Фотограмметрия

Команда геологов использовала фотограмметрию для создания трехмерной модели источника-цистерны после извержения гейзера Стимбот

Фотограмме́трия (от греч. φωτός — свет, γράμμα — запись, изображение и μετρέω — измеряю) — это наука, занимающаяся получением точных измерений из фотографий и цифровых изображений. В результате применения фотограмметрии часто получают ортофотопланы, картографические материалы, геоинформационные системы или трёхмерные модели объектов и сцен. Существуют два основных типа фотограмметрии: аэрофотограмметрия и наземная фотограмметрия.

Предмет фотограмметрии и её задачи

Изучение фотограмметрии включает в себя анализ геометрических и физических характеристик снимков, способы их получения и использования для определения количественных и качественных параметров сфотографированных объектов. Также в процессе обработки данных применяются различные приборы и программное обеспечение.

Основная задача фотограмметрии заключается в создании топографических карт, инженерных планов и специализированных карт, таких как кадастровые. Фотограмметрические методы позволяют также эффективно и точно решать различные практические задачи на основе снимков, например, измерять площади участков местности, определять их уклоны, анализировать эрозионные процессы, а также проводить вертикальную планировку с расчётом объёма земельных работ и прочее.

История развития фотограмметрии

Изобретение французом Луи Жак Манде Даггером фотографии в 1839 году послужило технической основой для возникновения фотограмметрии. В период с 1851 по 1859 год француз Эме Лаусседа разработал графический метод составления планов сооружений на основе их наземных фотографий.

С появлением средств воздухоплавания открылась возможность проводить аэрофотосъёмку, что позволило перейти от наземной к аэрофотосъёмке. Первые воздушные фотоснимки были получены французом Надаром в 1858 году с воздушного шара, что стало важным шагом в развитии фотограмметрии.

В России первые аэрофотоснимки были получены 18 мая 1886 года Александром Матвеевичем Кованько. Петербург снимался аэрофотоаппаратом Вячеслава Измайловича Срезневского с высоты 800, 1200 и 1350 метров. В 1910 году лётчик Гельгар получил первые фотоснимки с самолёта. Изначально аэрофотосъёмку применяли в основном для военной разведки. Этот вид деятельности затем был назван дистанционным зондированием в 1960 году.

В 1908—1909 годах была опубликована монография Ричарда Юлбевича Тиле «Фототопография в современном развитии», в которой проводился анализ наземной фотограмметрии, стереофотограмметрии и воздушной съёмки, описывались приборы, методы обработки фотоснимков и области применения фотограмметрии. Важный вклад в становление фотограмметрии внесли также другие специалисты, например, Найдёнов, который разработал фототрансформатор для преобразования наклонных снимков в горизонтальные. Всемирное становление авиации стало мощным толчком для развития фотограмметрии, привлекая внимание военных ведомств. В русской армии была создана аэрофоторазведовательная служба, а в 1913 году инженером Владимир Филиппович Потте был изобретён плёночный аэрофотоаппарат для маршрутной и площадной съёмки с самолёта. В период Первой мировой войны аэрофотосъёмка активно применялась для разведки и корректировки топографических карт на военные нужды.

Системы координат применяемые в фотограмметрии

Метод Каппелер

В фотограмметрии для определения пространственных координат точек объекта, изображающегося на снимке, применяется ряд различных систем координат: прямоугольная геоцентрическая система координат, фотограмметрическая система координат, системы координат, связанные со снимком — плоская система координат снимка и вспомогательная система координат. Геоцентрическая система координат, которая применима к земному эллипсоиду в целом, используется для решения фотограмметрических задач на большие площади (расстояния).

Фотограмметрическая система координат обычно может быть ориентирована произвольно, причём начало системы координат и направления осей могут быть выбраны на усмотрение пользователя. В частных случаях начало координат совмещается с какой-либо точкой на местности или с центром проекции изображения, а плоскость XY устанавливается горизонтально.

Плоская прямоугольная система координат снимка (ОХУ) используется для определения положения точек на снимке. Начало координат совпадает с точкой пересечения линий, соединяющих противоположные координатные метки, при этом ось X направлена вдоль базиса съёмки, а ось Y перпендикулярна ей. Эта система является правой. Желательно, чтобы центр проекции или задняя узловая точка объектива (S) совпадал с началом системы (О) или главной точкой картины. Смещение S учитывается и указывается в паспорте фотоаппарата.

Виды фотограмметрической съёмки

Наземная фототеодолитная съёмка применяется при топографической съёмке в основном в гористых открытых районах, маркшейдерской съёмке открытых горных разработок (карьеров); контроле качества монтажа инженерных сооружений в процессе их строительства и эксплуатации; обмере зданий, сооружений и исторических памятников архитектуры; исследовании деформации инженерных сооружений и различных моделей изучаемых явлений; съёмке ледников, склоновых процессов и многих других не топографических задач. Наземная стереофотограмметрическая съёмка (НСС) включает полевые и камеральные работы. Задачей полевых работ является фотографирование местности, производство геодезических измерений для определения координат точек съёмочного обоснования и полевое дешифрирование снимков.

Аэрофотосъёмка — это фотографирование земной поверхности с воздуха специальным фотоаппаратом (аэрофотоаппаратом, АФА), установленным на подвижном носителе (например, на самолёте, вертолёте, дирижабле). Широко применяется для картографирования, разведки местности (исследования природных ресурсов), экологического контроля, в археологии и так далее. Обычно аэрофотосъёмку осуществляют однообъективным АФА для кадровой фоторегистрации, который отличается от обычного фотоаппарата максимальной автоматизацией съёмочного процесса, применением дистанционного управления и контроля, а также большим форматом кадра.

Космическая фотосъёмка (с высоты > 100 км) широко применяется в фотографировании земной поверхности (вариант камеры МКФ-6, фотоаппарат КАТЭ-140). При изучении природных ресурсов используются различные виды съёмки — чёрно-белая, цветная, спектрозональная и многозональная. Наибольший интерес для природоведения представляет многозональная фотосъёмка, выполняемая одновременно двумя и более фотокамерами в узких спектральных каналах. Впервые многозональная съёмка была произведена лётчиками-космонавтами Василием Григорьевичем Лазревым и Олегом Григорьевичем Макаровым с борта космического корабля «Союз-12» в 1973 году.

Фотограмметрические приборы и системы

Зеркальный стереоскоп, изобретённый в 1832 году Чарльзом Уитстоном, считается одним из простейших фотограмметрических приборов. Сегодня используется зеркально-линзовой стереоскоп, оснащённый двумя зеркалами и линзой в каждой оптической ветви. Существуют стереоскопы с возможностью смены линз или окуляров для изменения масштаба изображения. Вместе со стереоскопом часто применяется параллаксометр для измерения высот мелких объектов, таких как деревья или низкие строения. В течение XX века было разработано множество оптико-механических фотограмметрических приборов, но с появлением компьютерной техники в начале XXI века они постепенно ушли на второй план. Один из таких приборов, стереокомпаратор, использовался для точных измерений координат и параллаксов точек стереопары с точностью до 2-5 мкм. Во второй половине XX века стереокомпараторы стали частью аналитических фотограмметрических приборов, в которых они были связаны с компьютерами. В разных странах были созданы собственные модификации таких приборов, включая стереопроекторы аналитического типа и стереоанаграфы.

Ошибки фотограмметрических измерений

Ошибки, возникающие при фотограмметрических измерениях, могут быть классифицированы на пять категорий в зависимости от их источника происхождения: ошибки снимка; ошибки измерительной системы; ошибки опознавания точек; методические ошибки обработки; ошибки опорных точек.

1) Ошибки снимка возникают из-за отклонений точек от идеальной центральной проекции.

2) Ошибки измерительных систем присутствуют в цифровых фотограмметрических системах из-за не строгости программного обеспечения. Чем более строгое придерживание теории обработки снимков, тем выше точность конечного результата, однако это может потребовать больше времени.

3) Неправильное опознавание точек и наведение марки на них может значительно уменьшить точность фотограмметрических измерений.

4) Методические ошибки возникают из-за нарушения теории обработки снимков, что может привести к снижению точности результата и сокращению времени обработки. Для высокоточных результатов рекомендуется придерживаться строгой теории.

5) Ошибки опорных точек учитываются в зависимости от точности их координат. Если точность превышает точность фотограмметрических измерений в 2-3 раза, то координаты опорных точек считаются верными, в противном случае точность фотограмметрических измерений определяется с учётом ошибок опорных точек.

Области применения фотограмметрии

Цифровые стереофотограммы

В России фотограмметрические методы находят применение:

— для изысканий и проектирования разнообразных линейных сооружений (дорог, трубопроводов, линий электропередачи и других);

— в строительстве для контроля качества и повышения надёжности промышленных и гражданских объектов;

— в геологоразведке для определения перспективных зон разведки полезных ископаемых;

— в геофизике для получения координат и высот точек местности;

— в архитектуре для обмеров, планирования фасадов, создания объёмных моделей и реставрации памятников архитектуры;

— в горном деле для съёмки разработок и составления планов карьеров;

— в географических исследованиях;

— при картировании дна и изучении морских явлений;

— в медицине для диагностики и лечения заболеваний;

— в военном деле и других областях.

Достоинства фотограмметрии

Преимущества фотограмметрического и стереофотограмметрического методов:

• высокая точность результатов, так как используются прецизионные фотокамеры и строгие методы обработки;
• высокая производительность за счёт измерения изображений объектов, что позволяет автоматизировать процесс измерений и вычислений;
• объективность и достоверность информации, возможность повторения измерений;
• быстрое получение информации о состоянии объекта и его частей;
• безопасность работ, благодаря неконтактному (дистанционному) методу съёмки;
• возможность изучения движущихся объектов и быстро протекающих процессов.