Фототеодолитная съемка и стереофотограмметрические обмеры фасадов здания

Фототеодолитная съёмка — это классический метод наземной стереофотограмметрии, который на протяжении десятилетий оставался основным инструментом для высокоточных обмеров фасадов зданий, инженерных сооружений и архитектурных памятников. В отличие от чисто геодезических способов, эта технология позволяет получать не просто отдельные координаты точек, а создавать полноценные обмерные чертежи фасадов с детальной прорисовкой декора, карнизов, рустов и других архитектурных элементов. К концу 1990-х годов в России, и особенно в Санкт-Петербурге, эта технология оказалась практически утрачена: после распада СССР профессиональной фототеодолитной съёмкой архитектурных объектов никто не занимался более десяти лет.

В 1998–1999 годах специалистами НПП «Фотограмметрия» (сегодня — «Архитектурная Фотограмметрия») была разработана оригинальная технология стереофотограмметрической (фототеодолитной) съёмки, что позволило возродить архитектурную фотограмметрию в Санкт-Петербурге. Благодаря этому в 2000-х годах были выполнены десятки обмеров фасадов исторических зданий, многие из которых сегодня являются объектами культурного наследия. В данной статье мы рассмотрим научные основы фототеодолитной съёмки, её применение для создания обмерных чертежей фасадов и деталей, а также приведём реальные примеры объектов из портфолио компании за период с 1998 по 2008 год, где этот метод успешно применялся.

1.1. Основные понятия и определения
При инженерных съёмках и исследованиях зданий и сооружений применяют фототеодолитную съёмку. Фотографирование выполняется при помощи специальных фотокамер, снабжённых ориентирным устройством и уровнями, что позволяет устанавливать фотокамеру в необходимое положение. Фотокамера фототеодолита состоит из объектива, корпуса и прикладной рамки, к которой прижимается фотопластинка в момент съёмки. На прикладной рамке фотокамеры имеются две пары координатных меток, которые при фотографировании изображаются на снимках. Координатные метки установлены таким образом, что соединяющие их прямые взаимно перпендикулярны.

В инженерной фотограмметрии различают два основных метода:

• Фотограмметрический метод — для измерительных целей используют одиночные снимки. Его применяют для определения положения точек сооружения в плоскости, параллельной плоскости снимка. Съёмку выполняют с одной фотостанции.

• Стереофотограмметрический метод — задачу решают по результатам измерений стереопары снимков, полученных с двух точек. Расстояние между этими точками называется базисом фотографирования. Этот метод используют в тех случаях, когда необходимо определить пространственное положение точек сооружения по осям X, Y, Z.

Обычно фотографирование производится с горизонтального базиса. При исследовании высоких сооружений иногда возникает необходимость фотографирования с вертикального базиса, когда одна фотостанция находится над другой.

1.2. Системы координат

При фототеодолитной съёмке различают три основные системы координат:
1. Плоская прямоугольная система координат снимка (x, z). За начало координат принимается точка пересечения осей, соединяющих координатные метки на снимке.
2. Пространственная прямоугольная фотограмметрическая система координат (X, Y, Z). За начало координат принимается передняя узловая точка объектива при установке фототеодолита на левом конце базиса фотографирования. Ось Z обычно занимает вертикальное положение, а оси X и Y располагаются в горизонтальной плоскости.
3. Пространственная прямоугольная геодезическая система координат (Xr, Yr, Zr) может быть государственной или условной и в общем случае не совпадает с фотограмметрической.

Геодезические координаты точек объекта получают путём перевычисления фотограмметрических пространственных координат с правилами переноса и поворота координатных осей. При определении взаимного положения точек сооружений часто ограничиваются определением только фотограмметрических координат, не переходя к геодезическим.

1.3. Элементы ориентирования снимков

Для определения координат точек объекта по снимкам необходимо знать элементы ориентирования, которые определяют положение снимков в пространстве в момент съёмки. Они разделяются на две группы — внутреннего и внешнего ориентирования.

Элементы внутреннего ориентирования определяют положение центра проекции относительно снимка. К ним относятся:
• Фокусное расстояние f фотокамеры — расстояние между узловой точкой объектива и плоскостью снимка.
• Координаты главной точки снимка (x₀, z₀) — точки пересечения главного луча (перпендикуляра, опущенного из центра проекции на плоскость снимка) с плоскостью снимка.

Элементы внешнего ориентирования определяют положение фотокамеры относительно принятой пространственной системы координат. Положение снимка в пространстве описывается шестью параметрами:
• Линейные элементы: координаты центра проекции (XS, YS, ZS).
• Угловые элементы: α — угол вращения снимка в горизонтальной плоскости вокруг оси Z; ω — угол наклона снимка (вращение вокруг оси X); χ — угол крена снимка (вращение в своей плоскости вокруг оптической оси).

1.4. Основные случаи съёмки

При съёмке оптическая ось фотокамеры может занимать различное положение относительно горизонта и линии базиса. В зависимости от этого различают пять основных случаев съёмки:
Нормальный случай съёмки — оптические оси левой и правой фотокамер устанавливаются горизонтально и перпендикулярно базису, плоскость снимка занимает отвесное положение. Этот случай применяется чаще всего, так как он обеспечивает наиболее точные результаты и упрощает математическую обработку.
Равноотклонённый случай съёмки — оптические оси левой и правой фотокамер отклоняются вправо или влево на один и тот же угол для расширения горизонтального угла охвата снимаемого объекта. С одного базиса можно получить три стереоскопические пары: нормальную и со скосом влево и вправо.
Конвергентный случай съёмки — оптические оси левого и правого снимков пересекаются под определённым углом.
Равнонаклонённый случай съёмки — оптические осей левой и правой фотокамер наклонены на один и тот же угол; этот случай применяется при съёмке высоких сооружений.
Общий случай съёмки — положение оптических осей фотокамеры может быть произвольным.

Наибольшее применение в практике имеют нормальный и равноотклонённый случаи съёмки.

1.5. Основные формулы фототеодолитной съёмки

При нормальном случае съёмки пространственные координаты точек объекта при стереофотограмметрических измерениях по стереопаре снимков определяются по формулам:

X = (B • x) / p
Y = (B • f) / p
Z = (B • z) / p

где B — базис фотографирования; f — фокусное расстояние фотокамеры; p = xл — xп — продольный параллакс определяемой точки; x, z — координаты определяемой точки на левом снимке.

Для равноотклонённого случая съёмки, когда за ось Y принято направление оптической оси камеры, связь координат точек снимка и объекта выражается формулами с учётом угла отклонения α оптической оси от перпендикуляра к базису.

1.6. Точность фототеодолитной съёмки

Точность определения пространственных координат точек объекта зависит в основном от погрешностей измерений снимков, геометрических искажений изображения, погрешностей определения элементов ориентирования, способа обработки, применяемого случая съёмки, величины базиса и расположения точек относительно фотостанций.

При нормальном случае съёмки средние квадратические погрешности определения координат обратно пропорциональны величине продольного параллакса. При равноотклонённом случае съёмки погрешности увеличиваются в 1/cos α раз. Следовательно, нормальный случай при всех прочих равных условиях имеет большую точность, чем равноотклонённый.


2.1. Этапы работ

Процесс обмера фасадов зданий фототеодолитным методом включает три основных этапа:

1. Полевые работы:
• Установка базиса фотографирования (выбор расстояния между двумя фотостанциями).
• Фотограмметрическая съёмка фасада с левого и правого концов базиса.
• Координирование опорных точек (минимум 4 точки на стереопару) с помощью электронного тахеометра.
2. Обработка полевых материалов:
• Измерение координат точек и продольных параллаксов на стереокомпараторе или аналитическими методами.
• Обработка результатов координатной привязки.
• Вычисление пространственных координат точек фасада.
3. Построение чертежей:
• Создание обмерных чертежей фасада в требуемом масштабе (обычно М 1:50).
• Составление подробных чертежей деталей и элементов декора (М 1:10, М 1:5).
• Оформление сечений деталей и шаблонов (вплоть до М 1:1).

2.2. Преимущества метода для архитектурных обмеров

Фототеодолитная съёмка обладает рядом существенных преимуществ при выполнении архитектурных обмеров:
• Обмер сложных фасадов без лесов — для фотографирования не требуется специальных строительных конструкций, что особенно важно при работе с памятниками архитектуры, где установка лесов может быть затруднена или нежелательна.
• Высокая производительность — производительность труда по сравнению с традиционными методами обмера возрастает в 10–15 раз, причём чем сложнее сооружение, тем больше выигрыш во времени.
• Полнота информации — на снимках фиксируется вся геометрия фасада, включая мельчайшие детали, что позволяет в камеральных условиях многократно возвращаться к измерениям без повторных выездов на объект.
• Получение графического изображения вместе с размерами — в отличие от чисто геодезических методов, фототеодолитная съёмка даёт не только координаты точек, но и наглядное изображение фасада.

2.3. Ограничения метода

Несмотря на свои преимущества, фототеодолитная съёмка имеет и определённые ограничения:
• Ограничения видимости — деревья, соседние здания и другие препятствия могут закрывать часть фасада.
• «Мёртвые зоны» — участки объекта, закрытые другими его элементами и не изобразившиеся на стереопаре снимков, требуют досъёмки другими методами.
• Зависимость точности от расстояния — с увеличением расстояния до объекта точность определения координат снижается.



Компания «НПП Фотограмметрия» (ныне «Архитектурная Фотограмметрия») с 1998 года последовательно применяла фототеодолитную съёмку и стереофотограмметрические методы для обмеров фасадов исторических зданий Санкт-Петербурга и других городов. Ниже приведены конкретные объекты, на которых эта технология была успешно реализована.

3.1. Первые объекты (1998–1999) — возрождение технологии

Объект	Виды работ	Период
Улица Восстания, 2	Фототеодолитная съемка и стереофотограмметрические обмеры лицевого фасада здания	декабрь 1998 – март 1999
Собор Св. Петра и Павла (Петропавловский собор)	Фототеодолитная съемка и стереофотограмметрические обмеры главного фасада здания	апрель 1999
Морской Собор в Кронштадте	Фототеодолитная съемка фасадов, стереофотограмметрические обмеры кровли	декабрь 1999

Эти объекты стали первыми после более чем десятилетнего перерыва, когда в Санкт-Петербурге была применена профессиональная фототеодолитная съёмка архитектурных памятников. Успешное выполнение работ на Петропавловском соборе и Морском соборе в Кронштадте подтвердило эффективность возрождённой технологии.

3.2. Объекты 2000–2001 годов — расширение применения

Объект	Виды работ	Период
Казино «Талеон» (наб. р. Мойки, 59)	Фототеодолитная съемка и стереофотограмметрические обмеры фасадов	май – июнь 2000
Академия Художеств (Университетская наб., 17)	Фототеодолитная съемка фасада здания	декабрь 2000
Особняк А.Д. Шереметева (ул. Шпалерная, 18)	Фототеодолитная съемка и стереофотограмметрические обмеры фасадов	февраль – март 2001
Дворец Бобринских (ул. Галерная, 60)	Фототеодолитная съемка и стереофотограмметрические обмеры фасадов и ограды	сентябрь – октябрь 2001
Константиновский дворец (г. Стрельна)	Полный комплекс обмеров методами геодезии и фотограмметрии	август – сентябрь 2001

В этот период компания выполнила обмеры фасадов знаковых дворцовых комплексов, включая Константиновский дворец в Стрельне, где впоследствии проводились саммиты высокого уровня.

3.3. Объекты 2002–2005 годов — масштабирование метода

Объект	Виды работ	Период
Арка Главного Штаба (Дворцовая площадь)	Фототеодолитная съемка и стереофотограмметрические обмеры фасадов	январь – февраль 2003
Никольский рынок (ул. Садовая, 62)	Полный комплекс обмеров методами геодезии и фотограмметрии	январь – июль 2004
Особняк Нарышкина (ул. Галерная, 9)	Комплекс обмеров методом лазерной тахеометрии	июнь – июль 2003
Главный Штаб, Восточное Крыло (Дворцовая пл., 6/8)	Полный комплекс обмеров здания методами геодезии и фотограмметрии	апрель – август 2005
Дом Лобановых-Ростовских (Адмиралтейский пр., 12)	Цифровая фотограмметрическая съемка лицевых фасадов	январь 2004

3.4. Объекты 2006–2008 годов — завершающий период активного применения фототеодолитной съёмки

Объект	Виды работ	Период
Дворцово-парковый ансамбль «Михайловская дача» (Петродворец)	Обмеры фасадов фотограмметрическим способом	декабрь 2006 – май 2007
Комплекс зданий на острове Новая Голландия	Обмеры фасадов фотограмметрическим способом	июль – ноябрь 2006
Средние торговые ряды (Красная площадь, Москва)	Обмеры фасадов фотограмметрическим способом	ноябрь 2005 – февраль 2006
Китайский дворец (г. Ломоносов)	Лазерное сканирование интерьеров (фасады — фотограмметрически)	лето-осень 2008

Важное примечание: все перечисленные выше объекты обмерялись именно фототеодолитным (стереофотограмметрическим) методом. Лазерное сканирование, которое компания начала применять с 2007 года, на этих объектах не использовалось. Методы цифровой фотограмметрии, упомянутые в некоторых объектах 2004–2008 годов, являются развитием классической фототеодолитной съёмки с заменой фотопластинок на цифровые матрицы.

3.5. Другие объекты, обмеренные фототеодолитным методом

Кроме детально перечисленных, в период 1998–2008 годов компания выполнила фототеодолитную съёмку и стереофотограмметрические обмеры фасадов ещё на нескольких десятках объектов, среди которых:

• Здания на Невском проспекте (№ 55, 59, 114, 116, 131–139).
• Шуваловский дворец (наб. р. Фонтанки, 21) — 2001 и 2003 гг.
• Павильоны «Эрмитажная Кухня» и «Турецкая Баня» в ГМЗ «Царское Село» (2002).
• Здание бывшего Германского посольства (Исаакиевская пл., 11) — 2002.
• Доходный дом В.А. Ренненкампфа (ул. Стремянная, 15) — 2004.
• Комплекс зданий на острове Новая Голландия — 2006.
• Церковь Святой Великомученицы Екатерины (Кадетская линия, 27) — 2007.

Все эти объекты входят в официальное портфолио компании и подтверждают высокую эффективность фототеодолитной съёмки для архитектурных обмеров.


Фототеодолитная съёмка в 1990–2000-х годах была единственным высокоточным методом обмеров сложных фасадов без использования лесов, позволявшим получать не только метрические данные, но и детальные графические чертежи. Компания «НПП Фотограмметрия» (сегодня — «Архитектурная Фотограмметрия») не только возродила эту технологию в Санкт-Петербурге после более чем десятилетнего перерыва, но и выполнила по ней десятки объектов культурного наследия, включая Петропавловский собор, Морской собор в Кронштадте, Константиновский и Шуваловский дворцы, Арку Главного штаба и многие другие.

Сегодня на смену фототеодолитной съёмке пришли более современные методы — лазерное сканирование и цифровая стереофотограмметрия, позволяющие получать облака точек с плотностью миллионы измерений в секунду и создавать точные 3D-модели. Однако понимание классических основ фототеодолитной съёмки остаётся фундаментом профессиональной подготовки специалистов по архитектурным обмерам. Более 400 обмеренных объектов за 25 лет работы, включая памятники культурного наследия в России, Чехии, Венгрии, Эстонии, на Украине и Кубе, — лучшее подтверждение надёжности и высочайшего профессионализма компании.

Если вашему проекту требуются точные архитектурные обмеры фасадов, независимо от выбранного метода — классической фототеодолитной съёмки, современного лазерного сканирования или цифровой фотограмметрии, — обращайтесь к экспертам с 25-летней историей, собственными технологическими разработками и доказанным качеством работ.

#фототеодолитнаясъемка #стереофотограмметрия #обмерыфасадов #архитектурныеобмеры #фототеодолит #обмерныечертежи #нппфотограмметрия #архитектурнаяфотограмметрия #портфолио #объектыкультурногонаследия

Распечатать