mag.Zoran Stančič, dipl.inž.geod. Filozofska fakulteta, odd.za arheologijo,Ljubljana junij 1989, Ljubljana, YU AVTORSKI IZVLEČEK Zadnjih deset let se fotogrametrične raziskovalne dejavnosti osredotočajo na razvoj digitalne fotogrametrije. Nova metoda zahteva revizijo celega fotogrametričnega procesa od zajemanja podatkov do kartografskega prikaza. V tem članku je prikazan zgodovinski razvoj fotogrametrije kot znanosti in tehnologije. Podan je tudi pregled aktualnili raziskav na tem področju. AUTHOR'S ABSTRACT In the last ten years, photogrammetric research activites are phocoused on the develope- ment of the digital photogrammetry. New method demands a revision of the photogram- metric process as a whole: from data collection up to the cartographic presentation. This paper presents a historical developement of photogrammetry as a science and technology as we/1 as curent research activities on the method. 1.UVOD Sredi petdesetih let so dokaj skromno ob- javljeni prvi dosežki raziskav s področja· digitalne fotogrametrije (Rosenberg 55). Te raziskave so ostale v senci vrhunskih uspehov analogne fotogrametrije. Tedaj je bila namreč računalniška oprema še na tako nizki stopnji razvoja, da je bilo celo nume- rično izvajanje fotogrametričnih operacij neekonomično. Bliskovit razvoj tehnologije proizvodnje računalnikov v šestdesetih in sedemdesetih letih postavi realne osnove za razvoj digitalne fotogra-metrije. Toda šele ob koncu sedemdesetih let se najmočnejše raziskovalne organizacije začno ukvarjati s tovrstnimi raziskavami. Postavlja se jasno vprašanje: Kje je sedaj fotogrametrija in katere so smeri razvoja? V tem tekstu želimo predvsem definirati digitalno fotogrametrijo in jo postaviti na f}ravo mesto v kontinuiteti razvoja fotogrametrije kot znanosti in tehnologije. Le tako bomo lahko videli v katere smeri se danes aktualna fotogrametrija razvija in katere svetovne trende moramo tudi sami slediti. Hkrati je podan kratek pregled naših raziskovalnih dosežkov na tem področju. 2. RAZVOJ FOTOGRAMETRIJE Fotogrametrija se danes nahaja v enem od prelomnih trenutkov razvoja. Tehnični raz- voj znanosti in tehnologije poteka v fazah. Vsaka faza razvoja temelji na izumu ali tehničnem prodoru, ki mu sledi razvoj teh- nologije. Ko le-ta doseže popoln razcvet in postane metodološko "popisan list", sledi obdobje stagnacije. To obdobje lahko prekine le serija novih izumov in tehničnih prodorov. Oglejmo si kratek pregled zgodovine fotogrametrije kot jo poda Tor- legard (88). Fotogrametrija se je razvila kot nadomestilo klasičnim geodetskim metodam meritev za potrebe izdelave topografskih kart. Že v prvi polovici prejšnjega stoletja postane skoraj standardna metoda meritev fotogra- metrično snemanje s "fototeodoliti" in raču­ nanje kotov iz posnetkov (Manual of Photogrammetry 66). Pravi razmah doživi Geodetski vestnik 3/1989 90 fotogrametrija z razvojem zanesljivih balonov. Ti se začno uporabljati za potrebe topografskega snemanja iz zraka. Skoraj hkrati se fotogrametrična metoda meritev aplicira tudi na netopografskem področju. Leta 1858 ob izmeri katedrale v Wettzlaru nemški graditelj Albrecht Maydenbauer komaj preživi padec z grad- benega odra (Braum 69). Zato se odloči, da bo skušal "smrtno nevarno" klasično izmero arhitektonskih spomenikov v bodoče zamenjati s fotogrametrično izmero. Na prelomu stoletja skoraj istočasno Pulfrich in Fourcade neodvisno razvijeta stereokomparator kot pripomoček za opazovanje in merjenje koordinat homolog- nih točk na dveh posnetkih. Počasnost pos- topka izvrednotenja pogojuje razvoj analognega stereoavtografa, ki ga kon- struira slovenski oficir v avstroogrski vojski von Orel. Uspešna uporaba letal za potrebe rekognosciranja v prvi svetovni vojni pripomore k apliciranju letal za potrebe aerosnemanja. Tako so postavljene realne osnove za apliciranje fotogra-metričnih metod za izdelavo topografskih kart iz zraka. Pride do naglega razvoja fotogra- metrije, ki je slonel izključno na analognih metodah. Tako je sredi tega stoletja av- tonomno obvla_dala vsa področja fotogrametrije izključno analogna fotogra- metrija. Prav z metodami analogne fotogrametrije so praviloma po vsem svetu in tudi pri nas izdelane vse topografske karte. Z uveljavljanjem na netopografskih področjih, se v analognih fotogrametričnih metodah pojavijo problemi, ki jih v aerofotogrametriji ni. Ti problemi so vezani predvsem na zmožnosti analognih res- titucijskih inštrumentov pri izvrednotenju. Omejitve le-teh pri nagibu snemalnih osi, možnostih stereoefekta pri velikih višinskih razlikah, goriščni razdalji snemalne kamere in nastavitvi baze so praviloma velike (Car- bonell 75). Fotogrametrične restitucijske inštrumente v bližnjeslikovni fotogrametriji lahko razdelimo v tri skupine (Karara 85): - inštrumenti za normalne primere, ki so pogosto del bližnjeslikovnega "kamera/restitucijski inštrument" sis- tema - primer Wild C120/Wild A 40, - univerzalni restitucijski inštrumenti - primer Zeiss C-8 Stereoplanigraph, - topografski aerorestitucijski inštru- menti, ki lahko sprejmejo rahlo never- tikalne bližnjeslikovne posnetke - primer Topocart - Jenoptik. Potrebe po razvoju netopografske fotogrametrije pokažejo velike pomanj- kljivosti klasičnih analognih metod. Lahko ugotovimo, da celo univerzalni analogni restitucijski inštrumenti še zdaleč niso tako univerzalni, saj so praviloma le bolj ali manj specializirani za določene fotogrametrične primere. Postopno se artikulira tudi potreba po optimizaciji številnih postopkov v analognih metodah, kot so na primer relativ- na orientacija, absolutna orientacija ... V petdesetih letih pridejo na tržišče prvi računalniki. Kmalu se prično uporabljati v fotogrametriji - predvsem za potrebe aerotriangulacije. Ponavadi je bil prvi korak k analitični fotogrametriji opremljanje analognih inštrumentov s pripravami za numerično čitanje modelnih koordinat. Nas- tane jo takoimenovani hibridni sistemi (Makarovič 70) - analogni inštrumenti podprti z on - line računalnikom. Hkrati analitična fotogrametrija pogojuje razvoj sodobnih stereo in monokomparatorjev. Postavljena je na laž splošno veljavna trditev tridesetih let, ki je nastala ob navdušenju nad izrednimi rezultati analog- nega izvrednotenja, da namreč analitične metode nimajo nobene bodočnosti. Kot višek tehnologije analitičnih metod nas- tanejo analitični ploterji - inštrumenti, ki se po univerzalnosti ne morejo primerjati z "univerzalnostjo" tudi najbolj razvpitih analognih inštrumentov. Omogočajo izvrednotenje posnetkov z goriščnimi raz- daljami od nekaj centimetrov do nekaj metrov. Konvergenca ali večji nagibi slikov- nih osij:3_0 in več stopinj) pa ne predstavljajo nobenih omejitev. Ob vsem tem analitične metode pogojujejo pravo revolucijo v bližnjeslikovni foto- grametriji. Na podlagi razvitih algoritmov za nemerske kamere, kot so direktna linearna transformacija (ki sta jo razvila Abdel-Aziz in 91 DIGITALNA FOTOGRAMETRIJA Karara), rešitev z 11 parametri (Bopp & Krauss 78) in poenostavljena rešitev z 11 parametri (Adams 81) pride do široke uporabe na netopografskem področju. Ven- dar pa moramo ugotoviti, da analitična fotogrametrija svoj strmi razvoj počasi zaključuje. Razvojno vzeto so analitične metode začele stagnirati. So standardne možnosti fotogrametričnega izvrednotenja, ki jih obvlada že fotogrametrični operater. Vendar pa to še ni konec razvoja fotogrametrije. Že v prvi J~olovici osem- desetill let se kot poglavffno področje raz- voja odpre takoimenovana digitalna fotogrametrija. Povzemimo poizkus obra- zložitve Baehra (85), ki pravi, da v digitalni fotogrametriji celotno vsebino posnetkov (to je metrične in semantične informacije) numerično· kodiramo. Dobimo takoime- novan digitalni posnetek, ki ga nato z račun­ alnikom poljubno procesiramo. Kot že rečeno, prvi koraki so v digitalni fotogrametriji storjeni že v petdesetih letih. Vendar pa šele leta 1972 s satelitom LANDSAT dobimo digitalne posnetke, ki so bili že uporabni za kartografske potrebe. Vendar pa ti digitalni posnetki niso bili tudi v celoti digitalno izvrednoteni. Potrebe po razvoju robotike oziroma zmožnosti čutenja robotov pogojujejo razvoj digitalnih fotogrametričnih sistemov. Nenadoma smo se znašli v položaju, ko so konstruktorji robotov razvijali metode že znane fotogrametrom (na primer principi korelacije). Tako je zelo prosperitetna in- dustrijska panoga pogojevala nagel razvoj nove veje fotogrametrije - digitalne fotogrametrije. 3. DIGITALNA FOTOGRAMETRIJA Bliskovit razvoj mikroelektronike in polprevodniške tehnologije je vplival na vsa področja človekovega delovanja. Sodobni mikročipi in digitalni senzorji so botrovali potrebi po temeljiti reviziji fotogrametričnih procesov, posebno v fazi snemanja, ob- delave in shranjevanja podatkov. Uporaba digitalnih, torej nefotografskih kamer, omogoča direkten prenos podatkov v računalniške medije. S stališča računal­ niških znanosti je torej kamera le periferna vhodna enota računalnika. Dig italna slika se po zajemanju avtomatično obdela v računalniku. Računalnik torej nadomesti hkrati restitucijski inštrument in celo operaterja na njem. Neobstoj same fotografije v procesu je pogojeval pred- laganje drugačnega termina, namesto fotogrametrije -;:1~cl~9gJ§metrija (Hobrough & Hobrough 85). Ker pa je ta termin ožji in izključuje uporabo na primer skaniran_efoto- grafije, se ga za sedaj izogibajmo. . .. _ Praktična uporaba digitalne fotogrametrije se sprva omeji na slikovno korelacijo pri hibridnih analitično-digitalnih restitucijskih inštrumentih (glej Fras, ta ediciia) in iz- delavo digitalnega ortofota. Na drugi strani so potrebe konstruktorjev robotov pogo- jevale predvsem čim hitrejši popolnoma av- tomatiziran proces, ki so ga imenovali real - tirne fotogrametrija. Termin real - tirne pomeni v računalniških znanostih obdelavo vhodnih podatkov v sistemu tako hitro, da rezultate dobimo navidez istočasno z vhodom podatkov. Za sedaj si je real - tirne fotogrametrija zastavila za cilj izpeljavo celega procesa obdelave znotraj enega video cikla, torej čas med dvema zapored- nima zajemanjema iste točke na videodetektorju, to pa je 1 /30 ali 1 /25 sekunde, pač glede na vTaeostanaard (Gruen 88 :210). Prvi koraki k digitalni fotogrametriji pred- stavljajo reševanje nekega specifičnega procesa (praviloma krmiljenje robota ali kontrolo kvalitete). Problemi, ki so jih ob tem morali reševati fotogrametrični strokovnjaki v sodelovanju s konstruktorji robotov, so značilni za sam proces. Ponavadi je fotogrametrični postopek pravzaprav poenostavljen, saj je v teh primerih omejen le na analizo položaja točno določenih in signaliziranih točk, zelo pogosto pa je položaj teh točk že vnaprej približno znan. Na drugi strani je nakazan problem real- tirne obdelave, ki je vezan predvsem na zmogljivosti strojne računalniške opreme in pa popolno avtomatizacijo procesa kot celote. Hkrati je razvoj digitalnih tehnik za te specifične potrebe iniciral razvoj metode tudi za druga področja uporabe. Tako so se fotogrametrični strokovnjaki lotili Geodetski vestnik 3/1989 92 problemov, ki jim že tradicionalno pripadajo. Tako Novak (88) predlaga uporabo računalnika za potrebe digitalnega redresiranja slik v arhitektonski foto- grametriji. Agnard et al. (88) so razvili programsko opremo, ki naredi iz osebnega računalnika enostaven analitični stereores- titucijski inštrument. Fotografski stereopar se skanira, z zrcalnim stereoskopom operater opazuje tridimenzionalno sliko na monitorju, "miško" pa uporablja za vodenje nitnega križa. Računalnik on-line računa prostorske koordinate objekta. Tudi Kos- matin-Fras (88 in ta edicija) predlaga off-line digitalni ortofoto sistem, ki se v marsičem razlikuje od prikazane splošne sheme. Med drugim je ugotovljeno, da lahko z metodo fotogrametričnih meritev s CCD kamerami z večih stojišč dosežemo relativno natančnost dosti več kot 1 :1.0000, kar zadošča za srednje zahtevne potrebe v in- dustrijski fotogrametriji (Shortis 88). V (Stančič 89) analizira uporabo digitalne fotogrametrije za potrebe dokumentiranja arheoloških izkopavanj. Ob vseh informacijah o eksperimentalni strojni podpori fotogrametričnih sistemov si velja ogledati nekaj specifičnih problemov, ki ob tem nastanejo (EI-Hakim 86 in Fras, ta edicija). Pridobivanju slike sledi redukcija šuma in izboljšava slike. Cilj te faze je zagotoviti optimalne pogoje na celotnem posnetku. Uporabljajo se različne programske operacije, ki jih izbira uporab- nik. Sledi faza segmentacije in ekstrakcije oblik (strojno izvajanje), ki predstavljata skupaj ugotovitve posameznih oblik na pos- netku. Rekognosciranje tarč in odkrivanje robov objekta (oblike) je naslednja izredno pomembna faza procesa, ki se izvaja tako-s strojno kot tudi s programsko opremo s pomočjo vhodnih informacij o objektu. Faza lociranja tarč se obdela po različnih že raz- vitih algoritmih (Mikhail et al.84, Gruen 85), Raziskave kažejo, da se ob analizi okolice tarče 3 x 3 pikslov ali 5 x 5 pikslov da doseči natančnost pod 0, 1 piksla (Mikhail et al.84), Sledi faza vzporejanja dveh ali večih pos- netkov za potrebe določanja prostorskih koordinat. Postopek se izvaja v dveh fazah. Najprej se na podlagi oslonilnih točk določijo elementi orientacije kamere in parametri kalibracije, v naslednji fazi pa se vzporejajo vse točke razen oslonilnih. Iz teh podatkov se izračunajo sive vrednosti iz- hodne matrike. Vidimo torej, da je fQtogrametrični proces kot celoto možno v precejšnji meri av- tomatizirati. Vendar pa se postavlja vprašanje, kje so v tem trenutku meje digitalne fotogrametrije. Obstajata predvsem dve glavni omejitvi (Helava 88). Na eni strani je to strojna omejitev, to je pomanjkanje primernih digitalnih kamer (glej več v Stančič, ta edicija). Velja namreč, da je trenutno le nekaj digitalnih kamer, ki imajo ločljivost manjšo od 10 mik- rometrov.Primer take kamere je Kodak Megaplus, ki pa je tudi temu primerno draga. Skratka, pojavlja se osnovni prob- lem, ki je povezan z najobčutljivejšo fazo fotogrametrične tehnološke linije kot celote, to je fazo zajemanja podatkov, Gre torej za problem bistveno manjše količine podatkov že ob zajemanju. Če primerjamo ločljivosti kamer, se moramo zavedati, da se ob linear- nem povečanju ločljivosti količina podatkov poveča kvadratno. Vendar pa moramo poudariti, da pri reševanju tega problema fotogrametrični strokovnjaki lahko sode- lujemo le kot konzultanti. Hkrati paje odprta pri digitalni fotogrametriji avtomatizacija identifikacije in fotointer- pretacije. Medtem ko so tehnike digitalne obdelave posnetkov že vrsto let standardno orodje (glej Čeh et al., ta edicija), se postavi vprašanje izbora pravih tehnik in njihova zaporedja ter identifikacije objektov. Jasno je, da tega problema ne bomo mogli zadovoljivo rešiti brez najsodobnejših orodij, med katerimi sta na prvem mestu umetna inteligenca in ekspertni sistemi. In prav to je področje raziskav, ki ga nujno moramo prevzeti fotogrametrični strokovnjaki. Dejstva, da je do operativno popolnoma avtomatizirane univerzalne digitalne fotogrametrične tehnološke linije še daleč, pa nas ne sme onemogočati v aplikacijah te tehnike na številna področja z manjšo stopnjo avtomatizacije, Ob vseh možnostih uporabe v bližnjeslikovni fotogrametriji moramo nujno poudariti tudi prednosti digitalnih tehnik v postopkih pridobivanja in obdelave informacij v GIS (Makarovič, ta edicija). 93 DIGITALNA FOTOGRAMETRIJA Digitalna fotogrametrija prinaša s sabo celo vrsto novosti, ki bodo močno vplivale na dojemanje fotogrametrije kot znanosti in tehnologije. Tako se med drugim pojavljajo napovedi, da se bo prav zaradi razvoja digitalne fotogrametrije (kjer celotna ob- delava slike teče na bolj ali manj univerzal- nih računalnikih, ne pa na specialnih analognih ali analitičnih inštrumentih) močno zmanjšal interes po nakupu fotogrametričnih restitucijskih inštrumen- tov. Tega se zavedajo tudi proizvajalci fotogrametrične opreme, ki se čedalje bolj usmerjajo prav v to vejo razvoja. V prihod- nosti bo celoten fotogrametrični proces opravil primeren računalnik, kjer bo edina fotogrametrična "stvar" programska oprema. 4. ZAKLJUČEK Z gotovostjo lahko zatrdimo, da je digitalna fotogrametrija danes najaktualnejše področje razvoja fotogrametrije kot znanosti in tehnologije. Bliskovit razvoj računalnikov je zahteval temeljito revIzIJo fotogrametričnega procesa kot celote. Številna dejstva, ki kažejo nagel razvoj aplikacij fotogrametričnih metod na LITERATURA netopografskem področju, predvsem pa v industriji in medicini, postavljajo fotogrametrijo v novo luč. Prav zato se fotogrametrični strokovnjaki ne smemo pos- taviti v standardno pozicijo zaščite svojega znanja in vztrajanja na tradicionalnih metodah. Le z razvojem svojega znanja in uveljavljanjem le tega v družbi bomo dosegli primeren odnos družbe do fotogrametrije in geodezije. Ne smemo dovoliti, da bi šel razvojn9vih digitalnih metod mimo nas. V tem procesu moramo tvorno sodelovati in tudi prodati svoje znanje. "I o znanje pa niso samo topografske karte in ciklična snemanja (pa najbodo še tako dragocena in pomembna) tgmveč predvsem poznavanje metod in tehnologije obdelave slik in pridobivanje vseh potreb- nih informacij iz njih na najhitrejši in naj- cenejši možni način tako za potrebe GIS, kot tudi za bližnjeslikovne potrebe. In prav digitalna fotogrametrija, ki omogoča predvsem nižjo ceno fotogrametričnega sis- tema, večje možnosti avtomatizacije, možnosti real-tirne procesiranja in elektronskega prenosa slike na daljavo je orodje, ki nam lahko zagotovi primerno mesto v družbi, ki smo ga na žalost geodeti izgubili. Adams L.P., 1981.The Use of Non-Metric Cameras in Short Range Photogrammetry" Photogrammetria, 36: 51-60 Agnard J.P., Gagnon P.-A. in Nolette C., 1988 "Microcomputers and Photogrammetry A New Tool: The Videoplotter" Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 54: 1165-1167 Baehr H.P., 1985 "Digitale Bild-verarbeitung" Herbert Wichmann Verlag, Karlsruhe Bopp H. in Krauss H., 1978 "An Orientation and Calibration Method for Non-Topographic Applications" Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 44: 1191-1196 Braum F., 1969 "Elementarna fotogrametrija" Sveučilište u Zagrebu, Zagreb Carbonell M., 1975 "lnstruments recently developed for architectural photogrammetry" Photogrammetria, 30: 107-114 Geodetski vestnik 3/1989 94 EI-Hakim S.F., 1986 "Real-Time lmage Metrology with CCD Cameras" Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 52: 1757-1766 Gruen A., 1985 "Adaptive kleinste Quadrate Korrelation und geometrische Zusatzinfor- mationen" Vermessung, Photogrammetrie, Kulturtechnik, 9/85: 309-312 Gruen A., 1988 "Towards Real-Time Photogrammetry" Photogrammetria, 42: 209-244 Helava U.V., 1988 "On System Concepts for Digital Automatition" Photogramme!ria, 43, 57-71 Hobrough G.L. in Hobrough T.B., 1985 "A Future for Realtime Photogrammetry" Vermes- sung, Photogrammetrie, Kulturtechnik, 9/85: 312-315 Karara H.M., 1985 "Glose - Range Photogrammetry: Where Are We and Where Are we Heading?" Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 51: 537-544 Kosmatin-Fras M., 1988 "Teoretične osnove izdelave digitalnega ortofoto" Geodetski vestnik, 32: 25-30 "Manual of Photogrammetry" 1966 American Society of Photogrammetry, third edition, USA Makarovic I.B., 1970 "Hybrid Stereo Restituition Systems" Photogrammetric Engineering, 36: 1086-1092 Mikhail E.M., Akey M.L. in Mitchell O.R., 1984 "Detection and Sub-pixel Location of Photogrammetric Targets in Digital lmages" Photogrammetria, 39: 63-83 Novak K., 1988 "Application of a Stili Video Camera in Architectural Photogrammetry" Proc. of Xl.th CIPA Symposium, (v tisku) Rosenberg P., 1955 "lnformation Theory and Electronic Photogrammetry" Photogrammetric Engineering, 21 : 543-555 Shortis M.R., 1988 "Precision Evaluations of Digital lmagery for Glose-Range Photogram- metric Applicalions" Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 54: 1395-1401 Stančič Z., 1989 "Computervision - A tool for lntra-site Plan Production" Proc. of Union lnternational des Sciences Prehistoriques et Protohistoriques, Commission 4, (v tisku) Torlegard K., 1988 "Transference of Methods from Analytical to Dig_ital Photogrammetry" Photogrammetria, 42: 1 !;17-208 95 DIGITALNA FOTOGRAMETRIJA