ФОТОГРАММЕТРИЯ И АРХИТЕКТУРА
Стоянчо М.Милошев
Высшее строительное училище им.Л.Каравелова, г.София
Немного истории.
В 1851 г. французский инженер Е.Лоседа изготавливает архитектурные чертежи строительного объекта, используя фотографии.
В 1875 г. московский фотограф Д.П.Езучевский сконструировал стереофотоаппарат.
В 1885г. немецкий ученый А.Мейденбауэр создает „Институт по фотограмметрии” с целью изучения и создания архива архитектурных объектов посредством фотографий.
Это свидетельствует о большом интересе к возможностям фотограмметрии в ее применении в разных областях архитектуры. В результате большого опыта, накопленного специалистами в разных странах мира, можно определить основные цели и задачи фотограмметрии при ее использовании для нужд архитектуры в наши дни, а именно:
- Территориальная и ландшафтная планировка
- Создание архитектурных проектов зданий и сооружений;
- Архитектурные измерения
- Восстановительные работы при архитектурных памятниках и скульптурах;
- Сохранение памятников истории и культуры;
Современная цифровая фотограмметрия не снимает ни с кого обязанности знать классические методы и соответствующие требования. Потому, что одна из возможностей реализации цифровой фотограмметрии – это сканирование классической фотографии и дальнейшая обработка созданного цифрового файла. Поэтому особенно важно знать, при каких условиях необходимо осуществить эту фотографию.
Территориальная и ландшафтная планировка
Использование фотограмметрии для нужд территориальной и ландшафтной планировки состоит в использовании как воздушной, так и земной фотограмметрии. При этом виде деятельности используются как карты, чьи масштабы находятся в границах от 1:10000 до 1:5000 (для общих проектов), так и планы масштаба от 1:2000 до 1:500, (для разработанных чертежей). Основное требование к картматериалам – отражать современное (моментное) состояние местности или объекта и обеспечить необходимую точность измерений.
Основными причинами планового искажения воздушных снимков являются: рельеф местности и наклон фотографии. Общее влияние этих двух причин можно дать формулой:
(1)
А для хоризонтальной фотографии:
(2)
Архитектурное проектирование
Архитектурное проектирование
включает в себя проектирование новых районов, зданий, сооружений,
разрабатывание новых архитектурных форм, внутреннюю архитектуру. Сюда входят
еще пространственное расположение объектов, выбор конструкции и строительных
материалов, организация рабочих мест и другие задачи. И здесь могут быть
использованы фотографии, фотосхемы, ортофотопланы. Очень часто используется
оптический монтаж фото- и стереоперспективы. Фотографии будущего сооружения
получаются посредством чертежей или макетов, (Фиг.1)
а)
б)
с)
Фиг.1 Фотоперспектива, (а); Фотография макета, (в); Фотомонтаж, (с);
Архитектурный обмер
Архитектурный обмер необходим при отсутствии чертежей при восстановлении, реконструкции и реставрации сооружений, а также при изучении памятников архитектуры, изготовлении моделей и макетов, при архиологических раскопках. Используются как фотограмметрические, так и стереофотограмметрические снимки.
Восстановительные работы по
памятникам архитектуры и скульптурам
Памятники архитектуры и истории, сохраненные на фотографиях, восстанавливаются посредством стереомоделей единичных фотографий, полученных от разных станций. Восстанавливаются не только видимые на фотографиях части сооружения, но и невидимые, используя косвенные признаки – такие, как тени, профили, цветные нюансы, особенности архитектурного стиля.
Сохранение памятников истории и культуры
В этой области все виды деятельности считаются с действующими в настоящий момент законами по сохранению исторических и культурных памятников. А эти виды деятельности связаны с инвентаризацией, исследованием состояния памятников, в том числе с определением деформаций, восстановлением чертежей при реставрации, созданием архива, пропагандой национальных памятников, организацией выставок и экспозиций.
Цифровая фотограмметрия
Непрерывное обогащение возможностей компьютеров дает возможность в 80-е годы „родиться” фотограметрии, находящейся на основе информатики. На рынке появляется все больше новых и новых компьютерных программ, позволяющих обработку цифровых „образов” (фотографий) при помощи PC.
Фотографии могут быть сделаны как метрическими камерами (на фотографиях изображается рамка с соответствующими маркерами), так и неметрическими камерами. В первом случае обработка стереопары (определение пространственного положения интересующих нас точек или стереоскопическое рассмотрение) осуществляется при помощи трех опорных точек, известных своими тремя координатами. Во втором случае необходимы минимум шесть таких точек. Для получения окончательных результатов, о которых шла речь выше, необходимо перейти через три этапа:
Получить корректно данные,
которые будут использованы при обработке стереопары;
Осуществить ориентирование
(внутреннее и внешнее) цифровых фотографий;
Измерения стереопары;
Данные, необходимые для обработки стереопары, записывают в подходящий файл. Эти данные должные нести общую информацию об объекте (имя, дату и час создания файла, имя руководителя проекта, необходимые инструкции по отдельным видам деятельности и т.д.); информацию о фотографиях (наименование всех фотографий, которые будут использованы, данные о камере и др.); информацию о стереомодели (наименование модели, дату и час ее создания, имя оператора и др.).
Создание подобного порядка работы позволяет: правильную классификацию файлов, полученных при осуществлении одного проекта в одном и том же каталоге; располагать множеством моделей, т.е. сравнительно большим количеством стереопар в одном проекте; в любой момент можно „открыть” независимо какую модель.
Ориентирование фотографий
Ориентирование фотографий можно осуществить двумя способами:
-когда характеристики камеры неизвестны, используется „Прямая линейная трансформация”, все ориентировочные элементы (ОЭ) определяются в одном этапе при наличии минимум 6-ти опорных точек (ОТ) пропорционально распределенных в трехмерном пространстве стереопары;
-при известных характеристиках камеры ориентирование протекает двумя этапами: „Внутреннее ориентирование” и „Внешнее ориентирование”; этот способ дает лучшие результаты.
Внутреннее ориентирование
Осуществляется посредством одной трансформации двух координатных систем, т.е. перехода от координатов-пикселей в фото-координаты (образная координатная система, определенная четырьмя маркерами на рамке фотографии).
Трансформационные формулы:
(3)
Обязательно используется МНМК, что позволяет вычислить и ср.кв.ошибку. Для каждой фотографии делаются измерения на четырех маркерах рамки (а в некоторых случаях на крестиках эталонной квадратной сети) и данные записываются в файл камеры. Налицо возможность (в зависимости от характеристик камеры) вычислить коррекции, полученные в результате дисторсии объектива.
Когда снимки получены путем дигитализации диапозитивов или бумажных копий, необходимо вводить и коррекции из-за деформации этих носителей. Для этой цели подходящая трансформация (например, равнинная аффинная трансформация) может выявить эти аномалии.
Внешнее ориентирование
При внешнем ориентировании определяются ОЭ, посредством которых путем измеренных образных координат одной точки на двух фотографиях и известных координат нескольких ОТ, вычисляются пространственные географические координаты этой точки. Припомним, что для каждой фотографии неизвестных ОЭ – шесть: три трансляции (Хо, Уо, Zо) и три ротации (κ,φ,ω).
Из известных в практике методов внешнего ориентирования чаще всего используется т.наз. двухэтапный метод. Первый этап известен под именем взаимное ориентирование, а второй – абсолютное. Причины тому: меньший объем вычислений; более точные результаты; лучше можно понять принципы фотограмметрии, что очень важно для работающих в области этой абстрактной дисциплины.
Взаимное ориентирование
Цель взаимного ориентирования – дать взаимное положение двух фотографий стереопары таким образом, чтобы для каждой точки объекта оба луча, посредством которых получены оба ее образа (правый и левый), пересеклись в одной-единственной точке, т.е. чтобы обе фотографии заняли положение, которое занимали во время фотосъемки. Возможны два пути для достижения этой цели.
При первом способе решения проблемы применяется условие, что вертикальный параллакс между двумя гомологическими точками равняется нулю. В нормальном случае съемки и небольших ориентировочных углах можно написать следующее уравнение:
(4)
При
втором способе взаимного ориентирования используется основной принцип
компланарности – при осуществленном взаимном ориентировании (Фиг.2), три
вектора 
– компланарны, т.е.
(5)
Где:
Х
– знак векторного умножения (
)
. – знак скалярното произведения, (u.v = u1v1+ u2v2 + u3v3)
х,у,z – образные координаты точки на левой фотографии.
– образные координаты
той же точки на правой фотографии.
Ориентирование образного вектора в направлении географического вектора осуществляется посредством следующей связи:
(6)
P’’
Z’’ y’’
P’
Z’ y’ O’’ x’’
B Bz
Bx By
O’ x’
P
Фиг.2 Взаимное ориентирование стереопары и компланарность
Где элементы ротационной транспонированной матрицы соответственно:
m11 = cosφ.cosκ
m12 = -cosφ.sinκ
m13 = sinφ
m21 = cosω.sinκ + sinω.sinφ.cosκ
m22 = cosω.cosκ – sinω.sinφ.sinκ
m23 = - sinω.cosφ
m31 = sinω.sinκ – cosω.sinφ.cosκ
m32 = sinω.cosκ + cosω.sinφ.sinκ
m33 = cosω.cosφ
Примем, что ориентировочные элементы левой фотографии равняются нулю; так образный вектор становится эквивалентен координатному вектору, т.е.
(7)
Математическая модель, которая используется при взаимном ориентировании, не является линейной. Для применения МНМК при выравнивании, необходимо привести его в линейный вид. Это достигается формулой Тэйлора и таким образом получаются уравнения поправок:
(8)
Второй способ дает некоторые преимущества:
-Формулы универсальны и могут быть использованы во всех случаях съемки, а не только в нормальном случае;
-Легко могут быть использованы приблизительные величины для неизвестных;
-можно с успехом использовать итеративное решение, которое ведет к более высокой точности;
- сравнительно большие по объему вычисления не являются проблемой при наличии современных вычислительных средств.
Модельные координаты
После того, как бывают определены ОСЭ, возможно вычислить модельные координаты всех вычисленных точек на фотографии:
(9)
Абсолютное ориентирование
Цель абсолютного ориентирования – трансформировать модельные координаты в географические координаты путем: масштабирования, трансляции и ротации, т.е. для обнаружения 7-ми неизвестных при этой трансформации необходимо располагать не менее, чем 8-ми известными координатами для применения выравнивания по МНМК. Используется связь
(10)
Эти уравнения действительны как в отношении воздушных, так и в отношении земных фотографий и позволяют использование опорных точек, при которых необязательно знать их три координаты.
Выводы
Сделанный в разработке анализ дает нам основание сделать вывод, что в архитектуре и строительстве можно применять как класическую (аналоговую, аналитическую), так и современную цифровую фотограмметрию. Известно много программ для ее осуществления на практике. Смело можно сказать – фотограмметрия возрождается. После одного перехода (в последние 20 лет), когда у нас все были ориентированы на тотальные станции и GPS, мировые достижения в области цифровой фотограмметрии подняли ее авторитет на неожиданно высокий уровень. Неоправданно будет, при этих возможностях, ей не найти свое заслуженное место и в этой практической деятельности.
Приложения
Ортофото – пл.Народное собрание
Трехмерное моделирование и
ортофото
г.Пазарджик
Трехмерное картирование – г.София
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Литература:
1. Финстервальдер Р., - Фотограмметрия, Геодезиздат, Москва, 1959, (превод от
немски).
2. Метелкин А.И., - Фотограмметрия в строительстве и архитектуре, Стройиздат,
Москва,1981.
3.
Carbonnell
M., - Architectural Photogammetry, “Non-Topographic Photogrammetry”,
ASPRS, 1989.
4. Chris Mcglone J., - Analytic
Data-Reduction Schemes in Non-Topographic
Photogrammetry, “Non-Topographic Photogammetry,
ASPRS, 1989.
5. Morot C., P. Grussenmeyer, - Tiphon 1.4 –
Logciel de stéréophotogrammétrie
numérique, Laboratoire de Photogrammétrie de l’INSA de Strasbourg, (ENSAIS), 1996.
6.
Boulianne M.,
Photogrammétrie fondamentale, Canada, 1998
7.
Preparation of digital
color orthophoto of Republic of the Bulgaria for LPIS, 4th
International Conference Recent Problemes in Geodesy and Related Fields with
National and International Importance, 28 February – 2 march 2007, Sofia