Фотограмметрические методы и архитектура
На основе зарубежных и отечественных информационных источников сделана оценка возможности широкого применения фотограмметрических методов для реставрационных и консервационных работ при охране архитектурных памятников истории и культуры.
О задачах и требованиях при охране памятников
Все строительные сооружения постоянно подвергаются разрушительному воздействию сил природы и цивилизации и поэтому требуют ремонта через определенные промежутки времени. Если при этом речь идет о памятниках архитектуры, то необходимые работы нужно подготавливать с особой тщательностью и производить с учетом ряда моментов. Например, подобные работы предполагают обязательное проведение инвентарной съемки, точной и соответствующей действующим стандартам.
То же самое относится и к развалинам, которые должны быть сохранены для человечества в качестве архитектурного наследия. При этом зачастую возникает необходимость в специальных научных исследованиях, которые в свою очередь выдвигают особые требования к инвентарной съемке. Для восстановления поврежденных или разрушенных объектов также нужна инвентарная съемка существующих остатков. Перенесение памятника архитектуры в другое место несомненно связано со значительными, трудно прогнозируемыми, не подвергающимися расчету опасностями и поэтому, как правило, производится лишь после разработки полной, исчерпывающей документации о фактическом состоянии объекта, которая должна быть составлена таким образом, чтобы в случае повреждения или разрушения отдельных частей они могли бы быть восстановлены или заменены копиями.
Развитие промышленности и транспорта довольно часто связано с уничтожением памятников архитектуры, художественная ценность которых хотя и не столь высока, чтобы оправдать расходы на перенесение, но тем не менее достаточно значительна для искусствоведения, и поэтому необходимость составления соответствующей документации актуальна до слома.
Особую значимость приобретает систематичность ведения документации на имеющиеся памятники архитектуры, не связанной с нуждами строительства, а скорее необходимой для инвентаризации. Получаемые при этом материалы образуют основу для проведения ремонтных или восстановительных работ в случае разрушений. Наконец, искусствоведческие исследования опираются на такие материалы, если по форме и размерам памятников можно делать определенные выводы.
Часть материалов, необходимых для решения указанных выше задач, особенно изображения памятников, быстро, с небольшими затратами ручного труда, а также финансовыми может быть получена с помощью наземных фотограмметрических методов. По сравнению со съемкой классическими методами фотограмметрия, несмотря на высокую стоимость приборов, имеет многочисленные преимущества: не надо взбираться на строительные сооружения; отпадает необходимость в строительстве лесов; продолжительность наружных (полевых) работ сокращается; фотограммы (фотоснимки, фотопластинки) представляют собой документы, объективно характеризующие состояние и содержащие все видимые детали; обработку фотограмм можно производить вторично, если возникнут сомнения или потребуется более подробная информация. Применение фотограмметрических методов имеет значительные экономические преимущества, которые, однако, в большой мере зависят от характера объекта и прежде всего от технических характеристик применяемой съемочной аппаратуры.
Таким образом, одной из основных задач фотограмметрии в архитектуре является выполнение архитектурно-строительных обмеров с целью реконструкции и реставрации зданий, а также в научно-исследовательских целях. Принято в практике, что в зависимости от назначения архитектурно-строительные обмеры подразделяются на схематические, архитектурные и архитектурно-археологические.
В свою очередь схемотехнические обмеры выполняются для общего обзорного представления сооружений и архитектурных ансамблей, архитектурные - для разработки проектов реставрационных работ и реконструкции, архитектурно-археологические - для разработки проектов реставрации с одновременным натурным исследованием сооружения и фиксацией состояния памятника.
Масштабы обмерных чертежей, планов и отдельных фрагментов, требования к полноте и точности их составления определяются в техническом задании в зависимости от назначения архитектурно-строительных обмеров.
Исходя из технических возможностей современной технологии фотограмметрических методов съемки, устанавливается классификация точностей выполнения обмерных работ, которая указана в таблице. При создании фотопланов фасадов зданий, составляемых для обзорных целей, допускаются перспективные смещения второстепенных деталей (карнизов, балконов), превышающие допуски.
Прецизионные измерения 1-го класса точности выполняются только аналитическим методом с указанием на чертежах размеров всех необходимых деталей.
Для разработки технических проектов реставрации крупных архитектурных ансамблей обмерные чертежи составляются в масштабах 1:100 и 1:200, для выполнения обмерных работ на стадии рабочих чертежей планы сооружений - в масштабах 1:20, 1:50, обмерные чертежи отдельных фрагментов - в масштабе 1:10 или 1:5.
Технология выполнения обмеров
Методом фотограмметрии архитектурные обмеры можно выполнять путем измерения одиночных снимков или пары снимков.
Методом измерения одиночных снимков можно выполнять обмеры сооружений, состоящих главным образом из плоских элементов с крупными формами. В зависимости от заданной точности работ, их назначения и имеющихся фотограмметрических приборов архитектурные обмеры по одиночным снимкам можно выполнять различными камеральным методами обработки снимков: фототрансформированием; оптико-графическим; аналитическим; графическим.
Методом трансформирования могут составляться фотопланы фасадов зданий, интерьера, памятников в заданном масштабе. Фототрансформирование выполняется на фототрансформаторах ФТБ, ФТМ, Ректимат и др.
Оптико-графический метод заключается в том, что контуры трансформированного изображения обводятся карандашом и сразу получается чертежный план в заданном масштабе. Необходимо отметить, что метод оптико-графического трансформирования технологически более прост, чем метод трансформирования, но имеет меньшую производительность и создает определенные затруднения при контроле чертежей.
Аналитический метод заключается в вычислении координат точек с использованием формулы связи координат одиночного снимка и объекта. Снимки измеряются на стереокомпараторах, вычисления, как правило, выполняются на ЭВМ. Аналитическим методом по измерениям одиночных снимков можно определить главным образом размеры между точками, лежащими в одной плоскости, что ограничивает возможности метода.
Графический метод заключается в составлении чертежного плана с использованием приемов начертательной геометрии и свойств изображения в центральной проекции. Этот метод имеет меньшую точность, чем остальные, кроме того, он малопроизводителен.
Методом измерения пары снимков (стереометодом) можно определять размеры между любыми точками сооружения, расположенным в различных плоскостях. Такой метод наиболее эффективен для выполнения архитектурных обмеров, но необходимым условием является обязательное наличие снимков, полученных с разных точек фотографирования. Снимки могут быть выполнены при помощи одного или нескольких фотоаппаратов. Они могут составлять стереопару (т.е. по снимкам можно наблюдать стереоэффект), можно использовать пару снимков, по которым нельзя получить стереоэффект (обычно такими являются архивные снимки).
Пара снимков может обрабатываться универсальным или аналитическим методами.
При обработке универсальным методом необходимо иметь снимки, составляющие стереопару и полученные одним фототеодолитом. Снимки стереопары обрабатываются (измеряются) на универсальных приборах: стереопроекторе, стереоавтографе и др.
В результате обработки снимков на универсальных приборах получается чертежный план фасада сооружения в заданном масштабе. На универсальных приборах можно определять и координаты точек, расстояния между точками, высоту конструктивных элементов сооружения. Такой метод определения размеров получил название аналого-аналитический. Универсальный метод является наиболее оптимальным для архитектурных обмеров.
При аналитическом методе снимки измеряются на стереокомпараторах или монокомпараторах, могут составлять стереопару. При этом способе обработки могут использоваться снимки, по которым нельзя получить стереоэффект, но такие снимки должны иметь перекрытие, т.е. на них должны быть изображены общие детали изображения.
Аналитический метод основан на использовании математических зависимостей между координатами пары снимков и объекта.
В результате аналитической обработки получается цифровая модель сооружения, пользуясь которой можно определить размеры между любыми точками, составить графический план.
Архитектурные обмеры могут выполняться и комбинированными методами, когда используются, например, метод фототрансформирования и аналитический и т.д.
Съемочная аппаратура и требования к ней
От снимков, как правило, требуется, чтобы по ним можно было определить с достаточной точностью структуру объекта и надежно расшифровать все необходимые детали. Это обусловливает высокие требования к минимальной дисторсии и разрешающей способности объективов съемочной аппаратуры. Различная величина объектов - от портала до кафедрального собора - требует и различных съемочных расстояний, а в случае стесненных условий - большого угла поля зрения. Сюда добавляются требования, которые определяются применяемыми технологическими схемами и свойствами имеющегося материала. В целом требования, предъявляемые к съемочной аппаратуре для архитектурной фотограмметрии, можно кратко изложить следующим образом: максимально большой угол поля зрения; максимально большой, но стандартный формат; объектив с малой фотограмметрической дисторсией и высокой разрешающей способностью; регулируемая диафрагма с максимально большим начальным относительным отверстием; фокусируемый на различные дистанции объектив; затвор для моментальных съемок; возможность наводки по матовому стеклу; наличие приспособления для ориентирования в различных направлениях; простота в работе и нечувствительность к механическим воздействиям при транспортировании.
Так как часть требований взаимно противоречива, то на практике необходимо находить разумный компромисс.
Об истории применения фотограмметрических работ
Первые сведения о применении фотограмметрических методов при архитектурных обмерах относятся к периоду до первой мировой войны, когда Альбрехт Майденбауэр пришел к мысли о замене опасной работы по трудоемкой съемке памятников архитектуры применением перспективных свойств фотоснимков, став, таким образом, одним из зачинателей фотограмметрии. Осуществление этой идеи стало содержанием его трудной, но плодотворной жизни. Основанное им "Прусское фотограмметрическое бюро" явилось первой фотограмметрической организацией в мире и оставалось единственной такой организацией в течение трех десятилетий.
Главной задачей фотограмметрического бюро было систематическое ведение фотограмметрической документации на наиболее ценные памятники архитектуры в тогдашнем Прусском королевстве. При этом вначале получали только крайне необходимые для архивирования фотоснимки и производили необходимые для ориентирования геодезические измерения. Обработку выполняли только тогда, когда для конкретного случая требовались строго количественные данные. А. Майденбауэр видел свою задачу в создании обширного фотограмметрического архива памятников. Насколько он опережал свое время, можно судить по тому, что лишь после второй мировой войны в некоторых странах были созданы подобные организации (например, в Австрии и Бельгии).
А. Майденбауэру пришлось самому конструировать все приборы, а их индивидуальное изготовление поручать опытным механикам. Он использовал формат 40х40 см и объектив "Пантоскоп" фирмы "Буш" с наиболее широким по тем временам углом поля зрения и фокусным и расстояниями от 25 до 45 см. К сожалению, эти приборы больше не сохранились, так что нельзя произвести сравнения их технического уровня с современными приборами.
Фототеодолитная техника
В целом фототеодолит служит для фотографирования объектов местности, например зданий, мостов, карьеров и др., при заданных значениях угловых элементов внешнего ориентирования, а также для обеспечения возможности горизонтальных и вертикальных углов, необходимых при определении положения базиса фотографирования и контроля ориентирования фотокамеры.
По конструкции фототеодолиты можно разделить на три группы.
К первой из них относятся фототеодолиты, в которых фотокамера и теодолит соединены между собой. Теодолит служит для выполнения геодезических работ и установки камеры в рабочее положение на концах базиса. В эту группу входят фототеодолиты с постоянным положением фотопластинки и фототеодолиты, в которых можно производить наклон фотоснимков.
Вторую из них составляют фототеодолиты, в которых фотокамера с теодолитом соединена в одно целое и она служит зрительной трубой, причем горизонтальные углы измеряются по кругу, а вертикальные - по кругу или при помощи шкалы, учитывающей смещение объектива в вертикальном направлении.
В третью - входят фототеодолиты, камера и теодолит которых разделены, и работать ими могут одновременно два наблюдателя. Камера снабжена приспособлением для установки оптической оси под заданными углами к базису фотографирования. Эта группа фототеодолитов имеет камеры, приспособленные для съемок при горизонтальном, вертикальном и наклонном положениях фотопластинки.
Прикладную рамку фотокамеры совмещают с главной фокальной плоскостью объектива, в результате чего получается резкое изображение удаленных объектов.
Остановимся на завоевавших популярность в странах СНГ и ближнего зарубежья фототеодолитах 19/1318 и UMK 19/1318.
Фототеодолит 19/1318 относится к третьей группе фототеодолитов и позволяет производить съемку при горизонтальном положении оптической оси фотокамеры.
В комплект этого прибора входят фототеодолит, теодолит, три штатива, три трегера, базисная рейка, три сигнала, юстировочное приспособление, 24 кассеты и три отвеса.
Фототеодолит состоит из камеры и ориентирующего приспособления.
Камера снабжена объективом "Ортапротар" с фокусным расстоянием 190 мм и жесткой фокусировкой на бесконечность. Формат фотопластинки 13х18 см, толщина от 1,5 до 3,5 мм. Полезный формат кадра 12х16,5 см, что определяет полезные углы камеры - 52 град. по горизонтали и 38 град. по вертикали. Для съемки высоко или низко расположенных объектов предусмотрено вертикальное смещение объектива в пределах от 30 до минус 60 мм с фиксацией смещения через 5 мм. Это позволяет увеличивать полезный угол зрения камеры по вертикали до 60 град. Относительное отверстие объектива постоянное и равно 1:25. Дисторсия не превышает 7 мкм. Объектив снабжен светофильтром ЖС-18.Теодолит Theo 020A имеет зрительную трубу с внутренней фокусировкой и увеличением 20 крат. Базисная рейка применяется при дальномерном измерении базисов. Юстировочное приспособление служит для исправления положения горизонтального круга ориентирующего приспособления относительно оптической оси фотокамеры.
Фотокамера UMK 10/1318 была разработана и изготовлена фирмой "Карл Цейсс"(бывшая ГДР).Она снабжена широкоугольным объективом Ламегон 8,100, имеет плавную фокусировку и предназначена для съемки объектов при горизонтальном, наклонном и вертикальном положениях оптической оси фотокамеры. Специальный штатив в виде двойной подвески позволяет установить две фотокамеры и производить синхронную стереосъемку близких объектов.
Фирма выпустила четыре варианта фотокамеры UMK для съемки на фотопластинки и фотопленку.
Фокусное расстояние объектива 99 мм, угол зрения по диагонали 90 град., относительное отверстие изменяется от 1:8 до 1:32, дисторсия не превышает 10 мкм. При обработке снимков удаленных объектов без учета дисторсии фирма рекомендует использовать фотокамеры 10/1318 FF и 10/1318 FP. Объектив можно плавно фокусировать в диапазоне 1,4 м до бесконечности. Для съемки близко расположенных объектов рекомендуется фотокамера 10/1318 NP или 10/1318 NF. В этом случае при обработке фотоснимков можно не учитывать влияние дисторсии.
Для регистрации на кадре этот диапазон разделен на 19 ступеней. Объектив снабжен желтым и красным светофильтрами.
Затвор обеспечивает выдержки Т, В и от 1 до 1/400 с. Формат фотопластинки 13х18 см, толщина 1,5-3,5 мм. В фотокамере применяется роликовая пленка шириной 19 см и длиной до 9 м (60 кадров), минимальный интервал времени между кадрами 3 с. Полезный формат кадра 120х160 мм, что соответствует полезным углам изображения: 79 град. по длинной стороне, 61 град. - по короткой, 87 град. - по диагонали.
Фотокамера позволяет производить съемки при наклонах оптической оси в пределах от минус 30 до 90 град. с фиксацией через 15 град.
Для внешнего ориентирования камеры служат подвески. Визирная труба и лимб находятся в нижней части подвески. Увеличение зрительной трубы 16 крат. Минимальное расстояние визирования 0,8 м, пределы наклона лучка визирования 0-18 град., точность отсчета угла наклона 1 град.
Кроме рассмотренных выше, известны и другие фототеодолиты, изготовленные в различных странах.
Фирмой "Вильд" (Швейцария) были выпущены фототеодолиты Р-30 с фокусным расстоянием 165 мм, минимальной дисторсией 15 мкм; наземная универсальная камера Р-31 с фокусным расстоянием 200 мм и минимальной дисторсией 4 мкм; наземная камера Р-32 с фокусным расстоянием 64 мм и минимальной дисторсией 4 мкм.
Фирмой "Оптон" (Германия) - наземная измерительная камера ТМК-6 с объективом с фокусным расстоянием 60 мм и минимальной дисторсией 4 мкм, наземная измерительная камера ТМК-12 с объективом с фокусным расстоянием 120 мм и минимальной дисторсией 4 мкм; фототеодолит с измерительной камерой Веропласт с объективом с фокусным расстоянием 150 мм.
Выпускаются они и в странах СНГ: в России на заводе "Геодезия" - фототеодолит Геодезия; на Украине - панорамный фотоаппарат ФТ-2.
Отличительной особенностью последнего является большой горизонтальный угол поля зрения (120 град.), достигаемый благодаря расположению фотопленки на цилиндрической поверхности и вращению объектива в момент выдержки вокруг вертикальной оси. Экспонирование производится последовательно узкими участками.
В Республике Беларусь АО "Пеленг" был разработан и изготовлен по заказу Министерства культуры и Белгеодезии фототеодолит 10/1318, по основным характеристикам близкий к камере UMK10/1318: объектив - шестилинзовый четырехкомпонентеный; фокусное расстояние - 100 мм; фотограмметрическая дисторсия (минимальная) - 10 мкм; разрешающая способность - 50 мм; полезный формат снимка - 110х164 мм; полезный угол изображения, не менее: по длинной стороне кадра - 70; по короткой стороне кадра - 60; по диагонали - 87 град.; значения диафрагменных чисел - 8,11,16,22,32; фотоматериал - фотопластинка - 13х16 см; затвор - центральный, межлинзовый, механический с электронным блоком задания выдержек - В, Т, от 3,5 до 1/250; диапазон фокусирования - 1,5 м до бесконечности; ступени наклона снимка - от минус 30 до 90 град. через 15 град.; вспомогательная информация, впечатываемая на снимок: фотограмметрическое фокусное расстояние, величина перемещения объектива при перефокусировании его на фиксированные дистанции от положения "бесконечность"; вид съемки; номер кадра; координатные метки.
В комплект, кроме самого фототеодолита, входят штативы, видоискатель, кассеты, блок питания, целик, уровень, приставка юстировочная, светофильтры, ЗИП.
Натурные испытания подтвердили высокую разрешающую способность фототеодолита АО " Пеленг".
В Республике Беларусь в силу специфики стереофотограмметрических методов парк фототеодолитов крайне беден: в основном представлен лишь фототеодолитом 19/1318, который имеется в БелПА и БГУ. В то же время Комитет по реставрации и консервации памятников архитектуры и культуры при Министерстве культуры, призванный проводить политику сохранения памятников, вообще не имеет ни одного фототеодолита; более того, в течение более 3 лет работы в данном направлении вообще не ведутся. К сожалению, Комитет по земельной реформе, геодезии и картографии при Кабинете министров, хотя и имеет большой парк обрабатывающей фотограмметрической техники, нацелен на выполнение других задач. Следует отметить, что в данном комитете сосредоточены высококлассные специалисты, которые могли бы восстановить высокий уровень работ по фотограмметрической съемке памятников архитектуры и культуры. Постоянное хроническое недофинансирование Министерства культуры пагубно сказывается на обеспечении сохранности архитектурных памятников. Проблема эта неоднократно обсуждалась в СМИ.
Несмотря на то что в последние годы начинают внедряться другие, по современным меркам, прогрессивные нефотографические методы обработки изображений, в частности обработка видеоизображений, большой формат и высокая разрешающая способность фотоснимков обеспечат жизнеспособность наземной фотограмметрической съемки еще на долгий период.
Подготовил Александр ЗОТИКОВ
О задачах и требованиях при охране памятников
Все строительные сооружения постоянно подвергаются разрушительному воздействию сил природы и цивилизации и поэтому требуют ремонта через определенные промежутки времени. Если при этом речь идет о памятниках архитектуры, то необходимые работы нужно подготавливать с особой тщательностью и производить с учетом ряда моментов. Например, подобные работы предполагают обязательное проведение инвентарной съемки, точной и соответствующей действующим стандартам.
То же самое относится и к развалинам, которые должны быть сохранены для человечества в качестве архитектурного наследия. При этом зачастую возникает необходимость в специальных научных исследованиях, которые в свою очередь выдвигают особые требования к инвентарной съемке. Для восстановления поврежденных или разрушенных объектов также нужна инвентарная съемка существующих остатков. Перенесение памятника архитектуры в другое место несомненно связано со значительными, трудно прогнозируемыми, не подвергающимися расчету опасностями и поэтому, как правило, производится лишь после разработки полной, исчерпывающей документации о фактическом состоянии объекта, которая должна быть составлена таким образом, чтобы в случае повреждения или разрушения отдельных частей они могли бы быть восстановлены или заменены копиями.
Развитие промышленности и транспорта довольно часто связано с уничтожением памятников архитектуры, художественная ценность которых хотя и не столь высока, чтобы оправдать расходы на перенесение, но тем не менее достаточно значительна для искусствоведения, и поэтому необходимость составления соответствующей документации актуальна до слома.
Особую значимость приобретает систематичность ведения документации на имеющиеся памятники архитектуры, не связанной с нуждами строительства, а скорее необходимой для инвентаризации. Получаемые при этом материалы образуют основу для проведения ремонтных или восстановительных работ в случае разрушений. Наконец, искусствоведческие исследования опираются на такие материалы, если по форме и размерам памятников можно делать определенные выводы.
Часть материалов, необходимых для решения указанных выше задач, особенно изображения памятников, быстро, с небольшими затратами ручного труда, а также финансовыми может быть получена с помощью наземных фотограмметрических методов. По сравнению со съемкой классическими методами фотограмметрия, несмотря на высокую стоимость приборов, имеет многочисленные преимущества: не надо взбираться на строительные сооружения; отпадает необходимость в строительстве лесов; продолжительность наружных (полевых) работ сокращается; фотограммы (фотоснимки, фотопластинки) представляют собой документы, объективно характеризующие состояние и содержащие все видимые детали; обработку фотограмм можно производить вторично, если возникнут сомнения или потребуется более подробная информация. Применение фотограмметрических методов имеет значительные экономические преимущества, которые, однако, в большой мере зависят от характера объекта и прежде всего от технических характеристик применяемой съемочной аппаратуры.
Таким образом, одной из основных задач фотограмметрии в архитектуре является выполнение архитектурно-строительных обмеров с целью реконструкции и реставрации зданий, а также в научно-исследовательских целях. Принято в практике, что в зависимости от назначения архитектурно-строительные обмеры подразделяются на схематические, архитектурные и архитектурно-археологические.
В свою очередь схемотехнические обмеры выполняются для общего обзорного представления сооружений и архитектурных ансамблей, архитектурные - для разработки проектов реставрационных работ и реконструкции, архитектурно-археологические - для разработки проектов реставрации с одновременным натурным исследованием сооружения и фиксацией состояния памятника.
Масштабы обмерных чертежей, планов и отдельных фрагментов, требования к полноте и точности их составления определяются в техническом задании в зависимости от назначения архитектурно-строительных обмеров.
Исходя из технических возможностей современной технологии фотограмметрических методов съемки, устанавливается классификация точностей выполнения обмерных работ, которая указана в таблице. При создании фотопланов фасадов зданий, составляемых для обзорных целей, допускаются перспективные смещения второстепенных деталей (карнизов, балконов), превышающие допуски.
Прецизионные измерения 1-го класса точности выполняются только аналитическим методом с указанием на чертежах размеров всех необходимых деталей.
Для разработки технических проектов реставрации крупных архитектурных ансамблей обмерные чертежи составляются в масштабах 1:100 и 1:200, для выполнения обмерных работ на стадии рабочих чертежей планы сооружений - в масштабах 1:20, 1:50, обмерные чертежи отдельных фрагментов - в масштабе 1:10 или 1:5.
Технология выполнения обмеров
Методом фотограмметрии архитектурные обмеры можно выполнять путем измерения одиночных снимков или пары снимков.
Методом измерения одиночных снимков можно выполнять обмеры сооружений, состоящих главным образом из плоских элементов с крупными формами. В зависимости от заданной точности работ, их назначения и имеющихся фотограмметрических приборов архитектурные обмеры по одиночным снимкам можно выполнять различными камеральным методами обработки снимков: фототрансформированием; оптико-графическим; аналитическим; графическим.
Методом трансформирования могут составляться фотопланы фасадов зданий, интерьера, памятников в заданном масштабе. Фототрансформирование выполняется на фототрансформаторах ФТБ, ФТМ, Ректимат и др.
Оптико-графический метод заключается в том, что контуры трансформированного изображения обводятся карандашом и сразу получается чертежный план в заданном масштабе. Необходимо отметить, что метод оптико-графического трансформирования технологически более прост, чем метод трансформирования, но имеет меньшую производительность и создает определенные затруднения при контроле чертежей.
Аналитический метод заключается в вычислении координат точек с использованием формулы связи координат одиночного снимка и объекта. Снимки измеряются на стереокомпараторах, вычисления, как правило, выполняются на ЭВМ. Аналитическим методом по измерениям одиночных снимков можно определить главным образом размеры между точками, лежащими в одной плоскости, что ограничивает возможности метода.
Графический метод заключается в составлении чертежного плана с использованием приемов начертательной геометрии и свойств изображения в центральной проекции. Этот метод имеет меньшую точность, чем остальные, кроме того, он малопроизводителен.
Методом измерения пары снимков (стереометодом) можно определять размеры между любыми точками сооружения, расположенным в различных плоскостях. Такой метод наиболее эффективен для выполнения архитектурных обмеров, но необходимым условием является обязательное наличие снимков, полученных с разных точек фотографирования. Снимки могут быть выполнены при помощи одного или нескольких фотоаппаратов. Они могут составлять стереопару (т.е. по снимкам можно наблюдать стереоэффект), можно использовать пару снимков, по которым нельзя получить стереоэффект (обычно такими являются архивные снимки).
Пара снимков может обрабатываться универсальным или аналитическим методами.
При обработке универсальным методом необходимо иметь снимки, составляющие стереопару и полученные одним фототеодолитом. Снимки стереопары обрабатываются (измеряются) на универсальных приборах: стереопроекторе, стереоавтографе и др.
В результате обработки снимков на универсальных приборах получается чертежный план фасада сооружения в заданном масштабе. На универсальных приборах можно определять и координаты точек, расстояния между точками, высоту конструктивных элементов сооружения. Такой метод определения размеров получил название аналого-аналитический. Универсальный метод является наиболее оптимальным для архитектурных обмеров.
При аналитическом методе снимки измеряются на стереокомпараторах или монокомпараторах, могут составлять стереопару. При этом способе обработки могут использоваться снимки, по которым нельзя получить стереоэффект, но такие снимки должны иметь перекрытие, т.е. на них должны быть изображены общие детали изображения.
Аналитический метод основан на использовании математических зависимостей между координатами пары снимков и объекта.
В результате аналитической обработки получается цифровая модель сооружения, пользуясь которой можно определить размеры между любыми точками, составить графический план.
Архитектурные обмеры могут выполняться и комбинированными методами, когда используются, например, метод фототрансформирования и аналитический и т.д.
Съемочная аппаратура и требования к ней
От снимков, как правило, требуется, чтобы по ним можно было определить с достаточной точностью структуру объекта и надежно расшифровать все необходимые детали. Это обусловливает высокие требования к минимальной дисторсии и разрешающей способности объективов съемочной аппаратуры. Различная величина объектов - от портала до кафедрального собора - требует и различных съемочных расстояний, а в случае стесненных условий - большого угла поля зрения. Сюда добавляются требования, которые определяются применяемыми технологическими схемами и свойствами имеющегося материала. В целом требования, предъявляемые к съемочной аппаратуре для архитектурной фотограмметрии, можно кратко изложить следующим образом: максимально большой угол поля зрения; максимально большой, но стандартный формат; объектив с малой фотограмметрической дисторсией и высокой разрешающей способностью; регулируемая диафрагма с максимально большим начальным относительным отверстием; фокусируемый на различные дистанции объектив; затвор для моментальных съемок; возможность наводки по матовому стеклу; наличие приспособления для ориентирования в различных направлениях; простота в работе и нечувствительность к механическим воздействиям при транспортировании.
Так как часть требований взаимно противоречива, то на практике необходимо находить разумный компромисс.
Об истории применения фотограмметрических работ
Первые сведения о применении фотограмметрических методов при архитектурных обмерах относятся к периоду до первой мировой войны, когда Альбрехт Майденбауэр пришел к мысли о замене опасной работы по трудоемкой съемке памятников архитектуры применением перспективных свойств фотоснимков, став, таким образом, одним из зачинателей фотограмметрии. Осуществление этой идеи стало содержанием его трудной, но плодотворной жизни. Основанное им "Прусское фотограмметрическое бюро" явилось первой фотограмметрической организацией в мире и оставалось единственной такой организацией в течение трех десятилетий.
Главной задачей фотограмметрического бюро было систематическое ведение фотограмметрической документации на наиболее ценные памятники архитектуры в тогдашнем Прусском королевстве. При этом вначале получали только крайне необходимые для архивирования фотоснимки и производили необходимые для ориентирования геодезические измерения. Обработку выполняли только тогда, когда для конкретного случая требовались строго количественные данные. А. Майденбауэр видел свою задачу в создании обширного фотограмметрического архива памятников. Насколько он опережал свое время, можно судить по тому, что лишь после второй мировой войны в некоторых странах были созданы подобные организации (например, в Австрии и Бельгии).
А. Майденбауэру пришлось самому конструировать все приборы, а их индивидуальное изготовление поручать опытным механикам. Он использовал формат 40х40 см и объектив "Пантоскоп" фирмы "Буш" с наиболее широким по тем временам углом поля зрения и фокусным и расстояниями от 25 до 45 см. К сожалению, эти приборы больше не сохранились, так что нельзя произвести сравнения их технического уровня с современными приборами.
Фототеодолитная техника
В целом фототеодолит служит для фотографирования объектов местности, например зданий, мостов, карьеров и др., при заданных значениях угловых элементов внешнего ориентирования, а также для обеспечения возможности горизонтальных и вертикальных углов, необходимых при определении положения базиса фотографирования и контроля ориентирования фотокамеры.
По конструкции фототеодолиты можно разделить на три группы.
К первой из них относятся фототеодолиты, в которых фотокамера и теодолит соединены между собой. Теодолит служит для выполнения геодезических работ и установки камеры в рабочее положение на концах базиса. В эту группу входят фототеодолиты с постоянным положением фотопластинки и фототеодолиты, в которых можно производить наклон фотоснимков.
Вторую из них составляют фототеодолиты, в которых фотокамера с теодолитом соединена в одно целое и она служит зрительной трубой, причем горизонтальные углы измеряются по кругу, а вертикальные - по кругу или при помощи шкалы, учитывающей смещение объектива в вертикальном направлении.
В третью - входят фототеодолиты, камера и теодолит которых разделены, и работать ими могут одновременно два наблюдателя. Камера снабжена приспособлением для установки оптической оси под заданными углами к базису фотографирования. Эта группа фототеодолитов имеет камеры, приспособленные для съемок при горизонтальном, вертикальном и наклонном положениях фотопластинки.
Прикладную рамку фотокамеры совмещают с главной фокальной плоскостью объектива, в результате чего получается резкое изображение удаленных объектов.
Остановимся на завоевавших популярность в странах СНГ и ближнего зарубежья фототеодолитах 19/1318 и UMK 19/1318.
Фототеодолит 19/1318 относится к третьей группе фототеодолитов и позволяет производить съемку при горизонтальном положении оптической оси фотокамеры.
В комплект этого прибора входят фототеодолит, теодолит, три штатива, три трегера, базисная рейка, три сигнала, юстировочное приспособление, 24 кассеты и три отвеса.
Фототеодолит состоит из камеры и ориентирующего приспособления.
Камера снабжена объективом "Ортапротар" с фокусным расстоянием 190 мм и жесткой фокусировкой на бесконечность. Формат фотопластинки 13х18 см, толщина от 1,5 до 3,5 мм. Полезный формат кадра 12х16,5 см, что определяет полезные углы камеры - 52 град. по горизонтали и 38 град. по вертикали. Для съемки высоко или низко расположенных объектов предусмотрено вертикальное смещение объектива в пределах от 30 до минус 60 мм с фиксацией смещения через 5 мм. Это позволяет увеличивать полезный угол зрения камеры по вертикали до 60 град. Относительное отверстие объектива постоянное и равно 1:25. Дисторсия не превышает 7 мкм. Объектив снабжен светофильтром ЖС-18.Теодолит Theo 020A имеет зрительную трубу с внутренней фокусировкой и увеличением 20 крат. Базисная рейка применяется при дальномерном измерении базисов. Юстировочное приспособление служит для исправления положения горизонтального круга ориентирующего приспособления относительно оптической оси фотокамеры.
Фотокамера UMK 10/1318 была разработана и изготовлена фирмой "Карл Цейсс"(бывшая ГДР).Она снабжена широкоугольным объективом Ламегон 8,100, имеет плавную фокусировку и предназначена для съемки объектов при горизонтальном, наклонном и вертикальном положениях оптической оси фотокамеры. Специальный штатив в виде двойной подвески позволяет установить две фотокамеры и производить синхронную стереосъемку близких объектов.
Фирма выпустила четыре варианта фотокамеры UMK для съемки на фотопластинки и фотопленку.
Фокусное расстояние объектива 99 мм, угол зрения по диагонали 90 град., относительное отверстие изменяется от 1:8 до 1:32, дисторсия не превышает 10 мкм. При обработке снимков удаленных объектов без учета дисторсии фирма рекомендует использовать фотокамеры 10/1318 FF и 10/1318 FP. Объектив можно плавно фокусировать в диапазоне 1,4 м до бесконечности. Для съемки близко расположенных объектов рекомендуется фотокамера 10/1318 NP или 10/1318 NF. В этом случае при обработке фотоснимков можно не учитывать влияние дисторсии.
Для регистрации на кадре этот диапазон разделен на 19 ступеней. Объектив снабжен желтым и красным светофильтрами.
Затвор обеспечивает выдержки Т, В и от 1 до 1/400 с. Формат фотопластинки 13х18 см, толщина 1,5-3,5 мм. В фотокамере применяется роликовая пленка шириной 19 см и длиной до 9 м (60 кадров), минимальный интервал времени между кадрами 3 с. Полезный формат кадра 120х160 мм, что соответствует полезным углам изображения: 79 град. по длинной стороне, 61 град. - по короткой, 87 град. - по диагонали.
Фотокамера позволяет производить съемки при наклонах оптической оси в пределах от минус 30 до 90 град. с фиксацией через 15 град.
Для внешнего ориентирования камеры служат подвески. Визирная труба и лимб находятся в нижней части подвески. Увеличение зрительной трубы 16 крат. Минимальное расстояние визирования 0,8 м, пределы наклона лучка визирования 0-18 град., точность отсчета угла наклона 1 град.
Кроме рассмотренных выше, известны и другие фототеодолиты, изготовленные в различных странах.
Фирмой "Вильд" (Швейцария) были выпущены фототеодолиты Р-30 с фокусным расстоянием 165 мм, минимальной дисторсией 15 мкм; наземная универсальная камера Р-31 с фокусным расстоянием 200 мм и минимальной дисторсией 4 мкм; наземная камера Р-32 с фокусным расстоянием 64 мм и минимальной дисторсией 4 мкм.
Фирмой "Оптон" (Германия) - наземная измерительная камера ТМК-6 с объективом с фокусным расстоянием 60 мм и минимальной дисторсией 4 мкм, наземная измерительная камера ТМК-12 с объективом с фокусным расстоянием 120 мм и минимальной дисторсией 4 мкм; фототеодолит с измерительной камерой Веропласт с объективом с фокусным расстоянием 150 мм.
Выпускаются они и в странах СНГ: в России на заводе "Геодезия" - фототеодолит Геодезия; на Украине - панорамный фотоаппарат ФТ-2.
Отличительной особенностью последнего является большой горизонтальный угол поля зрения (120 град.), достигаемый благодаря расположению фотопленки на цилиндрической поверхности и вращению объектива в момент выдержки вокруг вертикальной оси. Экспонирование производится последовательно узкими участками.
В Республике Беларусь АО "Пеленг" был разработан и изготовлен по заказу Министерства культуры и Белгеодезии фототеодолит 10/1318, по основным характеристикам близкий к камере UMK10/1318: объектив - шестилинзовый четырехкомпонентеный; фокусное расстояние - 100 мм; фотограмметрическая дисторсия (минимальная) - 10 мкм; разрешающая способность - 50 мм; полезный формат снимка - 110х164 мм; полезный угол изображения, не менее: по длинной стороне кадра - 70; по короткой стороне кадра - 60; по диагонали - 87 град.; значения диафрагменных чисел - 8,11,16,22,32; фотоматериал - фотопластинка - 13х16 см; затвор - центральный, межлинзовый, механический с электронным блоком задания выдержек - В, Т, от 3,5 до 1/250; диапазон фокусирования - 1,5 м до бесконечности; ступени наклона снимка - от минус 30 до 90 град. через 15 град.; вспомогательная информация, впечатываемая на снимок: фотограмметрическое фокусное расстояние, величина перемещения объектива при перефокусировании его на фиксированные дистанции от положения "бесконечность"; вид съемки; номер кадра; координатные метки.
В комплект, кроме самого фототеодолита, входят штативы, видоискатель, кассеты, блок питания, целик, уровень, приставка юстировочная, светофильтры, ЗИП.
Натурные испытания подтвердили высокую разрешающую способность фототеодолита АО " Пеленг".
В Республике Беларусь в силу специфики стереофотограмметрических методов парк фототеодолитов крайне беден: в основном представлен лишь фототеодолитом 19/1318, который имеется в БелПА и БГУ. В то же время Комитет по реставрации и консервации памятников архитектуры и культуры при Министерстве культуры, призванный проводить политику сохранения памятников, вообще не имеет ни одного фототеодолита; более того, в течение более 3 лет работы в данном направлении вообще не ведутся. К сожалению, Комитет по земельной реформе, геодезии и картографии при Кабинете министров, хотя и имеет большой парк обрабатывающей фотограмметрической техники, нацелен на выполнение других задач. Следует отметить, что в данном комитете сосредоточены высококлассные специалисты, которые могли бы восстановить высокий уровень работ по фотограмметрической съемке памятников архитектуры и культуры. Постоянное хроническое недофинансирование Министерства культуры пагубно сказывается на обеспечении сохранности архитектурных памятников. Проблема эта неоднократно обсуждалась в СМИ.
Несмотря на то что в последние годы начинают внедряться другие, по современным меркам, прогрессивные нефотографические методы обработки изображений, в частности обработка видеоизображений, большой формат и высокая разрешающая способность фотоснимков обеспечат жизнеспособность наземной фотограмметрической съемки еще на долгий период.
Подготовил Александр ЗОТИКОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 17 за 1998 год в рубрике архитектура
