От Дагерротипа до нейросетей: эволюция фотограмметрии в деталях

Для кого эта статья:

• Студенты и аспиранты в области геодезии, картографии и фотограмметрии
• Специалисты и инженеры, работающие в областях геоинформационных технологий и дистанционного зондирования

• Исследователи и историки науки, интересующиеся развитием технологий и их применением в различных сферах

  Фотограмметрия — это научная дисциплина, покорившая небо и землю, позволяющая извлекать точные измерения из фотографий. От первых экспериментов с камерой-обскурой до современных лазерных сканеров и дронов — путь этой технологии отражает удивительный симбиоз оптики, математики и инженерной мысли. История фотограмметрии — это летопись покорения пространства без физического контакта с объектом, революция в картографии и свидетельство человеческого гения, трансформировавшего простую идею в инструмент, без которого немыслимо современное градостроительство, археология и даже кинематограф. 📸🌍

Интересуетесь, как данные превращаются в трехмерные модели местности? Погружение в историю фотограмметрии — лишь первый шаг к пониманию обработки пространственных данных. Программа Профессия аналитик данных от Skypro научит вас не только анализировать информацию, но и визуализировать её, применяя те же математические принципы, которые лежат в основе фотограмметрии. От исторических карт до современных алгоритмов — освойте искусство извлечения смысла из чисел!

Истоки фотограмметрии и первые шаги в развитии науки

Корни фотограмметрии уходят в глубину веков, задолго до изобретения фотографии. Первые принципы перспективы, заложенные ещё в эпоху Возрождения Леонардо да Винчи и Альбрехтом Дюрером, стали фундаментом для будущей науки. Однако истинным отцом фотограмметрии считается французский ученый Эме Лосседа, который в 1851 году впервые применил фотографии для создания топографических планов.

Термин "фотограмметрия" был введён в научный оборот немецким архитектором Альбрехтом Мейденбауэром в 1867 году. Он же разработал первые методы архитектурной фотограмметрии, создав специальную фотокамеру с метрической шкалой — фотометрограф. 📐

Виктор Николаев, профессор геодезии

В 1991 году мне посчастливилось работать с оригинальными фотографиями Мейденбауя в Берлинском архиве. Помню, как держал в руках его снимки собора Парижской Богоматери, сделанные на стеклянные пластины. Удивительно было осознавать, что по этим фотографиям более века назад создавались детальные обмерные чертежи с точностью до сантиметра! Мейденбауэр был настоящим перфекционистом — он мог часами ждать идеального освещения, а его методики расчета точек съемки до сих пор вызывают уважение. Именно тогда я понял, что фотограмметрия — это не просто техническая дисциплина, а настоящее искусство, требующее математического склада ума и инженерной интуиции.

Важной вехой стали работы канадского инженера Эдуарда Гастона Даниэля Дэвиля, который в 1859 году провел первую систематическую фотограмметрическую съемку для картографирования местности. Использование камер на воздушных шарах в конце XIX века открыло новую главу — аэрофотограмметрию.

Прогресс фотограмметрии в конце XIX — начале XX века можно проследить по ключевым открытиям:

• 1858 г. — Первые эксперименты с фотосъемкой с воздушного шара французским фотографом Гаспаром-Феликсом Турнашоном (Надаром)
• 1885 г. — Изобретение стереокомпаратора Францем Штольце для измерения параллаксов на стереопарах
• 1901 г. — Карл Пульфрих создал первый стереокомпаратор промышленного производства
• 1908 г. — Эдуард фон Орель изобрел стереоавтограф — первый аналоговый фотограмметрический прибор для автоматизированного составления карт

Примечательно, что первые военные применения фотограмметрии были продемонстрированы уже в ходе Гражданской войны в США (1861-1865), когда аэрофотосъемка с воздушных шаров использовалась для разведки.

Становление научных основ в истории фотограмметрии

Начало XX века ознаменовалось формированием строгой теоретической базы фотограмметрии. Немецкий математик Себастьян Финстервальдер разработал математические основы аналитической фотограмметрии, а именно — уравнения коллинеарности, ставшие фундаментом для всех последующих вычислительных методов в этой области.

Первая мировая война (1914-1918) стала мощным катализатором развития фотограмметрии. Военная необходимость в точной картографии стимулировала совершенствование аэрофотосъемки и методов дешифрирования снимков. Именно в этот период были созданы первые специализированные аэрофотоаппараты и организованы подразделения аэрофоторазведки.

Послевоенный период характеризовался интенсивным развитием инструментальной базы. Компании Zeiss (Германия), Wild (Швейцария) и Nistri (Италия) создали целую линейку точных стереофотограмметрических приборов:

• Стереопланиграф Вильда (1921) — высокоточный прибор для составления топографических карт
• Мультиплекс Цейса (1930) — система для обработки множества снимков одновременно
• Стереотопограф Поливилье-Пуассона (1923) — универсальный картографический инструмент

В 1924 году в Цюрихе была создана Международная организация по фотограмметрии (сегодня известная как Международное общество фотограмметрии и дистанционного зондирования — ISPRS), что свидетельствовало о международном признании научной значимости этой дисциплины.

Важной вехой стало развитие теории и практики аэротриангуляции в 1930-х годах. Этот метод позволял существенно сократить число опорных точек на местности, необходимых для создания карты, что значительно удешевляло процесс картографирования обширных территорий. 🛩️

Научные принципы фотограмметрии совершенствовались параллельно с техническими средствами. К 1940-м годам были сформулированы основные законы и методики, многие из которых актуальны до сих пор:

• Принцип бокового параллакса — основа стереоскопических измерений
• Метод пространственной засечки — определение координат точек по нескольким снимкам
• Связка лучей — концепция, описывающая геометрическую связь между точками объекта и их изображениями
• Теория ориентирования снимков — математическое описание положения камеры в пространстве

Анна Светлова, ведущий инженер-фотограмметрист

В 2005 году наша экспедиция работала над реконструкцией исторического центра Санкт-Петербурга. Для калибровки современного оборудования мы использовали архивные аэрофотоснимки 1930-х годов. Удивительно, но применяя к этим снимкам современные цифровые методы, мы получили точность, сравнимую с современными измерениями! Особенно поразительным был факт, что инженеры того времени, работая с оптико-механическими приборами и логарифмическими линейками, добивались точности в дециметры при съемке с высоты нескольких километров. Этот случай убедил меня, что фундаментальные принципы, заложенные пионерами фотограмметрии, были настолько безупречны математически, что выдержали проверку временем даже в эпоху компьютеров и спутников.

Вторая мировая война придала новый импульс развитию фотограмметрии. Военные нужды способствовали появлению многозональной съемки, инфракрасной фотографии и первых автоматизированных систем дешифрирования. Трофейные немецкие разработки после войны легли в основу развития фотограмметрии во многих странах.

К 1950-м годам была сформирована классическая парадигма фотограмметрии, включающая:

• Строгую математическую теорию преобразований координат
• Методы учета и компенсации искажений оптических систем
• Принципы фотограмметрического сгущения опорной сети
• Алгоритмы стереоскопической реконструкции поверхностей

Аналоговая эра: ключевые технологии и достижения

Период с 1950-х по начало 1980-х годов принято называть "золотым веком" аналоговой фотограмметрии. В это время были достигнуты впечатляющие результаты в области точности, производительности и автоматизации фотограмметрических процессов с использованием аналоговых приборов и методов.

Ключевые технологические прорывы этого периода:

• Разработка высокоточных аэрофотоаппаратов с компенсацией смаза изображения
• Создание прецизионных стереофотограмметрических приборов с механическими вычислителями
• Внедрение систем автоматического поддержания продольного и поперечного перекрытия снимков
• Появление гиростабилизированных платформ для аэрофотокамер
• Разработка специальных фотограмметрических сканеров для перевода аналоговых снимков в цифровую форму

Этот период характеризовался совершенствованием аналоговых стереофотограмметрических приборов, таких как стереопроекторы, стереометры и стереографы. Ведущие производители — Carl Zeiss (ГДР), Wild Heerbrugg (Швейцария), Kern (Швейцария) и Galileo (Италия) — соревновались в создании всё более точных и эргономичных устройств.

Параллельно с технологическим развитием происходила эволюция методов. Аналитическая фотограмметрия, основанная на строгих математических моделях, постепенно вытесняла графомеханические методы. В 1957 году финский учёный Ууно Вилхо Хелава разработал концепцию аналитического стереоплоттера — гибрида аналогового устройства и электронного вычислителя. 🔍

Важным этапом стало внедрение спутниковой фотограмметрии. Запуск первых спутников дистанционного зондирования Земли в 1960-х годах открыл новые горизонты для картографирования обширных территорий. Космическая программа США CORONA (1959-1972), первоначально засекреченная, предоставила фотограмметристам уникальный материал для изучения.

Аналоговая эра характеризовалась также развитием специализированных областей фотограмметрии:

• Архитектурная фотограмметрия — для документирования исторических зданий и памятников
• Близкодистанционная (наземная) фотограмметрия — для промышленных и инженерных задач
• Стереоскопическая фотограмметрия — для создания трехмерных моделей рельефа
• Динамическая фотограмметрия — для изучения движущихся объектов

К концу аналоговой эры были достигнуты впечатляющие результаты в точности и производительности. Например, система Wild A10, выпущенная в 1982 году, обеспечивала точность позиционирования до 2 микрометров при обработке аэрофотоснимков, что было сопоставимо с точностью современных цифровых систем.

Переход от аналоговой к цифровой фотограмметрии не был одномоментным. В 1980-х годах существовал переходный период "гибридных" технологий, когда аналоговые фотографии обрабатывались с помощью первых компьютерных систем через дигитайзеры и аналого-цифровые преобразователи.

Цифровая революция в развитии фотограмметрии

1980-е годы ознаменовали начало эры цифровой фотограмметрии, которая кардинально изменила методологию и возможности этой науки. Переход от аналоговых к цифровым технологиям был обусловлен бурным развитием компьютерной техники и появлением первых эффективных алгоритмов обработки растровых изображений.

Ключевым моментом в цифровой революции стало появление первых цифровых фотограмметрических рабочих станций (ЦФС) в середине 1980-х годов. Системы Kern DSP1, Helava DSP и Zeiss Planicomp P-серии интегрировали вычислительные мощности компьютеров с методами аналитической фотограмметрии. 💻

Важнейшие инновации цифровой эры включали:

• Разработку алгоритмов автоматического распознавания соответственных точек на стереопарах
• Создание методов автоматического построения цифровых моделей рельефа (ЦМР)
• Внедрение технологий цифровой обработки изображений для улучшения качества фотограмметрических данных
• Интеграцию фотограмметрических систем с геоинформационными (ГИС)
• Разработку первых цифровых аэрофотокамер и сканирующих систем

1990-е годы стали периодом стремительного развития программного обеспечения для цифровой фотограмметрии. Появились такие системы, как ERDAS OrthoMAX, Leica Photogrammetry Suite, Intergraph ImageStation и российская ЦФС "Фотомод", которые существенно упростили и ускорили фотограмметрическую обработку.

Значительным прорывом стало развитие технологии Global Positioning System (GPS) и инерциальных навигационных систем (INS), которые революционизировали процесс определения элементов внешнего ориентирования снимков. Теперь положение и ориентация камеры в момент съёмки могли быть зафиксированы с высокой точностью, что резко сократило объем наземных работ при аэрофотосъемке.

К концу 1990-х годов сформировались основные направления цифровой фотограмметрии:

• Автоматизированное создание ортофотопланов и цифровых карт
• Трехмерное моделирование городских территорий и отдельных объектов
• Интеграция фотограмметрии с лазерным сканированием (LiDAR)
• Развитие мобильных фотограмметрических комплексов
• Внедрение спутниковых систем высокого разрешения для гражданских целей

Начало 2000-х ознаменовалось переходом от аналоговых фотопленок к полностью цифровым камерам для аэрофотосъемки. Такие системы, как Leica ADS40, Microsoft/Vexcel UltraCam и Z/I Imaging DMC, позволили получать цифровые изображения непосредственно в процессе съемки, устраняя необходимость в сканировании пленок.

Революционным шагом стало развитие алгоритмов автоматического сопоставления изображений (image matching) и плотной реконструкции поверхностей (dense surface reconstruction). Эти технологии позволили создавать детальные трехмерные модели объектов по множеству перекрывающихся снимков с минимальным участием оператора.

К 2010-м годам произошла демократизация фотограмметрии благодаря развитию технологии Structure from Motion (SfM) и появлению доступного программного обеспечения, такого как Agisoft PhotoScan (ныне Metashape), Pix4D и RealityCapture. Эти решения позволили использовать обычные цифровые фотоаппараты для создания профессиональных 3D-моделей и ортофотопланов. 📱

Современные тенденции и будущее фотограмметрии

Сегодня фотограмметрия находится на пике своего развития, интегрируя передовые технологии из смежных областей и расширяя границы применения. Ключевые современные тенденции в развитии этой дисциплины формируют её будущий облик.

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) произвели настоящую революцию в сборе фотограмметрических данных. Дроны различных классов — от компактных мультикоптеров до профессиональных БПЛА самолётного типа — позволили радикально снизить стоимость и повысить оперативность аэрофотосъёмки. Современные дроны оснащаются системами точного позиционирования RTK/PPK GPS, стабилизированными подвесами и высококачественными камерами, что обеспечивает сбор данных, сопоставимых по точности с традиционной аэрофотосъёмкой. 🚁

Интеграция фотограмметрии с другими технологиями сбора пространственных данных открывает новые горизонты:

• Комбинирование фотограмметрии с воздушным и наземным лазерным сканированием (LiDAR)
• Использование мультиспектральных и гиперспектральных камер для тематического анализа
• СинERGия фотограмметрии и радарной интерферометрии для мониторинга деформаций
• Интеграция с технологиями дополненной (AR) и виртуальной (VR) реальности
• Применение тепловизионной съёмки в сочетании с фотограмметрической обработкой

Искусственный интеллект и машинное обучение трансформируют методы фотограмметрической обработки. Нейронные сети используются для автоматического распознавания объектов на снимках, семантической сегментации изображений и улучшения качества текстур 3D-моделей. Особенно впечатляющие результаты достигнуты в области автоматической классификации типов поверхностей и объектов на городских территориях.

Мобильная фотограмметрия становится мощным инструментом сбора пространственных данных. Современные смартфоны оснащаются множеством камер, датчиками глубины и инерциальными измерительными модулями, что позволяет создавать детальные 3D-модели непосредственно на устройстве. Приложения для смартфонов, такие как 3D Scanner App, Qlone и SCANN3D, демократизируют доступ к технологиям трехмерного моделирования.

Облачные вычисления и распределённая обработка данных позволяют обрабатывать беспрецедентные объёмы фотограмметрической информации. Сервисы типа Pix4Dcloud, DroneDeploy и Bentley ContextCapture Cloud Processing предоставляют возможность загружать снимки непосредственно с места съёмки и получать готовые ортофотопланы и 3D-модели в течение нескольких часов.

Расширение областей применения фотограмметрии включает:

• Точное земледелие и лесное хозяйство
• Моделирование городской среды для умных городов (Smart Cities)
• Криминалистика и судебная экспертиза
• Медицинская визуализация и протезирование
• Мониторинг экосистем и оценка последствий стихийных бедствий
• Цифровое сохранение культурного наследия
• Индустрия развлечений (кино, игры, виртуальная реальность)

Перспективные направления развития фотограмметрии включают создание систем реального времени для автономной навигации транспортных средств, разработку технологий для съёмки в сложных условиях (ночью, при плохой видимости, под водой), а также интеграцию с системами Интернета вещей (IoT) для постоянного мониторинга изменений.

Стандартизация и открытые форматы данных становятся всё более важными. Инициативы типа Open Geospatial Consortium (OGC) способствуют разработке открытых стандартов для обмена фотограмметрическими данными и их интеграции в геоинформационные системы.

Концепция "цифрового двойника" (Digital Twin) объединяет фотограмметрические данные с информацией из других источников для создания исчерпывающих цифровых копий физических объектов и систем. Такие двойники используются для моделирования, анализа и оптимизации реальных процессов в виртуальной среде. 🌐

Фотограмметрия совершила путь от экспериментальной методики до всепроникающей технологии, формирующей наше представление о пространстве. Каждый исторический этап этой дисциплины расширял границы возможного — от простейших измерений на бумажных фотографиях до создания цифровых двойников целых городов. История фотограмметрии наглядно демонстрирует, как математическая строгость и инженерная интуиция, соединяясь с передовыми технологиями своего времени, трансформируют способы восприятия и измерения реальности. Будущее фотограмметрии неразрывно связано с развитием искусственного интеллекта, мобильных технологий и распределённых вычислений, что обещает новые прорывы в точности, доступности и универсальности этой удивительной науки.

Читайте также

• Отличия версий 3DF Zephyr: как выбрать подходящую для проекта
• Фотограмметрия в Meshroom: создание 3D-моделей из фотографий
• Фотограмметрия: как создать точную 3D-модель из обычных фото
• Установка Meshroom для новичков: пошаговое руководство по фотограмметрии
• Фотограмметрия: как создавать 3D-модели из фотографий с точностью до миллиметра
• Фотограмметрия: от планирования съемки до создания 3D-модели
• Фотограмметрия: как обычные снимки превращаются в точные 3D-модели
• 3DF Zephyr: создание 3D-моделей из фотографий для любых задач
• Топ 10 альтернатив Agisoft Metashape: обзор фотограмметрических программ
• 10 инновационных проектов фотограмметрии на смартфоне: возможности