FOTOGRAMETRIA: HISTORIA, METODA, RODZAJE, ZASTOSOWANIA - NAUKA - 2026

Fotogrametr ed jest techniką wydobywania informacji przestrzennej z obrazów, fotografie szczególnie samobieżne, ale również te, które brane na lądzie lub pod powierzchnią morza. Na podstawie tych informacji określa się ilościowo wymiary i położenie reprezentowanych obiektów.

Zdjęcia fotograficzne są płaskie, jak to pokazane na rysunku 1, ale dzięki nim można oszacować na przykład wysokość budynków lub skał, czy to w odniesieniu do drogi, morza czy innego punktu odniesienie.

Rysunek 1. Zdjęcie lotnicze wykonane w celu wykonania badania fotogrametrycznego. Źródło: Wikimedia Commons. Zdjęcie: D. Ramey Logan

Tworzenie obrazów bardzo bliskich rzeczywistości nie jest niczym nowym. Wielki Leonardo da Vinci (1452-1519) był pionierem perspektywy, doskonaląc swoje zasady za pomocą tzw. Znikających punktów.

Znikające punkty to miejsca na horyzoncie, w których zbiegają się równoległe linie, dając widzowi poczucie głębi.

Leonardo robił to ręcznie malowidłami i rysunkami, ale od momentu wynalezienia fotografii, w XIX wieku, zdjęcia zaczęto wykorzystywać również do celów technicznych.

Podobnie Aimé Laussedat (1819-1907) i Albrecht Meydenbauer (1834-1921), uważani za ojców współczesnej fotogrametrii. Laussedat stworzył szczegółowe mapy topograficzne w 1850 roku, nakładając na plan różne perspektywy.

Ze swojej strony Meydenbauer, który był architektem, zastosował tę technikę do udokumentowania budynków, które w przypadku zniszczenia można było całkowicie odbudować dzięki zgromadzonym informacjom.

W latach osiemdziesiątych XX wieku nowoczesne komputery uczyniły fotogrametrię wielkim krokiem naprzód, minimalizując czas potrzebny na przetwarzanie obrazu.

Metoda fotogrametryczna

Mówiąc najogólniej, metoda polega na wykonywaniu zdjęć obiektów, przetwarzaniu ich i ostatecznej interpretacji. Główne elementy opisujące podstawową zasadę przedstawiono na rysunku 2:

Rysunek 2. Podstawowa zasada przechwytywania obrazu. Źródło: F. Zapata.

Przede wszystkim potrzebny jest czujnik do uchwycenia obrazu, a także soczewka, aby każdy promień światła padający z punktu trafiał w czujnik w tym samym miejscu. Jeśli tak się nie stanie, punkt zostanie zarejestrowany jako nakładka i powstanie rozmazany lub nieostry obraz.

Aby zrekonstruować obiekt, w fotogrametrii interesujący jest tylko prostoliniowy promień narysowany na czarno na rysunku 2. To ten, który przechodzi przez punkt zwany środkiem perspektywy w soczewce.

Jeśli ten promień, który przechodzi bezpośrednio od obiektu, przechodzi przez soczewkę i dociera do czujnika, jest to poszukiwana odległość.

Widzenie stereoskopowe

Naturalna wizja człowieka jest stereoskopowa. Oznacza to, że możemy poznać odległości, do jakich znajdują się obiekty, dzięki temu, że mózg przetwarza uchwycone obrazy i ocenia reliefy.

Zatem każde oko rejestruje nieco inny obraz, a następnie mózg interpretuje je jako jedno, z ulgą i głębią.

Jednak w przypadku płaskiego rysunku lub fotografii nie można stwierdzić, jak daleko lub jak blisko jest obiekt, ponieważ informacja o głębokości została utracona, jak wyjaśniono graficznie na rysunku 3.

Jak powiedzieliśmy, punkt znajduje się na głównym promieniu, ale nie ma sposobu, aby dowiedzieć się, czy jest bliżej, ponieważ obiekt jest mały, czy też jest dalej, ale należy do czegoś większego.

Rysunek 3. Na płaskim obrazie nie można określić głębi obiektów. Źródło: F. Zapata.

Tak więc, aby rozwiązać problem z bliskością, robione są dwa nieco inne zdjęcia, jak pokazano poniżej na rysunku 4.

Rysunek 4. Przecięcie dwóch prostych pozwala nam znaleźć rzeczywiste położenie punktu w przestrzeni. Źródło: F. Zapata.

Znając przecięcie promieni przez triangulację, odkrywane jest położenie obiektu, z którego pochodzą. Procedura ta nazywana jest „dopasowywaniem punktów” i odbywa się za pomocą specjalnie zaprojektowanych algorytmów, ponieważ konieczne jest powtórzenie procedury dla wszystkich punktów obiektu.

Aby uzyskać dobre wyniki, brane są również pod uwagę szczegóły, takie jak położenie, kąt i inne cechy aparatu.

Rodzaje

W zależności od sposobu pozyskiwania obrazów istnieje kilka rodzajów fotogrametrii. Jeśli zdjęcia są robione z powietrza, jest to fotogrametria lotnicza.

A jeśli są wykonywane z ziemi, technika ta nazywa się fotogrametrią naziemną, która była pierwszym praktycznym zastosowaniem tej techniki.

Fotogrametria lotnicza jest obecnie jedną z najczęściej stosowanych gałęzi, ponieważ umożliwia generowanie bardzo dokładnych planów i map. Obrazy można również uzyskać za pośrednictwem satelity, w którym to przypadku mówimy o fotogrametrii kosmicznej lub satelitarnej.

Podobnie fotogrametria jest klasyfikowana zgodnie z zastosowanymi narzędziami i obróbką obrazu, którą może być:

-Analog

-Analityka

-Cyfrowy

W fotogrametrii analogowej obrazowanie i przetwarzanie są całkowicie optyczne i mechaniczne.

W fotogrametrii analitycznej ramki są analogowe, ale przetwarzane w komputerze. I wreszcie, w fotogrametrii cyfrowej zarówno rama, jak i system przetwarzania są cyfrowe.

Fotogrametria vs. topografia

Topografia ma również na celu przedstawienie terenu wiejskiego lub miejskiego na płaszczyźnie, podkreślając interesujące miejsca. I odwrotnie, jeśli to konieczne, weź punkty samolotu i umieść je w przestrzeni.

Z tego powodu topografia i fotogrametria mają ze sobą wiele wspólnego, jednak ta ostatnia ma pewne zalety:

- Prawie zawsze jest taniej.

- Pozyskiwanie danych - badanie - jest szybsze, odpowiednie dla dużych obszarów.

- Działa najlepiej na bardzo nierównym terenie, chyba że jest pokryty gęstą roślinnością.

- Wszystkie punkty są rejestrowane jednakowo.

- Informacje można zapisać i nie trzeba wracać do pola, aby je ponownie uzyskać.

Fotogrametria pojedynczego obrazu

Generalnie nie da się zrekonstruować fotografowanego obiektu z pojedynczego zdjęcia, chyba że posłużą się innymi dodatkowymi informacjami, ponieważ jak już widzieliśmy, na płaskim obrazie nie ma zapisu głębi.

Mimo to obrazy nadal dostarczają cennych informacji, aczkolwiek z pewnymi ograniczeniami.

Na przykład załóżmy, że chcesz zidentyfikować złodzieja w sklepie lub banku. Obraz z kamery monitorującej można wykorzystać do określenia wzrostu i budowy osoby, która popełniła przestępstwo, porównując ją ze znanymi rozmiarami mebli lub innych osób na zdjęciu.

Rysunek 5. Krzesła mają ten sam rozmiar i od razu wiemy, który jest najbliższy. Z drugiej strony równoległe linie na podłodze, które zbiegają się w oddali, dają wrażenie głębi na zdjęciu. Źródło: Pixabay.

Aplikacje

Fotogrametria jest szeroko stosowana w różnych dyscyplinach, między innymi w architekturze, inżynierii i archeologii. Jak wyjaśniono wcześniej, jest stosowany w kryminalistyce i oczywiście do efektów specjalnych w filmach.

W inżynierii dobre obrazy mogą na przykład ujawnić informacje o rzeźbie terenu i konfiguracji terenu. Oto kilka obszarów, które są bardzo interesujące:

-Badanie tras komunikacyjnych.

-Ustanowienie tras.

-Ruchy ziemi.

-Urbanistyka.

-Badanie basenów hydrograficznych.

- Badania lotnicze dla poszukiwań górniczych.

Dodatkowo fotogrametria jest bardzo cenionym narzędziem w:

- Architektura : we wznoszeniu pomników i budynków.

- Archeologia : rekonstrukcja starej zabudowy z pozostałości zachowanych do dziś.

- Zoologia : pomaga tworzyć trójwymiarowe modele obecnych i wymarłych zwierząt.

- Mechanika : w modelowaniu samochodów, silników i wszelkiego rodzaju maszyn.

Bibliografia

1. Blog zespołu Adam Technologies. Jak działa fotogrametria? Odzyskany z: adamtech.com.au.
2. Armillary, Applied Geomatics. Techniki fotogrametryczne. Odzyskany z: armillary-geomatica.blogspot.com.
3. Technologie fotomodelerów. Jak działa fotogrametria? Odzyskane z: photomodeler.com.
4. Quirós, E. 2014. Wprowadzenie do fotogrametrii i kartografii w inżynierii lądowej. Opublikowane przez University of Extramadura.
5. Sánchez, J. Wprowadzenie do fotogrametrii. Uniwersytet w Kantabrii. Odzyskany z: ocw.unican.es.