- •2. Классификация съемочных систем. Краткие сведения об основных критериях информационных возможностей съемочных систем - линейной и энергетической разрешающей способности.
- •3.Фотографические съемочные системы. Общее устройство. Характеристики объектива.
- •4. Кадровые топографические аэрофотоаппараты и их характеристика.
- •5.Понятие о нефотографических съемочных системах (сканеры, радиолокационные, тепловые, лазерные), их метрические и изобразительные свойства.
3.Фотографические съемочные системы. Общее устройство. Характеристики объектива.
Фотографические съемочные системы, применяемые для съемки земной поверхности и планет с различных летательных аппаратов, называют соответственно аэрофотоаппаратами и космическими фотоаппаратами. Существует большое число конструкций этих аппаратов. Аэро- и космические фотоаппараты можно классифицировать, как уже было рассмотрено, по способу построения снимка, числу используемых каналов, а также по длине фокусного расстояния объектива, разрешающей способности, назначению и т. д.
Наибольшее применение имеют кадровые топографические аэрофотоаппараты (АФА). Схема построения изображения в кадровых АФА, которую принято считать классической, показана на рисунке 2.3.
В кадровых АФА имеется плоская поверхность, на которой строится изображение, неподвижный относительно нее объектив, оптическая ось занимает неизменное положение, изображение строится в центральной проекции. Экспонирование площади снимка происходит одномоментно.
Схема устройства аэрофотоаппарата показана на рисунке 2.4. Основными частями его являются съемочная камера и кассета.
Съемочная камера состоит из оптического блока 6 и корпуса 5. В нижней части оптического блока расположен объектив 4. В верхней части, в фокальной плоскости аэрофотообъектива, располагается прикладная рамка. В плоскости прикладной рамки в момент фотографирования происходит выравнивание аэрофотопленки. Существует несколько способов выравнивания, например механическим способом, с помощью прижимного стола 9 и выравнивающего стекла 7.
В некоторых типах АФА пленка выравнивается за счет создания разрежения между пленкой и выравнивающим столом. Невыравнивание аэропленки приводит к геометрическим деформациям изображений и снижает разрешающую способность снимка.
На серединах сторон прикладной рамки (в некоторых конструкциях также в ее углах) имеются координатные метки (см. рис. 2.3, 5), которые фиксируются при съемке на каждом аэроснимке. С помощью меток определяется система координат снимка. Прикладная рамка ограничивает размеры снимка. Наиболее широко применяют форматы 18 х 18, 23 х 23 и 30 х 30 см. Формат кадра может быть не квадратным.
В некоторых типах АФА на поверхность выравнивающего стекла наносят контрольные метки в виде сетки крестов со стороной 10 или 20 мм. Толщина штрихов крестов 2...3 мкм, а точность их нанесения 2 мкм. Используя сетку крестов, учитывают искажения изображений. Расстояния между координатными и контрольными метками определяют при фотограмметрической калибровке АФА. Результаты заносят в формуляр аэрофотоаппарата и используют при фотограмметрической обработке снимков. При механическом способе выравнивания аэропленки его качество оценивают по резкости изображения контрольных меток (крестов).
Кассета (съемочная часть аэрокамеры) предназначена для размещения аэропленки, ее перемотки и отмеривания по размеру кадра, а также, как уже сказано ранее, выравнивания пленки в плоскость. Кассета в зависимости от толщины подложки вмещает аэропленку длиной 60 или 120 м, что соответствует для отечественных АФА 300 или 600 снимков размером 18 х 18 см.
Аэрофотообъектив — оптико-механическое устройство, состоящее из оптической и механической частей. Оптическая часть (собственно объектив) — это закрепленные в корпусе линзы различной кривизны и формы. Подбирают линзы с целью получения оптического изображения с заданными свойствами. Узлы механической части, затвор и диафрагму, размещают в межлинзовом пространстве аэрообъектива.
Затвор — это устройство, регулирующее время (выдержку), в течение которого происходит экспонирование аэропленки. Выдержки в аэрофотозатворах изменяются в интервале от 1/40 до 1/1000 с и менее. Изменение выдержек в аэрофотоаппаратах происходит ступенчато (например, 1/125, 1/250, 1/500), что позволяет регулировать экспозицию кратно двум. В момент открытия затвора летательный аппарат и вместе с ним аэрофотоаппарат совершают линейные и угловые перемещения относительно снимаемой местности. Это вызывает перемещение оптического изображения относительно аэрофотопленки. В результате происходит «смаз» фотографического изображения. «Смаз» изображения уменьшает резкость изображения и разрешающую способность снимка на 30...50 %. Фотографический «смаз», вызванный поступательным движением летательного аппарата, можно уменьшить, уменьшив выдержку.
Помимо сдвигов оптического изображения, вызванных линейными и угловыми движениями летательного аппарата, на качество изображения оказывают влияние вибрационные сдвиги. Причиной появления данных сдвигов являются в основном вибрации от работы моторов летательных аппаратов.
Диафрагма служит для изменения диаметра входного отверстия объектива. В аэрофотоаппаратах диаметр входного отверстия объектива регулирует количество светового потока, проходящего через объектив. Чем больше диаметр диафрагмы, тем больше освещенность экспонируемой аэрофотопленки. В практических целях для описания размера отверстия объектива используют величину, называемую относительным отверстием. Относительное отверстие объектива
где i — диаметр входного (действующего) отверстия; ƒ—фокусное расстояние.
В объективах используют стандартные дискретные значения относительных отверстий, знаменатели которых равны 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22; 32. Рассчитывают их таким образом, чтобы переход к соседнему индексу диафрагмы изменял освещенность светочувствительного фотоматериала в 2 раза.
Основными характеристиками аэрофотообъектива, определяющими метрические и изобразительные свойства снимков, являются фокусное расстояние, дисторсия, разрешающая способность, угол поля изображения, светораспределение по полю изображения.
Фокусным расстоянием объектива или главным фокусным расстоянием называют 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 аэрофотопленка. Фокусное расстояние определяют при фотограмметрической калибровке АФА с точностью до 0,01 мм (или до 0,001 мм) и записывают в аттестат аэрофотообъектива.
где т — знаменатель масштаба фотографирования.
При неизменной высоте фотографирования чем больше фокусное расстояние, тем крупнее масштаб съемки.
Важной характеристикой топографических АФА является дисторсия объектива. Дисторсия — частный случай аберрации, приводит к нарушению связки проектирующих лучей, строящих оптическое изображение. Нарушение происходит за счет неодинакового преломления различно направленных проектирующих лучей ASa (рис. 2.5).
Это приводит к неравномерному смещению (Δr) точек по полю снимка. Геометрически дисторсию можно представить вектором, определяющим направление и размер смещения точки от ее идеального положения. Различают радиальную дисторсию, имеющую направление к центру или от центра снимка, и тангенциальную дисторсию, направление которой перпендикулярно радиальному. Дисторсию определяют при фотограмметрическом исследовании АФА в дискретных точках по всей площади кадра. Для различных типов объективов ее значение варьирует от 0,002...0,005 мм до десятых долей миллиметра. Объективы, в которых дисторсия практически не искажает изображение, называют ортоскопическими. При компьютерных технологиях фотограмметрической обработки снимков вводят поправки в положение точек изображения, равные значениям дисторсии.
Под разрешающей способностью объектива понимают свойство раздельно воспроизводить оптическое изображение двух близко расположенных точек или линий. Так же как и для аэрофотопленки, при ее определении используют штриховые и радиальные миры. В центре изображения, построенного объективом, разрешающая способность больше, чем на краю. Поэтому при изучении мелких деталей снимаемых объектов предпочтительнее использовать центральные части снимков. В длиннофокусных объективах падение разрешающей способности от центра к краю незначительно. Существуют аэрообъективы, у которых разрешающая способность не изменяется по полю изображения.
Одной из важных характеристик, определяющей фотометрические свойства аэрофотообъектива, является светораспределение в плоскости снимка. Освещенность, создаваемая в фокальной плоскости, уменьшается от центра к краю. Функция светораспределения описывается согласно закону Ламберта формулой
где Еβ — освещенность в точках поля изображения; E0 —освещенность в центре поля изобоажения: п — коэффициент, равный 1, 2, 3, 4 в зависимости от типа объектива; β — угол, образуемый главной оптической осью и направлением на точку.
Неравномерность светораспределения приводит к тому, что объекты одинаковой яркости при отображении их в центре или на краю снимка имеют различную оптическую плотность (цвет).
Угол, образованный лучами, исходящими из задней узловой точки объектива и опирающимися на диагональ прикладной рамки АФА, называют углом поля изображения (рис. 2.6). По значению угла поля изображения аэрофотоаппараты подразделяют на узкоугольные (менее 15°), нормальноугольные (15...60°), широкоугольные (более 60°).
При увеличении угла поля изображения увеличивается неравномерность светораспределения от центра к краю и уменьшается разрешающая способность снимка. В узкоугольных АФА эти изменения выражены в меньшей степени. Для устранения неравномерности светораспределения, которая в широкоугольных аппаратах значительна, применяют напыление объективов металлическим порошком с плотностью слоя, уменьшающегося от центра к краю.
Аэрофотоаппарат помещают в аэрофотоустановку (АФУ), предназначенную для его крепления на летательном аппарате, ориентирования в заданном положении и уменьшения влияния вибрации. Ориентирование представляет собой установление системы координат прикладной рамки (снимка) по направлению полета летательного аппарата и заданного угла наклона снимка. Ориентирование осуществляют вручную или автоматически.
В зависимости от углов отклонения оптической оси АФА от отвесного направления различают АФУ плановые (углы отклонения не превышают 3°) и перспективные (углы отклонения до 40...45°). Для уменьшения влияния продольных и поперечных наклонений летательных аппаратов применяют гиростабилизирующие аэрофотоустановки.
Командный прибор (интервалометр) предназначен для автоматического включения аэрофотоаппарата через определенный промежуток времени. По принципу работы их разделяют на электрические и оптико-электронные. После подачи электрического сигнала с командного прибора выполняется цикл последовательных операций для получения аэрофотоснимков: перемотка пленки, взвод затвора, выравнивание пленки в плоскость, экспонирование (срабатывание затвора). Длительность цикла различна у большинства АФА и составляет 1,2...2,5 с.
Управляют всем комплексом узлов аэрофотоаппарата с пульта управления. Здесь же осуществляется синхронизация работы АФА и сопровождающей съемку специальной аппаратуры. Например, космической навигационной аппаратуры GPS, определяющей пространственное положение снимка в геодезической системе координат на момент съемки.
Современными аэрофотоаппаратами и съемочным процессом управляют с помощью бортового компьютера, который помещен в крепкий корпус, не содержит движущихся частей (в отличие от обычных твердых дисков), имеет электронную защиту. Все это значительно снижает вероятность выхода его из строя в полете. Компьютерные программы обеспечивают графическое отображение на дисплее маршрута полета и разворотов над фотографируемым участком местности, открытие затвора в точке пространства с заданными координатами, запоминание координат точки пространства, в которой не произошло по каким-либо причинам экспонирование фотопленки и т.д. Новое поколение съемочного оборудования значительно повышает качество материалов аэрофотосъемки.