CC BY
230
К 50-ЛЕТИЮ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ФОТОТРИАНГУЛЯЦИИ В ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ТОПОГРАФО-ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Иван Тимофеевич Антипов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кафедра фотограмметрии и дистанционного зондирования, доктор технических наук, профессор, тел. (913)900-3863, e-mail: [email protected]
Василий Николаевич Белых
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кафедра фотограмметрии и дистанционного зондирования, кандидат технических наук, доцент, тел. (913)469-1791, e-mail: [email protected]
Статья содержит исторический очерк разработки и практического применения метода аналитической фототриангуляции в отечественном топографо-геодезическом производстве. Приводятся некоторые интересные события и факты, называются ведущие организации и известные специалисты, внесшие существенный вклад в теорию и технологию метода или разработку программного обеспечения.
Ключевые слова: фототриангуляция, аналитический метод, программное обеспечение, геодезическое обоснование, труднодоступные районы.
TO THE 50 ANNIVERSARY OF INDUSTRIAL APPLICATION OF ANALYTICAL PHOTOTRIANGULATION IN THE DOMESTIC GEODETIC ENTERPRISES
Ivan T. Antipov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Professor, doctor of science, Department of Photogrammetry and Remote sensing, tel. (913)900-3863, e-mail: [email protected]
Vasiliy N. Belich
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Docent, candidate of science, Department of Photogrammetry and Remote sensing, tel. (913)469-1791, e-mail: [email protected].
Article contains a historical sketch of creation of the method of analytical phototriangulation and practical application of this method in domestic geodetic enterprises. There are some references to interesting events and facts. The leading organisations and the known experts are called which have brought the essential contribution to the theory and technology of the method or software engineering.
Key words: phototriangulation, analytical method, software support, geodetic control, hard-to-reach areas.
Аналитические методы в фотограмметрии, как таковые, возникли практи -чески одновременно с созданием фототеодолитов в конце XIX века. Поначалу все сводилось к вычислению координат точек местности по измеренным координатам соответствующих точек пары наземных снимков и элементам внешнего ориентирования их. Для отыскания последних осуществлялись специальные
геодезические измерения. Аналитическая обработка аэрофотоснимков с неизвестными, как правило, элементами внешнего ориентирования, была в ту пору немыслима из-за сложности математического аппарата, требующего огромного объема вычислительных операций.
Тем не менее, уже в ту пору находились энтузиасты, изучавшие теоретические аспекты фотограмметрии и выводившие для них точные математические зависимости. Профессор А.Н. Лобанов в своей работе [5] называет имена многих предшественников, закладывавших основы аналитических методов в начале XX века, когда быстродействующие вычислительные средства ещё отсутствовали.
Из отечественных советских ученых наибольшие заслуги принадлежат профессору Н.А. Урмаеву, генерал-майору, который более 20 лет руководил кафедрой геодезии в Военно-инженерной академии имени В.В. Куйбышева. Обладая широкой эрудицией, Н.А. Урмаев интересовался многими проблемами. В 1941г. была опубликована его замечательная книга «Элементы фотограмметрии» [7], в которой дано описание аналитического решения основных задач, связанных с ориентированием снимков и построением по ним модели местности.
Теоретические положения аналитической обработки фотоснимков, заложенные в работах Н.А. Урмаева, были подхвачены, развиты и доведены до практической реализации профессором А.Н. Лобановым, трудившимся в той же академии во главе кафедры фотограмметрии. Вокруг А.Н. Лобанова сформировалась целая научная школа, совместными усилиями которой исследовались различные аспекты аналитической фототриангуляции. Под его руководством в 1956-1957гг. была составлена первая отечественная программа аналитической фототриангуляции для появившейся в те годы ЭВМ Урал-2. Итогом тех первых работ стала упомянутая чуть выше монография А.Н. Лобанова [5], вышедшая в 1960г. В этой книге обстоятельно, в доступной форме изложен математический аппарат аналитической фототриангуляции, проверенный по макетам аэрофотоснимков.
К тому времени на аэрогеодезических предприятиях ГУГК, выполнявших работы на территории Сибири и Дальнего Востока, сложилась очень напряженная обстановка с выполнением всё возрастающих объёмов топографических съёмок в масштабе 1:25000 для обеспечения проектирования БАМа и других важных целей. И самым узким местом здесь оказался процесс фотограмметрического сгущения опорной сети. Из-за отставания ведомственной науки для фотограмметрического сгущения применялись архаичные дифференцированные методы и графическая фототриангуляция. Посредством последней формировался промежуточный графический документ, предназначенный для оптикографического редуцирования. Применялись и универсальные приборы, однако их производительность была очень низкой, да и точность результатов сильно зависела от удельных затрат труда.
Как часто бывает, помог случай. В первой половине 60 -х годов прошлого столетия электронно-вычислительные машины стали появляться во многих научных и производственных организациях страны. В Иркутске ЭВМ БЭСМ-2
получил Институт энергетики СОАН, а в Новосибирске - институт геологии СОАН. Для расширения круга пользователей эти институты организовывали курсы программистов. Авторам статьи, один из которых являлся в то время заместителем директора НИИГАиК, а второй - заместителем начальника цеха в Восточно-Сибирском АГП (ВСАГП), каждому в своем городе, удалось попасть в первые же группы курсов и уже к концу месяца начать работу над программами. И.Т. Антипов выбрал за основное направление исследование отдельных этапов фототриангуляции, а В.Н. Белых - сам процесс построения и уравнивание фототриангуляционной сети.
Естественно, что математическая основа построения сети была заимствована в [5], но в нее, учитывая производственный уклон составляемой в Иркутске программы, были внесены существенные дополнения и изменения, которые снимали ограничения и шаблоны и позволяли строить сеть произвольной длины, с разным числом точек в каждой стереопаре, различным расположением опорных точек. Если для маршрута имелись показания статоскопа, то предусматривался учет их путем уравнивания сети методом аппроксимации. Все этапы вычислительной обработки подробно протоколировались с оценкой точности их выполнения. По уравненной сети подсчитывались установочные элементы для последующей обработки снимков на аналоговых фотограмметрических приборах.
В апреле 1963г. в ВСАГП были сданы в ОТК материалы аналитической фототриангуляции, покрывавшие площадь 4-х трапеций масштаба 1:25000. Это был первый в отечественной истории производственный материал аналитической фототриангуляции, прошедший приемку ОТК и использованный в дальнейшем при составлении карт.
Об этом историческом факте была опубликована статья в журнале «Геодезия и картография» [3], первым на которую отозвался с поздравлениями проф.
А.Н. Лобанов.
Для изучения опыта и освоения технологии аналитической фототриангуляции в Иркутск приезжали специалисты из предприятий Читы, Якутска, Свердловска, Москвы, Тбилиси и др. Впоследствии из этих предприятий в Иркутск поступали данные об измерениях снимков и другие исходные данные, необходимые для построения сетей. В ВСАГП была создана специальная группа, которая обрабатывала материалы, поступавшие из других предприятий, и возвращала им готовые результаты.
Уже будучи главным инженером ВСАГП, В.Н. Белых в короткий срок обеспечил решение острой проблемы фотограмметрического сгущения и отказ от устаревших методов. Это позволило за счет более высокой точности аналитического метода снизить нормативную густоту полевого съемочного обоснования, а на обширных пространствах Средне-Сибирского плоскогорья вообще обходиться только геодезической сетью, проектируя и размещая пункты триангуляции преимущественно в зонах поперечных перекрытий предварительно запроектированных маршрутов аэрофотосъемки масштаба 1:50000.
Проф. Б.К. Малявский, работавший в ту пору в одном из Московских НИИ, позаимствовал составленную В.Н. Белых программу, взяв на себя обяза-
тельство обеспечить специалистам Московского АГП возможность пользоваться этой программой на ЭВМ своего института.
Достигнутые в ВСАГП практические успехи послужили основанием для развития и совершенствования первой программы. При этом были предприняты шаги к реализации давно вынашиваемой идеи построения фотограмметрических сетей по совокупности взаимно-перпендикулярных маршрутов. Летом 1963 года на площади 1600 кв.км. была проведена соответствующая аэрофотосъемка. Позднее выполнены измерения снимков и успешно осуществлена вычислительная обработка. При этом геодезической опорой для сети служили только пункты триангуляции, дополнительные опознаки использовались лишь в качестве контрольных при оценке точности результатов [4].
К концу 1963г. в ряде предприятий ГУГК и других ведомств начались опытные работы по адаптации для производства программ, разработанных коллективом А.Н. Лобанова, однако из стадии экспериментов они вышли нескоро.
В ноябре 1963г. в Новосибирске состоялось совещание по фотограмметрическому сгущению. Хотя совещание проводилось по решению руководства ГУГК, на нем присутствовали представители других ведомств. Из ученых того времени с хорошо известными именами в совещании приняли участие Н.П. Кожевников, М.Д. Коншин, К.Л. Проворов, А.Н. Лобанов, В.Я. Финковский. Первая четверка названных (слева направо) попала в кадр сохранившегося снимка, показанного на рис. 1.
Рис. 1. Выдающиеся участники совещания Созидательная, новаторская атмосфера совещания была изрядно подпорчена М.Д. Коншиным, подвергшим резкой критике любые инициативы тех, кто пытался, минуя ЦНИИГАиК, изыскивать новые пути для решения практических задач. Противоположную позицию занял А.Н.Лобанов, поддержавший энтузиастов, начавших применять аналитический метод фототриангуляции. М.Д. Коншин не нашел аргументов против авторитетного мнения А.Н. Лобанова.
Тем не менее, вскоре М.Д. Коншин направил в ГУГК письмо, в котором требовал категорически запретить применение аналитической методики, которую на тот момент еще официально не санкционировал ГУГК (читай - ЦНИИГАиК).
Особо резко в этом письме М.Д. Коншин высказался против проводившихся в Иркутске работ, предусматривавших построение сети по взаимно -перекрестным маршрутам. В письме он утверждал, что этот «...способ совершенно не обоснован.», «.содержит неверные положения.» и «.приводит лишь к напрасному расходованию средств.».
По мнению М.Д. Коншина, предприятиям следует оставить право самостоятельно проводить исследования только по тематике, одобренной верхами.
К чести руководства ГУГК следует заметить, что по письму М.Д. Коншина никакие запреты или ограничения на творческую деятельность по отношению к предприятиям не были приняты.
Что касается использования перекрестных маршрутов, то весной 1964г. результаты первых таких работ были продемонстрированы руководству ГУГК, ЦНИИГАиК, в Московском АГП и Военно-инженерной академии им. В.В. Куйбышева. Руководство ГУГК распорядилось по возможности использовать подобный вариант на других объектах в труднодоступных районах. Авторы, со своей стороны, творчески учли это распоряжение в своей последующей деятельности.
В тот период типы электронно-вычислительных машин, поступавших в производство, менялись достаточно часто. Новые типы машин имели принципы программирования, отличные от применявшихся на прежних ЭВМ, что приводило к необходимости составлять программы заново. В 1967г. по просьбе ВСАГП на кафедре фотограмметрии НИИГАиК доцент И.Т. Антипов совместно со своим аспирантом Н.Ф. Добрыниным приступили к составлению программы фототриангуляции для ЭВМ М-20. В их программе был использован более совершенный математический аппарат по сравнению с ранее реализованным в Иркутске на БЭСМ-2, а также расширены границы для параметров сетей. Продукт их труда сразу же получил положительную оценку от предприятий в Иркутске и Новосибирске, что дало Н.Ф. Добрынину возможность, проявив инициативу, внедрить программу и в ряде других предприятий. В процессе освоения этой программы инженер М.Т. Рудык подготовил еще одну важную программу, призванную объединять несколько смежных маршрутных сетей и совместно уравнивать их. В таком виде, т.е. последовательно посредством двух программ, фототриангуляция в Иркутске выполнялась несколько лет.
В 1969г. в Новосибирске на базе Предприятия №8 был создан первый в ГУГК вычислительный центр, оснащенный ЭВМ М-220м. Предприятие получило задание на уравнивание на территории азиатской части СССР сплошных сетей триангуляции в полигонах АГС и нивелирной сети 1 и 2 классов. Центру было предложено также обеспечить вычислительную обработку всех материалов, связанных с текущей работой полевых и камеральных подразделений предприятия. Очень быстро выяснилось, что для осуществления возложенных на него функций центру потребуется создать ряд новых программ, поэтому в
составе центра была сформирована «группа постановки задач и программирования».
Начальником вычислительного центра был назначен В.Н. Белых, а на должность руководителя названной группы был приглашен И.Т. Антипов. В группу были вовлечены молодые инженеры, выпускники НИИГАиК разных специальностей. Вначале для них был организован учебный курс, а уже через несколько недель началась практическая работа над многими программами. Естественно, что при этом не была забыта и аналитическая фототриангуляция.
Творческое сотрудничество опытного производственника и ученого, имеющего большой задел в исследовании теоретических аспектов фототриангуляции, позволило, прежде всего, определить технологические требования, которые должны были обеспечить возможность практического построения сети в любом случае, когда чисто теоретически это было возможно. Назовем главные из этих требований:
- предельный минимум ограничений на параметры маршрутных и блочных фотограмметрических сетей;
- легкость освоения вычислительного процесса и управления им;
- простота процесса измерений снимков и подготовки исходных данных;
- использование в качестве опоры любых данных, получаемых как из наземных измерений, та и непосредственно в полете на борту носителя аэрофотоаппарата;
- высокий уровень диагностики исходных данных и гибкость вычислительного процесса при наличии ошибок;
- наглядность результатов, обеспечивающая принятие объективных решений;
- подсчет установочных данных, необходимых для последующей обработки снимков на фотограмметрических приборах.
При этом был принципиально изменен характер продукта. Если ранее составлялись обособленные программы, то теперь была поставлена более престижная цель - подготовить единый, взаимосвязанный комплекс программ для технологической обработки фотограмметрических измерений. Отдельные программы комплекса, взаимодействуя через файлы промежуточных или итоговых данных обработки, предоставляли пользователям дополнительные удобства, позволяли варьировать типы вычислительной обработки и др. Комплекс получил название «ФОТОКОМ».
Не была забыта и практически учтена в программе идея съемки с взаимно -перпендикулярными маршрутами. Именно по этой технологии на завершающем этапе картографирования страны в масштабе 1:25000 выполнена съемка обширных труднодоступных территорий Восточной Сибири, Якутии, Чукотки, Заполярья, Васюганья и в других местах, причем в качестве съемочного обоснования использовались лишь пункты триангуляции.
Разработка новых программ осуществлялась в тесном взаимодействии с подразделениями предприятий, нуждающихся в соответствующих программах. Вычислительный центр имел возможность вести обработку огромного объема данных из разных регионов страны, различных по физико-географическим ус-
ловиям. Это позволяло быстро реагировать на возникающие нестандартные ситуации и оперативно совершенствовать программное обеспечение.
Одновременно с разработкой производственных программ, И.Т. Антипов продолжал детально исследовать отдельные этапы обработки фототриангуля-ционных сетей и соответствующие алгоритмы. Результаты таких исследований докладывались на различных совещаниях и конференциях, а также публиковались в журналах и сборниках. Обобщением этих исследований явилась докторская диссертация «Исследование и разработка технологических алгоритмов пространственной аналитической фототриангуляции», успешно защищенная в МИИГАиК в 1973г.
После защиты диссертации И.Т. Антипов продолжал работу над своим комплексом программ сначала в рамках вычислительного центра Предприятия №8, затем - НИИПГ и центра Сибгеоинформ. Под его руководством был сначала составлен программный комплекс для ЕС ЭВМ, а затем - два комплекса для персональных компьютеров применительно к операционным системам DOS и Win соответственно. Эти комплексы пользовались большим спросом у производственников. Они стали обязательными для применения во всех вычислительных центрах как топографо-геодезической, так и военнотопографической служб страны, а таких центров было уже немало. Кроме того, комплекс для ЕС ЭВМ был передан в республику Куба, где он, адаптированный к испанскому языку и к кубинским требованиям, эксплуатировался несколько лет, пока не пришла пора заменять эту ЭВМ на персональный компьютер.
Видимо, следствием всего сказанного является приведенная в [1] констатация, что на производстве «.наиболее широко распространен комплекс программ для технологической обработки фотограмметрических измерений, разработанный под руководством ...» одного из авторов настоящего доклада.
Естественно, что наряду с авторами доклада над теоретическими проблемами аналитической фототриангуляции трудились и многие другие специалисты как нашей страны, так и зарубежья. Из отечественных это, прежде всего, представители научной школы А.Н. Лобанова, из которой нельзя не упомянуть
В.Б. Дубиновского, Ф.Ф. Лысенко, М.М. Машимова, Р.П. Овсянникова, М.Н. Булушева и др. Интересные научные идеи были высказаны ведущей научной сотрудницей ЦНИИГАиК В.А. Поляковой, ведущим научным сотрудником НИИ ВТС В.В. Погореловым и профессором Ленинградского горного института В.И. Павловым. Из первопроходцев, трудившихся на производстве и немало способствовавших практическому освоению аналитической фототриангуляции, следует назвать Ю.А. Русакова и Н. А. Киселеву (ВСАГП), Д.Г.Вильнера и А.М. Блюмину (Уральское АГП), Н.С. Бойкову (Новосибирское АГП). Г.Н. Ефимова (Казахское АГП).
Отметим также большую организаторскую роль, которая принадлежала Л.А.Кашину. Он много лет являлся первым заместителем начальника ГУГК СССР и активно поддерживал все начинания в области аналитической фототриангуляции.
В 1984г. «.за разработку теории, математического и программного обеспечения аналитического метода пространственного фототриангулирования и
внедрение метода в производство.» большая группа ученых и инженеров была награждена медалями Ф,Н. Красовского - высшей наградой в топографогеодезическом производстве того времени. В состав группы входили И.Т. Антипов, В.Н. Белых, А.Н. Лобанов, В.А. Полякова, В.В. Погорелов, Н.С. Бойкова, Л.Е. Шубина, В.И. Щербаков и Г.Н. Ефимов. Примечательно, что шестеро из девяти награжденных являлись выпускниками НИИГАиК.
В последнее десятилетие XX века одним из основных направлений общегосударственных топографо-геодезических работ стало создание цифровых карт. Технической основой для сбора цифровой информации по снимкам стали цифровые фотограмметрические рабочие станции (ЦФРС). В России над созданием ЦФРС трудились несколько творческих коллективов, причем один из них, руководимый профессором П.Д. Гуком - в СГГА.
В дальнейшем выделились два типа станций, наиболее полно отвечающих всем требованиям производства.
Одна из них - ЦФРС «Дельта» - создана в результате творческого сотрудничества фотограмметического отдела ЦНИИГАиК и коллектива фирмы «Геосистема», сложившегося в городе Виннице на Украине, ставшей независимым государством после распада СССР. Общее руководство работами над этой станцией осуществляли Г.А. Зотов и С.В. Олейник. К подготовке программного обеспечения привлекались и другие специалисты. В частности - для задачи построения и уравнивания фототриангуляции осуществлена глубокая интеграция технологического пакета ЦФРС с комплексом «ФОТОКОМ», составленным И.Т. Антиповым и хорошо проверенным к тому времени за годы широкого применения в производственных предприятиях.
Другая ЦФРС, получившая название «ФОТОМОД», является продуктом российской фирмы «Ракурс». Обе станции позволяют решать все задачи построения цифровых моделей и составления цифровых карт как по аэрофотоснимкам, так и по изображениям, полученным с искусственных спутников Земли.
Отметим, что программное обеспечение у этих станций не взаимозаменяемо, поэтому все операции технологического цикла обработки снимков необходимо выполнять на одной и той же станции.
Обе названные станции широко распространены не только в России и странах, входивших ранее в СССР, но и за их пределами. Так количество ЦФРС «Дельта» выражается сотнями. В то же время программные продукты «ФО-ТОМОД» установлены более чем в 50 странах, а общее количество рабочих мест превышает 4600. Как видим, сравнение далеко не в пользу ЦФСР «Дельта».
Причину не следует искать далеко, она - в бесконечной реорганизации государственной топографо-геодезической службы страны, в потере со стороны государства интереса к судьбе этой службы вообще и к входящим в нее организациям. Многие из последних бедствует из-за слабого финансирования. Что касается ЦНИИГАиК, то, не имея средств, он не может развивать и совершенствовать ту часть программного обеспечения своей станции, которая как раз и служит для составления цифровых карт и передачи их в соответствующие ГИС. Больше того, фактически ЦНИИГАиК утратил лидирующие позиции в форми-
ровании научно-технической политики отрасли, и сейчас его дальнейшая судьба не ясна.
В то же время фирма «Ракурс» быстро отзывается на все изменения в обстановке и появление новых требований. К тому же фирма активно ведет пропагандистскую работу. Она внимательно отслеживает ситуацию и ежегодно проводит ознакомительные семинары для потенциальных клиентов. Каждый раз для таких семинаров выбирается новое место, причем не в России, а где либо в международной курортной зоне. Например, последний семинар 2012 года проходил в Португалии. Через такие семинары активно распространяется информация о фирме и привлекаются новые пользователи. Немаловажно, что в программном обеспечении фирмы «Ракурс» предусматривается возможность передачи информации для последующей обработки в крупнейшие мировые программные системы геоинформатики.
В результате многие аэрофотогеодезические предприятия, имеющие ЦФРС «Дельта», вынуждены отказываться от них и переводить производство на продукцию конкурирующей фирмы. С потерей позиций ЦФРС «Дельта», как следствие, быстро сокращается использование комплекса «ФОТОКОМ». Пройдет еще несколько лет, и все забудут об этом комплексе и о той роли, которую он сыграл в свое время. Надеемся, что такая забывчивость не охватит СГГА, и здесь всегда будут помнить, что И.Т. Антипов, уже 65 лет тесно связанный с СГГА, внес существенный вклад в теорию и практику аналитической фототриангуляции и что посредством его программ построены фототриангуляционные сети, общая площадь которых сопоставима с территорией СССР.
Надеемся также, что практическим следом активной, созидательно деятельности И.Т. Антипова еще долго будет оставаться его монография [2], которую многие оценивают как своего рода настольную книгу, энциклопедию для тех, кого глубоко интересуют проблемы аналитической фотограмметрии.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Аналитическая пространственная фототриангуляция/А.Н. Лобанов, В.Б. Дубинов-ский, М.М. Машимов, Р.П. Овсянников. - М.: Недра, 1991. - 255с.
2. Антипов И.Т. Математические основы пространственной аналитической фототриангуляции/ - М.: Картгеоцентр-Геодезиздат, 2003. - 296с.
3. Белых В.Н. Аналитический метод пространственной фототриангуляции// - Геодезия и картография. - 1964. - №1.
4. Белых В.Н. Фотограмметрическое сгущение на предельно разреженном обосновании// - Геодезия и картография. - 1965. - №3.
5. Лобанов А.Н. Фототриангуляция с применением электронной цифровой вычислительной машины/ - М.: Геодезиздат, 1960. - 196с.
6. Лобанов А.Н. Аналитическая фотограмметрия/ - М.: Недра, 1972. - 224с.
6. Урмаев Н.А. Элементы фотограмметрии/ - М.: Геодезиздат, 1941. - 218с.
7. Фототриангуляция с применением электронной цифровой вычислительной машины/ А.Н. Лобанов, Р.П. Овсянников, В.Б. Дубиновский, Ф.Ф. Лысенко, М.М. Машимов, А.Д. Новиков/ - М.: Недра, 1976. - 292с.
© И. Т. Антипов, В.Н. Белых, 2013
