Фотографические средства аэрокосмических съемок

Дата: 2025-06-14; Просмотры: 1

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Лабораторное занятие №2

Технические (фотографические) средства дистанционных съемок.

Источник материала: Сухих В.И. Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве: Учебник. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2005. – 392 с.

Технические средства дистанционных съемок

Для регистрации отраженной солнечной радиации наведенного, а также собственного излучения земной поверхности на воздушных и космических носителях устанавливают аэрофотоаппараты, оптико­электронные системы, радиометры, радиолокаторы и другие устрой­ства, позволяющие использовать как естественные, так и искусственные источники излучения.

Фотографические средства аэрокосмических съемок

Аэрофотоаппараты, применяемые при аэро- и космических
съемках

В применяемых для аэро- и космических съемок аэрофотоаппаратах (АФА) реализованы три основные схемы фотографирования: кадровое, щелевое и панорамное (рис.3.5). Применяемые при этом АФА называют соответственно кадровыми, щелевыми и панорамными. Наибольшее применение имеют кадровые топографические АФА. Современные аэрофотоаппараты могут быть использованы для съемки с любых лета­тельных аппаратов, как из воздушной среды, так и из космоса.

Рис. 3.5. Схемы построения изображения при кадровом, щелевом и панорамном фотогра­фировании (слева - направо): 1 — фотографируемый участок местности; 2 — объектив; 3 — фотоматериал; 4 — экспонирующая щель; f — фокусное расстояние объектива; Н — высота фотографирования

При кадровом фотографировании (рис. 3.5, слева) участок земной поверхности 1 одновременно проектируется при помощи фотообъекти­ва 2 на плоскость 3, с которой совмещается светочувствительный слой фотоматериала. Фотографическое изображение местности получается в виде отдельных кадров-аэрофотоснимков или космических снимков, а оптическая ось съемочной камеры перпендикулярна к плоскости 3. При кадровом фотографировании получают изображения, которые являются центральной проекцией местности. Размеры кадра изображения в плос­кости 3 ограничены прикладной рамкой. Наиболее широко применяют форматы 18х18, 23х23 и 30х30 см. Формат кадра может быть и не квад­ратным

Различают следующие основные виды аэрокосмической фотосъемки кадровыми фотоаппаратами.

- Однокамерную, при которой съемка местности проводится одним фотоаппаратом, в том числе разных участков местности за счет его наклона (качания).

- Многокамерную, при которой одновременно получают несколько (по числу фотокамер, установленных на борту носителя) изображений местности по способу кадрового фотографирования.

Имеются две разновидности многокамерного вида фотосъемки: а) оптические оси отдельных фотокамер располагаются под некоторым углом друг к другу (углом конвергенции), обеспечивая или увеличение площади захвата фотографируемого участка местности, или фотографи­рование одного и того же участка местности с некоторым сдвигом- перекрытием (стереоскопическая фотосъемка); б) оптические оси от­дельных фотокамер параллельны между собой (при съемке одного и того же участка местности в разных зонах спектра).

- Однокамерная многообъективная, при которой у фотокамеры в одном общем корпусе расположено несколько объективов, оптические оси которых параллельны между собой и перпендикулярны к плоскости прикладной рамки. Плоскость прикладной рамки фотокамеры разделена на отдельные ячейки по числу объективов и каждая из них предназна­чена для изображения от соответствующего объектива.

Различают две разновидности этого вида фотосъемки: а) фотографи­рование одного и того же участка местности (многозональная фото­съемка); б) фотографирование различных участков местности, для чего перед объективами устанавливают зеркала или призмы, обеспечиваю­щие отклонение связок проектирующих лучей и получение единого фо­тоснимка сфотографированного участка местности.

При щелевом фотографировании (рис. 3.5, в середине) полоса зем­ной поверхности 1 непрерывно и последовательно проектируется при помощи поступательно перемещающегося фотообъектива 2 на непре­рывно движущуюся в том же направлении фотопленку 3 через щель 4. Скорости перемещения объектива и фотопленки согласованы. При ще­левом фотографировании изображение земной поверхности представля­ется не в виде отдельных кадров, а в виде сплошной ленты - непрерыв­ной последовательностью изображений узких полос земной поверхно­сти 1; закону центральной проекции соответствует только изображение узкой полосы местности, получаемое в плоскости щели 4 в некоторый момент времени.

При панорамном фотографировании (рис. 3.5, 3.6) участок земной поверхности проектируется при помощи фотообъектива 1 и экспониру­ющей щели 2 на фотоматериал 3, при этом обеспечивается практически мгновенное последовательное проектирование участка местности на фотоматериал, что достигается, например, вращением фотообъектива или другими способами.

Рис. 3.6. Принципиальная схема панорамного фотоаппарата:

1 — объектив; 2 - экспонирующая щель; 3 - фотопленка

В результате панорамного фотографирования получают отдельные полосы-панорамы, изображающие иногда земную поверхность от гори­зонта до горизонта.

Кадровый аэрофотоаппарат имеет следующие основные узлы (рис. 3.7): съемочную камеру (фотокамеру) I, кассету II, аэрофотоуста­новку III и блок управления -командный прибор IV. Съемочная камера и кассета составляют фотокамеру, которая помещается в фотоотсеке V летательного аппарата.

В нижней части съемочной камеры АФА расположен объектив 3, между компонентами которого у большинства аппаратов размещен фо­тозатвор 4. Верхнее основание 5 корпуса съемочной камеры, обычно жестко скрепленное с объективом, является плоскостью прикладной рамки (прикладной рамкой).

К прикладной рамке в момент экспонирования прижимается свето­чувствительный слой фотоматериала 6, для чего имеется специальное выравнивающее устройство. Обязательными частями его являются прижимной стол 7 и выравнивающее стекло 8. В плоскости прикладной рамки АФА имеются координатные метки, которые фиксируются на каждом фотоснимке и определяют его координатную систему.

Г7

3.7. Устройство кадрового фотоаппарата:

I — съемочная камера; 2 — корпус камеры; 3 — объектив; 4 — фотозатвор; 5 — плоскость прикладной рамки;6 — фотоматериал; 7 — прижимной стол; 8 — выравнивающее стекло; 9 — механизм фотокамеры; 10 — защитное стекло; II — светофильтр; 12 — блок регистрирующих приборов; 13 — проектирующая линза; 14, 15 — сматывающая и разматывающая катушки; 16 — механизм кассеты; 17 — защитное стекло

На фотоснимках некоторых АФА фиксируются также контрольные метки, которые служат для учета искажений изображения, обусловлен­ных деформаций фотоматериала и другими факторами. Контрольными метками служат обычно кресты, нанесенные с точностью порядка 2 мкм на поверхности выравнивающего стекла через 1-2 см или стеклян­ные масштабные линейки с метками через 1 см, размещенные вдоль сторон прикладной рамки.

На аэрофотоснимках регистрируются также сведения о времени по­лета и объекте фотографирования, типе АФА, его номер, фокусное рас­стояние, марка объектива, данные о показаниях приборов для определе­ния элементов внешнего ориентирования снимков, номер кадра и др.

В некоторых АФА на снимках фиксируются изображения оптиче­ского клина, позволяющие оценить качество проявления, показания ва­куума при использовании пневматических способов выравнивания, гео­графические координаты точки фотографирования, курс носителя, угол сноса и др.

Дополнительная информация фиксируется специальными регистри­рующими устройствами.

Размещается фотопленка в кассете. В ней производится ее перемот­ка и отмеривание по размеру кадра, выравнивание пленки в плоскость. В зависимости от толщины подложки кассета вмещает фотопленку дли­ной 60 или 120м.

Фотообъектив состоит из оптической и механической частей. Оп­тическая часть представлена закрепленными в корпусе линзами различ­ной кривизны и формы, которые подбирают с целью получения оптиче­ского изображения с заданными свойствами. Механическая часть, затвора и диафрагма размещаются в межлинзовом пространстве объектива.

Для регулирования время выдержки (от 1/40 до 1/1000с и менее) экспонирования фотопленки служит затвор. Изменение выдержек про­исходит ступенчато (например, 1/125, 1/250, 1/500). В момент открытия затвора летательный аппарат и вместе с ним АФА перемещаются отно­сительно снимаемой местности, что вызывает перемещение оптического изображения относительно аэрофотопленки. Это приводит к «смазу» фотографического изображения, уменьшающему его резкость и разре­шающую способность снимка. «Смаз» из-за поступательного движения летательного аппарата уменьшается при уменьшении выдержки:

t = mσ _доп / W,

где m - знаменатель масштаба снимка; σ _доп - значение допустимого «смаза»; W - скорость летательного аппарата.

Но выдержка может быть уменьшена в определенных пределах. Для устранения или уменьшения «смаза» в некоторых типах АФА приме­няют компенсаторы сдвига изображения, с помощью которых в момент экспонирования устраняют перемещение оптического изображения от­носительно светочувствительного слоя. На качество изображения ока­зывают влияние, кроме «смаза» оптического изображения, вызванного линейным перемещением АФА, также угловые движения летательного аппарата и вибрационные сдвиги, вызываемые в основном вибрацией от работы двигателей летательных аппаратов.

Для изменения диаметра входного отверстия объектива и регулиро­вания количество светового потока, проходящего через объектив, слу­жит диафрагма. Чем больше диаметр диафрагмы, тем больше осве­щенность экспонируемой фотопленки. В практике для описания разме­ра отверстия объектива используют величину, называемую его относи­тельным отверстием:

1/ k = i / f^k,

где i - диаметр входного отверстия; f_k - фокусное расстояние.

Используют стандартные дискретные значения относительных от­верстий объективов, знаменатели которых равны 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22; 32. Переход к соседнему индексу диафрагмы изменяет освещен­ность светочувствительного фотоматериала в 2 раза.

Основными характеристиками фотообъектива являются фокусное расстояние, дисторсия, разрешающая способность, угол поля изображе­ния, светораспределение по полю изображения.

Фокусное расстояние fk объектива, или главное фокусное расстоя­ние, - это расстояние от задней узловой точки объектива до главного фокуса. Через главный фокус перпендикулярно оптической оси прохо­дит фокальная плоскость, в которой строится изображение и где распо­лагается фотопленка. В АФА применяют объективы с фокусными рас­стояниями от 20...30 мм до нескольких метров. Фокусное расстояние и высота фотографирования H определяют масштаб фотографирования:

1/ m = f_k / H,

где m - знаменатель масштаба фотографирования.

При неизменной высоте фотографирования чем больше фокусное расстояние, тем крупнее масштаб съемки. При аэросъемке лесов приме­няют обычно АФА с фокусными расстояниями объективов в пределах 10-30 см, при съемке из космоса - до 1м и более.

Важной характеристикой объективов АФА является их дисторсия (частный случай аберрации), которая приводит к нарушению связки проектирующих лучей, формирующих оптическое изображение. Нару­шение связки лучей происходит за счет неодинакового преломления различно направленных проектирующих лучей ASa (рис. 3.8). Это вы­зывает неравномерное смещение точек (Лг) по полю снимка.

Рис. 3.8. Схема действия дисторсии

Геометрически дисторсия есть вектор, определяющий направление и размер смещения точки от ее идеального положения. Дисторсия мо­жет быть радиальной, имеющей направление к центру или от центра снимка, и тангенциальной, направление которой перпендикулярно ра­диальному. Ее определяют при фотограмметрическом исследовании по всей площади кадра АФА в дискретных точках. У различных типов объективов она варьирует от 0,002...0,005 мм до десятых долей милли­метра. В некоторых объективах дисторсия практически не искажает изображение. Такие объективы называют ортоскопическими. При ком­пьютерной фотограмметрической обработке снимков вводятся поправки в положение точек изображения с учетом величины дисперсии.

Важной характеристикой объективов является их разрешающая спо­собность, под которой понимают свойство воспроизводить раздельно оптическое изображение двух близко расположенных точек или линий, при ее определении используют штриховые и радиальные миры (см. рис.3.11). В центре снимка изображение имеет разрешающую способ­ность больше, чем на краю. Поэтому при дешифрировании мелких де­талей снимаемых объектов предпочтительнее использовать централь­ные части снимков. Падение разрешающей способности от центра к краю в длиннофокусных объективах незначительно. Имеются объекти­вы, разрешающая способность которых не изменяется по полю изобра­жения.

Характеристикой аэрофотообъективов, определяющей их фотомет­рические свойства, является светораспределение в плоскости снимка. Освещенность в фокальной плоскости АФА уменьшается от центра к краю. Функция светораспределения описывается законом Ламберта

Е_β = Е_о cos ⁿ β,

где Е_β - освещенность в точках поля изображения; Е_о - освещенность в центре поля изображения; n - коэффициент, равный 1, 2, 3, 4.

Из-за неравномерности светораспределения объекты одинаковой яр­кости при изображении их в центре или в краевой части снимка имеют различную оптическую плотность, а на цветных снимках - разный цвет.

Образованный исходящими из задней узловой точки объектива лу­чами угол 2β и опирающимися на диагональ прикладной рамки АФА d называют углом поля изображения (рис.3.9). По его значению АФА подразделяют на узкоугольные (менее 15°), широкоугольные (более 60°) и нормальноугольные (15 - 60°).

Увеличение угла поля изображения увеличивает неравномерность светораспределения от центра к краю и уменьшает разрешающую спо­собность снимка. В целях устранения неравномерности светораспределения в широкоугольных аппаратах, где она может быть значительной, напыливают объективы металлическим порошком, плотность слоя ко­торого уменьшается от центра к краю.

Рис. 3.9. Поле и угол поля изображения

Аэрофотоаппарат устанавливают в аэрофотоустановку (АФУ), в которой он крепится на летательном аппарате. Она обеспечивает ори­ентирование (вручную или автоматически) АФА в заданном положении и уменьшает влияния вибрации. При производственных аэрофотосъем­ках применяют обычно гиростабилизирующие АФУ, снижающие влия­ния продольных и поперечных наклонений летательных аппаратов.

Для автоматического включения АФА через определенный интер­вал времени применяют электрические и оптикоэлектронные команд­ные приборы (интервалометры). По электрическому сигналу с команд­ного прибора выполняются перемотка пленки, взвод затвора, выравни­вание пленки в плоскость, экспонирование (срабатывание затвора).

Управляют всем комплексом узлов фотоаппарата и синхронизацией их с другой специальной аппаратурой (например, с космической нави­гационной аппаратурой GPS) с пульта управления, находящегося на борту летательного аппарата с помощью бортового компьютера (при космических съемках - из центра управления полетом на Земле). Обес­печивается отображение на дисплее компьютера маршрута полета, раз­воротов, открытие затвора в заданной точке, запоминание координат точки, в которой не произошло экспонирование фотопленки и т. д. Но­вое поколение съемочного оборудования существенно повышает каче­ство съемочных материалов.

Важнейшей деталью АФА, применяемых для аэрокосмических съе­мок, является светофильтр. Свойства светофильтра зависят от цвета и густоты (плотности) окраски, а также кратности. Цвет окраски опреде­ляет, какие лучи спектра пропускает и поглощает светофильтр, а густо­та - с какой интенсивностью (чем гуще окраска, тем сильнее поглоща­ются лучи). Кратность показывает, во сколько раз должна быть увели­чена выдержка по сравнению с выдержкой при фотографировании без светофильтра.

Основные типы светофильтров, применяемых для аэрокосмических съемок, приведены в табл. 3.2.

Для исключения вредного влияния атмосферной дымки чаще приме­няют желтые светофильтры ЖС-18 и компенсационные, поглощающие коротковолновую часть спектра (до 450-500 нм) - фиолетовые и синие лучи.

Таблица 3.2

Типы светофильтров, применяемые при аэрокосмических съемках

При фотографировании с высоты более 3000 м рекомендуют приме­нять оранжевый светофильтр с зоной поглощения до 580 нм. При выде­лении информативных зон в комбинации с разными типами пленок ис­пользуют оранжевые ОС-14 и красные КС-14 светофильтры.

Таблица 3.3

Техническая характеристика аэрофотоаппаратов

Для аэрофотосъемки применяют различные аэрофотоаппараты. Ос­новные технические характеристики кадровых аэрофотоаппаратов, наиболее широко применявшихся и применяющихся в практике отечественных аэрофотосъемок, в том числе и лесов, приведены в табл. 3.3. Начинает находить применение цифровая аэрофотосъемка с примене­нием матричных электронных приемников излучения.

Фотографирование земной поверхности из космоса осуществляют с помощью кадровых, панорамных и щелевых фотоаппаратов. Съемки с ИСЗ гражданского назначения выполняют преимущественно кадровыми фотоаппаратами с размером кадра 180х180, 230х230, 300х300. Диапа­зон фокусных расстояний их колеблется от десятков миллиметров до 1 м и более. Если нужно получить обзорные снимки, используют широ­коугольные камеры с короткофокусными объективами ( f_K=30 -100 мм), для получения снимков повышенной детализации - камеры с длиннофо­кусными объективами ( f_K = 200 - 1000 мм и более).

Разрешение на местности (R ) космических фотоизображений может колебаться в значительных пределах - от единиц до десятков и даже сотен метров. Оно определяется высотой орбиты Н, фокусным расстоя­нием объектива fk, разрешающей способностью системы (R_cucm) «объек­тив - пленка» (лин/мм):

R_cucm, в свою очередь, определяется из соотношения:

Разрешающая способность объектива R_{o 6} современных фотоаппара­тов, применяемых для космической съемки, лежит в основном в преде­лах 60-100 лин/мм для центра объектива и 40-80 лин/мм для его краев. Разрешающая способность фотопленок Яф„ составляет 100-200 лин/мм и зависит в основном от чувствительности пленки. Высокая разрешаю­щая способность космических изображений позволяет увеличивать их в 4-5 и более раз без потери качества, обеспечивая извлечение максимума содержащейся в них информации.

Для фотографирования земной поверхности из космоса на КА «Ресурс-Ф» устанавливали фотоаппараты КФА-1000 (К-100), СА-М, К-20 и др.

Фотоаппарат КФА-1000 (К-100) снабжен объективом с f_K = 1000 мм и имеет формат кадра 30х30 см. Со штатных высот полета (200-280 км) получают оригинальные фотоизображения в масштабах 1:200 000-1:280 000 на спектрозональных, реже на цветных с натураль­ной цветопередачей или черно-белых пленках, с разрешением на мест­ности 5-10 м. Полоса захвата съемки до 81 км. Съемка производится с продольным перекрытием между кадрами около 60% и поперечным перекрытием 10-15%. Снимки могут быть увеличены до 10х и более или преобразованы в цифровую форму.

Фотоаппарат СА-М представляет собой блок из четырех фотоаппаратов, выполняю­щих съемку местности в четырех различных диапазонах. Фокусное расстояние объективов 300 мм, формат кадра 18х18 см. Масштаб изображений получаемых с высоты орбиты в 300 км - 1:1 000 000. Разрешение на местности переменное и в зависимости от высоты съемки и применяемых фотопленок может достигать 6 м. При съемке используют комби­нацию из четырех из возможных шести спектральных диапазонов съемки, нм:

канал № 1 - 635-690; канал № 3 -515-565; канал № 5 - 580-800;

канал № 2 - 810-900; канал № 4 - 460-505; канал № 6 - 400-700.

Компенсация сдвига изображения, вызванного движением спутника по орбите, обес­печивается линейным перемещением прижимного стола. На кадрах четырех зон камеры в момент фотографирования впечатывается фотометрический клин шириной 6 мм, мини­мальная оптическая плотность 0,2. Тип применяемых фотопленок: Т-22, Т-27, СН-8, СН- 10, ЦН-3, ЦН-4, И-840, запас фотопленки (толщиной 90 мкм) в кассете 250 м, ширина полосы фотографирования 180 км. Съемки проводятся с продольным перекрытием около 60 %. Снимки имеют высокие геометрические параметры. По снимкам, полученным в различных зонах, может быть выполнен синтез изображений.

Фотоаппараты типа К-20. Размер кадра 18x18 см, фокусное расстояние 200 мм. С высоты рабочей орбиты спутника обеспечивается получение изображений земной поверх­ности в масштабах 1:1000000 - 1:1350000. На одном кадре снимается площадь порядка 40000 км².

Три однотипных фотоаппарата К-20 могут служить для многозональной съемки, но могут работать и порознь, например, для съемки на разные типы пленок (черно-белую, спектрозональную, цветную с натуральной цветопередачей и т.п.). Светофильтры, уста­навливаемые перед объективами, и используемые светочувствительные материалы позво­ляют регистрировать световые потоки в спектральных интервалах 500-600 нм, 600-700 и 700-900 нм. Разрешение изображений в зоне 600-700 нм -15 м, в зеленой и ближней инфракрасной зонах - 20-30 м, в зоне 700-900 нм - 25-35 м.

Фотоаппарат КАТЭ-140 имеет формат кадра 18х18 см, f_K =140 мм. Разрешение сним­ков при высоте съемки в 200 км составляет около 50-70 м.

Многозональная камера МКФ-6 состоит из шести (МК-4 - из четырех) синхронизиро­ванных однотипных камер (размер кадра 55х81 мм, f_K = 125 мм), объединенных в один блок, выполняет съемку одного и того же участка местности в шести (МК-4 - в четырех) зонах электромагнитного спектра (460-500; 520-560; 580-620; 640-680; 700-740 и 780-860 нм). Эти камеры обеспечивают получение высококачественных снимков с разрешением на местности 20-50 м.

На ДОС «Мир» и ДОС «Салют» эксплуатировался комплект съемочной фотоаппара­туры, в который входили стационарный фотоаппарат КАТЭ-140, многозональная аппара­тура МКФ-6 и МСК-4 и переносные фотокамеры («Зенит», «Практика» и др.).

В США для фотографирования земной поверхности с ИСЗ «Шаттл» использовали топографические фотокамеры RMK -30/23 с размером кадра 23х23 см и f_K = 305 и 610 мм, обеспечивающие получение с высоты 250 км снимков в масштабах около 1:800000 и 1:400000 с разрешением на местности 25-30 и 12-15 м, с полосой захвата на местности 180 и 90 км, а также широкозахватную топографическую камеру LFC с размером кадра 23х46 см и f_K = 305 мм, обеспечивающую при съемке с высоты 250 км разрешение на местности 14 м на черно-белой и 25 м на цветной фотопленках. Ранее на американских ПКК и ИСЗ устанавливалась и длиннофокусная фотоаппаратура с f_K = 1270 мм и 3 м.