Projekt okładki i stron tytułowych

Joanna Gwiss

Zdjęcie na okładce

Mariusz Szczygieł/Shutterstock

Wydawca

Izabela Ewa Mika

Redaktor

Magdalena Kruszyna

Produkcja

Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Mobisfera

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

ISBN 978-83-01-19135-1

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2014 r.  (wyd. I)
Warszawa 2016

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; www.pwn.pl

  Przedmowa

Szacuje się, że około 80% decyzji podejmowanych przez każdą administrację związanych jest z dysponowaniem danymi przestrzennymi dającymi się odnieść do konkretnej lokalizacji geoprzestrzennej. Decyzje te mają bezpośrednie przełożenie na komfort naszego życia.

Do niedawna głównym źródłem takich danych były – różne co do dokładności, szczegółowości i zakresu treści – mapy papierowe. Obecnie, w dobie wszechobecnej komputeryzacji i masowej komunikacji, dane te przybierają formę baz danych topograficznych, na których opierają się systemy informacji przestrzennej określane angielskim akronimem GIS. Techniki komputerowe pozwalają wykonywać na tych danych skomplikowane analizy przestrzenne złożonych procesów środowiskowych, trudne do prowadzenia z wykorzystaniem tradycyjnych map papierowych.

Geoinformacja niepostrzeżenie wślizgnęła się do naszego życia codziennego. Kto z nas nie zagląda do serwisów mapowych w sieci, nie planuje podróży z wykorzystaniem takich serwisów, nie korzysta z nawigacji satelitarnej w samochodzie, nie ogląda prognoz pogody ze zdjęciem satelitarnym w tle itp. Wyrobiliśmy sobie nawyk korzystania z takich danych jak z telefonu.

Ta wszechobecność geoinformacji stała się tak oczywista, że nie zadajemy sobie prostego pytania: skąd się one biorą? Kto, na bazie jakich danych i jak wytwarza te informacje? Krótka odpowiedź brzmi: fotogrametria. To metodami fotogrametrycznymi tworzy się mapy, a obecnie – poprzez tworzenie baz danych topograficznych – danymi zasila się systemy informacji przestrzennej. Towarzyszy temu rozwój obrazowania lotniczego i satelitarnego – głównego źródła informacji o otaczającej nas geoprzestrzeni.

Książka obejmuje zagadnienia współczesnej fotogrametrii cyfrowej, tj. nauki zajmującej się pozyskiwaniem informacji o powierzchni Ziemi i obiektach na niej położonych drogą rejestracji oraz pomiaru zdjęć i zobrazowań, głównie lotniczych. Ta informacja przybiera zwykle postać opracowań kartograficznych, obecnie w formie cyfrowej, powstałych z opracowania przestrzennego zdjęć i danych lotniczego skaningu laserowego.

Fotogrametria, przez ponad sto lat rozwoju, bazując na dość złożonych, przestrzennych związkach geometrycznych między powierzchnią terenu a jego zdjęciami z powietrza, wypracowała wydajne metody tworzenia produktów kartograficznych.

Obecnie, te klasyczne już metody zostały zaimplementowane w dość złożone algorytmy i wysokowydajne technologie, o znacznym stopniu automatyzacji procesów pomiarowych opartych na widzeniu maszynowym.

Intencją autora jest, by niniejsze opracowanie ułatwiło zrozumienie podstaw fotogrametrii. Dzięki internetowi jesteśmy zalewani fragmentarycznymi informacjami, nietworzącymi jednak spójnego systemu wiedzy. W dobie fotogrametrii cyfrowej zrozumienie metod, algorytmów i współczesnych procesów opracowań fotogrametrycznych jest nawet trudniejsze niż dawniej. Bardziej złożone algorytmy, zorientowane na automatyzację, są mało „intuicyjne”. Dawniej, w dobie fotogrametrii analogowej, rozwiązanie zadania pomiarowego za pomocą instrumentów analogowych było widoczne „gołym okiem”, obecnie przybiera postać przysłowiowej „czarnej skrzynki”. Operator systemu widzi komputer z monitorem, ale trudno mu „zajrzeć do środka” i zrozumieć metodyczną istotę rozwiązania. Nie ułatwia tego również niedostatek współczesnych opracowań podręcznikowych, a te sprzed kilkunastu lat straciły kontakt ze współczesną, „cyfrową” rzeczywistością.

Książka pojawia się w momencie zasadniczych przemian technicznych i przewartościowania pojęć z zakresu fotografowania i obrazowania lotniczego i satelitarnego oraz pomiarowego opracowania takich zdjęć i obrazów. Jej zakres wychodzi naprzeciw tym zmianom. Publikacja ma przede wszystkim zaspokoić potrzeby edukacyjne. Odpowiednia będzie do kształcenia na kierunku „geodezja i kartografia” w uczelniach technicznych, uniwersytetach i akademiach rolniczych kształcących w zakresie kartografii, teledetekcji, systemów informacji przestrzennej i szeroko rozumianej geoinformatyki.

Jesteśmy świadkami gwałtownego przyspieszenia krycia powierzchni kraju nowymi produktami realizowanymi w najnowszych cyfrowych technologiach. Równocześnie wdrażane są prawne, techniczne i instytucjonalne rozwiązania w zakresie standaryzacji i harmonizacji różnych produktów pochodnych od zdjęć lotniczych oraz ich szerokiej dystrybucji. Nasza przynależność do Unii Europejskiej każe postrzegać te problemy w szerszym, międzynarodowym wymiarze. Towarzyszy temu zapotrzebowanie na rzetelną informację i aktualizację wykształcenia urzędników administracji państwowej i samorządowej zaangażowanych w te procesy.

Warte podkreślenia jest to, że książka jest dedykowana nie tylko studentom i specjalistom zajmującym się wytwarzaniem produktów fotogrametrycznych, ale również szerokiemu gronu użytkowników takich produktów. Jako taka może spotkać się z zainteresowaniem nie tylko środowiska akademickiego, ale szeroko rozumianego środowiska geoinformacyjnego korzystającego z gotowych opracowań fotogrametrycznych znajdujących się w państwowym zasobie geodezyjnym.

Szybki rozwój nowoczesnych technik fotogrametrycznych wymusza konieczność precyzyjnego rozumienia pojęć z tego zakresu, niezbędnych do skutecznego komunikowania się specjalistów i użytkowników zaangażowanych w ten proces. Ta publikacja może to ułatwić, zawiera bowiem propozycje nazewnictwa w zakresie przedmiotu.

Podano w niej podstawy teoretyczne, ale również przedstawiono praktyczne spojrzenie na funkcjonowanie fotogrametrii w wymiarze krajowym i europejskim. Autor wykorzystał swoje doświadczenie zawodowe wyniesione ze ścisłej, ponad dwudziestoletniej współpracy z instytucjami i jednostkami administracyjnymi odpowiedzialnymi za wdrażanie nowych technologii, pokrycie kraju nowoczesnymi produktami fotogrametrycznymi i stanowienie standardów w tym zakresie. Ta współpraca wyraża się udziałem w realizacji dużych, ogólnokrajowych projektów oraz aktywnością na poziomie europejskim w zakresie tworzenia standardów w ramach INSPIRE.

Na układ i zakres treści książki istotny wpływ miały lata pracy dydaktycznej w Politechnice Warszawskiej i prowadzenie zajęć ze studentami, szczególnie specjalności „fotogrametria i teledetekcja”.

Warszawa, 2014 rok

Zdzisław Kurczyński

1 Przedmiot fotogrametrii i rys historyczny jej rozwoju

1.1. Definicja i przedmiot fotogrametrii

Definicja i przedmiot fotogrametrii

Fotogrametria, w tradycyjnym rozumieniu, jest dziedziną nauki i techniki zajmującą się pomiarem położenia, rozmiaru i kształtu obiektów na podstawie ich zdjęć fotograficznych (tzw. fotogramów).

Termin fotogrametria ma źródłosłów w greckich słowach: photos – światło, gramma – zapis i metro – pomiar. Fotogrametria jest więc pomiarem obiektów na podstawie ich obrazów (zdjęć) zapisanych światłem.

Współcześnie, pierwszym założeniem fotogrametrii jest jej praktyczne wykorzystanie do tworzenia map topograficznych, powstałych z opracowania zdjęć lotniczych. Obiektem pomiaru jest trójwymiarowy (przestrzenny) obraz powierzchni Ziemi, a wynikiem pomiaru – mapa.

Rozbudowaną teorię fotogrametrii można – w uproszczeniu – sprowadzić do dwóch zadań geometrycznych:

– fotografowania obiektu (np. powierzchni Ziemi),

– opracowania mapy terenu na podstawie pomiaru jego zdjęć lotniczych.

Obu tym zadaniom towarzyszą różne operacje geometryczne. Proces fotografowania sprowadza się do uzyskania płaskiego obrazu przestrzennego obiektu, który – geometrycznie – jest rzutem środkowym. Jego geometryczną istotą jest rzutowanie punktów przestrzeni na płaszczyznę względem pewnego punktu, zwanego środkiem rzutów. Zdjęcie fotograficzne jest materializacją takiego rzutu; punkty obiektu (np. powierzchni terenu) są „środkowo” rzutowane przez obiektyw kamery na płaszczyznę emulsji światłoczułej, która – w formie zdjęcia – rejestruje obraz obiektu.

Mapa – produkt opracowania zdjęć – jest (w uproszczeniu) rzutem ortogonalnym przestrzennej powierzchni terenu na umowną poziomą płaszczyznę odniesienia.

W procesie opracowania fotogrametrycznego mamy zatem do czynienia z dwoma różnymi tworami geometrycznymi, charakteryzującymi się odmienną geometrią.

Teoria opracowań fotogrametrycznych zajmuje się przekształceniem zdjęć, będących rzutem środkowym obiektu, na finalne opracowanie (mapę) przedstawiającą obiekt w rzucie ortogonalnym. Znaczna część tej teorii skupia się na opisie geometrii zdjęć, z precyzyjnym opisem ich ewentualnych błędów geometrycznych stanowiących odstępstwo od matematycznego rzutu środkowego.

Dwa zdjęcia obiektu wykonane z różnych punktów przestrzeni (tzw. stereogram) pozwalają zrekonstruować i pomierzyć jego przestrzeń. W przypadku fotografii lotniczej z lecącego samolotu wykonuje się dwa kolejne, częściowo pokrywające się zdjęcia powierzchni terenu. Następnie, w formie mapy sytuacyjno-wysokościowej, odtwarza się i mierzy sfotografowaną przestrzeń. Ma tu zastosowanie stereoskopia.

Teoria opracowań fotogrametrycznych zajmuje się przejściem ze zdjęć stanowiących rzut środkowy obiektu na przestrzenną rekonstrukcję i następnie mapę – stanowiącą jego rzut ortogonalny.

Ciekawe jest to, że z wymienionymi wyżej pojęciami człowiek ma do czynienia na co dzień, od pierwszych dni swojego życia. Mowa tu o wzroku i widzeniu otaczającej go rzeczywistości. Oko ludzkie jest odpowiednikiem kamery fotograficznej, a tworzony przez soczewkę na siatkówce oka obraz jest rzutem środkowym. Widzenie obuoczne daje dwa obrazy, które w wyniku ich syntezy w mózgu pozwalają postrzegać otaczającą rzeczywistość przestrzennie.

Fotografia lotnicza już od początku rozwoju była wykorzystywana nie tylko do celów pomiarowych (głównie sporządzania map), ale również interpretacyjnych. Fotointerpretacja zajmuje się wykrywaniem, rozpoznawaniem i charakterystyką obiektów, procesów i zjawisk na podstawie obrazów fotograficznych. Znaczenie rekonesansu lotniczego docenili specjaliści wojskowi, co stało się przyczyną szybkiego rozwoju fotografii lotniczej i fotointerpretacji podczas I wojny światowej. Obecnie wykorzystuje się w fotointerpretacji, oprócz czarno-białych zdjęć panchromatycznych, również zdjęcia w ultrafiolecie, w bliskiej podczerwieni, zdjęcia barwne w barwach naturalnych i zdjęcia spektrostrefowe (inaczej: barwne w podczerwieni). Do rozpoznania lotniczego, oprócz tradycyjnych kamer fotogrametrycznych, używane są wyspecjalizowane kamery wielospektralne (rejestrujące synchronicznie w kilku wąskich zakresach promieniowania elektromagnetycznego), kamery szczelinowe i panoramiczne. Dalszy rozwój technicznych środków rejestracji powierzchni Ziemi poszedł w kierunku stworzenia możliwości jej obrazowania w zakresach fal dłuższych: podczerwieni średniej i dalekiej oraz mikrofal. Tradycyjne fotografowanie w tych zakresach nie jest możliwe. Obraz wizyjny otrzymuje się poprzez przetworzenie sygnału elektrycznego na obraz w specjalnych urządzeniach mogących rejestrować te zakresy promieniowania.

Wraz z rozwojem technicznych środków obrazowania powierzchni Ziemi równolegle rozwijają się metody dalszej obróbki zdjęć i obrazów oraz ich interpretacji. Dziedzinę zdalnego badania obiektów, opartą na rejestracji promieniowania elektromagnetycznego, nazywa się teledetekcją (ang. remote sensing). Fotointerpretacja ze swoimi wypracowanymi metodami należy do teledetekcji, a zdjęcia fotograficzne są jednym ze źródeł informacji o środowisku geograficznym.

Opanowanie bliskiej przestrzeni wokółziemskiej umożliwiło rozwój fotografii i teledetekcji satelitarnej. Dało to człowiekowi całkowicie nowy wgląd w zjawiska zachodzące na naszym globie. Teledetekcja jest wykorzystywana w bardzo wielu dziedzinach, m.in. w meteorologii, geologii, ochronie środowiska, rolnictwie i leśnictwie, hydrografii, archeologii, planowaniu przestrzennym i wielu innych. Rezultatem opracowań teledetekcyjnych są na ogół mapy tematyczne ilustrujące wybrane zjawisko.

Zdjęcia i obrazy satelitarne wykorzystuje się również do tworzenia map o treści topograficznej. Umożliwiają one szybkie kartowanie obszarów słabiej zagospodarowanych, a w przypadku państw wysoko rozwiniętych mogą całkowicie zmienić technologie aktualizacji map średnio- i drobnoskalowych.

Oba nurty: fotogrametryczny – pomiarowy, zorientowany na geometrię obiektów i teledetekcyjny są powiązane ze sobą tak dalece, że często łączy się je w jedną dyscyplinę. Łączną definicję podało np. Międzynarodowe Towarzystwo Fotogrametrii i Teledetekcji – ISPRS (ang. International Society for Photogrammetry and Remote Sensing) podczas Kongresu w Kyoto (1988 r.). Według tej definicji, fotogrametria i teledetekcja to dziedzina nauki i techniki zajmująca się zdalnym pozyskiwaniem wiarygodnych informacji o obiektach fizycznych oraz ich otoczeniu drogą rejestracji, pomiaru i interpretacji ich zdjęć i zobrazowań.

Podział fotogrametrii

Fotogrametrię można klasyfikować, przyjmując różne kryteria klasyfikacji.

Mając na uwadze miejsce, z którego wykonywane są zdjęcia, fotogrametrię można podzielić na lotniczą (aerofotogrametrię) i naziemną (terrofotogrametrię).

Fotogrametria lotnicza wykorzystuje głównie zdjęcia i zobrazowania wykonane z samolotu, chociaż używa się zdjęć ze śmigłowców, satelitów, a nawet bezzałogowych statków powietrznych – UAV (ang. Unmanned Aerial Vehicle) lub UAS (ang. Unmanned Aerial Systems). Ze względu na specyficzne problemy opracowania zdjęć i obrazów satelitarnych ten dział fotogrametrii określa się mianem fotogrametrii satelitarnej.

Fotogrametria naziemna wykorzystuje zdjęcia wykonane ze stanowisk naziemnych.

Ze względu na zastosowanie fotogrametrię można podzielić na topograficzną i nietopograficzną, nazywaną również fotogrametrią bliskiego zasięgu (ang. close range photogrammetry).

W pierwszym przypadku mierzonym obiektem jest powierzchnia topograficzna Ziemi i znajdujące się na niej obiekty sytuacyjne. Efektem pomiaru fotogrametrycznego są w tym przypadku najczęściej różnego rodzaju mapy oraz modele wysokościowe, opisujące ukształtowanie wysokościowe terenu, wykonane na podstawie zdjęć lotniczych.

Przedmiotem pomiaru fotogrametrii bliskiego zasięgu może być położenie, kształt, deformacja czy ruch różnych obiektów, konstrukcji, detali maszyn itp. Ten dział fotogrametrii znajduje zastosowanie w najróżniejszych dziedzinach. W zależności od indywidualnych przypadków i potrzeb wyniki pomiaru fotogrametrycznego mogą mieć zróżnicowaną formę.

Fotogrametria (lotnicza i naziemna) może opierać pomiar obiektu na pojedynczych zdjęciach (fotogramach) lub parach zdjęć (stereogramach). Jest to podstawą do wyróżnienia fotogrametrii jednoobrazowej i fotogrametrii dwuobrazowej (stereofotogrametrii).

Mając na uwadze przyjęte metody opracowania fotogrametrycznego, można wyróżnić:

1. Fotogrametrię analogową wykorzystującą analogową postać danych (zdjęcia analogowe na filmie zwojowym) i analogowe metody opracowania. Również postać końcowa ma postać analogową (mapa papierowa).

Metody analogowe polegają na optyczno-mechanicznym rozwiązaniu zależności geometrycznych między obiektem a jego obrazem fotograficznym. Wykorzystuje się tu głównie autografy analogowe pozwalające na rekonstrukcję wiązki promieni każdego z fotogramów (lotniczych lub naziemnych) tworzących stereogram i następnie zbudowanie przestrzennego modelu obiektu odfotografowanego na obu zdjęciach. Model ten można mierzyć i przedstawiać zwykle w postaci ciągłego opracowania graficznego. Typowym opracowaniem autogrametrycznym (na autografie analogowym) jest sytuacyjno-wysokościowa mapa kreskowa. Innymi powszechnymi instrumentami analogowymi są przetworniki optyczne i ortofotograficzne umożliwiające analogowe przekształcenie zdjęcia fotograficznego będącego rzutem środkowym na obraz fotograficzny w rzucie ortogonalnym. Typowym produktem takiego opracowania jest fotomapa czy ortofotomapa.

2. Fotogrametrię analityczną wykorzystującą analityczne metody opracowania. Wynik opracowania ma zwykle postać wektorową, zapisaną na nośnikach komputerowych. Typowym produktem fotogrametrii analitycznej jest mapa numeryczna.

Metody analityczne opierają się na rozwiązaniu zależności geometrycznych zachodzących między obiektem (terenem) a jego obrazem na zdjęciu (lotniczym czy naziemnym). Rozwój elektronicznej techniki obliczeniowej spowodował gwałtowny wzrost znaczenia metod analitycznych. Cechuje je uniwersalność, możliwość częściowej automatyzacji opracowania i uzyskania większej dokładności, większa swoboda dostosowania formy wyników do potrzeb danego zadania. Jednym z rezultatów rozwoju metod analitycznych jest rozwój aerotriangulacji analitycznej, wcześniej praktycznie niedostępnej ze względu na ogrom prac obliczeniowych. Aerotriangulacja jest metodą kameralnego zagęszczania osnowy na podstawie zdjęć lotniczych. Pozwala wyznaczyć elementy orientacji zewnętrznej zdjęć, które są niezbędne w dalszym etapie opracowania map z tych zdjęć. Tak więc, aerotriangulacja umożliwia zmniejszenie prac polowych. Innym przejawem rozwoju metod analitycznych i techniki obliczeniowej jest tworzenie map numerycznych, tj. zbioru odpowiednio zakodowanych współrzędnych punktów i informacji opisujących topograficzną powierzchnię, obiekty naziemne, podziemne, stanowiące treść takiej mapy, charakteryzującej się dokładnością równą dokładności samego pomiaru.

3. Fotogrametrię cyfrową, wykorzystującą cyfrową postać danych początkowych (postać rastrową), tj. zeskanowane zdjęcia analogowe lub pozyskane bezpośrednio kamerami cyfrowymi. Wynik opracowania może przybierać postać wektorową (np. mapa numeryczna) lub rastrową (np. cyfrowa ortofotomapa). Cechą wyróżniającą metody fotogrametrii cyfrowej spośród wcześniejszych jest bardzo wysoki poziom automatyzacji technologicznych procesów opracowania.

Produkty fotogrametryczne

Typowe produkty fotogrametryczne to:

1. Zdjęcia lotnicze z elementami orientacji zewnętrznej każdego z nich, wyznaczonymi w procesie aerotriangulacji, lub pomierzone bezpośrednio w locie. Zdjęcia takie zwykle nie są produktem końcowym, stanowią dane wyjściowe do opracowania właściwych, finalnych produktów fotogrametrycznych.

2. Mapy, obecnie w formie cyfrowej (dawniej analogowe), o różnym zakresie treści (mapy topograficzne, mapy zasadnicze, mapy do celów projektowych itd.). Mapy o treści topograficznej są współcześnie często komponentami bazy danych topograficznych.

3. Modele wysokościowe, a w tym numeryczny model terenu (NMT), tj. model opisujący ukształtowanie powierzchni terenu. Modele takie są wynikiem opracowania zdjęć lotniczych, danych lotniczego skaningu lotniczego (LiDAR) lub istniejących danych kartograficznych, rzadziej interferometrii radarowej.

4. Modele przestrzenne (3D) budynków, budowli i całych miast (tzw. modele miast 3D). Modele te są wynikiem opracowania zdjęć lotniczych, danych lotniczego skaningu lotniczego lub danych skaningu naziemnego i zdjęć naziemnych.

5. Cyfrowe ortofotomapy będące przekształceniem zdjęć lotniczych (i satelitarnych) na rzut ortogonalny z wykorzystaniem NMT. Mapy są wynikiem cyfrowego opracowania zdjęć i mają postać rastrową, zastąpiły wcześniejsze fotomapy w technologii analogowej.

6. Inne opracowania pomiarowe, w tym opracowania bliskiego zasięgu realizowane do różnych zastosowań. Ich forma może być zróżnicowana w zależności od potrzeb i charakteru opracowania. Mogą to być opracowania przestrzenne 3D (np. modele obiektów), wektorowe (rzuty, przekroje), rastrowe (np. rzut ortogonalny elewacji w formie przetworzonego zdjęcia), tabelarycznej (np. deformacje, zmiany położenia).

Zalety i ograniczenia fotogrametrii

Fotogrametria – jako jedna z metod pomiarowych, ma szereg zalet nad innymi geodezyjnymi metodami pomiarowymi:

1. Pozwala w krótkim czasie zarejestrować (sfotografować) bardzo duże obszary, a ich pomiar (np. opracowanie mapowe) przenieść do warunków kameralnych.

2. Wymaga bardzo niewielu kosztownych i czasochłonnych prac terenowych.

3. Zdalna rejestracja (fotografowanie z pułapu lotniczego) umożliwia kartowanie terenów trudnodostępnych lub zagrażających życiu przy pomiarach bezpośrednich (np. kopalnie odkrywkowe, kamieniołomy). Cecha ta ma również kluczowe znaczenie w przypadku tworzenia map obszarów miejskich, gdzie pomiar bezpośredni paraliżowałby normalne funkcjonowanie miasta.

4. Dokument pomiarowy, jakim jest zdjęcie fotogrametryczne, jest obiektywny i zachowuje wartość archiwalną. Pomiar może być powtórzony w dowolnym czasie. Łatwo jest zarejestrować i badać zmiany, jakie zaszły między okresami rejestracji.

5. Unikalną cechą opracowań fotogrametrycznych jest ich jednakowa dokładność i szczegółowość na całym obszarze opracowania. Wynika to z jednorodności technologicznej; duży obiekt (miasto, powiat), pokryty setkami czy tysiącami zdjęć lotniczych, jest opracowywany w jednym i jednorodnym ciągu technologicznym.

6. Metody fotogrametryczne, jak żadne inne metody pomiarowe, są podatne na daleko idącą automatyzację. Dotyczy to dominującej obecnie fotogrametrii cyfrowej.

Oprócz zalet fotogrametria ma również istotne ograniczenia. Są nimi:

1. Ograniczone możliwości fotografowania lotniczego spowodowane warunkami atmosferycznymi.

2. Nieopłacalność opracowania małych obszarów, pokrywanych przez niewielką liczbę zdjęć lotniczych.

3. Wysoki koszt sprzętu fotogrametrycznego (samolot, kamera, oprogramowanie) wymagający dobrej organizacji produkcji w celu jego amortyzacji.

4. Ograniczony dostęp do obrazowania obiektów, których obraz stanowi informację niejawną.

Organizacje fotogrametryczne, piśmiennictwo

Międzynarodową, pozarządową organizacją zrzeszającą fotogrametrów jest Międzynarodowe Towarzystwo Fotogrametrii i Teledetekcji – ISPRS, działające od 1910 roku. ISPRS zrzesza również organizacje narodowe. W Polsce taką organizacją jest Polskie Towarzystwo Fotogrametrii i Teledetekcji – PTFiT, działające od 1930 roku.

ISPRS działa poprzez tzw. komisje problemowe dzielące się na grupy robocze [www.isprs.org]. Oficjalnym wydawnictwem ISPRS jest czasopismo naukowe „ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing”.

Regularnie, co cztery lata, odbywają się kongresy ISPRS – bardzo duże, międzynarodowe spotkania fotogrametrów. Ostatnie kongresy miały miejsce w Melbourne (2012), Pekinie (2008), Istambule (2004), Amsterdamie (2000), Wiedniu (1996), Waszyngtonie (1992), Kyoto (1988), Rio de Janeiro (1984). Referaty naukowe z każdego kongresu publikowane są w kolejnych tomach seryjnego wydawnictwa, Archiwum – „ISPRS – International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Science”.

W okresach międzykongresowych mają miejsce międzynarodowe konferencje organizowane przez poszczególne Komisje ISPRS czy grupy robocze, publikujące wyniki w kolejnych tomach Archiwum. Wydawnictwa te są bardzo dobrym źródłem informacji o aktualnym stanie rozwoju fotogrametrii.

Polskim odpowiednikiem jest „Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji”. Pełne teksty publikacji znajdują się na stronie PTFiT [www.sgp.geodezja.org.pl/ptfit].

Inną organizacją o doniosłym oddziaływaniu jest Europejska Sieć Badawcza Danych Przestrzennych – EuroSDR (European Spatial Data Research Network), dawniej Europejska Organizacja Eksperymentalnych Badań Fotogrametrycznych – OEEPE (The European Organisation for Experimental Photogrammetric Research). Organizacja ta zrzesza państwowe agencje kartograficzne i organizacje naukowo-badawcze. Prowadzone są wspólne, ogólnoeuropejskie projekty badawczo-rozwojowe, wychodzące naprzeciw aktualnym potrzebom. Pełne raporty z realizacji tych projektów można znaleźć na stronie EuroSDR [www.eurosdr.org].

Wśród innych, cyklicznych publikacji można wymienić: miesięcznik Amerykańskiego Towarzystwa Fotogrametrii i Teledetekcji „Photogrammetric Engineering and Remote Sensing”, dwumiesięcznik Brytyjskiego Towarzystwa Fotogrametrii i Teledetekcji „Photogrammetric Record” czy Niemieckiego Towarzystwa Fotogrametrii i Teledetekcji „Zeitschrift für Photogrammetrie und Fernerkundung”.

Artykuły fotogrametryczne w języku polskim są publikowane na łamach miesięcznika Magazyn Geoinformacyjny „Geodeta” czy miesięcznika „Przegląd Geodezyjny”.

Czytelnikowi pragnącemu poznać i pogłębić wiedzę z zakresu współczesnej fotogrametrii można polecić podręczniki o zasięgu międzynarodowym:

– American Society of Photogrammetry and Remote Sensing: Manual of Photogrammetry, Fifth Edition 2004;

– Kraus K.: Photogrammetry. Geometry from Images and Laser Scans, Second Edition. Walter de Gruyter, Berlin, New York, 2007;

– Kraus K.: Photogrammetry, vol. 1: Fundamentals and Standard Processes (tłum. z niemieckiego). Dümmler. Bonn 1993;

– Kraus K.: Photogrammetry, vol. 2: Advanced methods and Applications (tłum. z niemieckiego). Dümmler, Bonn 1997;

– Schenk T.: Digital Photogrammetry, vol. I: Background, Fundamentals, Automatic Orientation Procedures. TerraScience, 1999.

W języku polskim można wskazać:

– Buttowt J., Kaczyński R.: Fotogrametria. Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa, 2010;

– Dorozhynskyy O., Tukaj R.: Fotogrametria. Wydawnictwo Politechniki Lwowskiej, Lwów–Kraków, 2009;

– Kurczyński Z.: Lotnicze i satelitarne obrazowanie Ziemi. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2006.

Ze względu na ogromny postęp w obszarze fotogrametrii publikacje wydane przed rokiem 1995 nie obejmują współczesnych problemów fotogrametrii cyfrowej.

1.2. Rozwój fotogrametrii na świecie

Początki fotogrametrii przed wynalezieniem fotografii

Zapisem otaczającej nas przestrzennej rzeczywistości i przeniesieniem jej na płaski obraz zajmowali się głównie malarze i rysownicy. Towarzyszyły temu poważne rozprawy naukowe. Artyści próbowali prawidłowo oddać trójwymiarowe obiekty na płaszczyźnie, tak jak widzi je ludzkie oko. W tym kontekście pojawia się pojęcie perspektywy. Jej istotą jest rzutowanie punktów przestrzeni na płaszczyznę względem pewnego punktu zwanego środkiem perspektywy. Takie przedstawienie obiektu jest bliskie naturalnemu widzeniu człowieka. Obraz ulega pewnej deformacji, charakteryzującej się zmniejszeniem obiektów wraz z oddalaniem od punktu obserwacji. Linie równoległe do siebie na obiekcie w perspektywie stają się zbieżne i zbiegają się w pewnym punkcie. Opracowane podstawy perspektywy (ściślej – perspektywy linearnej, inaczej zbieżnej lub geometrycznej) są do dzisiaj podstawą rysunków i obrazów, szczególnie w obrazowaniu architektury. Od strony geometrycznej perspektywa linearna jest tożsama z rzutem środkowym.

Przyrządem ułatwiającym wykonywanie rysunków zgodnie z zasadami perspektywy jest ikonometr (rys. 1.1). Na drzeworycie Albrechta Dürera, wykonanym w 1525 roku, widzimy artystę szkicującego leżącą kobietę. Artysta widzi modelkę przez siatkę umieszczonych przed nią prostopadłych nitek. Taką samą siatkę ma naniesioną na papier. Modelka jest obserwowana przez wskaźnik ustawiony w stałej odległości od siatki, a efekt jest przenoszony na papier. Z geometrycznego punktu widzenia artysta odtwarza przestrzenny obiekt (modelkę) w rzucie środkowym. Wskaźnik jest środkiem rzutów, a płaszczyzna siatki przed modelką jest rzutnią. Geometrycznie stanowi to pierwowzór kamery fotograficznej.

Rys. 1.1. Artysta posługujący się ikonometrem ułatwiającym szkicowanie z zachowaniem zasady perspektywy (drzeworyt Albrechta Dürera z 1525 r.)

W połowie XVIII wieku matematyk Heinrich Lambert opublikował matematyczne podstawy rzutowania oraz dostrzegł możliwość wykorzystania perspektywy do tworzenia map. Powstały teoretyczne podstawy pod fotogrametrię. Do praktycznej realizacji tej teorii brakowało efektywnej metody tworzenia obrazów perspektywicznych.

Wynalezienie fotografii nastąpiło w XIX wieku. Chociaż fotografia jest wpisana w definicję fotogrametrii, to jej początki odnajdziemy już w epoce renesansu, na początku XVI wieku, a nawet wcześniej.

Próbując odnaleźć prototyp aparatu fotograficznego, natkniemy się na znaną już w wiekach średnich tzw. camera obscura (dosłownie: ciemna izba), tj. skrzynkę, w ściance której znajdował się mały otworek, a na przeciwległej ściance tworzył się rzeczywisty i odwrócony obraz przedmiotów. Z czasem otwór zastępowano soczewką, która poprawiła jakość i jasność obrazu, a tylną ściankę – szkłem matowym, na którym pojawiał się obraz oglądany z zewnątrz. Kamerę taką wykorzystywali m.in. malarze do tworzenia szkiców z natury. Camera obscura można uznać za pierwowzór aparatu fotograficznego, który w przeciwieństwie do aparatu współczesnego nie mógł rejestrować obrazu.

Wynalezienie fotografii i pierwsze próby jej wykorzystania na potrzeby kartografii

W pierwszej połowie XIX wieku powstała seria wynalazków, które umożliwiły rejestrację obrazu i rozwój technik fotograficznych w dzisiejszym rozumieniu. Zjawisko światłoczułości soli srebra odkryto już w XVIII wieku. Mimo to udawało się uzyskać obraz, ale nie potrafiono go utrwalić. Dopiero wspólne doświadczenia Francuzów Josepha Niepce’a i Louisa Daguerre’a doprowadziły do wynalezienia procesu fotograficznego mającego praktyczne znaczenie. Daguerre po śmierci Niepce’a, w 1839 roku ogłosił metodę nazwaną dagerotypią. Data ta jest uznawana za rok powstania fotografii.

Termin „fotografia” po raz pierwszy został użyty przez Johna Herschela w trakcie prób stosowania dagerotypii do wykonywania portretów.

W 1855 roku Francuz Felix Tournachon (pseudonim Nadar) wykonał pierwsze zdjęcie z powietrza, wykorzystując do tego celu balon na uwięzi. Trzy lata później w podobny sposób wykonał zdjęcia Paryża.

Znane są przykłady wykorzystania zdjęć wykonanych z balonów w celu rozpoznania wojskowego. Zdjęcia takie były wykorzystane m.in. podczas wojny secesyjnej przy zdobywaniu fortu Richmond (1862 r.).

Rozwój fotogrametrii umożliwił zbudowanie kamer pomiarowych, tzw. fototeodolitów, będących połączeniem kamery fotograficznej z teodolitem. W 1859 roku francuski pułkownik Armie Laussedat opublikował fundamentalne dzieło „Metrotopografia”. Jego metoda polegała na wykonaniu zdjęć zbieżnych kamerą pomiarową, a następnie na ich graficznym opracowaniu. Metoda ta była przydatna do tworzenia opracowań mapowych terenów górskich.

Koniec XIX wieku przyniósł nowe konstrukcje fototeodolitów oraz stereoskopową obserwację zdjęć.

W 1901 roku Carl Pulfrich opracował konstrukcję stereokomparatora – instrumentu do stereoskopowej obserwacji i pomiaru pary zdjęć. Instrument wykorzystywał efekt stereoskopowy oraz tzw. pływający znaczek pomiarowy, do dziś powszechnie stosowane rozwiązanie. Pozwalał z dużą precyzją mierzyć współrzędne płaskie zdjęcia, dalej wykorzystywane do opracowania współrzędnych przestrzennych obiektu na drodze analitycznej.

Stereokomparator pozostawał do niedawna jednym z podstawowych instrumentów fotogrametrycznych służących do opracowania zdjęć fotogrametrycznych.

Początki lotnictwa i rozwój fotogrametrii lotniczej w okresie międzywojennym

Ponad wszelką wątpliwość przełomem w fotografowaniu z powietrza i rozwoju fotogrametrii było użycie samolotu jako nośnika kamery fotograficznej. W 1903 roku maszyna cięższa od powietrza skonstruowana przez braci Wright uniosła się na kilka sekund w powietrze – rozpoczęła się burzliwa era lotnictwa. Sześć lat później, 24 kwietnia 1909 roku, Wilbur Wright podczas pokazu lotniczego w pobliżu Rzymu wykonał pierwsze zdjęcie lotnicze z pokładu samolotu. Od tego momentu zdjęcia lotnicze były wykonywane do celów kartograficznych oraz wojskowego zwiadu lotniczego. Pionierami tej metody byli Włosi. Pomimo licznych udanych prób stosowania zdjęć lotniczych, władze wojskowe początkowo nie dostrzegły ich potencjalnych możliwości. U progu I wojny światowej tylko Niemcy dysponowały wojskowymi sekcjami aerofotograficznymi. Prawdziwy rozwój fotografii lotniczej przypadł na okres wojny. Dynamiczny rozwój lotnictwa oraz coraz doskonalsze konstrukcje kamer lotniczych spowodowały wzrost znaczenia zwiadu lotniczego.

Zdjęcia lotnicze po wojnie znalazły cywilne zastosowanie w geodezji, kartografii, geologii, leśnictwie i eksploracji obszarów arktycznych. Rozwinęła się fotointerpretacja. Równolegle rozwijała się fotogrametria zorientowana na pomiarowe wykorzystanie zdjęć lotniczych, głównie do tworzenia map topograficznych i fotoplanów. Powstały ulepszone konstrukcje kamer pomiarowych, rozwinęły się metody i instrumenty fotogrametryczne do pomiarowego opracowania zdjęć, w tym stereokomparatory, przetworniki fotomechaniczne i autografy analogowe.

W okresie II wojny światowej nastąpił dalszy rozwój fotografii lotniczej, głównie na potrzeby rozpoznania wojskowego. W zakresie metod opracowań fotogrametrycznych doskonalono konstrukcje kamer lotniczych oraz autografów analogowych do opracowań mapowych.

Autograf jest instrumentem pozwalającym na zbudowanie przestrzennego modelu terenu na bazie pary zdjęć. Różni się od stereokomparatora tym, że pomiarowi bezpośrednio podlegają przestrzenne współrzędne modelu obiektu. Rekonstrukcja modelu realizowana jest na drodze analogowej, mechanicznej lub optycznej.

Pierwszy autograf zbudował w 1908 roku Austriak Eduard von Orel. Umożliwiał on opracowanie zdjęć naziemnych, głównie terenów górskich wykonanych fototeodolitem. Następne dziesięciolecia to rozwój konstrukcji autografów analogowych, służących do opracowania zarówno zdjęć naziemnych, jak i lotniczych. Autografy można nazwać komputerami analogowymi, ponieważ umożliwiają realizację dość złożonych przestrzennych operacji geometrycznych na drodze analogowej.

Do momentu upowszechnienia komputera, o fotogrametrii mówiło się, że jest to „sztuka” unikania obliczeń. Złożoność operacji wykonywanych przez autograf analogowy uzasadnia takie stwierdzenie.

W latach trzydziestych do użycia weszły tzw. przetworniki fotomechaniczne, służące do „prostowania” zdjęć lotniczych i do produkcji fotomap.

Fotogrametria w okresie powojennym. Rozwój fotogrametrii analitycznej

Lotnicza kamera pomiarowa – we współczesnym rozumieniu – pojawiła się w końcu lat trzydziestych XX wieku. Wcześniejsze kamery lotnicze, masowo produkowane w czasie I wojny światowej i w okresie międzywojennym, były raczej kamerami rekonesansowymi, służyły do zwiadu lotniczego, w mniejszym stopniu odpowiadały dzisiejszym kryteriom kamer pomiarowych. W połowie lat sześćdziesiątych pojawiły się współczesne nadszerokokątne kamery pomiarowe.

Poprawa jakości zdjęć lotniczych i metod ich opracowania obserwowana na przestrzeni dziesięcioleci skutkowała zmianami relacji (wzrostem tzw. przełożenia) między skalą opracowywanej mapy a skalą zdjęć, z których mapa mogła być opracowana, z oczywistymi wynikającymi z tego skutkami ekonomicznymi. W początkowym okresie fotogrametria była postrzegana jako metoda opracowania map drobno- i średnioskalowych; wraz z rozwojem zakres ten przesuwał się w kierunku skal większych.

W latach powojennych, aż do lat sześćdziesiątych, ulepszano konstrukcje przetworników fotomechanicznych. Doskonalone były metody przetwarzania fotomechanicznego, w tym tzw. przetwarzania strefowego – pozwalającego na przetwarzanie zdjęć obszarów o znacznych deniwelacjach. Wynikiem przetwarzania jest fotomapa. Rozpowszechniona została tzw. kombinowana metoda tworzenia map topograficznych polegająca na tym, że treść sytuacyjną mapy bierze się z fotomapy, a rzeźbę terenu z terenowego pomiaru tachimetrycznego.

Obok metody kombinowanej dalszemu rozwojowi podlegała metoda autogrametryczna, oparta na pełnym opracowaniu zdjęć (zarówno sytuacji, jak i rzeźby terenu) na autografie. Rozwijały się konstrukcje autografów analogowych. Rozwój ten trwał do końca lat sześćdziesiątych.

W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych do użycia weszło, realizowane na ortoprojektach, przetwarzanie różniczkowe zdjęć. Polega ono na pasmowym (szczelinowym) przetwarzaniu zdjęcia, sterowanym przez informację o wysokości terenu otrzymywaną zwykle ze skanowania przestrzennego modelu na autografie. Wynikiem przetwarzania jest ortofotomapa – produkt doskonalszy pod względem geometrycznym i fotograficznym od fotomapy.

Intensywny rozwój techniki komputerowej w latach sześćdziesiątych rozpoczął pracę nad rozwijaniem metod analitycznych. Przełożyło się to na gwałtowny rozwój aerotriangulacji, wcześniej ograniczonej brakiem możliwości obliczeniowych. Aerotriangulacja blokowa umożliwiła łączenie bloków zdjęć w jednym procesie obliczeniowym. Efektem tego jest zmniejszenie zapotrzebowania na pomiary terenowe.

W 1961 roku fiński fotogrametra Uki Vilho Helava skonstruował autograf analityczny, który jest połączeniem precyzyjnego stereokomparatora z komputerem. Autograf analityczny szybko wyparł z produkcji autografy analogowe. Nastąpia era fotogrametrii analitycznej.

Rozwój fotogrametrii analitycznej sprzyjał doskonaleniu opracowań mapowych w dużych skalach, do skali 1:500 włącznie.

W tym samym czasie rozwijała się fotogrametria naziemna, określana jako fotogrametria nietopograficzna lub fotogrametria bliskiego zasięgu (ang. close range photogrammetry). Jednocześnie konstruowane były specjalistyczne kamery naziemne stosowane w pomiarach położenia i kształtu różnych obiektów oraz zjawisk: budynków, budowli, maszyn, rejestracji procesów szybkozmiennych, a także w architekturze, inwentaryzacji zabytków, przemyśle stoczniowym, przemyśle samochodowym, kryminalistyce i w wielu innych dziedzinach.

Obrazowanie satelitarne. Rozwój teledetekcji i fotogrametrii satelitarnej

Całkowicie nowy pogląd na procesy zachodzące na naszym globie dały zdjęcia i obrazy pozyskiwane z bliskich orbit wokółziemskich. Fotografowanie powierzchni Ziemi było elementem programu praktycznie wszystkich lotów załogowych oraz stacji orbitalnych. Rozwinęła się fotograficzna technika wielospektralna. Z bezzałogowych satelitów prowadzono obrazowanie telewizyjne, a później wielospektralne za pomocą skanerów optyczno-mechanicznych i elektrooptycznych. Najszybciej obrazy te znalazły zastosowanie w meteorologii oraz zmieniły spojrzenie na budowę geologiczną kontynentów.

Programy obrazowania powierzchni Ziemi miały charakter eksperymentów naukowo-badawczych. Doskonalenie tych technik i zdobyte doświadczenie, jak również wzrastające zapotrzebowanie na obrazy satelitarne, doprowadziły do powstania cywilnych programów obrazowania satelitarnego, których celem było permanentne i obliczone na lata monitorowanie powierzchni Ziemi. Pierwszym operacyjnym satelitą teledetekcyjnym był Landsat (1972 r.), który zapoczątkował program trwający do dziś, następnym – francuski satelita SPOT (1986 r.) i inne. Kolejno następujące po sobie satelity oraz sieci naziemnych stacji odbiorczych, połączone ze sprawną dystrybucją, otworzyły powszechny i nieograniczony dostęp do obrazów satelitarnych. Znalazły one uznanie i zastosowanie w wielu dziedzinach. Ciągłe prace nad polepszeniem sprawności systemów satelitarnego obrazowania powierzchni Ziemi wyraża się we wzroście ich zdolności rozdzielczej i jakości geometrycznej.

Globalna odwilż polityczna na świecie spowodowała otwarcie możliwości operowania satelitarnymi systemami obrazowania przez podmioty komercyjne. Postępy w opracowywaniu metod przetwarzania i interpretacji obrazów dały silny impuls do rozwoju teledetekcji. Rozpoczęto realizację programów wysokorozdzielczego obrazowania satelitarnego, o rozdzielczości zbliżonej do 1 metra. W roku 1999 zaistniał pierwszy z nich – Ikonos.

Przełomowość tego wydarzenia polega na tym, że obrazy z pikselem poniżej 1 metra, pod względem potencjału kartograficznego odpowiadają drobnoskalowym zdjęciom lotniczym. Oznacza to, że są one przydatne nie tylko do opracowań tematycznych, ale również do tworzenia na ich podstawie typowych produktów fotogrametrycznych, wytwarzanych dotąd ze zdjęć lotniczych, takich jak: cyfrowe ortofotomapy, numeryczny model terenu (NMT) czy bazy danych topograficznych. Systemy te – na etapie pozyskiwania danych pierwotnych – połączyły dwie grupy użytkowników: zorientowanych na interpretację i opracowania tematyczne oraz zorientowanych na opracowania pomiarowe.

W drugiej połowie następnego dziesięciolecia powstały nowe systemy obrazowania satelitarnego w zakresach optycznych z pikselem terenowym zbliżonym do 0,5 metra oraz satelitarne systemy obrazowania mikrofalowego o rozdzielczości zbliżonej do 1–2 metrów. Systemy te pozwolą pokryć cały glob danymi wysokościowymi o dokładności zbliżonej do 1 metra.

Era fotogrametrii cyfrowej

Przegląd rozwoju fotogrametrii prowadzi do lat współczesnych, które można określić jako erę fotogrametrii cyfrowej.

Istotę fotogrametrii cyfrowej łatwiej zrozumieć, analizując ją na tle historycznego rozwoju fotogrametrii. W perspektywie historycznej można wyróżnić cztery generacje fotogrametrii (rys. 1.2):

1. Fotogrametria pierwszej generacji.

Umownie za jej początek można uznać wynalezienie fotografii (1839 r.). W epoce tej pojawiły się pierwsze zdjęcia z powietrza, rozwinęła się fotogrametria naziemna, za pomocą której podjęto pierwsze próby wykorzystania jej do kartowania terenów górskich.

2. Era fotogrametrii analogowej. Fotogrametria drugiej generacji.

Została zapoczątkowana wynalezieniem samolotu (1903 r.) oraz zbudowaniem instrumentu do opracowania map sytuacyjno-wysokościowych na podstawie zdjęć lotniczych. Instrumentem tym jest autograf analogowy bazujący na obserwacji stereoskopowej (1915 r.); analogowa (papierowa) jest również postać mapy.

Mając na uwadze praktyczne skutki era fotogrametrii analogowej jest najdonioślejsza. To właśnie w tym okresie fotogrametria okazała się najefektywniejszą metodą kartowania dużych obszarów. Wtedy również została wypracowana teoria opracowań fotogrametrycznych.

Rys. 1.2. Etapy rozwoju fotogrametrii na tle innowacji technicznych [Schenk T., 2005]

3. Era fotogrametrii analitycznej. Fotogrametria trzeciej generacji.

Teoria fotogrametrii bazuje na geometrii analitycznej w przestrzeni trójwymiarowej, posługuje się zapisem wektorowym i macierzowym. Rozwiązywanie zadań fotogrametrycznych metodą analityczną w praktyce napotyka na bardzo rozbudowane obliczenia. Dopiero rozpowszechnienie komputera umożliwiło realizację tych zadań. Stało się to dzięki połączeniu precyzyjnego stereokomparatora do pomiaru współrzędnych tłowych zdjęć z komputerem do opracowania danych pomiarowych i wytworzenia produktu, np. mapy numerycznej – powstał autograf analityczny. Za początek ery analitycznej uznaje się rok 1961 – zaprezentowanie pierwszego autografu analitycznego AP-1.

4. Era fotogrametrii cyfrowej. Fotogrametria czwartej generacji.

Istotą fotogrametrii cyfrowej jest cyfrowa postać danych. Zdjęcia zamiast w postaci analogowej (na filmie) występują tu w postaci rastrowej i poddawane są opracowaniu na fotogrametrycznej stacji cyfrowej. Stacja taka wygląda jak komputerowa stacja graficzna. O jej możliwościach fotogrametrycznych decyduje zaimplementowane specjalistyczne oprogramowanie. Ze względu na swoją funkcjonalność stacja jest określana mianem autografu cyfrowego.

Za początek ery fotogrametrii cyfrowej uznaje się rok 1991 – moment pojawienia się pierwszych komercyjnych stacji fotogrametrycznych. W drugiej połowie lat dziewięćdziesiątych stacje zaczęły skutecznie wypierać z produkcji fotogrametrycznej autografy analityczne. Nastąpiła trwająca do dziś dominacja technologii cyfrowych. W pierwszych latach ery fotogrametrii cyfrowej jedyny wyłom w ciągu technologicznym stanowiły same zdjęcia. Aby wprowadzić je do cyfrowej technologii, konieczna była zamiana zapisu analogowego na postać cyfrową w procesie skanowania na specjalistycznych skanerach. Pojawienie się na rynku lotniczych kamer cyfrowych (2000 r.) i stopniowe wypieranie kamer analogowych pozwoliło zlikwidować ten wyłom.

Wydawać by się mogło, że zamiana zdjęć na postać cyfrową jest tylko zabiegiem technicznym, tym bardziej, że metody fotogrametryczne stosowane w dalszych etapach opracowywania zdjęć pozostały niezmienione. Co zatem decyduje o atrakcyjności fotogrametrii cyfrowej i jej niezaprzeczalnym sukcesie? Odpowiedź brzmi: automatyzacja.

Opracowanie zdjęć w postaci cyfrowej pozwoliło na automatyzację tego procesu. Obecnie obserwacja zdjęć może być zautomatyzowana dzięki technikom tzw. dopasowania obrazów (technika zbliżona do widzenia maszynowego, wykorzystywanego w robotyce).

Zautomatyzowanie obserwacji jest kluczem m.in. do automatyzacji procesu aerotriangulacji. Zaawansowana technika komputerowa umożliwia obecnie automatyczne łączenie w blok kilku tysięcy wyrównywanych w jednym procesie zdjęć.

Prawie całkowicie zautomatyzowane jest opracowanie numerycznego modelu terenu, oparte na automatycznym pomiarze przestrzennym do kilkuset tysięcy punktów na jednym zdjęciu. Również opracowanie cyfrowej ortofotomapy – obecnie najpowszechniejszego produktu kartograficznego – jest wysoce zautomatyzowane. Jedynym produktem nadal wymagającym pracy operatora jest tworzenie mapy w postaci wektorowej.

Obserwacje automatyczne są, w porównaniu do stereoskopowych obserwacji człowieka, zdecydowanie szybsze, zawierają jednak znaczny odsetek pomyłkowych obserwacji. Algorytmy wykorzystywane w stacjach fotogrametrycznych są bardzo podobne do wcześniej używanych np. w autografie analitycznym, ale muszą być dodatkowo obudowane procedurami pozwalającymi na eliminację obserwacji błędnych ze zbioru danych. Opierają się one na dość złożonych metodach statystycznych. Procedury te są skuteczne, a przebieg całego procesu jest niezawodny i w pełni automatyczny dzięki olbrzymiej nadliczbowości obserwacji.

Współczesna fotogrametria, w tym fotogrametria cyfrowa, nie ogranicza się tylko do opracowania zdjęć lotniczych. Innym, ważnym źródłem danych, o szybko rosnącym znaczeniu, są dane lotniczego skaningu laserowego (LiDAR), a także dane skaningu naziemnego. Rośnie również znaczenie danych obrazowych pozyskiwanych z pułapu satelitarnego. Wymienione dane źródłowe są przedmiotem zainteresowania fotogrametrii cyfrowej, a ich cyfrowa postać idealnie przystaje do procesu zautomatyzowanego opracowania.

1.3. Rozwój fotogrametrii w Polsce

Okres międzywojenny

Po odzyskaniu niepodległości Polska włączyła się w światowy nurt rozwoju fotogrametrii. Wyrażało się to powstaniem instytucji wdrażających metody fotogrametryczne do praktyki.

Prekursorem był prof. Bronisław Piątkiewicz, który w latach 1926–1939 zorganizował na Politechnice Warszawskiej pracownię fotogrametryczną i wykładał fotogrametrię. Z jego inicjatywy w 1924 roku powstał Oddział Fotogeodezyjny w Ministerstwie Robót Publicznych, a w 1928 roku – prace fotogrametryczne w Biurze Projektów Melioracji Polesia.

Wśród innych można wymienić Edwarda Warchałowskiego – profesora i rektora PW, autora pierwszego podręcznika „Zarys fotogrametrii” (1911 r.), Kaspera Weigla – rektora Politechniki Lwowskiej, współzałożyciela Polskiego Towarzystwa Fotogrametrii (1930 r.) czy prof. Mariana Brunona Piaseckiego – przez całe życie zawodowe związanego z pracą dydaktyczną na PW (lata 1927–1975), autora podręcznika akademickiego „Fotogrametria lotnicza i naziemna” – źródła wiedzy fotogrametrycznej dla wielu pokoleń polskich fotogrametrów.

Profesor Piasecki łączył działalność dydaktyczną z praktycznym wdrażaniem metod fotogrametrycznych w gospodarce narodowej. Był założycielem pierwszego przedsiębiorstwa fotogrametrycznego Fotolot, utworzonego przy Polskich Liniach Lotniczych (1930 r.). Przedsiębiorstwo dysponowało samolotami fotogrametrycznymi, którymi m.in. dla Ministerstwa Skarbu wykonano fotoplany dla ponad 5 mln ha. Fotoplany wykonywano również na potrzeby melioracji oraz dla kilkudziesięciu miast polskich.

Równolegle rozwijała się fotogrametria w instytucjach wojskowych. W ramach Wojskowego Instytutu Geograficznego powstał Samodzielny Referat Fotogrametryczny (1920 r.). Wykonywano zdjęcia, z których opracowywano fotomapy, a następnie mapy sytuacyjno-wysokościowe, m.in. odcinka granicy polsko-rosyjskiej o długości 1400 km. Fotogrametrię wykorzystywano do opracowań fotomap i pierworysów map topograficznych. Takimi opracowaniami pokryto około 150 tys. km² (40% powierzchni kraju).

Okres powojenny

Dekretem z 30 marca 1945 roku powołano Główny Urząd Pomiarów Kraju, a w nim Biuro Fotogrametryczne. Została reaktywowana komórka fotogrametryczna PLL LOT, w roku 1948 wykonawstwo zdjęć lotniczych przeniesiono do Zarządu Topograficznego WP.

W pierwszych latach powojennych skupiono się na wykonywaniu fotoplanów i fotoszkiców. W roku 1950 powołano Państwowe Przedsiębiorstwo Fotogrametrii i Kartografii, z którego w rok później wyodrębniło się Państwowe Przedsiębiorstwo Fotogrametrii (PPF).

W roku 1953 rozpoczęto trwające 5 lat opracowanie mapy topograficznej w skali 1:25 000 dla całego kraju. Dla terenów równinnych mapy te oparto na fotomapie (metoda kombinowana), w odniesieniu do terenów o większych deniwelacjach stosowno metodę zróżnicowaną (opracowanie rzeźby terenu na odbitkach zdjęć na stereometrze konstrukcji Drobyszewa), a terenów podgórskich i górskich – metodę autogrametryczną (pełne opracowanie sytuacyjno-wysokościowe mapy na autografach analogowych).

Kolejnym, ogromnym przedsięwzięciem było opracowanie w latach 1956–1975 tzw. szczegółowej mapy topograficznej w skali 1:10 000 i 1:5000. Z ogólnej liczby ponad 18 tys. arkuszy map, 85% wykonano metodą kombinowaną, a pozostałe metodą autogrametryczną [Linsenbarth A., 1991]. Opracowanie to stanowi największe osiągnięcie polskiej fotogrametrii powojennej.

W roku 1957 w Warszawskim Okręgowym Przedsiębiorstwie Mierniczym (WOPM) utworzono komórkę fotogrametrii zajmującą się wielkoskalowymi opracowaniami fotogrametrycznymi. Lata sześćdziesiąte to dynamiczny rozwój fotogrametrycznych opracowań wielkoskalowych.

W roku 1971 po raz pierwszy zastosowano w Polsce aerotriangulację blokową, do zabezpieczenia zdjęć w osnowę, konieczną na etapie opracowania map. W czasie 15 lat działalności produkcyjnej Dział Fotogrametrii WOPM wykonał mapy wielkoskalowe na powierzchni odpowiadającej powierzchni około 40 miast średniej wielkości.

W styczniu 1975 roku z połączenia Państwowego Przedsiębiorstwa Geodezyjnego (PPG), Państwowego Przedsiębiorstwa Fotogrametrii (PPF) oraz WOPM powstało Przedsiębiorstwo Geodezyjno-Kartograficzne (PPGK). Działalność PPGK obejmowała cały zakres opracowania map topograficznych i gospodarczych, od wykonawstwa zdjęć po druk map. Przedsiębiorstwo dysponowało pięcioma samolotami AN-2 wyposażonymi w kamery RC-10, autografami analogowymi i precyzyjnym stereokomparatorem. Po kilku latach wzrostu liczby opracowań wielkoskalowych w latach osiemdziesiątych nastąpił ich spadek.

Lata osiemdziesiąte to znaczny wzrost opracowań fotogrametrycznych wykonywanych w ramach działalności eksportowej, prowadzonej głównie w Iraku i Libii.

Silnie rozwijana w tym czasie była blokowa aerotriangulacja analityczna umożliwiająca prowadzenie map, szczególnie wielkoskalowych, w formie analitycznej. Działające w produkcji autografy analogowe modernizowano poprzez sprzęganie ich z komputerami, umożliwiając tym samym realizację aerotriangulacji analityczno-analogowej oraz tworzenie map numerycznych.

Fotogrametria krajowa w okresie powojennym, do końca lat osiemdziesiątych, wniosła znaczący wkład oraz sprostała dużemu zapotrzebowaniu na opracowanie map całego kraju, wynikające z potrzeb rozwijającej się gospodarki.

W zakresie rozwoju technik fotointerpretacyjnych i teledetekcyjnych oraz opracowań tematycznych znaczącą rolę odegrał Ośrodek Przetwarzania Obrazów Lotniczych i Satelitarnych (OPOLiS) utworzony w 1976 roku przy Instytucie Geodezji i Kartografii.

W okresie powojennym szeroki dostęp do zdjęć lotniczych i produktów pochodnych, powstałych przez ich fotogrametryczne opracowanie, był ograniczany przez przepisy związane z utajnieniem niektórych treści. Stwarzało to sytuację, w której dostęp do zdjęć lotniczych i produktów pochodnych dla szerokiego kręgu potencjalnych użytkowników był utrudniony bądź niemożliwy. Nie sprzyjało to upowszechnieniu fotogrametrii.

Przełom stuleci i lata współczesne

Po okresie transformacji w latach dziewięćdziesiątych zaczął tworzyć się rynek usług fotolotniczych i fotogrametrycznych. Wart odnotowania jest program pokrycia całego kraju kolorowymi zdjęciami lotniczymi zrealizowany w latach 1995–98 w ramach programu UE PHARE PL 9206: Land Information System przy Głównym Urzędzie Geodezji i Kartografii – GUGiK. Wykonano prawie 60 tys. zdjęć: w skali 1:26 000 dla całego kraju i 1:5000 dla dwudziestu aglomeracji miejskich. Ich wykonanie stanowiło „przekroczenie masy krytycznej” w rozwoju krajowej fotogrametrii i upowszechnieniu zdjęć lotniczych i produktów pochodnych do bardzo różnych zastosowań. Powstały firmy fotolotnicze dysponujące nowoczesnym sprzętem oraz firmy fotogrametryczne realizujące opracowania zdjęć technologiami cyfrowymi.

Nowa sytuacja polityczna i ekonomiczna sprzyjała powstawaniu nowych firm wdrażających technologie cyfrowe. Sprzyjały temu zdjęcia pozyskane w Programie PHARE. Ostatnie lata XX wieku to gwałtownie rosnące zapotrzebowanie na zdjęcia, początkowo w formie analogowej, a wkrótce w formie cyfrowej. Centralny Ośrodek Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej (CODGiK) kupuje kolejne skanery do zdjęć lotniczych, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu.

Główny Urząd Geodezji i Kartografii rozpoczyna realizację pilotażowych opracowań Bazy Danych Topograficznych o dokładności i szczegółowości odpowiadającej mapie topograficznej w skali 1:10 000, mające na celu wypracowanie standardów realizacji tego gigantycznego przedsięwzięcia. Standardy opracowano w 2003 roku.

Kolejnym ogromnym wyzwaniem dla krajowej służby geodezyjnej była konieczność wytworzenia Systemu Identyfikacji Działek Rolnych (LPIS – Land Parcel Identification System), będącego kluczem do unijnych dopłat dla rolników. W Polsce system został oparty na ortofotomapie cyfrowej w dwóch standardach: o rozdzielczości 0,25 m dla południowo-wschodniej części kraju i 0,50 m dla reszty obszaru, opracowywanej ze zdjęć w skali odpowiednio 1:13 000 i 1:26 000. Pierwsze pełne pokrycie ortofotomapą o takich parametrach zrealizowano za pomocą środków unijnych w latach 2002–2004. Zdjęcia i ortofotomapy są permanentnie aktualizowane co 4 lata. Odpowiedzialna za te działania jest Agencja Restrukturyzacji i Modernizacji Rolnictwa – ARiMR.

W latach 2007–2011 krajowe wykonawstwo fotogrametryczne stopniowo przeszło na wykonawstwo zdjęć kamerami cyfrowymi.

Następnym ważnym zadaniem jest wdrażanie europejskiej dyrektywy ustanawiającej Infrastrukturę Informacji Przestrzennej we Wspólnocie Europejskiej – INSPIRE (Infrastructure for Spatial Information in Europe). Za większość tematów odpowiedzialny jest GUGiK. Pociągnęło to za sobą zmiany krajowego prawodawstwa: przyjęcie Ustawy o Infrastrukturze Informacji Przestrzennej – IIP, a w ślad za nią szeregu rozporządzeń wprowadzających nowe standardy w geodezji.

Przyjęcie w 2007 roku dyrektywy w sprawie oceny ryzyka powodziowego i zarządzania nim, potocznie zwanej Dyrektywą Powodziową, nakłada na kraje członkowskie obowiązek opracowania map zagrożenia i ryzyka powodziowego. W tym kontekście powstał projekt informatyczny System Osłony Kraju przed nadzwyczajnymi zagrożeniami (ISOK), współfinansowany ze środków unijnych. GUGiK w tym Projekcie jest odpowiedzialny za przygotowanie danych geodezyjnych.

W ramach Projektu, realizowanego w latach 2011–2015, około 90% powierzchni kraju zostało pokryte danymi lotniczego skaningu laserowego (LiDAR), z których opracowany został precyzyjny numeryczny model terenu (NMT). Dodatkowo, dla 203 miast wykonano zdjęcia lotnicze i opracowano cyfrową ortofotomapę o rozdzielczości 0,10 m.

Obok wymienionych programów o zasięgu ogólnokrajowym realizowane są lokalne przedsięwzięcia, głównie z inicjatywy urzędów miejskich i starostw powiatowych.

Lawinowo rosną zastosowania naziemnego skaningu laserowego, głównie na potrzeby inwentaryzacji szlaków drogowych, tworzenia przestrzennych modeli budynków, budowli i całych miast, leśnictwa, ochrony środowiska, zarządzania kryzysowego czy geologii.

Jako kraj mamy do dyspozycji trzy rodzime firmy fotolotnicze, wyposażone w najnowocześniejszy sprzęt: kamery cyfrowe i skanery laserowe. Około 25 rodzimych firm podejmuje produkcję fotogrametryczną opartą na najnowszych technologiach cyfrowych.

Polska, na przestrzeni nieco ponad 10 lat, stała się krajem pokrytym nowoczesnymi produktami – wytworami fotogrametrii cyfrowej. Stan tego pokrycia stawia nas pod tym względem wśród przodujących krajów europejskich.