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 photo s – 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.