Gałęzią nauki i techniki zajmującą się rekonstruowaniem cech charakterystycznych obiektów na podstawie zdjęć (fotogramy) jest fotogrametria. Wspomniane fotografie wykonywane są przez specjalne urządzenia zwane kamerami fotogrametrycznymi. Pozyskuje się je w celu dokonania precyzyjnych pomiarów wielkości i kształtu danego przedmiotu lub terenu.

Fotogrametria dzieli się na lotniczą (aerofotogrametrię) oraz naziemną (terrafotogrametrię). To opracowanie skupia się na pierwszej z nich, gdyż produkty aeronautyczneaeronautycznyaeronautyczne są cenniejsze ze względu na obszar, jaki obejmują, oraz stwarzane możliwości interpretacyjne.

Zespół metod stosowanych przez podniebnych badaczy zwany jest teledetekcją, czyli wykorzystaniem różnego rodzaju sensorów do pozyskania danych z pewnej odległości (zdalnie lub częściowo zdalnie). Zabiegi teledetekcyjne można wykonywać z powierzchni ziemi, samolotów, a nawet z przestrzeni kosmicznej.

RGpS8NcqQftHZ

Szkic ołówkiem przedstawiający kosz balonu ze znajdującym się w środku człowiekiem, który robi zdjęcia dużym aparatem na statywie. Na koszu duży napis PHOTOGRAPHIE NADAR, pod spodem budynki widziane z lotu ptaka. Obrazek przedstawia wydarzenie z 1858 roku, kiedy fotograf wzniósł się w przestworza i jako pierwszy wykonał zdjęcia aeronautyczne obszaru Paryża.

R3Rk0E9knk81m

Zdjęcie Jamesa Wallace Black z 1860 roku uwieczniające na szklanym negatywie Boston z wysokości 365 m.

RSjnv88HfCbMn

Zdjęcie Rosjanina, porucznika Aleksandra M. Kovanko z 1886 roku zrobione na rekordowej wysokości 800 m. Przedstawia Petersburg z siecią budynków i przecinającą go rzeką.

R1V59GtcAh828

Na czarno - białej fotografii z przełomu XIX i XX wieku gołąb ubrany w swoistą skórzaną uprząż. Z przodu przymocowany jest do niej aparat fotograficzny.

RL6w4Kx13xEv3

Czarno - biała fotografia z okresu I Wojny Światowej przedstawia montaż kamery fotogrametrycznej Fairchild K-17 w samolocie wykorzystywanym do celów zwiadowczych. Na zdjęciu otwarta maska maszyny i mężczyzna dokonujący montażu.

RyGzqGPKEjG0f

Pierwsze zdjęcie Ziemi z kosmosu wykonane przez konstruktorów III Rzeszy za pomocą pocisku rakietowego V2 w dniu 24 października 1946 r. Na obrazku czarno-biały, niewyraźny fragment skorupy ziemskiej z otaczającą ją atmosferą ziemską. Przestrzeń kosmiczna w kolorze czarnym.

R12zN5TPVymPy

Na fotografii radziecki załogowy pojazd kosmiczny Woschod 2 znajdujący się w kosmosie. W tle planeta z otulającymi ją białymi obłokami i czarna przestrzeń kosmiczna. Zdjęcie z lat 60. XX wieku.

R1L7JtMPAigdR

Zdjęcie satelitarne amerykańskiego Fort Collins oraz otaczającego go terenu. Powierzchnia ziemi w kolorze brązowym, niewielkie białe budynki oraz zbiorniki wodne w kolorze ciemnozielonym.

Koszty misji wynoszenia sprzętu na orbitęniska orbita okołoziemskaorbitę były i są bardzo wysokie, dlatego od początku XX wieku aż po dziś dzień w znacznym stopniu skupiono się na rozwoju awiacji i fotografii lotniczej.

Duże zainteresowanie produktami działań aerofotogrametrycznych miało wpływ na doskonalenie samolotów oraz wyposażenia fotograficznego. Głównymi narzędziami pracy podniebnych fotografów są kamery fotogrametryczne będące przyrządami wykonującymi zdjęcia lotnicze, które zapewniają wierne odwzorowanie perspektywiczne obiektów i obszarów. Najważniejszymi elementami budowy takiego przyrządu są: urządzenie sterujące, ładownik, korpus kamery, podwieszenie oraz stożek obiektywu.

RXCkn3ebyD2ZE

Uproszczony schemat lotniczego aparatu fotograficznego. Prostokąt z prawej strony zawiera napis URZĄDZENIE STERUJĄCE połączony dwoma liniami z umieszczonym centralnie prostokątem z napisem ŁADOWNIK. Pod spodem doklejony mniejszy prostokąt KORPUS KAMERY, w który poniżej wchodzi prostokąt z podpisem STOŻEK OBIEKTYWU. Od prostokąta z napisem KORPUS KAMERY odchodzą w bok dwie linie proste wsparte na szaro-niebieskich elementach przypominających siłowniki. Podpisano je PODWIESZENIE. Wspiera się ono na dwóch kolejnych szarych liniach.

Systemy kamer fotogrametrycznych dzieli się na:

• systemy fotogrametrii płaskiej (jednoobrazowej) – aparaty ręczne obsługiwane manualnie przez pilotów lub montowane w samolotach,

• systemy fotogrametrii przestrzennej (dwuobrazowej), czyli systemy fotogrametrii stereoskopowej składające się z dwóch kamer robiących zdjęcia symultanicznie.

Mimo istnienia wielu urządzeń służących do przetwarzania i pozyskiwania danych najważniejszym przyrządem wykorzystywanym do przeprowadzania analiz zdjęć lotniczych jest ludzkie oko, a w zasadzie jego czułość spektralna, czyli zdolność do rejestracji fal elektromagnetycznych o różnych długościach. Człowiek jest w stanie zarejestrować fale o długości 380–750 nm.

Spektrum widzialne podlega obserwacji bezpośredniej, można więc uznać, że jest to podstawowa metoda fotointerpretacji cechująca się zarówno prostotą działania, jak i złożonością formy. Prostota polega na tym, że bardzo często automatycznie rozpoznajemy lub kojarzymy kształty, wielkości lub inne parametry widzianych obiektów, złożoność natomiast odnosi się do budowy aparatu wzrokowego, na który składa się wiele elementów.

RkaaUSjME1Km7

Na ilustracji znajduje się schemat budowy ludzkiego oka. Zaznaczono następujące elementy: 1. twardówka, 2. naczyniówka, 3. kanał Schlemma, 4. wyrostek rzęskowy, 5. rogówka, 6. tęczówka, 7. źrenica, 8. komora przednia oka, 9. komora tylna oka, 10. ciało rzęskowe, 11. soczewka, 12. ciało szkliste, 13. siatkówka, 14. nerw wzrokowy, 15. więzadełko rzęskowe. Najbardziej zewnętrzną częścią gałki ocznej jest twardówka, która w przedniej części oka, czyli nad komorą przednią oka, ustępuje miejsca rogówce. Po obu stronach od rogówki wewnątrz twardówki znajduje się kanał Schlemma, ukazany na ilustracji jako kilka kropek. Pod twardówką znajduje się warstwa naczyniówki. W przedniej części oka kończy jej nie ma, kończy się ciałem rzęskowym. Pod naczyniówką znajduje się siatkówka, pod którą z kolei mieści się ciało szkliste - największa część oka, stanowiąca niemal kulę, spłaszczoną od przodu. Z tyłu gałki ocznej znajduje się nerw wzrokowy. Przód oka stanowią - licząc od zewnątrz - rogówka, komora przednia oka, źrenic stanowiąca otwór w centrum tęczówki, następnie komora tylna oka i soczewka, po której bokach znajduje się więzadełko rzęskowe. Za soczewką znajduje się już ciało szkliste.

Promieniowanie rejestrowane przez człowieka dociera do oka w formie fotonów, które przenikają przez przezroczyste elementy przepuszczalne narządu wzroku – począwszy od rogówki i soczewki, przez ciało szkliste wypełniające oko, aż po siatkówkę, która przetwarza odebrany bodziec elektromagnetyczny w impulsy nerwowe docierające przez nerwy i drogi wzrokowe do płata potylicznego mózgu, gdzie powstaje obraz, jaki rzeczywiście widzimy. Jak to się dzieje, że dopiero w głowie tworzy się wizualizacja otaczającego nas świata? Jest tak za sprawą widzenia stereoskopowego, będącego zaawansowanym narzędziem wspomnianej wcześniej obserwacji. Metoda odbioru przestrzeni w taki sposób polega na łączeniu dwóch nieco różniących się od siebie obrazów pochodzących z oddzielnych rejestratorów (np. z oczu) w jedno trójwymiarowe zobrazowanie, dzięki któremu można uzyskać dodatkowe, cenne informacje dotyczące danego obiektu.

Na podobnej zasadzie działa urządzenie analityczne zwane stereoskopem, będące przyrządem optycznym, przez który można obserwować stereogramy dające wrażenie przestrzeni.

Badania przeprowadzane przy użyciu stereoskopów często wspomagane są streomikrometrami, prostymi urządzeniami przeznaczonymi do pomiaru różnic paralaksparalaksaparalaks podłużnych punktów obserwowanych pod stereoskopem.

R19Ru0bVT9dTK

Schematyczny rysunek stereomikrometru lub inaczej śruby mierniczej. Przyrząd zbudowany jest z szarych elementów, niebieskich fragmentów przypominających obiektywy oraz żółtych części z podziałką służącą do pomiaru. Pośrodku największy element z otworem służącym do patrzenia.

Oprócz wspomnianych, istnieją także inne instrumenty pomiarowe, między innymi:

• lupy proste,

• lupy fotointrepretacyjne,

• mikroskopy,

• stereopantometry i stereotopy – urządzenia półautomatyczne analityczno‑kreślarskie,

• interpretoskopy – narzędzia do badania wizualnego prezentowanych obszarów i obiektów,

• projektory wielospektralne – mechanizmy rzutujące zobrazowania filtrowane różnymi długościami fal,

• mikrofotometry – przyrządy do pomiaru gęstości optycznej niewielkich fragmentów obrazów,

• przetworniki optyczne „LUZ” – urządzenia przekazujące obraz zdjęć lotniczych na powierzchnię poziomą umożliwiającą kartowanie.

Większość wymienionych sprzętów wymaga manualnej (analogowej) obsługi użytkownika, jednakże są to narzędzia, które zostały w znacznej mierze wyparte przez cyfrowe metody fotointerpretacji. Grupą rozwiązań łączącą w zasadzie wszystkie sposoby badawcze są komputerowe rozwiązania typu GISGISGIS. Wymagają one zdjęć w postaci cyfrowej, które aktualnie są standardem w zakresie fotografii lotniczej, a w razie potrzeby skorzystania z fotografii archiwalnych istnieje możliwość digitalizacji obrazów (np. przy pomocy DTSDTSDTS). Najcenniejszymi pod względem analitycznym są zdjęcia multispektralne oraz wielkoformatowe.

RcforYXyCYXAd

Schemat obrazujący rodzaje zdjęć lotniczych. Obraz w pierwszej kolumnie pokazuje sposób robienia zdjęcia zrobionego pod kątem od 0 do 3 stopni, czyli przez aparat znajdujący się nad obiektem. Zielona płaszczyzna zobrazowana jest w stosunku 1:1, bez pokazania perspektywy. Obraz w drugiej kolumnie wskazuje na nachylenie aparatu wobec obiektu pod kątem powyżej 3 stopni. Czerwona płaszczyzna zwęża się w zależności od nachylenia, obraz zniekształca się perspektywicznie. Ostatnia kolumna pokazuje nachylenie ukośne aparatu w stosunku do fotografowanego obiektu. Widoczny jest horyzont. Podobnie jak w przypadku drugim, czerwono - żółta płaszczyzna zwęża się w zależności od kąta nachylenia.

Wśród zdjęć lotniczych wyróżnia się:

• pionowe

R1GYOYXZzk02Y

Przykład lotniczego zdjęcia pionowego. Aparat znajduje się nad obiektem. Cypel wrzynający się w zbiornik wodny z trawą i budynkami sfotografowany jest równolegle z góry, bez ukazania perspektywy.

• nachylone

R1dk92w1K3epf

Przykład lotniczego zdjęcia nachylonego. Punkt wykonania zdjęcia i ukazana perspektywa wskazuje na nachylenie aparatu wobec obiektu pod kątem powyżej 3 stopni. Na fotografii uchwycone krzyżujące się drogi, budynki oraz obiekty zielone, lasy i łąki.

• ukośne

RLCc8aJKt9sRa

Przykład lotniczego zdjęcia ukośnego. Aparat znajduje się pod znacznym kątem w stosunku do fotografowanego obiektu. Widoczny jest horyzont, który łączy się na ostatnim planie z niebem. Fotografia przedstawia rozlewisko rzeczne z otaczającymi je terenami zielonymi i budynkami. Oba brzegi rzeki łączy most.

Elementy, z których składają się aerofotogramy, to:

• obraz wewnątrzramkowy ukazujący sfotografowany obszar,

• elementy orientacji wewnętrznej – współrzędne tłowe punktów głównych (a),

• ramka tłowa – ukazuje informacje takie jak: numer zdjęcia, kąt nachylenia zdjęcia (b,e), godzina i data (c), wysokość (d), numer i ogniskowaogniskowa kameryogniskowa kamery (e).

RIUNCjgWde67Q

Schemat aerofotogrogramu. Na obrazku niebieski kwadrat z drugim kształtem przypominającym kwadrat w środku. Przez środek figury biegnie pionowo oś y, przecinają ja biegnące od przekątnych przerywane linie. Pośrodku, na styku linii zaznaczony punkt h. Dookoła na niebieskim tle znajdują się elementy orientacji wewnętrznej oznaczone jako punkt a: współrzędne tłowe punktów głównych. Na ramce tłowej umieszczone elementy pokazujące informacje takie jak: numer zdjęcia, punkt b i e: kąt nachylenia zdjęcia, punkt c: godzina i data, punkt d: wysokość i punkt e: numer i ogniskową kamery.

Zależnie od przeznaczenia fotografii oraz ukazywanego obiektu wytycza się rodzaj nalotów. Zdjęcia mogą być wykonywane pojedynczo (obszary izolowane) lub ciągiem. Drugi sposób dzieli się na naloty szeregowe (liniowe) bądź zespołowe (obszarowe), których obrazy wynikowe są łączone dzięki kryciu podłużnemu lub poprzecznemu.

R36As9cRur3CE

Schemat wykonywania zdjęć lotniczych. Kwadraty na schemacie symbolizują fotografowany teren. Pojedyncze zdjęcie obrazuje jeden kwadrat. Szereg zdjęć to trzy kwadraty obok siebie, częściowo na siebie nachodzące. Pokrycie podłużne symbolizują dwa kwadraty w szeregu, nakładające się na siebie, przesunięte względem siebie w osi pionowej. Zespół zdjęć przedstawia duża liczba kwadratów chaotycznie się pokrywających, natomiast pokrycie poprzeczne to jakby dwa szeregi nakładających się na siebie prostokątów, dodatkowo łączących się ze sobą stosownie od dołu i od góry.

Każdy z nalotów jest wcześniej planowany (np. na podkładach map topograficznych).

R1PALST4uJEgu

Schemat ukazuje projekt nalotu dla zespołu zdjęć. Na obrazku fragment mapy z podpisanymi miejscowościami oraz piktogramami symbolizującymi atrakcje turystyczne. Przez mapę prowadzi regularna serpentyna, zaczynająca się na górze po lewej stronie strzałką z napisem START. Czerwone linie pokazują odcinki wykonywania fotografii, przerywane linie miejsce przelotu bez fotografowania. Serpentyna biegnie nad atrakcjami i turystycznymi, kończy się strzałką z napisem STOP po prawej stronie obrazka na dole.

Dzięki tak wykonanym fotografiom możliwe jest przygotowanie ortofotomapy, czyli zespolenia zdjęć i wpasowania ich w wybrany układ odniesienia.

R1SyBjJzQsy0Z

Na fotografii ortofotomapa, czyli zespolenie zdjęć, które wspólnie po wpasowaniu w układ odniesienia tworzą w tym przypadku obraz nadmorskiego cypla z drogami i budynkami.

Proces analizy zdjęć lotniczych rozpoczyna się od pierwszego spojrzenia na zobrazowanie (bezpośrednia interpretacja cech obrazu) i może zostać wzbogacony o badanie przyrządami mierniczymi (analiza pośrednia). Informacje można pozyskiwać w sposób manualny lub komputerowy przy pomocy odpowiedniego oprogramowania i przystosowanych nośników danych. Parametry możliwe do odczytania na podstawie wizualizacji aeronautycznych to m.in. zmiany stanu obiektów, określenie wymiarów geometrycznych przedmiotów, analiza geologiczna, ukształtowanie terenu, poszukiwanie surowców.

Przykłady interpretacji zdjęć lotniczych/satelitarnych:

RKrdaFkaka03R

Fotografia cmentarza wykonana z lotu ptaka. Teren cmentarza zaznaczony czerwoną linią w kształcie zbliżonym do prostokąta. Obok budynki, pola i drogi.

Cmentarz często znajduje się na uboczu zabudowań oraz w niedalekiej odległości od kościoła; przyjmuje regularne kształty z centralną drogą często w formie krzyża.

RfgBBuIqqb5iM

Fotografia sadu z lotu ptaka. Z wysokości widoczne korony drzew posadzone w równych rzędach, obok kilka domów.

Sady znajdują się w niedużej odległości od zabudowań gospodarczych, mają zazwyczaj podłużny, regularny kształt i są ulokowane prostopadle do drogi.

Słownik