Krótka historia

Fotografia „lotnicza” jest niemalże tak samo stara, jak fotografia klasyczna. Chęć wykonania fotografii powierzchni ziemi z „lotu ptaka” była czymś naturalnym. Dlatego już w roku 1858, niespełna 20 lat po wynalezieniu fotografii (1839 – pierwszy obraz na srebrnej płytce), wykonano jeszcze z balonu pierwsze takie zdjęcie fragmentu Paryża. Rok później Francuz A. Lausset fotografuje „z lotu ptaka”, aby na podstawie zdjęć sporządzić mapy topograficzne.

Kartografia była zawsze ważną dziedziną wykorzystywaną w armii, a najbardziej precyzyjne mapy topograficzne były poufne, więc zdjęcia pomocne przy sporządzaniu takich map musiały budzić duże zainteresowanie wojska. Już w latach 60. XIX w. wykonano z balonu pierwsze zdjęcia „szpiegowskie” w celu śledzenia ruchu wojsk. Nie pierwszy to przypadek, kiedy nowa technologia szybko się rozwija dzięki wsparciu armii.

Aby zdjęcie w kartografii było w pełni przydatne, należało rozwiązać poważny problem. Jak wiadomo, fotografia jest rzutem środkowym, charakteryzującym się tym, że wiernie oddaje tylko to, co jest w centrum zdjęcia. Im dalej od środka zdjęcia, tym większe zniekształcenia. Na zwykłym zdjęciu nie można więc wykonywać precyzyjnych pomiarów, ponieważ w każdym jego punkcie są inne odległości, zniekształcenia i skala. Poza tym rzadko się zdarza, aby zdjęcie było wykonane idealnie pionowo, a fotografowany teren był idealnie płaski. Przydatność fotografii w kartografii była jednak tak oczywista, że jedynie kwestią czasu było rozwiązanie tych problemów.

Szybko opracowano podstawy teoretyczne do przekształcenia pojedynczego zdjęcia lotniczego w mapę i zaczęto konstruować pierwsze urządzenia wspomagające ten proces, jak np. przetwornik fotomechaniczny. Był to duży, rozbudowany powiększalnik, który rzutował obraz na nachylany ekran. Zdjęcie lotnicze należało zestroić z podkładem, na którym musiały być co najmniej cztery tzw. fotopunkty – miejsca o znanych współrzędnych, które można było zidentyfikować na zdjęciu. Po zestrojeniu naświetlany był papier światłoczuły ułożony na ekranie (w miejsce podkładu). Po wywołaniu, zdjęcie stanowiło fragment fotomapy.
Na takich fotomapach było jeszcze sporo błędów wynikających z „niepłaskości” terenu powodujących zróżnicowanie skali zdjęcia: partie terenu położone wyżej mają bowiem skalę większą, zaś niżej – mniejszą.

Ryc. 1. Pierwsze autografy analityczne – cuda techniki z początku XX w. Zdjęcie z portalu geoforum.pl.

Już w roku 1907 skonstruowano pierwowzór tzw. autografu analogowego, który potem był ciągle udoskonalany jeszcze do lat 70-tych, dopóki w obróbkę zdjęć nie zaprzęgnięto pierwszych komputerów. Autograf (Ryc. 1.) to była niezwykle precyzyjna i olbrzymia jak na dzisiejsze czasy maszyna, ważąca kilkaset kilogramów, która do dziś wzbudza zachwyt inżynierów. Jego konstrukcja pozwalała analizować tzw. „stereoparę”, czyli dwa zdjęcia obserwowane jednocześnie przez specjalny binokular, dzięki czemu uzyskiwano złudzenie widzenia przestrzennego. W ten sposób można było analizować zdjęcie w powiązaniu z rzeźbą terenu i płynnie niwelować błędy skali z nią związane. Za pomocą skomplikowanych mechanizmów, układów optycznego i podświetlającego, systemu wodzideł i liniałów, autograf w sposób mechaniczny realizował zależności matematyczne pomiędzy współrzędnymi obiektów na zdjęciu a współrzędnymi terenowymi. Za jego pomocą można już było dokonywać bardzo precyzyjnych pomiarów na zdjęciu, niemalże jak na mapie topograficznej. Stąd był już tylko jeden krok do stworzenia ortofotomapy – głównej bohaterki niniejszego artykułu. Przetwarzanie ortofotograficzne (zwane też różniczkowym) polegało na tym, aby przy wykonywaniu zdjęcia (naświetlaniu papieru światłoczułego) lokalny współczynnik powiększenia w sposób ciągły był dostosowywany do terenu. Dokonywał tego na bieżąco operator na autografie sprzężonym z powiększalnikiem.

Ryc. 2. Pierwsza ortofotomapa Karkonoszy, pozyskana przez Karkonoski Park Narodowy z Instytutu Herdera w niemieckim Marburgu pochodzi z lat 1936-37. Została wykonana w skali 1:25 000 i pocięta na arkusze odpowiadające ówczesnym mapom topograficznym (Messtischblattom). Na ortofotomapę wrysowano siatkę kilometrową oraz nazwy miejscowości i szczytów wraz z wysokościami. Niestety, nie ma pełnego pokrycia Karkonoszy, gdyż celem opracowania było przedstawienie rejonów zurbanizowanych.

Tak więc, już przed II wojną światową kartografowie potrafili sporządzać pozbawione zniekształceń ortofotografie (ryc. 2), które idealnie można było wpasować w siatkę mapy topograficznej. Takie zdjęcie przycięte do arkusza mapy z opisanymi współrzędnymi nazywamy właśnie ortofotomapą.

Ryc. 3. Nieprzetworzone zdjęcie lotnicze okolic Hali Szrenickiej, wykonane w latach 50-tych specjalistyczną kamerą lotniczą. Na tzw. ramce tłowej znajdują się dane o zdjęciu niezbędne przy dalszym przetwarzaniu: libelka do odczytania kąta odchylenia od pionu kamery, zegar, wysokościomierz, numer kamery pomiarowej, numer zdjęcia, tzw. stała kamery. Na rogach ledwo widoczne krzyżyki to tzw. znaczki tłowe. Zdjęcie pochodzi z archiwum Zakładu Kartografii Uniwersytetu Wrocławskiego.

W miarę upływu lat materiały analogowe zastąpiono kamerami i skanerami cyfrowymi, a autografy zastąpiono komputerami. Coraz częściej mamy do czynienia ze zdjęciami zrobionymi z satelity, a zamiast analizy stereoskopowej wykorzystuje się numeryczne modele rzeźby terenu. Nie mniej idea pozostała ta sama – należy wpasować zdjęcie w treść mapy topograficznej przekształcając rzut środkowy w rzut prosty, pozbawiony zniekształceń (Ryc. 3 i 4).

Ryc. 4. Próba wpasowania zdjęcia lotniczego w treść mapy topograficznej w terenach górskich nie jest łatwe. Powyższy obraz nie jest jeszcze ortofotomapą, a jedynie graficznym „wpasowaniem” na fotopunkty o znanych współrzędnych, wykonanym w Pracowni GIS Karkonoskiego Parku Narodowego. Zdjęcie z lat 50-tych z okolic Karpacza obrazuje jakich zniekształceń należy się pozbyć w procesie ortorektyfikacji. (Źródło: archiwum Zakładu Kartografii Uniwersytetu Wrocławskiego).

Dziś ortofotomapy stały się standardem w wielu dziedzinach życia, a w Internecie są podstawą większości portali mapowych. Przeglądając je, warto zdać sobie sprawę z tego, jak skomplikowanej obróbce zostały poddane. Znalazły również zastosowanie w leśnictwie i ochronie przyrody. Karkonoski Park Narodowy w roku 2012 pozyskał już trzecią ortofotomapę, która wykorzystywana jest w urządzaniu lasu, inwentaryzacjach przyrodniczych i analizach środowiska przyrodniczego. Pierwsza pochodzi z roku 2000 i była krokiem milowym w rozwoju systemu informacji geograficznej parku. Druga pozyskana została w roku 2007. O naszych ortofotomapach i ich wykorzystaniu więcej napiszemy w następnym odcinku.

Autorem artykułu jest Zygmunt Jała. Jest on kierownikiem Zespołu d/s GIS Karkonoskiego Parku Narodowego.

(Artykuł opublikowano za zgodą KPN, dalsze wykorzystywanie jedynie za przyzwoleniem KPN)

Ryc. 5. Szczyt Śnieżki na współczesnej ortofotomapie z roku 2007. Rozdzielczość terenowa (rozmiar piksela w terenie) wynosi 20 cm. Ortofotomapa pochodzi z zasobów bazy danych Pracowni GIS Karkonoskiego Parku Narodowego.