معرفی فتوگرامتری برد کوتاه و کاربردهای آن در مستندنگاری آثار، ابنیه و محوطه های تاریخی

معرفی فتوگرامتری برد کوتاه و کاربردهای آن در مستندنگاری آثار، ابنیه و محوطه های تاریخی

مقدمه

در یک پروژه استاندارد علمی، مستندنگاری و گردآوری داده ها، جایگاه ویژه ای دارد که توسط متخصصان آشنا، در همه علوم انجام می شود. در واقع مستندنگاری جزء مراحل پایه و نخستین در هر پژوهشی است که بدون گذر از این مرحله، نمی توان به نتایج مطلوبی دست یافت و پروژه را با موفقیت به پایان رساند. مستندنگاری میراث تاریخی و یا ثبت وضع موجود در کاوش های باستان شناسی نیز از این قضیه مستثنی نبوده و هر چه در این امر تلاش بیشتری شود و از فناوری های به روز استفاده شود نتایج تحقیقات نیز به مراتب صحیح تر و از ارزش بالاتری برخوردار خواهد بود.

در این میان استفاده از رایانه و فن­اوری­ های دیجیتال در زمینه ثبت میراث فرهنگی رشد چشمگیری داشته است. پیشرفت سریعی که همه روزه در تولید انواع سیستم­ های رایانه­ ای و نرم افزارهای گوناگون شاهد آن هستیم بر شیوه های نقشه برداری و مستندنگاری میراث فرهنگی بسیار تأثیرگذار بوده است. روش های نوینی که با دقت و سرعت بسیار بیشتری نسبت به روش های سنتی به ثبت داده های تاریخی می­پردازند، به سرعت در حال توسعه می ­باشند.

با توجه به مقدمه ذکر شده، قصد بر این است که در این یادداشت شما را با یکی از کارآمدترین روش ها جهت به تصویر کشیدن این میراث گرانبها آشنا کنم. روشی که این روزها نقل محافل علمی و تحقیقاتی مستندنگاریست و هر کسی با توجه به ظن خود تعبیری از آن می نماید. تکنیکی که قصد دارم در این مقال به آن بپردازم، « فتوگرامتری برد کوتاه » نام دارد.

پیشینه کاربرد فتوگرامتری برد کوتاه در مستندنگاری میراث تاریخی

با نیم نگاهی به تاریخچه علم فتوگرامتری مشاهده خواهیم کرد که نخستین فعالیت های فتوگرامتری در زمینه نقشه برداری و بویژه نقشه برداری بناهای تاریخی به سال ۱۸۶۷م. و همزمان با پیدایش فن عکسبرداری بر می گردد. پس از جنگ جهانی دوم کاربرد فتوگرامتری در ثبت آثار باستانی و تاریخی کشورهای مختلف بطور چشمگیری افزایش یافت تا اینکه انجمن جهانی فتوگرامتری و سنجش از دور در سال ۱۹۴۸م. یکی از گروه های هفتگانه خود یعنی گروه ۵ را به فتوگرامتری برد کوتاه اختصاص داد که تاکنون نشست ها و انتشارات متعددی را ارائه کرده است. پس از این رویداد، از سال ۱۹۶۴م. در بسیاری از کشورها فعالیت های فتوگرامتری منظمی به منظور نقشه برداری میراث فرهنگی شکل گرفت.

ISPRS = International Society for Photogrammetry and Remote Sensing

سازمان آموزشی، علمی و فرهنگی سازمان ملل متحد (UNESCO) همراه پیشنهاد دهنده روش های فتوگرامتری به کشورهای عضو بوده و اقدامات وسیعی برای گسترش این تکنیک و الزام کشورها در ثبت میراث فرهنگی خویش انجام داده است. انجمن بین المللی بناها و مکان های باستانی (ICOMOS) نیز مبتکر نخستین گردهمایی درباره کاربرد فتوگرامتری در ثبت میراث فرهنگی است و کمیته جهانی فتوگرامتری معماری (CIPA) نیز با پیشنهادات این انجمن در سال ۱۹۷۰ بنیانگذاری گردید. آغاز بکارگیری روش فتوگرامتری در مستندنگاری پروژه های ابنیه های باستانی و باستان شناسی ایران، از دهه ۷۰ شمسی بصورت خیلی محدود در چند پروژه آغاز شد. اما در چند سال اخیر با توجه به قابلیت های بالای این روش، محوطه های مهمی بصورت علمی و با تلفیق اسکنر لیزری برداشت شده اند؛ که در این راستا می توان به پروژه های مستندنگاری کاخ صدستون تخت جمشید، برج رادکان، برج اخنگان، ارگ بم، بنای هارونیه توس و … اشاره کرد.

علاوه بر این در سال های اخیر شاهد استفاده از تکنیک تصویربرداری فتوگرامتری برد کوتاه در حوزه مستندنگاری آثار، ابنیه و همچنین محوطه های باستانی و تاریخی هستیم که در ادامه به تفصیل به این تکنیک خواهم پرداخت.

فتوگرامتری 

فتوگرامتری را علم، فن و هنر تعیین موقعیت و اندازه گیری شکل شیء با استفاده از آنالیز تصاویر دیجیتال و یا آنالوگ بیان می کنند. در این تعریف به صورت کاملا واضح به بسیاری از مجهولات در رابطه با فتوگرامتری پاسخ داده می شود. همانطور که مشاهده کردید، در فتوگرامتری با تصویر سر و کار داریم. به بیانی دیگر، اندازه گیری ها و یا به زبان ساده تر برداشت را با استفاده از آنالیز تصاویری انجام می دهیم که از جسم مورد نظر اخذ نموده ایم. پس با هر نوع تصویر اعم از تصاویر فضایی، هوایی و یا برد کوتاه می توان عمل اندازه گیری و برداشت را در حالت های مختلف انجام داد. با همین رویکرد، فتوگرامتری را در یک تقسیم بندی به سه بخش فتوگرامتری فضایی، فتوگرامتری هوایی و فتوگرامتری زمینی (بردکوتاه) تقسیم بندی می کنند. در فتوگرامتری فضایی با تصاویر ماهواره ای سر و کار داریم و از این روش برای تهیه نقشه از مناطق وسیع نظیر یک شهرستان و یا یک استان استفاده می شود. در فتوگرامتری هوایی از آنجایی که تصاویر توسط هواپیما اخذ می شود ارتفاع پرواز کمتر شده، و از این روش می توان برای تهیه نقشه از مناطقی به وسعت یک شهر و یا قسمتی از آن استفاده نمود. اما در آخرین حالت اگر – در یک  نوع دسته بندی- فاصله دوربین تا جسم کمتر از ۳۰۰ متر باشد، مراحل تهیه نقشه در زمره فتوگرامتری زمینی و یا فتوگرامتری برد کوتاه قرار می گیرد که مبحث اصلی این یادداشت نیز می باشد. توجه شود که استفاده از علم فتوگرامتری در تمام شاخه های آن جهت تهیه نقشه های مختلف در ایران از سال ها پیش بصورت محدود رایج بوده است اما با ورود تکنولوژی ها نوین، استفاده از این دانش به تدریج در میان متخصصین این رشته فراگیر شده است. ذکر این نکته ضروری است که با توجه به ظرفیت های موجود در دانشگاه های داخلی، تنها دو دانشگاه تهران و خواجه نصیرالدین طوسی آن هم در مقاطع کارشناسی ارشد و دکترا پذیرش هایی در این رشته دارند. همین امر باعث شده است که تعداد متخصصین این رشته به خصوص در شاخه فتوگرامتری برد کوتاه محدود بوده و اندک شماری از متخصصین فتوگرامتری بر روی مستندنگاری آثار تاریخی با استفاده از تکنیک برد کوتاه تحقیقاتی را انجام داده اند. انشاءالله برآنیم که با توجه به ظرفیت های موجود، استفاده از این تکنیک را گسترش دهیم تا مختصصین حوزه های دیگر علوم هم بتوانند از این روش به سهولت در پژوهش های خود استفاده نمایند.

 تصویربرداری فتوگرامتری برد کوتاه   

فتوگرامتری برد کوتاه شاخه ای از علم فتوگرامتری است که با استفاده از آنالیز تصاویر اخذ شده از فاصله نزدیک، به اندازه گیری، برداشت و مدلسازی اجسام و محوطه ها می پردازد. بدین معنی که مدلسازی سه بعدی تنها با استفاده از تصاویری که از جسم اخذ شده است بدست می آید. با توجه به پیشرفت های اخیر در زمینه تولید دوربین های دیجیتال و برکنار شدن دوربین های آنالوگ، علم فتوگرامتری نیز پیشرفت های چشمگیری بخصوص در سال های اخیر داشته است. اگر بخواهیم نیم نگاهی به گذشته نرم افزارهای موجود در فتوگرامتری برد کوتاه داشته باشیم، شاهد سیر تکاملی آنها از نرم افزارهای تارگت مبنا مثل Australis تا نرم افزارهای نیمه اتوماتیک مانند Photomodeler و در نهایت نرم افزارهای اتوماتیک بدون تارگت مانند PhotoScan خواهیم بود. با پیشرفت تکنولوژی ساخت دوربین های دیجیتال و بالا رفتن کیفیت تصویربرداری آنها، نرم افزارها نیز ارتقا پیدا کرده و از حالت دستی به حالت اتوماتیک توسعه یافته اند. البته لازم به ذکر است که هر کدام از این نرم افزارها و روش ها، کاربردهای خاص خود را دارند اما آنچه که تحولی عظیم در زمینه مستندنگاری آثار بوجود آورد، روی کارآمدن الگوریتم ها و نرم افزارهای اتوماتیک پردازش تصاویر بود که علاوه بر سرعت بالا و هزینه پایین نسبت به دیگر روش ها، ماحصل کار از کیفیت بسیار بالایی برخوردار می باشد. علاوه بر موارد فوق امکان استفاده از دوربین های غیرمتریک به جای دوربین های متریک گران قیمت نیز باعث گردید که استفاده از این تکنیک بیش از پیش همه گیر شده و به تعداد کاربران آن افزوده شود.

جایگاه تصویربرداری فتوگرامتری برد کوتاه در مستندنگاری

همانطور که در مقدمه بیان گردید، مستندنگاری پایه و اساس هر گونه تحقیق و پژوهشی در زمینه های مختلف علمی است. به هر میزان کیفیت و دقت داده ها در زمان مستندنگاری بالاتر باشد، نتیجه تحقیق به مراتب از ارزش بیشتری برخوردار خواهد بود. مستندنگاری آثار، ابنیه و محوطه های تاریخی نیز از این قضیه مستثنی نبوده و هماره باستان شناسان و مرمتگران آثار تاریخی به دنبال استفاده از تکنولوژی های روز دنیا جهت هر چه بهتر نمودن کیفیت این امر بوده اند. از آنجایی که محوطه های کاوش شده و یا بناهای تاریخی معمولا دارای اشکال کاملا منظم هندسی نیستند و به مروز زمان قسمتی از آنها از بین رفته است، دارای پیچیدگی های خاصی می باشند که همین امر باعث پیچیده شدن عملیات مستندنگاری آنها شده است. با توجه به این موارد، استفاده از یک روش کارآمد و مقرون به صرفه که بتواند این پیچیدگی ها را با بالاترین کیفیت به تصویر بکشد همیشه دغدغه کسانی بوده است که در این زمینه مشغول به فعالیت هستند.

نسل جدید الگوریتم ها و نرم افزارهای فتوگرامتری برد کوتاه تا حدی این مشکل را برطرف نموده و باعث شده است که حتی افرادی که بطور تخصصی علم نقشه برداری و فتوگرامتری را دنبال نمی کنند و تحصیلات تخصصی در این زمینه ندارند هم بتوانند عملیات مستندنگاری را به بهترین نحو، با کمترین هزینه و با بالاترین سرعت انجام دهند. البته لازم می دانم در اینجا متذکر شوم که امروزه افراد غیرمتخصص بسیاری در حال انجام این امور هستند که تصور می کنند با استفاده از یک دوربین تصویربرداری و یک نرم افزار می توانند مستندنگاری را به بهترین نحو انجام دهند. اما ذکر این نکته حائز اهمیت است که هر قدر هم پیشرفت تکنولوژی، مستندنگاری به روش برد کوتاه را سهل کرده باشد، بازهم نداشتن دید مهندسی و متریک باعث کاهش دقت مدلسازی شده و در نهایت باعث عدم اطمینان به این تکنیک پیشرفته می شود.

محصولات فتوگرامتری برد کوتاه

با پیشرفت روش ها و نرم افزارهای فتوگرامتری، محصولات این تکنیک نیز از رشد قابل توجهی برخوردار بوده است. در ابتدا با وجود نرم افزارهای ساده برد کوتاه تنها مختصات سه بعدی تارگت های چسبانده شده بر روی جسم که نماینده سطح جسم بودند بدست می آمد. پس از آن علاوه بر محاسبه مختصات های سه بعدی تعداد اندکی از نقاط، عمل مدلسازی بصورت Wire Frame نیز صورت می گرفت که لازمه این امر برخورداری از شکلی تقریبا منظم از جسم بود که به ندرت از یک اثر، بنا و یا محوطه یافت می شود.

اما امروزه با وجود نرم افزارهای قدرتمند، علاوه بر افزایش سرعت کار، محصولات نهایی، متنوع و با کیفیتی بدست می آیند که به هیچ عنوان قابل مقایسه با محصولات قدیمی نیستند. گزیده ای از این محصولات بصورت زیر می باشند که در ادامه به شرح هر یک پرداخته خواهد شد.

• ابر نقاط سه بعدی رنگی
• مدل سه بعدی یکپارچه با بافت واقعی
• تصویر قائم از تمامی نماهای مورد نیاز

ابر نقاط سه بعدی رنگی

پس از آنکه تصویربرداری از جسم بصورت دقیق و با رعایت نکات فنی انجام شد، می بایست تصاویر جهت تولید محصولات نهایی پردازش شوند. اولین محصولی که از پردازش تصاویر بدست می آید ابر نقاط متراکم (شکل۱) است. منظور از ابر نقاط، تعداد بسیار زیادی از نقاط با مختصات سه بعدی هستند که با تراکم بالا در کنار یکدیگر قرار گرفته اند و شکل طبیعی جسم را در اندازه واقعی ایجاد کرده اند. با استفاده از این ابر نقاط می توان عموم نقشه های مورد نیاز نظیر پلان، مقاطع مختلف (شکل۲) و نقشه های منحنی میزان را تهیه نمود.

شکل ۱ – ابر نقاط سه بعدی تهیه شده از کعبه زرتشت – محوطه تاریخی نقش رستم

شکل ۲- مقاطع عرضی در ترازهای مختلف ارتفاعی از بنای کعبه زرتشت

لازم به ذکر است که طی چند سال اخیر تهیه ابرنقاط و به ویژه ابر نقاط رنگی از میراث تاریخی با استفاده از دستگاه لیزر اسکنر انجام می گرفته است. با روی کار آمدن تکنیک پیشرفته فتوگرامتری برد کوتاه و قابلیت استفاده از آن در اکثر موارد، دیگر نیازی به استفاده از اسکنرهای لیزری جهت مستندنگاری آثار، بناها و محوطه ها نمی باشد و تا حدی می توان بیان کرد که ضمن حفظ ارزشهای دستگاه لیزر اسکنر، این تکنیک رقیبی هر چند کوچک برای لیزر اسکنر به شمار می رود.

مدل سه بعدی یکپارچه با بافت واقعی

یکی دیگر از محصولات تکنیک تصویربرداری برد کوتاه، مدل سه بعدی یکپارچه از جسم است که سطح جسم را به همراه بافت واقعی آن نشان می دهد. با داشتن این مدل می توان همچون ابر نقاط، به مقاطع مختلفی از جسم و یا محوطه دست یافت.

شکل ۳ – مدل سه بعدی یک پایه ستون – محوطه میراث جهانی تخت جمشید

در تصویر زیر، مدل سازی یک محوطه کاوش شده را مشاهده می کنید که نیمرخ های آن از جهات مختلف با دقت و کیفیت بالا تهیه شده است. از مزایای این مدل سه بعدی می توان به این مورد اشاره کرد که تنها با اخذ چند تصویر، می توان یک مدل کاملا سه بعدی از جسم و یا محوطه کاوش شده تهیه کرد که بصورت دقیق و در فضای سه بعدی تمام جزئیات را مستند کرده و برای تحقیقات دفتری از آن استفاده نمود.

شکل ۴ – مدل سه بعدی محوطه ای کاوش شده و مقاطع طولی آن

تصویر قائم

به جرأت می توان بیان کرد که یکی از مهمترین محصولات این روش تصویر قائم یا ارتوفتو (Ortho Photo) می باشد. منظور از ارتوفتو، تصویری یکپارچه از سطح و یا نمای جسم است که دارای هندسه قائم است و ابعاد و اندازه آن با حالت واقعی جسم برابر است (شکل ۵). از تصویر قائم جهت ترسیم نماها، کتیبه ها، نقوش و تزئینات استفاده می شود.

شکل ۵ – تصویر قائم نمای غربی بنای کعبه زرتشت و ترسیمات صورت گرفته بر روی آن

نکته ای که بیان آن در اینجا اهمیت دارد این است که در بین کسانی که بصورت حرفه ای فتوگرامتری را دنبال نمی کنند روشی مرسوم است که تنها با استفاده از یک یا دو تصویر که از روبروی یک نقش و یا نما گرفته می شود، پس از اعمال ویرایش های ساده در نرم افزارهای گرافیکی و به اصطلاح حذف خطای پرسپکتیو، به ترسیم بر روی آن تصویر پرداخته و از آن به عنوان نقشه نما استفاده می کنند. این روش از نظر فنی و هندسی روشی کاملا نادرست است. به دلیل اینکه با استفاده از یک نرم افزار گرافیکی ساده نمی توان مشکلی که هندسه پرسپکتیو و همچنین اعوجاجات عدسی لنز بر روی تصویر اعمال می کنند را حذف نمود. حذف چنین خطاهایی می بایست با استفاده از معادلات ریاضی و با استفاده از نرم افزارهای تخصصی انجام شود.

از مزایای ارتوفتو می توان به این مورد اشاره کرد که تصویر قائمی که بوسیله تعداد زیادی تصویر که از جهات مختلف جسم اخذ شده اند بدست می آید، دارای ابعادی واقعی است. بدین معنی که با وارد نمودن این تصویر به نرم افزارهای ترسیماتی و انجام ترسیم بر روی آن، تمامی ترسیمات با ابعاد و اندازه واقعی برابر بوده و دیگر نیازی به اعمال مقیاس ها نادرست و یا کم دقت بصورت دستی نمی باشد.

جمع بندی

در این یادداشت تلاش گردید که ضمن بیان مقدمه ای در رابطه با علم فتوگرامتری، به گوشه ای از کاربردهای آن در مستندنگاری میراث فرهنگی و محصولات آن اشاره ای شود. از آنجایی که در تکنیک فتوگرامتری بدون تماس مستقیم با جسم و تنها با اخذ چندین تصویر از آن می توان مدل سه بعدی و یا تصاویر قائم را تهیه نمود، می توان از تخریب و یا صدمه زدن به آثار حین مستندنگاری جلوگیری بعمل آورد که این خود حائز اهمیت است. با توجه به سرعت و کیفیت بالای این روش و همچنین پایین بودن هزینه های آن نسبت به سایر روش ها نظیر لیزر اسکنر، و از طرفی دیگر پایین بودن بودجه های تخصیص داده شده به مستندنگاری میراث فرهنگی، می توان آن را جایگزین مناسبی برای روش های گران قیمت و کم دقت مرسوم دانست.

امید است که با ارائه این مطلب کوتاه و مختصر گامی هر چند کوتاه در جهت ترویج فتوگرامتری برد کوتاه و همچنین حفاظت از میراث فرهنگی غنی کشور عزیزمان برداشته شده باشد.