Fotogrametria – od narodzin do współczesności

Fotogrametria to dziedzina nauki i techniki zajmująca się odtwarzaniem kształtów, wymiarów i położenia obiektów na podstawie ich zdjęć. Mówiąc prościej – fotogrametria pozwala mierzyć i mapować świat rzeczywisty poprzez analizę fotografii. W poniższym artykule przedstawiono rys historyczny tej dyscypliny, jej ewolucję technologii w tym pojawienie się systemów LiDAR i dronów, przykłady oprogramowania fotogrametrycznego oraz ciekawostki i różnorodne zastosowania fotogrametrii – od najbardziej popularnych po te niszowe.

Początki fotogrametrii – XIX wiek

Fotogrametria narodziła się w połowie XIX wieku, niedługo po wynalezieniu fotografii. Za pioniera uważa się francuskiego oficera Aimé Laussedata, który już w latach 1849–1859 eksperymentował z wykorzystaniem zdjęć do sporządzania map topograficznych. Laussedat jako pierwszy opracował metody pozwalające określać z fotografii wymiary i kształty obiektów terenowych, za co bywa nazywany „ojcem fotogrametrii”.

W początkach fotogrametrii korzystano z aparatów na statywach do fotogrametrii naziemnej. Pierwsze zdjęcie fotogrametryczne z powietrza wykonał w 1858 r. Gaspard Félix Tournachon – sfotografował z balonu na uwięzi okolice Paryża. Zdjęcia te dowiodły, że fotografia z lotu ptaka może posłużyć do odwzorowania terenu. Niebawem także architekci dostrzegli potencjał nowej metody – już w 1858 r. Niemiec Albrecht Meydenbauer wykorzystał zdjęcia do inwentaryzacji katedry w Wetzlar, co uznaje się za pierwsze zastosowanie fotogrametrii w dokumentowaniu zabytków.

Pod koniec XIX wieku fotogrametria miała pierwsze instytucje i podręczniki. W 1885 r. w Prusach powstał Królewski Instytut Fotogrametrii pod kierownictwem Meydenbauera – do 1920 r. zgromadził on 20 tysięcy zdjęć zabytków i obiektów architektonicznych. W 1889 r. ukazał się pierwszy podręcznik fotogrametrii autorstwa Carla Koppe. Metody fotogrametryczne zaczęto stosować na większą skalę do tworzenia map – pionierem był Kanadyjczyk Édouard Deville, który w 1893 r. wykorzystał zdjęcia naziemne do wytyczenia mapy granicy Kanady z Alaską. Deville skonstruował też w 1896 r. stereoplanigraf – urządzenie do jednoczesnego analizowania dwóch zachodzących na siebie zdjęć (stereo) – co dało początek technice fotogrametrii stereoskopowej i instrumentom analogowym zwanym autografami.

Od aparatów i balonów do samolotów

Pierwsze dekady XX wieku to gwałtowny rozwój fotogrametrii, związany z postępem techniki fotograficznej i lotnictwa. Pojawiły się stereoskopy i stereokomparatory umożliwiające precyzyjne pomiary na podstawie dwóch zdjęć tworzących parę stereoskopową. W 1908 r. Eduard von Orel zbudował pierwszy stereoautograf, który półautomatycznie kreślił mapy warstwicowe na podstawie modelu 3D terenu widzianego w stereoskopie. Były to czasy fotogrametrii analogowej – pomiary wykonywano optycznie-mechanicznie, a wyniki rysowano ręcznie lub za pomocą mechanicznych autografów.

Równocześnie rozwijała się aerofotogrametria. Po raz pierwszy zdjęcia z pokładu samolotu zrobiono w 1908 r. – Wilbur Wright wykonał wtedy fotografie okolic Le Mans we Francji. Okres I wojny światowej potwierdził przydatność zdjęć lotniczych: już w 1914 r. samoloty rozpoznawcze wykonywały tysiące zdjęć dziennie, pomagając w tworzeniu aktualnych map frontu. W 1917 r. firma Eastman Kodak skonstruowała dla armii USA kamerę lotniczą K-1 na taśmę filmową, umożliwiającą seryjne zdjęcia z samolotu.

Po wojnie wiele państw zaczęło regularnie wykorzystywać samoloty do zdjęć mapowych – np. we Włoszech Umberto Nistri w 1919 r. sporządził fotomapę Rzymu w skali 1:10 000. Takie naloty fotogrametryczne stały się podstawą tworzenia nowoczesnych map topograficznych.

W okresie międzywojennym fotogrametria rozwinęła się także w Polsce – w 1924 r. prof. Kasper Weigel rozpoczął prace nad fotogrametryczną mapą Tatr, korzystając ze stereoskopowej analizy zdjęć lotniczych. Dla zobrazowania możliwości – już wtedy dało się z powietrza sporządzić mapę gór w skali 1:20 000, co było ogromnym osiągnięciem tamtych lat. W 1930 r. powstało Polskie Towarzystwo Fotogrametryczne, a w następnych latach rozwijano krajowe służby fotogrametryczne przy wojsku i administracji.

Trzy epoki fotogrametrii: analogowa, analityczna i cyfrowa

Po II wojnie światowej fotogrametria weszła w fazę analityczną. Oznaczało to włączenie w proces obliczeń matematycznych – najpierw za pomocą kalkulatorów i tablic, a wkrótce pierwszych komputerów. Kluczową postacią był Uuno Helava, który w 1957 r. opatentował analizator stereoskopowy sterowany komputerowo. W 1961 r. Helava zbudował pierwszy praktyczny autograf analityczny – urządzenie, w którym operator obserwował model 3D w stereoskopie, a komputer obliczał współrzędne i automatycznie kreślił mapę. Era fotogrametrii analitycznej (lata 60. i 70.) pozwoliła zautomatyzować wiele żmudnych obliczeń – pomiary stały się szybsze i dokładniejsze, choć wciąż wymagały obecności człowieka przy instrumentach optycznych.

Fotogrametria cyfrowa

Na przełomie lat 80. i 90. nastąpiła wielka rewolucja – fotogrametria cyfrowa. Rozwój komputerów osobistych sprawił, że całą fotogrametryczną obróbkę zdjęć można było przenieść do świata cyfrowego. Od około 1990 r. zdjęcia zaczęto skanować lub wykonywać już kamerami cyfrowymi, a specjalistyczne oprogramowanie przejmowało zadania dawnych instrumentów optycznych. Przykładowo, w latach 90. pojawiły się pierwsze w pełni cyfrowe stacje fotogrametryczne, umożliwiające automatyczne dopasowywanie zdjęć i generowanie modeli 3D terenu. Przestały być potrzebne klasyczne autografy – zastąpiły je komputery z odpowiednim oprogramowaniem. W 1991 r. fotogrametria cyfrowa była już na tyle rozwinięta, że datę tę podaje się symbolicznie jako początek obecnej epoki.

Oprogramowanie fotogrametryczne stało się osobnym tematem. Pierwsze pakiety pojawiły się wraz z upowszechnieniem komputerów – początkowo były to systemy działające na stacjach roboczych w instytucjach naukowych i wojskowych. Z czasem powstało wiele komercyjnych programów, m.in. do fotogrametrii lotniczej (np. Leica Photogrammetry Suite, Socet Set) oraz bliskiego zasięgu. Obecnie istnieje wiele pakietów programistycznych do fotogrametrii – zarówno profesjonalnych (np. Pix4D, Agisoft Metashape, Bentley ContextCapture), jak i darmowych dostępnych dla amatorów czy open-source np. OpenDroneMap. Dzięki nim fotogrametria stała się bardziej przystępna – dziś niemal każdy, dysponując aparatem (choćby w smartfonie) i odpowiednim programem, może spróbować stworzyć model 3D sfotografowanego obiektu czy terenu.

Pojawienie się technologii LiDAR

W kontekście pomiarów przestrzennych często pojawia się termin LiDAR. Choć LiDAR nie jest fotografią, lecz aktywną techniką skanowania laserowego, bywa integrowany z fotogrametrią i porównywany z nią. Technologia LiDAR narodziła się kilkadziesiąt lat po fotogrametrii – po wynalezieniu lasera w 1960 r. Już w 1961 r. skonstruowano prototyp urządzenia LiDAR, a w 1962 r. pojawił się pierwszy komercyjny system laserowego pomiaru odległości. Początkowo LiDAR stosowano głównie do badań atmosfery – w latach 60. kierowano wiązki laserowe na chmury i Księżyc (NASA prowadziła takie eksperymenty). Przełomowym wydarzeniem było wykorzystanie LiDARu na pokładzie misji Apollo 15 w 1971 r. – laserowy wysokościomierz posłużył do mapowania powierzchni Księżyca.

W kolejnych dekadach LiDAR rozwijał się stopniowo. Problemem długo pozostawał brak precyzyjnych systemów pozycjonowania – dopiero upowszechnienie GPS w latach 80. umożliwiło szerokie zastosowanie skanerów laserowych z powietrza. Od lat 80. zaczęto konstruować lotnicze systemy LiDAR do mapowania terenu. W latach 90. LiDAR stał się narzędziem komercyjnym – dostępne były już skanery emitujące tysiące impulsów na sekundę, co pozwalało na dokładne pomiary ukształtowania terenu i obiektów. W 1998 r. pojawił się nawet pierwszy skaner 3D na statywie do zastosowań architektonicznych oraz oprogramowanie do obsługi chmur punktów.

Dziś LiDAR jest często stosowany komplementarnie z fotogrametrią. Zalety LiDARu to możliwość penetrowania wegetacji (impulsy laserowe „widzą” przez przerwy między liśćmi) i uzyskiwanie geometrii terenu niezależnie od oświetlenia. Z kolei fotogrametria dostarcza bogatej informacji teksturalnej (kolory, szczegóły powierzchni). Obie metody łączy się np. w dokumentacji zabytków – skaner laserowy daje bardzo dokładną geometrię, a fotogrametria nakłada na to teksturę fotograficzną. Warto dodać, że technologia LiDAR wkroczyła także na pokłady dronów – w ostatnich latach dostępne są lekkie skanery montowane na UAV.

Fotogrametria z dronów i satelitów

Fotogrametria z załogowych samolotów była standardem przez większość XX wieku – wykonywano regularne naloty zdjęciowe, które następnie opracowywano kartograficznie. Jednak od przełomu wieków do gry weszły bezzałogowe statki powietrzne (UAV), potocznie zwane dronami. Początkowo drony były domeną wojska, później – w latach zimnej wojny – wykorzystywano je do rozpoznania. W zastosowaniach cywilnych drony zaczęły odgrywać rolę po 2006 r.

Pierwsze fotogrametryczne użycie dronów datuje się na lata 90. – np. 1995 r. izraelski przemysł lotniczy opracował dron z kamerą do zadań cywilnych. Prawdziwy przełom nastąpił jednak w drugiej dekadzie XXI wieku. W 2009 r. firma DJI wypuściła pierwszy komercyjny dron z wysokiej rozdzielczości kamerą, co otworzyło drogę szerszemu gronu użytkowników. Około 2013 r. fotogrametria dronowa stała się powszechnie dostępna – pojawiły się łatwe w obsłudze platformy UAV z autopilotem i GPS, które mogły samodzielnie wykonywać zaprogramowane misje zdjęciowe. Dron wyposażony w dobrą kamerę jest w stanie w kilkanaście minut oblecieć niewielki obszar, wykonując setki nakładających się fotografii, na podstawie których oprogramowanie generuje ortofotomapy i modele 3D.

Drony nie zastąpiły całkowicie samolotów – każdy ze środków ma swoje miejsce. Zalety dronów to niskie koszty oraz możliwość latania na niskim pułapie i w trudno dostępnych lokalizacjach. Małe drony mogą fotografować np. elewacje budynków, wnętrza wyrobisk czy obszary, gdzie duży samolot czy satelita nie zajrzy. Wadą dronów jest ograniczony zasięg i udźwig – mały quadcopter nie obleci tak rozległego terenu jak samolot, ani nie uniesie ciężkiej kamery o jakości porównywalnej z dużymi aparatami lotniczymi. Dlatego w dalszym ciągu na potrzeby krajowych ortofotomap używa się samolotów i samolotów w połączeniu z satelitami, natomiast drony królują w mniejszych projektach wymagających dużej szczegółowości.

Warto wspomnieć, że zanim upowszechniły się drony, podejmowano inne nietypowe próby wykonywania zdjęć z lotu ptaka. Jeszcze w XIX wieku eksperymentowano z fotografią z latawców – np. w 1889 r. Arthur Batut wykonał zdjęcia z aparatu podwieszonego do latawca, a wysokość lotu określił mierząc wysokościomierzem i znając długość linki. Spektakularnym przykładem jest fotografia San Francisco po trzęsieniu ziemi w 1906 r., wykonana przez George’a Lawrence’a za pomocą systemu latawców unoszących 49-funtowy aparat. Poniżej widać panoramiczny widok zniszczonego miasta uchwycony właśnie dzięki tej metodzie (kamera zawisła około 300 metrów nad ziemią):

Innym pomysłowym rozwiązaniem była fotografia gołębia. Podczas wojny secesyjnej w USA podejmowano próby wysyłania gołębi z miniaturowymi aparatami. Jednak prawdziwy rozwój tej techniki nastąpił na początku XX w.: w 1907 r. niemiecki aptekarz Julius Neubronner skonstruował mały aparat z samowyzwalaczem czasowym, który montował na piersi gołębia pocztowego. Gołębie fotografy okazały się na tyle skuteczne, że Neubronner otrzymał patent w 1908 r., a na wystawach w Dreźnie i Paryżu (1909–1911) demonstrował zdjęcia wykonane przez swoje ptaki, wzbudzając sensację. Choć w obliczu rozwoju lotnictwa wojskowego pomysł szybko zarzucono, jest to jeden z najbardziej oryginalnych epizodów w historii fotogrametrii.

Gołąb fotograficzny z miniaturowym aparatem na piersi. Gołębie wykonywały zdjęcia z powietrza dzięki czasowemu mechanizmowi spustowemu. Choć dziś wydaje się to ciekawostką, ponad sto lat temu była to realna technika pozyskiwania zdjęć lotniczych.

Wraz z rozwojem technologii fotogrametria lotnicza ustąpiła częściowo miejsca zdjęciom satelitarnym. Już od lat 60. XX w. satelity szpiegowskie wykonywały fotografie Ziemi, a od lat 70. dostępne stały się cywilne zobrazowania satelitarne. W XXI wieku rozdzielczość komercyjnych zdjęć satelitarnych sięga kilkunastu centymetrów, przez co w wielu zastosowaniach mapy ze zdjęć lotniczych zastępowane są ortofotomapami satelitarnymi.

Najpopularniejsze zastosowania fotogrametrii

Geodezja i kartografia: sporządzanie map topograficznych, ortofotomap, pomiary wielkoobszarowe. Fotogrametria pozwala na szybkie pozyskanie aktualnych danych o terenie – np. po klęskach żywiołowych (powódź, trzęsienie ziemi) wykonywane są naloty zdjęciowe w celu oceny zniszczeń. W geodezji fotogrametria służy także do pomiarów dużych obszarów, gdzie tradycyjne metody byłyby zbyt czasochłonne.
Inżynieria i budownictwo: monitorowanie postępów prac (np. dokumentacja wykopów, budów dróg z drona), pomiary objętości hałd i wykopów, kontrola odkształceń konstrukcji. Dzięki modelom 3D z fotogrametrii można np. obliczyć kubaturę składowiska urobku czy kontrolować stabilność nasypów. W górnictwie odkrywkowym drony z kamerami tworzą modele wyrobisk i hałd, co zapewnia nowy poziom dokładności i bezpieczeństwa pomiarów.
Urbanistyka i architektura: dokumentacja miast, tworzenie modeli 3D budynków i całych osiedli na potrzeby planowania przestrzennego. Fotogrametria architektoniczna pozwala inwentaryzować budynki zabytkowe bez potrzeby rusztowań – zdjęcia fasad wykonane z ziemi lub drona dają pełny model obiektu z dokładnością rzędu kilku milimetrów. W muzealnictwie i ochronie zabytków fotogrametryczna digitalizacja zabytków stała się standardem – trójwymiarowe modele rzeźb, fasad czy wnętrz są archiwizowane i udostępniane w celach badawczych oraz edukacyjnych.
Archeologia i historia: tworzenie ortofotomap stanowisk archeologicznych, modelowanie 3D znalezisk. Fotogrametria umożliwia nieniszczącą dokumentację wykopalisk – z serii zdjęć dronowych powstaje dokładna mapa warstw kulturowych, co pomaga archeologom w analizie układu stanowiska. Drobne artefakty (np. ceramika, kości) także mogą być skanowane fotograficznie i badane w formie modeli 3D. Przykładowo, paleontolodzy wykorzystują fotogrametrię 3D do zapisu śladów dinozaurów i kości – na modelach cyfrowych mogą analizować ich kształt bez ryzyka uszkodzenia oryginału.
Leśnictwo i geologia: fotogrametria lotnicza wspomaga inwentaryzacje lasów, pomiary powierzchni zalesienia, analizy osuwisk i form terenu. Na zdjęciach lotniczych i modelach cyfrowych można ocenić np. szkody po huraganie w drzewostanie, zagęszczenie koron drzew, czy oszacować masę biomasy. W geologii fotogrametrię stosuje się do poszukiwań surowców – zdjęcia z powietrza ujawniają cechy geomorfologiczne wskazujące na złoża, a modele 3D terenu pomagają w ich lokalizacji.
Rolnictwo precyzyjne: choć tu prym wiedzie teledetekcja wielospektralna, fotogrametria z dronów również ma zastosowanie – pozwala tworzyć szczegółowe modele 3D pól uprawnych. Na ich podstawie rolnicy analizują np. odwodnienie pól (model wysokościowy pokazuje zastoiska wody) czy planują prace melioracyjne. Dronowe ortomozaiki ułatwiają także dokumentację szkód rolniczych przy zgłaszaniu ubezpieczeń.
Nawigacja i transport: tworzenie trójwymiarowych modeli miast i terenu na potrzeby systemów nawigacyjnych, planowanie tras, analiza przeciwwypadkowa w transporcie. Fotogrametrycznie pozyskane modele dróg i skrzyżowań są wykorzystywane przy projektowaniu zmian organizacji ruchu i symulacjach widoczności.

Mniej znane i nowoczesne zastosowania

Medycyna: może zaskoczyć, że fotogrametria jest wykorzystywana także w medycynie. Chodzi tu głównie o fotogrametrię bliskiego zasięgu – specjalne systemy kamer rejestrują np. kształt ciała pacjenta. Zastosowania obejmują pomiary kręgosłupa (analiza wad postawy poprzez model pleców), planowanie operacji plastycznych na podstawie modelu 3D twarzy, wykonywanie protez i implantów (skanowanie kształtu szczęki, uzębienia). Technika ta jest bezkontaktowa i bezpieczna, a daje bardzo dokładny obraz powierzchni ciała. W stomatologii cyfrowe wyciski (skany fotograficzne uzębienia) stają się podstawą projektowania koron i aparatów ortodontycznych.
Forensyka i kryminalistyka: dokumentacja trójwymiarowa miejsc zbrodni i wypadków. Policja i biegli sądowi coraz częściej wykonują na miejscu zdarzenia serię zdjęć, by następnie złożyć je fotogrametrycznie w model 3D. Taki model pozwala przeanalizować przebieg wypadku (np. położenie pojazdów, ślady na jezdni) czy odtworzyć położenie dowodów. Jest to znacznie dokładniejsze niż tradycyjne szkice sytuacyjne i pozwala na wirtualne ponowne wejście na miejsce zdarzenia długo po zakończeniu oględzin.
Film, gry wideo i multimedia: fotogrametria znalazła „drugie życie” w przemyśle rozrywkowym. Twórcy gier komputerowych i filmów coraz chętniej sięgają po tę technikę do tworzenia hiperrealistycznych modeli obiektów i postaci. Zamiast modelować od zera, wykonuje się dziesiątki zdjęć prawdziwych rekwizytów, lokacji czy nawet aktorów, a następnie generuje z nich modele 3D z teksturami o fotograficznej jakości. Przykładem jest polska gra The Vanishing of Ethan Carter (2014), której twórcy sfotografowali rzeczywiste skały, rośliny, budynki z Dolnego Śląska i w ten sposób przenieśli je w cyfrowy świat gry. Fotogrametria pozwoliła uzyskać niezwykły realizm – gra wygląda jak świat „żywcem wyciągnięty z rzeczywistości”, co zawdzięcza ponad 150-letniej technice fotograficznej zastosowanej w nowatorski sposób. Również w kinie, przy efektach specjalnych, skanowanie fotogrametryczne obiektów (np. budynków, elementów scenografii) jest standardową praktyką.
Inne ciekawostki: fotogrametrię używa się w tak różnorodnych dziedzinach jak meteorologia (analiza chmur burzowych na podstawie zdjęć z kilku kamer – tzw. nefometria), sport (np. wyznaczanie trajektorii lotu piłki z nagrań meczowych), a nawet zoologia (badania ruchu zwierząt poprzez modelowanie ich ciała w czasie). W astronomii techniki fotogrametryczne posłużyły do opracowania szczegółowych modeli powierzchni planet na podstawie zdjęć sond kosmicznych. W 2012 r. sonda Mars Reconnaissance Orbiter wykonała serię zdjęć, które fotogrametrycznie przetworzono na mapę 3D znacznej części powierzchni Marsa. Można więc śmiało powiedzieć, że fotogrametria, która zaczynała od zdjęć balonem nad Paryżem, dziś sięga aż gwiazd – mapując inne światy.

Podsumowanie

Od prymitywnych aparatów na statywach i balonów z czasów Laussedata, przez szklane klisze Meydenbauera i drewniane stereoautografy, aż po drony wyposażone w GPS i algorytmy komputerowego widzenia – fotogrametria przeszła długą drogę. Historia fotogrametrii pokazuje, jak wynalazek fotografii zrewolucjonizował pozyskiwanie informacji przestrzennych o naszym świecie. Choć wydawało się, że w dobie satelitów technika ta straci na znaczeniu, nastąpiło jej odrodzenie w nowych obszarach (drony, modelowanie 3D, VR, gry). Dzięki fotogrametrii możemy dziś z wysoką dokładnością mierzyć wszystko: od gór i lasów, przez zabytkowe katedry, po ludzką twarz czy mały przedmiot. Pozostaje ona niezwykle użytecznym narzędziem łączącym świat analogowy z cyfrowym – zamieniając zdjęcia w dane i modele. Jak trafnie stwierdzono, w fotogrametrii „idea pozostała niezmienna, zmieniły się tylko narzędzia”. A rozwój tych narzędzi nadal trwa – kolejne lata przyniosą zapewne jeszcze dokładniejsze pomiary i zupełnie nowe zastosowania tej pasjonującej dziedziny nauki.

Model wykonał: Atlas 3D – fotogrametria Polska