, т.е. фотограмметрию, можно наз­вать и измерительной перспективой, так как фотографическое изоб­ражение представляет собой изображение перспективное. Таким об­разом, развитие фотограмметрии связано с историей развития те­ории перспективы и фотографии.

Основание для построения перспективных изображений было по­ложено в средние века (ХV – ХVI вв.). Перспективное изображение получается при рассматривании предмета через отверстие и проз­рачную пластинку камеры. К средним векам относится также и открытие способа обратного перспективного изображения при помощи ка­меры – обскуры (от латинского obscurus – темный). Световые лучи, идущие от предметов, проходят через круглое отверстие в передней стенке камеры и на противоположной отверстию стенке дают обратное перспективное изображение, которое можно полу­чить графически на бумаге, прикрепленной к стенке. Для увеличе­ния резкости применялась линза.

Дальнейшие работы над усовершенствованием камеры – обскуры привели к созданию переносной камеры – клары (светлой камеры). В камере имеется зеркало, установленное под углом 45° к оптиче­ской оси линзы. Предмет может изобразиться на доске, расположенной под камерой. Его можно зарисовать на бумаге, прикреп­ленной к доске. В 1791 – 1792 гг. французский ученый гидрограф Ботан-Бопре во время научной экспедиции получил при помощи ка­меры – клары перспективное изображение береговой полосы острова Санта-Круц и использовал этот материал для составления плана. Этот очень кропотливый и неточный способ построения перспективных изображений не мог получить широкого применения.

Задолго до применения фотографии были решены две основные задачи буду­щей фотограмметрии: прямая – построение перспективного изобра­жения местности и обратная – построение плана местности по ее перспективным изображениям. Не хватало только фотографического способа фиксации перспективных изображений.

Начальный период развития фотограмметрии продолжался до 1900 г. и харак­тери­зуется возникновением, разработкой ее основ и эпи­зодическим применением для реше­ния задач картогра­фирования.

Зарождение фотограмметрии связывается с открытием фотогра­фии, когда на заседа­нии Парижской академии наук и Академии изящ­ных ис­кусств 7 января 1839 г. французским ас­трономом и физиком
Д. Ф. Араго было сделано сообщение об изобретении парижским ху­дож­ником Луи Жаком Манде Дагером способа получения фиксиро­ван­ного изображения на галоидном серебряном слое. Первым, ука­зав­шим на возможность при­менения таких фото­снимков местности для целей то­пографии, и приме­нив­шим ее в 1852 г. при составлении плана, был французский воен­ный инженер подполковник Эмэ Лос­седа. Спустя три года, в 1855 г., француз­ский фотограф Феликс Тур­нашон (Надар) взял патент на воздушную фо­тографию и получил первые в истории че­ловечества воздушные снимки улиц Парижа с аэ­ростата.

В конце 1850-х гг. Эмэ Лосседа сконструировал «фотограммет­ри­ческий аппарат», прообраз фототеодолита, разработал приемы со­став­ления планов по наземным фотосним­кам, выполнил фотографиче­скую съемку Парижа с высоких зданий и преобразовал полученные снимки в топографи­ческий план города, точность которого в не­сколь­ко раз превос­ходила точность геодези­ческого ме­тода.

Вклад Эмэ Лосседа в развитие зарождающейся науки столь значи­те­­лен, что некоторые специалисты называют его отцом фото­граммет­рии.

Первые фотоснимки были получены в 1939 г. Дагером (Фран­ция) и Тальботом (Англия). Первое указание на применение фо­тоснимков для составления топографических карт принадлежит французскому физику, астроному и геодезисту Арго и относится к 1840 году.

В 1849 г. Лосседа, офицер корпуса инженеров французской армии, пытался теоретически доказать, что фотоснимки могут быть с успехом использованы для составления топографических карт. Он впервые использовал фотографию для наземной фотосъемки, сконструировав в 1859 г. для этой цели спе­циальный аппарат. Полковник Лосседа с полным правом может быть назван основателем фотограмметрии.

Отсутствие эффективных технических средств получения фото­сним­­ков (особенно воз­душных) и несовершенство применяемой в то время технологии получения свето­чувстви­тельных слоев не способст­во­вали раз­витию фотограмметрии, и до конца столетия отмеча­ются лишь эпи­зоди­ческие попытки ее использования для составления пла­нов мест­но­сти (в Италии, Германии, Канаде, Австрии и др.).

В 1851 г. опубликован способ получения фотографического изображения, известный под названием мокроколлоидного процесса, при котором светочувствительный слой изготовлялся и наносился на стеклянную пластинку непосредственно перед фотографированием, а экспонирование пластинок и их проявление производилось при мок­ром состоянии светочувствительного слоя, поэтому пользовались по­левой фотолабораторией.

В 1858 г. во Франции был проведен опыт по фотографированию местности с привязанного аэростата. При этом снимок оказался в пятнах от действия газа, выделяемого из аэростата, на мокрый светочувствительный слой пластинки. Поэтому дальнейшее развитие воздушной съемки прекратили и возобно­вили только через полстолетия.

В 1871 г. были изобретены пластинки с сухим светочувствитель­ным слоем, изготовляемые фабричным способом. Широкое внедрение таких пластинок началось с 1873 г. и к 1882 г. они вытеснили мокроколлоидные. А в 1889 г. появилась возможность использования в качестве подложки для эмульсии не только стек­лянных пластинок, но и целлулоидной пленки.

К концу XIX в. были созданы фотографические объективы, удов­летворяющие требованиям фотограмметрических съемок, и с этого времени работы по применению фотоснимков для создания топографических карт широко ведутся в разных странах. Фотографирование местности производилось в основном с привя­занных аэростатов.

В Германии в 1893 г. доктор Мейденбауер опубликовал статью, в которой впервые употребил слово «фотограмметрия».

В России в конце XIX в. инженер путей сообщения P. Ю. Тиле с целью фотографирования большей площади с одной станции сконст­руировал многокамерный аэрофотоаппарат, получивший название панорамографа, при помощи которого была выполнена воздушная съемка на реке Припяти. Аппарат состоял из семи камер, из которых цен­тральная предназначалась для плановой съемки, а шесть боковых – для перспективной. Угол между оптической осью каждой из боко­вых камер с оптической осью центральной составлял 60°. Поэтому на каждом из боковых снимков изображена линия действительного горизон­та, по которой можно определить элементы ориентирования снимков в момент фотографирования. По полученным материалам можно было сос­тавить фотоплан и контурный план. P. Ю. Тиле решил задачи преобра­зования аэроснимков в планы.

В начале XX в. быстро развивается авиация. О первом примене­нии аэроснимков, полученных с самолета для картографических це­лей, говорилось в 1913 г. в статье капитана Тардиво, представ­ленной на собрание Международного фотограмметрического общест­ва, проходившего в Вене.

В России методы фотограмметрии начали применять в послед­ние десятилетия XIX в. Это относится к изысканиям для строитель­ства же­лезных дорог на Кавказе (Н. О. Виль­нер, 1891 г.) и в Забайкалье
(П. И. Щу­ров, Р. Ю. Тиле, 1897 г.), а также съемкам на Новой Земле (Ф. Н. Чер­нышев, Б. Б. Голицын, 1895–1896 гг.). Первые воздушные снимки в России были полу­чены 18 мая 1886 г. командиром военно-воздухоплавательной части поручиком А. М. Кованько (рис. 4).

Второй этап развития фотограмметрии, продолжавшийся с на­чала и до 60-х гг. XX в., характеризуется становлением, развитием и массовым применением методов аэрофототопографиче­ской съемки на базе специальных фотограмметрических приборов.

Стереофотограмметрический метод зародился на рубеже XIX и XX вв., когда Штольце (Германия) предложил использовать в фото­грам­метрии пространственную стерео­скопиче­скую модель местности. Вы­пол­ненные в тот период исследования привели к разра­ботке ме­то­дов измере­ния такой модели на основе метода мнимой (К. Пульфрих, 1899 г.) и дей­стви­тельной (Е. Девиль, 1901 г.) марки. В 1901 г.
К. Пульфри­хом был создан прибор для изме­рения снимков – стерео­ком­паратор, давший мощный толчок становлению сте­реоме­то­дов и став­ший первым шагом в развитии аналоговой фотограммет­рии.

После открытия в 1892 г. Штольцем принципа измерительной марки и последующей разработки доктором Пульфрихом практически осуществи­мого метода измерения стала применяться стереофотограмметрия. На рубеже двух столетий члены Венского географического ин­ститута Хубл и Орель разработали: первый – стереокомпаратор, а вто­рой – стереоавтограф. Независимо от этого стереокомпаратор был также изобретен Пульфрихом в Иене в 1901 г. В наше время практически все современные стереофотограмметрические приборы для составления карт по фотоснимкам используют принцип стереофотограмметрии с применением измерительной марки того или иного вида.

В 1908 г. австрийским фотограмметристом Э. Орелем был сконст­руи­рован автосте­рео­граф (позднее – стереоавтограф) для обработки на­зем­ных снимков. Его усовершенство­ван­ная модель серийно выпус­калась пред­приятием К. Цейсс (Германия) с 1909–1912 гг. до 40-х гг. прак­тически без модернизации.

Первые в России самостоятельные исследования по обработке воз­душных фотосним­ков принадлежат В. Ф. Найденову, автору труда «Из­мерительная фотография и применение ее в воздухоплавании» (1907 г.). Огромное значение для развития и применения в России фо­то­граммет­рических методов имели два издания: первой в России книги Г. Н. Шебуева и Н. Н. Ве­се­ловского «Геометрические основания фото­грамметрии» (1899 г.) с систематическим из­ло­жением вопросов фото­грамметрии и трех­том­ного труда Р. Ю. Тиле «Фототопография в со­временном развитии» (1908–1909 гг.). Первая мировая война доказала большое значение аэроснимков как для военных, так и для гражданских целей. В годы войны по аэроснимкам составлялись планы расположения позиций противника, которые по точности резко отличались от тех схем, которые до этого изготовлялись на фронте.

Если при фотографировании местности с привязанного аэроста­та было целесообразно применять многокамерные фотоаппараты, то при съемке с самолета оказалось наиболее удобно фотографировать при отвесном положении оптической оси камеры. Наиболее целесо­образным стало применение аэрофотоаппаратов, которые заряжают не пластинками, а пленками.

После первой мировой войны в Европе и Америке были построе­ны более совершенные самолеты, созданы аэрофотоаппараты полного автоматического действия, сконструированы и построены фототран­сформаторы и другие фотограмметрические приборы для составления карт. Некоторые из них еще не утратили своего значения и в на­стоящее время.

Успехи авиации того периода сделали актуальной задачу воздуш­ного фотографирова­ния, что обусловило активизацию работ по созда­нию аэро­ка­мер и специальных фотографи­ческих объективов для них. Большая за­слуга в этом принадлежит С. А. Ульянину, Р. Ю. Тиле,
В. М. Потте, а также работавшим в этом направлении в более поздний пе­риод М. М. Руси­нову, Д. С. Волосову, Ф. В. Дробышеву, С. П. Шо­кину, Г. Г. Гордону и др.

В силу исторических, политических и особых экономических усло­вий первой чет­верти прошлого столетия, имевшиеся к этому вре­мени западные инструментальные разра­ботки были для России недос­тупны. Это обусло­вило создание собственных оригинальных, деше­вых и эффек­тивных ме­тодов решения задач картографирования обширных террито­рий, по­зво­ливших за сравнительно короткий промежуток вре­мени не только выпол­нить теорети­че­ские исследования и создать со­ответствую­щую техниче­скую базу, но и выполнить на их ос­нове ог­ромный объем работ по карто­графированию страны.

К таким методам относится, прежде всего, разработанный под ру­ково­дством профессора Н. М. Алексапольского комбинирован­ный ме­тод аэрофототопографической съемки (1923–1928 гг.), идея которого заключа­ется в соз­дании контурной части карты по материалам аэро­фото­съемки с по­мощью фототрансформатора, а высотной части – на основе полевых ра­бот. При этом обеспечение снимков опорными точ­ками выполняли ме­тодом гра­фической фото­триангуляции, идея кото­рой была предложена С. Фин­стервальдером (1926 г.), а первые опыты по ее использованию выполнены К. Ашенбреннером (1926 г.), Н. М. Алексапольским и Ф. В. Дробышевым (1928 г.).

В 1930–1936 гг. усилиями целого ряда крупнейших фотограммет­ри­стов страны А. С. Скиридова, Г. В. Романовского, М. Д. Коншина, Г. П. Жу­кова, Ф. В. Дробышева, Н. М. Алекса­польского и др. был раз­работан диф­ференцированный способ стереотопографической съемки, в котором вы­сотная часть карты создавалась уже в камеральных усло­виях. Теорети­ческую основу этого способа составили разработанные в этот период спо­собы сгущения планового и высотного обоснования, а техни­ческую базу – фототрансформатор, топографи­ческий стереометр Дро­бышева СТД, сте­реокомпаратор и прецизионный стереометр.

В годы Великой Отечественной войны методы фотограмметрии при­менялись для соз­да­ния и обновления топографических карт. Фото­снимки, получаемые с самолетов в боевых ус­ловиях, использовались в разведыва­тельных целях, для составления фотосхем и фотокарт.

В течение 1945–1947 гг. было восстановлено разрушенное войной вы­сокоточное геоде­зи­ческое и фотограмметрическое приборострое­ние, и ос­новные усилия были направлены на со­вершенствование аэро­фотото­по­графического метода создания и об­новления карт. К этому времени тру­дами профессоров М. Д. Коншина, Г. В. Романовского,
А. Н. Ло­банова, Ф. В. Дро­бышева, В. Я. Финковского, Н. П. Лаврова, Г. П. Жу­кова, И. Т. Анти­пова была разработана тео­рия об­работки аэ­роснимков с преобразован­ными связками проектирующих лучей, оп­реде­лившая развитие фото­грамметрии на ближайшие десятилетия. На основе этой теории была создана серия принципиально новых фото­грамметриче­ских приборов универсального типа, среди которых наи­большее при­менение имели стереопроектор Ро­мановского (СПР, 1954 г.) и сте­рео­граф Дробышева (СД, 1956 г.). Массо­вое применение этих прибо­ров позволило заменить диффе­ренцированный способ аэрофото­топо­гра­фической съемки более точным, экономич­ным и технологич­ным уни­версальным.

Широкое применение в этот период получили приборы, обеспечи­вающие фиксацию по­ложения съемочной камеры в процессе съемки и опреде­ления координат центров фотографиро­ва­ния – радиовысото­меры, стато­скопы, гиростабилизирующие установки, радиогеодезиче­ские системы.

Третий этап развития фотограмметрии, продолжавшийся с на­чала 1960-х до сере­дины 1980-х гг., характеризуется развитием и мас­со­вым использованием аналитических методов.

Теоретические основы аналитической фотограмметрии были сфор­му­лированы в пер­вой половине XX в., когда были опублико­ваны ос­новополагающие труды профессора Н. Г. Келля «Пространственная обратная засечка в фотограмметрии» (1926 г.), «Фотография и фо­то­грамметрия» (1937 г.) и профессора Н. А. Урмаева «Аналитические методы уравнивания фо­то­триангуляции» (1936 г.), «Элементы фотограммет­рии» (1941 г.). Появ­ление в конце 1950-х гг. электронных вычисли­тельных машин (ЭВМ) сделало задачу применения ана­литиче­ского ме­тода обработки результатов фотограмметрических измерений актуаль­ной и свое­временной. Выпол­ненные в 1956–1957 гг. под руководством профессора А. Н. Лобанова иссле­дова­ния положили начало внедрению анали­тиче­ского метода в производство. Теория метода, опубликован­ная А. Н. Лобановым в книге «Фо­тотриангу­ляция с применением элек­тронной цифровой вычислительной машины» (1960 г.), с незначитель­ными усо­вершенствованиями применяется и в на­стоящее время. Даль­нейшее раз­витие аналитической фотограм­мет­рии связано с именами И. Т. Ан­типова, М. Н. Бу­лушева, В. Б. Ду­бинов­ского, Ф. Ф. Лы­сенко, Р. П. Овсян­никова, Б. К. Малявского, М. М. Ма­ши­мова, В. И. Павлова, В. А. Поляко­вой, И. И. Фи­на­рев­ского и др. Широкому ее внедре­нию в производство спо­собствовало соз­дание в 1970-х гг. авто­ма­тизированных стереокомпа­раторов СКА-18 и СКА-30, обеспечи­ваю­щих изме­рение аэроснимков с точностью порядка 2–3 мкм.

В этот период была выполнена первая космическая фо­тосъемка обрат­ной стороны Луны с космического аппарата Луна-3 (1959 г.); создана серия новых приборов – аналитический ком­плекс Аналит (1970 г.), аналити­че­ский стереопроектор СПА (1979 г.), автоматизиро­ванный фото­транс­форма­тор ФТА (1979) и автоматизированный ком­плекс «Орто­мат» (1984 г.); начат се­рийный выпуск ортофотопроектора ОФПД на базе стерео­графа СД (1973 г.); создан спе­циа­лизированный аэрофото­съемочный самолет Ан-30 (1974 г.). Началось планомерное фото­гра­фирование Земли и других пла­нет с пилотируемых и автома­тических космиче­ских аппа­ра­тов, получив­шее новый импульс с созда­нием Гос­центра «При­рода» (1973 г.).

Активная разработка аналитических методов обработки результа­тов фотограмметри­че­ских измерений привела к появлению высоко­точных аналитических приборов, представ­ляющих сочетание высоко­точного сте­реокомпаратора с персональным компьютером, вы­пол­няющим ана­лити­ческую обработку данных в момент их получения (режим on-line). К числу таких приборов относятся аналитический плоттер AP (Италия, США), Traster (Фран­ция), Planicomp (Германия), Aviolyt (Швейцария), Анаграф (СССР) и др., являющиеся про­образами будущих цифровых фо­тограм­мет­рических систем.

Современное состояние фотограмметрии характеризуется мас­со­вым примене­нием цифровых методов обработки материалов аэ­ро­фото­съемки.

Истоки современной цифровой фотограмметрии относятся к 1924 г., когда профессор А.С. Скиридов сформулировал идею автоматизации стереофотограмметрических измерений на основе сравнения фотогра­фи­ческих плотностей соответственных зон смежных снимков. Во­пло­ще­ние этой идеи в цифровой фотограмметрической системе (ЦФС) стало воз­можным лишь в середине 1980-х гг., с появлением запо­ми­наю­щих уст­рой­ств, съемочных систем и сканеров с твердотель­ными све­точувстви­тель­ными элементами на основе приемников с за­рядовой свя­зью (ПЗС).

ЦФС представляет собой персональную ЭВМ, оснащенную средст­вами визуализации стереоскопической модели местности – анаглифи­­че­­скими, поляроидными очками или сте­реонасадкой и спе­циальным про­граммным обеспечением. Она имеет, как правило, мо­дуль­ную структуру с наращиваемыми аппаратными и программными средствами, обеспечи­ваю­щими обработку материалов аэрофотосъемки начиная от измерения и преобразования изо­бражения и до формиро­вания фотокарты. Одним из первых цифровых приборов, предназна­ченных для цифровой обработки снимков, является система DCCS (Digital Comparator Cor­relater System), разработанная в 1985 г. фирмой HAI (США) под руководством У. Хе­лавы. Из применяемых в настоя­щее время цифровых фотограмметриче­ских сис­тем можно отметить ЦФС Photomod (ЗАО «Ракурс», Россия, 1993), DVP (Leica, Швейца­рия, 1993), Realistic Map (Медиаскан, Респуб­лика Бела­русь) и др.

Мощным стимулом развития цифровых методов в фотограммет­рии стало появление цифровых съемочных систем – сенсоров, позво­ляю­щих получать цифровые цветные, черно-белые и иные изображе­ния в любом диапазоне инфракрасной, ультрафиолетовой или види­мой части спектра.

К достижениям фотограмметрии последних лет относится раз­­ра­ботка средств и ме­тодов создания цифровых планов и карт по аэро­снимкам, созда­ние аэрофотоаппаратов се­рии АФА-ТК с компенсацией сдвига изображения и нового ортофототрансформатора ЦНИИГАиК ОПЦ, разра­ботку космических топографических ком­плектов (КТК) – фотоаппа­ратов ТК-350 и КВР-1000 и др.

[1] Термин Photogrammetrie является производным от греческих слов photos – свет, gramma – запись и metreo – измерение; дословно – измерение светозаписи. По одним источникам этот термин был введен в 1855 г. Карстеном, а по другим – в 1867 г. А. Мейденбауэром.