Quando nos deparamos com o conceito de fotografia, sempre imaginamos uma arte, aliás, uma das mais belas, mas será que é somente isso?
Para nós do Grupo Tecnimex, a fotografia é, dentre outras coisas, uma das mais potentes ferramentas de medição, seja nos sistemas de medição de alta precisão (0,005 + 0,005 mm/m) por fotogrametria de nossa parceira GSI, ou nas versáteis soluções de medição aéreas por Drone que oferecemos aos nossos clientes.
Para entender melhor sobre o tema, esse primeiro post irá abordar um pouco sobre a origem da fotografia como arte e da fotogrametria como técnica de medição. Na sequência, em um segundo, iremos abordar as aplicações da fotogrametria na indústria moderna e exemplos da aplicação executados pelo grupo Tecnimex, seja pela fotogrametria de curto alcance da nossa parceira GSI ou em aplicações de drone por aerofotogrametria.
A origem da fotografia
A invenção da fotografia sem dúvida transformou a forma como vemos e representamos o mundo. Antes dela, a única forma de fazer isso era através de uma pintura, ou seja, algo que era acessível para poucos devido ao alto custo do processo.
Com o advento da fotografia e principalmente com a integração de câmeras digitais em nossos celulares, cada instante da vida pode ser registrado para recordação ou exposto em forma de arte.
Mas, não se engane, nem sempre o ato de fotografar foi algo tão simples. As primeiras fotos demoravam muito tempo para serem feitas, pois a tecnologia de gravar a luz no papel ainda não era tão evoluída. Para se ter uma ideia, a primeira fotografia conhecida foi obtida por Joseph Nicéphore Niépce em 9 de maio de 1816, após 8horas de exposição usando uma caixa de madeira. O francês conseguiu, pela primeira vez na história, gravar uma imagem numa folha de papel sensibilizado quimicamente.
O termo fotografia quer dizer desenhar com luz ou escrita pela luz. O termo refere-se a uma forma de registrar a imagem real sem a participação ou interferência do homem, apenas pela ação direta da luz natural. Surgiu após várias observações e inventos em momentos distintos e foi inventada a partir de experiências realizadas desde a antiguidade quando se descobriu o fenômeno da câmera escura.
A Câmera Escura ou Câmera Obscura vem do Latim e designa um princípio que já fora descrito por Aristóteles na antiguidade grega, pelo cientista árabe Alhazen no século X e posteriormente, estudado por Leonardo da Vinci (1452-1519), dentre outros, mas que só teve utilização prática a partir de 1558, quando Giovanni Battista della Porta (1542-1597) aconselhou seu uso aos artistas.
Em 1837, Jacques Mandé Daguerre obteve a primeira fotografia “prática” por meio de um processo chamado de Daguerreótipo, que utilizava uma placa de metal polido ao invés de papel sensibilizado. Em 1885, George Eastman, fundador da Kodak e inventor do filme de rolo, utilizou nitrocelulose como base de filme e posteriormente (1890) substituiu a chapa seca fotográfica por filme em rolo, tornando a fotografia algo popular.
A origem da Fotogrametria
Fotogrametria é a ciência de fazer medições a partir de fotografias e o princípio fundamental usado pela fotogrametria é a triangulação. Tirando fotos de pelo menos dois locais diferentes, as chamadas “linhas de visão” podem ser desenvolvidas de cada câmera para pontos no objeto. Essas linhas de visão são interseccionadas matematicamente para produzir as coordenadas dos pontos de interesse. A triangulação também é a maneira como seus dois olhos trabalham juntos para medir a distância (chamada percepção de profundidade).
Falando da parte histórica sobre os estudos de perspectiva a projeção, em 1492, Leonardo da Vinci começou a trabalhar com perspectiva e projeções centrais. Posteriormente outros cientistas continuaram este trabalho em geometria projetiva matematicamente. Por exemplo, Albrecht Duerer, em 1525, usando as leis da perspectiva, criou um instrumento que poderia ser usado para criar um verdadeiro desenho em perspectiva. Em 1759, Johan Heinrich Lambert, em um tratado “Perspectiva Liber”, desenvolveu os princípios matemáticos de uma imagem em perspectiva usando a ressecção espacial para encontrar um ponto no espaço a partir do qual uma imagem é feita.
A relação entre geometria projetiva e fotogrametria foi desenvolvida pela primeira vez por R. Sturms e Guido Hauck na Alemanha em 1883.
Por volta de 1840, o geodesista francês Dominique François Jean Arago passou a defender o uso da “fotogrametria”, utilizando o daguerreótipo de Jacques Mandé Daguerre, em frente à Academia Francesa de Artes e Ciências.
Em 1849, Aimé Laussedat foi a primeira pessoa a usar fotografias terrestres para compilar mapas topográficos. Ele é conhecido como o “Pai da Fotogrametria”. O processo que Laussedat usou foi chamado de iconometria [ícone (grego) que significa imagem, metria (grego) que é a arte, processo ou ciência de medir]. Em 1858, ele fez experiências com fotografia aérea apoiado por uma corda de pipas, mas abandonou-o alguns anos depois. Em 1862, o uso da fotografia por Laussedat para mapeamento foi oficialmente aceito pela Academia de Ciências de Madrid. Ele também experimentou a fotografia de balão e foi a primeira pessoa a capturar uma imagem de balões, mas a abandonou devido à dificuldade de obtenção de um número suficiente de fotografias para cobrir toda a área de uma estação aérea. Na exposição de Paris em 1867, Laussedat exibiu o primeiro fototeodolito conhecido e seu plano de Paris derivado de seus levantamentos fotográficos.
Esses mapas eram comparáveis aos mapas anteriores compilados a partir de levantamentos de campo convencionais, que mostraram que essa nova tecnologia poderia ser usada para mapeamento.
Em 1855, Nadar (Gaspard Felix Tournachon) usou um balão a 80 metros para obter a primeira fotografia aérea.
Paulo Ignazio Pietro Porro (1801 – 1875) foi um geodesista e engenheiro óptico italiano. Como geodesista, ele inventou o primeiro taqueômetro em 1839. Em 1847, ele foi capaz de melhorar a qualidade da imagem de um sistema de lentes até as bordas usando três elementos de lente assimétricos. Ele também desenvolveu um sistema de imagem de lentes ergométricas em 1854.
Porro desenvolveu uma câmera panorâmica em 1858 que foi equipada com um telescópio de mira, bússola e nível. A imagem foi gravada em papel sensibilizado montado em um cilindro.
Em 1865 ele projetou o fotogoniômetro. Este desenvolvimento é significativo em fotogrametria por causa de sua aplicação na remoção de lentes distorção. Sua abordagem foi olhar para a imagem com um telescópio através dos lentes da câmera. Este conceito também foi considerado de forma independente por Carl Koppe (1884-1910). Portanto, este conceito é chamado de Princípio Porro-Koppe.
Em 1858, o francês Chevallier desenvolveu uma “mesa de plana fotográfica” (Planchette Photographique). Esta câmera expôs a placa fotográfica em uma posição horizontal. Os raios de luz foram desviados em ângulos retos usando um prisma conectado ao dispositivo de mira que pode ser girado.
Nos EUA, James Fairman obteve a patente de um “Aparelho para fotografia aérea” em 2 de agosto de 1887. Este dispositivo usava uma câmera suportada por um balão ou uma pipa com o obturador sendo operado com um mecanismo de relógio. Esta foi a primeira fotografia aérea capturada de um balão nos EUA.
Em 12 de dezembro de 1893, Cornele B. Adams recebeu uma patente por seu “Método de Fotogrametria”. Sua abordagem foi obter duas fotos aéreas da mesma área com uma câmera de duas posições em um balão de captura. Adams também inventou triangulação de linha radial em um esforço para resolver graficamente os princípios de mesa plana de fotogrametria para suas imagens de balão.
Em 1893, Dr. Albrecht Meydenbauer (1834 – 1921) foi a primeira pessoa a usar o termo “fotogrametria”. Ele fundou o Royal Prussian Photogrammetric Institute e atuou como seu diretor até 1909.
O método de Meydenbauer de compilação de mapas utilizou a abordagem daquela época. A fotografia foi usada para mapear o terreno por intersecção. As direções dos pontos de controle do solo foram plotadas graficamente a partir das imagens. Levantamento convencional foi usado para localizar a posição do câmeras e alguns pontos de controle na cena que foi sendo fotografada. De acordo com Meyer [1987], um bom desenhista poderia obter as coordenadas fotográficas usando um divisórias com uma precisão de cerca de 0,1 mm. E o resultado do mapa teria uma precisão de cerca de 0,2 mm. A alta precisão alcançada nos métodos de Meydenbauer, foi possível porque ele usou um formato de tamanho grande (40 cm x 40 cm) e por causa da sua seleção da proporção entre a escala da foto e a escala do mapa, que raramente excedia um fator de 2. Além disso, ele utilizou vidro espelhado para o substrato de emulsão para manter o nivelamento de filme necessário durante a exposição.
Duane Brown (1929 – 1994) fundador da Geodetic Systems Inc., também é responsável por continuou o trabalho em fotogrametria analítica enquanto trabalhava com Schmid e mais tarde na indústria privada.
Depois de receber seu diploma de graduação em Matemática pela Universidade de Yale em 1951, Brown se juntou a Schmidt no Laboratório de Pesquisa Balística, onde se envolveu em geodésia usando câmeras balísticas para determinar o caminho orbital dos satélites.
Ele se mudou para o Projeto de Teste de Mísseis RCA em 1955, onde desenvolveu novos abordagens para a calibração da câmera e a formulação matemática do ajuste do pacote. Isso foi extremamente relevante porque envolveu uma análise simultânea dos parâmetros de orientação externa da câmera, em conjunto com a análise das coordenadas dos pontos de controle em conjunto com a distorção sistemática da lente radial. Antes disso, os parâmetros de orientação externa eram analisados separadamente, em seguida, a interseção fotogramétrica dos pontos de solo era determinada.
Em 1961, Duane Brown ingressou na Instrument Corporation of Florida e dois anos depois adquiriu a Divisão de Pesquisa e Análise, onde foi o Diretor e formou DBA (Duane Brown and Associates). A DBA em breve estabeleceu-se como líder em fotogrametria de curto alcance e fotogrametria analítica.
Brown continuou a refinar seus algoritmos para grandes blocos fotogramétricos para incluir a autocalibração. Ele notou que o ambiente influência no resultado da medição e a calibração da câmera durante o processo de medição, permite obter parâmetros da câmera no ambiente específico em que a câmera está sendo utilizada, gerando assim resultados melhores que os obtidos pelos procedimentos convencionais de calibração. A auto calibração trouxe maior precisão e a confiabilidade no ajuste fotogramétrico e consequentemente nos resultados das medições.
Em 1962 ele foi capaz de aplicar seus princípios ao levantamento do radiotelescópio em Greenbank, WV. Usando uma câmera balística modificada, Brown foi capaz de obter precisões em torno do nível 1: 50.000, ou cerca de 2 mm.
Durante sua estada na DBA, a empresa desenvolveu várias câmeras de alta precisão, grande formato e para medições fotogramétricas de curto alcance. Seu trabalho em fotogrametria também incluiu ajustes para descentramento de distorção, calibração de ponto principal e imperfeições do filme (planeza), onde foi capaz de mostrar uma deformação considerável do dos pratos de vidro. Parte do trabalho realizado pelo DBA envolveu o mapeamento da lua para o programa Apollo. Em 1977, ele fundou a Geodetic Services, Inc (GSI), por meio da compra da Divisão de Serviços Fotogramétricos e Geodésicos da DBA Systems.
Em 1979, ele obteve a patente do reseau platen que desenvolveu, que é uma placa de vidro ou plástico com uma malha (gride) de alta precisão gravada nela e que é colocada no plano focal da câmera, bem na frente ao filme. A reseau platen era comumente utilizada em câmeras de filme (antes do advento das câmeras digitais) para captura de fotografia científica e técnica. Duane Brown também estava envolvido em muitas atividades geodésicas e às vezes era referido como “o pai do método de geodésia do arco curto” [Brown, 2005].
Enquanto estava na GSI, Duane Brown começou a se preparar para o próximo estágio para o qual a fotogrametria estava se movendo. Este projeto envolveu a transformação da fotogrametria de um sistema complexo que demandava de técnicos altamente treinados para realizar a medição em um sistema pronto para uso, que pode ser operado diretamente pelo cliente.
Essa transformação exigiu uma série de tarefas para o GIS. O primeiro desenvolvimento foi a introdução de alvos retrorrefletivos que ofereceram melhoria em relação ao direcionamento fotogramétrico convencional. Em seguida, ele ajudou no desenvolvimento matemático exigido pelos programadores para mover o software de ajuste do pacote que rodava em grandes computadores de grande porte para computadores pessoais. Este novo software foi denominado STARS (Simultaneous Triangulation and Ressection Software). Em seguida, ele desenvolveu a CRC-1 (Close-Range Camera 1) que utilizava filme em vez de placas de vidro, uma placa ultra-plana, uma reseau platen e lente continuamente focável. Finalmente, ele ajudou a desenvolver o AutoSet-1 monocomparador que era um instrumento de medição mais rápido, independente do operador e totalmente automatizado. Isso completou o sistema “chave na mão”, que também foi chamado STARS (substituindo o software pelo sistema). Este sistema permitiu a Duane Brown atingir um marco pelo qual estava trabalhando – ultrapassar o nível micrométrico de precisão em medições fotogramétricas. Ele foi o primeiro a atingir uma precisão melhor que 1: 1.000.000 em um projeto de medição. Além disso, ele ajudou a ampliar incrivelmente o uso da fotogrametria industrial durante a década de 1980.
Nota: Grande parte desse texto foi extraído do documento History of Photogrammetry que pode ser encontrado no link: https://ibis.geog.ubc.ca/courses/geob373/lectures/Handouts/History_of_Photogrammetry.pdf
