4 ГЛАВА. ФОТОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД (ФОТОСЪЕМКА)
4 ГЛАВА. ФОТОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД (ФОТОСЪЕМКА)
Авиасъемка вносит весьма существенный вклад при решении следующих задач:
— мониторинг чрезвычайных ситуаций и их последствий, поиск пострадавших и доставка груза;
— дистанционный контроль нефтегазопроводов и хранилищ, ЛЭП и теплотрасс, железных и автомобильных дорог, лесных массивов и сельскохозяйственных угодий;
— патрулирование сухопутных и морских границ;
— геофизические исследования;
— вскрытие ледовой обстановки;
— геологоразведка;
— цифровая картография;
— производственно-экологический мониторинг;
— охрана объектов и районов;
— ретрансляция,
а также — при валидации результатов обработки материалов космической съемки (сбор и обработка контрольной выборки материалов наземной и авиационной съемки для подтверждения заявленной точности измерения тематических характеристик природных объектов или технологического оборудования).
Фотосъёмка — фотографирование территории с большой высоты при помощи фотоаппарата, установленного на летательном аппарате (рис. «Аэрофотоаппарат»):
1) на небольших высотах: на самолёте, вертолёте, беспилотном летательном аппарате;
2) на большой высоте: на спутнике или специальной ракете.
Чаще аэрофотосъемка выполняется однообъективным фотоаппаратом, но если требуется увеличить площадь снимка, используются многообъективные аэрофотоаппараты, выполняющие многозональную съемку.
Современные фотоаппараты делятся на 4 категории:
1. Узкоугольные длиннофокусные (ТЭ-500 и ТЭ-350),
2. Нормальноугольные (ТЭ-200),
3. Широкоугольные короткофокусные (ТЭ-140; ТЭ-100; ТЭ-70),
4. Сверхширокоугольные (ТЭ-55).
Рис. Аэрофотоаппарат (1 – кассета, 2 — камерная часть, 3 — объективная часть, 4 — командный прибор для управления работой аппарата).
Многозональная съемка – это съемка объектов земной поверхности
в разных зонах спектра (рис. «Камера с 4 каналами спектрального изображения»).
Спектрозональная съемка заключается в фотографировании объектов в двух различных зонах спектра, включая невидимые ультрафиолетовую и инфракрасную зоны. Спектрозональное фотографирование основано на свойствах объектов в разной степени отражать различные лучи спектра. При этом используют цветные двухслойные пленки, позволяющие получать на одном снимке перекрывающие друг друга изображения в условных цветах, что значительно увеличивает контрастность цветного изображения деталей объекта.
Многозональная фотографическая съемка обеспечивается использованием черно-белой пленки, обычно изопанхроматической и светофильтров, которая разделяет световой поток на отдельные участки спектра. Для съемки в ближней инфракрасной части спектра используется инфрахроматическая пленка. Многозональный фотографический снимок представляет собой серию из нескольких черно-белых снимков. Существуют приборы, синтезирующие проекторы, с помощью которых можно совмещать зональные изображения аддитивным путем и получать цветное синтезированное изображение в натуральных или искаженных цветах. Принцип многозональной съемки сейчас стал преобладающим.
1 2
Рис. Камера с 4 каналами спектрального изображения (1), современная цифровая сканирующая аэрофотокамера «3-DAS-1» (2).
Многозональная съемка занимает ведущее место среди других видов аэрокосмических съемок. Её осуществляют:
• либо многокамерными синхронизированными аппаратами, обеспечивающими одновременную съемку объектов земной поверхности в разных зонах спектра,
• либо одной камерой с несколькими объективами, в которых используются различные виды пленок, чувствительные к видимой и ближней инфракрасной частям спектра.
Многозональная съемка проводится:
• с помощью фотографических систем,
• или электронно-оптических сканирующих систем.
Запись первичного изображения осуществляют на фотопленку или магнитную ленту. Наиболее информативна та зона, в которой спектральные яркости изучаемого объекта максимальны. Параметры многозональной съемки устанавливают опытным путем по результатам спектрометрической съемки.
Фотографическая съемочная камера МКФ-6 (рис. «Многозональная камера МКФ-6») обеспечивает синхронное получение шести снимков:
- четырех — в видимой области,
- и двух — в ближней инфракрасной.
С помощью камеры МКФ-6 для каждого участка съемки одновременно можно получить шесть черно-белых негативов в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра:
• в диапазоне 0,45— 0,5 мкм съемку ведут первым каналом камеры;
• в диапазоне 0,52— 0,56 мкм — вторым;
• 0,58—0,62 мкм — третьим;
• 0,64—0,68 мкм — четвертым;
• 0,7—0,74 мкм — пятым;
• 0,78— 0,86 мкм — шестым.
Рис. Многозональная камера МКФ-6
(1 — 6 объективов, 2 — приемная кассета, 3 – фотоаппарат для сравнения).
Фотографическая камера МК-4, одна из используемых для съемки из космоса, имеет четыре канала:
• в трех из них — получают зональные черно-белые снимки в участках спектра мкм: 0,515-0,565; 0,635-0,690; 0,810-0,900;
• в четвертом – снимок на цветной спектрозональной пленке в широкой зоне 0,570-0,810 мкм.
Путем фотографической обработки видеоинформации
(полученных на МКФ-6 и МКФ-4) изготавливают черно-белые негативы, а с помощью многокамерного синтезирующего проектора МСП-4 получают цветные изображения увеличенного масштаба. Черно-белые негативы и контрольные отпечатки с них тиражируются и распространяются.
Масштабы фотосъемки. В настоящее время аэрофотосъемку выполняют в основном с высот до 7 км с самолетов типа АН-ЗО, ИЛ-14 и АН-2 в масштабах 1:10 000 — 1:140 000. Для получения аэрофотоснимков более мелкого масштаба осуществляют высотную съемку с высот 11—12 км, применяя короткофокусные аэрофотоаппараты. С помощью аэрофотоаппаратов с различными фокусными расстояниями можно (снимая с различной высоты) получать аэрофотоснимки одного масштаба.
По масштабу фотоснимки подразделяют на:
- крупномасштабные (крупные 1:25 000),
- среднемасштабные (1:25 000 — 1:70 000),
- мелкомасштабные (мельче 1:70 000).
Проекционной печатью можно получить снимки более крупного или мелкого масштаба (увеличение до 4—5). Так опытным путем установлено, что при последовательном увеличении масштаба фотоснимков наступает такой момент, когда дальнейшее увеличение не дает новой информации, не выявляются новые детали геологического строения. Это так называемый верхний предел информативности, который при равных технических условиях зависит от ландшафта и геологического строения района.
Применение крупно- и среднемасштабных фотоснимков при оптическом картировании позволяет выявить детали объекта, значительно повысить точность проведения его границ и достоверность его оконтуривания.
Однако на мелкомасштабных снимках, обладающих большей обзорностью и генерализацией изображения, лучше видны общие закономерности объекта и возможна экстраполяция установленных границ на смежных площадях.
При космической съемке фотографические камеры позволяют получать плановые и перспективные снимки. Снимки охватывают одним кадром площадь от 20 тыс. кв.км. (камера МКФ-6М) до 200 тыс. кв.км. (камера КАТЭ-140). Получают материалы высокой разрешающей способности и качества изображения. Их недостаток: информация не поддается автоматизированной обработке без предварительных преобразований.
Фотопленка. При фотографическом способе снимки получают с помощью системы «объектив—фотопленка», где фотопленка состоит из:
• подложки (основы),
• эмульсионного (светочувствительного) слоя,
• защитного слоя,
• противоореольного слоя.
В качестве подложки чаще используются лавсановая и эстаровая пленки.
Основным компонентом светочувствительной эмульсии служит галоидное серебро. В результате воздействия светового потока на зерна галоидного серебра в эмульсионном слое образуется почернение. Его называют оптической плотностью и представляют как десятичный логарифм освещенности:
D=lg H
При фотографировании используются пленки:
• черно-белые,
• цветные негативные,
• цветные спектрозональные.
Черно-белые фотопленки. Эмульсия черно-белых фотопленок может быть очувствлена к разным участкам видимой области спектра. Наиболее широкий участок охватывают панхроматические и изопанхроматические пленки. Инфрахроматические пленки чувствительны к лучам в диапазоне длин волн от 0,68 до 0,90 мкм.
Цветные негативные фотопленки имеют не один, а три светочувствительных слоя, что позволяет после позитивного процесса (печати на бумагу или позитивную пленку) получить правильную цветопередачу. На таких снимках растительность изображается зеленой, почва коричневатой и т.д.
Цветные спектрозональные пленки имеют два или три светочувствительных слоя. В последнем случае один из слоев чувствителен к ближнему инфракрасному участку спектра. Наш глаз не воспринимает такое излучение, поэтому введение этого слоя приводит к искаженной цветопередаче на этих снимках, например, растительность может иметь красный, сиреневый или голубой цвет.
Фотоснимки изготавливают контактным путем с негатива — первичного материала фотосъемки. Контактные отпечатки для исследований обычно заказывают у организаций (фильмодержателей) в нескольких экземплярах (по числу исполнителей плюс чистый, контрольный экземпляр). Наиболее распространенный формат фотоснимков — 18х18; 23х23; 30х30 см.
Черно-белые отпечатки передают изображение поверхности земли в черно-белых тонах. При нормальном зрении без особого напряжения между белым и черным цветами удается различать до 35 оттенков.
Цветная и спектрозональная аэрофотосъемки – применяются, например, при геологических работах.
Цветные фотоснимки дают изображения, в большей степени приближающиеся к естественным цветам объектов, что может служить основным признаком при дешифрировании фотоснимков.
Виды фотосъемок
Фотосъемка имеет несколько возможностей для съемки, при которых плоскость фотоаппарата занимает:
1. плановая фотосъемка — горизонтальное положение фотоаппарата (рис. 1),
2. перспективная фотосъемка — наклонное положение (рис. 2),
3. панорамная фотосъемка — фотографирование на цилиндрическую поверхность или вращающимся объективом (рис. 3).
Рис. 1. Плановая фотосъемка. Рис. 2. Перспективная фотосъемка.
Рис. 3. Панорамная фотосъемка
(1 — объектив; 2 — экспонирующая щель; 3 — фотопленка)
Рис. Геометрическая схема получения фотоизображения.
Где:
ОSo — оптическая ось фотоаппарата;
АВ — объект на местности;
аb — изображение объекта на снимке;
S — объектив фотоаппарата;
Н — высота фотографирования,
f — фокусное расстояние фотоаппарата.
При плановой съемки фотоизображение получается по принципу, приведенному на рис. «Геометрическая схема получения фотоизображения».
Масштаб аэрофотоснимка вычисляют по формуле
1 аb
— = —
m АБ
где m — знаменатель масштаба.
Фотографирование можно производить одиночными фотоснимками:
1. по определённому направлению — маршрутная фотосъемка;
2. по площади — площадная фотосъемка (Рис. 4. «Площадная фотосъемка»).
Рис. 4. Площадная фотосъемка
Фотосъемку осуществляют по сети параллельных маршрутов с перекрытием. При такой конвергентной съемке (вперед-назад) происходит продольное и поперечное перекрытия фотоснимка (рис. 5. «Продольное и поперечное перекрытия фотоснимка»).
Чаще снимки ориентируются (по маршруту полета) с востока на запад, с учетом дорог.
Площадь фотоснимка, перекрытая смежными снимками того же маршрута, называется продольным перекрытием, обычно в среднем оно равно:
• 60% — в равнинных,
• 80—90% — в горных районах.
Общее перекрытие соседних снимков равно 60%.
Перекрытие снимков соседних маршрутов называется поперечным, оно составляет 30% (рис. 5., фотоснимок 1 и 2).
|
Рис. 5. Продольное и поперечное перекрытия фотоснимка
Типы стереоскопической съемки зависят от движения луча фотоаппарата:
- одновитковая (однопроходная) – «вперед-назад».
- двухвитковая – с поперечным перекрытием снимков с соседних витков при отклонении оптической оси в сторону.
- многоракурсная (или веерная съемка) – многоугловой сканер ведет съемку вдоль маршрута «вперед-назад» и получает одновременно несколько перспективных снимков с различными углами наклона.
Достоинства и недостатки съемки
Качество съемки при проведении фотографирования зависит от:
• освещенность местности,
• состояние атмосферы,
• время года и др.
Недостатком фотосъемки являются искажения объектов, из-за:
1. наклона фотокамеры (Рис. 6. «Наклон фотокамеры»);
2. разности высоты местности (рельеф) (рис. 7. «Высота фотографирования»).
Рис. 6. Наклон фотокамеры.
Высота фотографирования определяется относительно разных уровней, где: Но – абсолютная высота фотографирования (относительно уровня моря); На, Нб – высоты фотографирования над точками А и Б соответственно; Н – средняя высота фотографирования (относительно уровня выбранной средней поверхности Т) (рис. «Рис. 7. «Высота фотографирования»).
Рис. 7. Высота фотографирования
В этом случае происходит искажение за рельеф расчлененной местности – это искажения, вызываемые рельефом снимаемой местности (рис. 8. «Искажение за рельеф»). Это наиболее существенный вид искажений, который необходимо учитывать.
Рис. 8. Искажение за рельеф
Только в идеальном случае при ведении фотосъемки плоской местности получают ее точный план.
Также отражательные свойства объектов непостоянны во времени и зависят от:
• прозрачности атмосферы,
• высоты Солнца,
• фазы развития и других факторов.
Поэтому:
• некоторые свойства объектов теряются или искажаются;
• объекты видны под другим ракурсом (сверху) – что непривычно;
• объект представлен в общем виде (отсутствуют многие детали);
• запечатлен только определенный момент состояния объекта (вне его развития);
• один и тот же объект на разных фото в зависимости от многих факторов – разный.
Достоинства фотографического метода:
• возможность получать снимки с очень высоким разрешением,
• с высокими геометрическими и фотометрическими свойствами.
• на снимке изображаются большие объекты, не видимые с земли (например, астроблемы).
• фотографические пленки — экономичный и надежный способ хранения информации.
На сегодняшний день существуют цифровые аэросъемочные комплексы, удовлетворяющие требованиям ДЗЗ и топографической съемки. В зависимости от объема и содержания задач дистанционного исследования территории они могут размещаться не только на тяжелых самолетах-лабораториях (Ту-134, Ил-20), но и на легких самолетах (Ан-2, Ан-30, вертолетах Ми-8Т, Ка-26).
Весьма актуальны комплексы дистанционного зондирования на базе легкомоторных воздушных судов, обеспечивающих проведение работ на сверхмалых высотах и, прежде всего, беспилотные летательные аппараты (БЛА), существенно более экономичные по сравнению с традиционными носителями.