§27. Классификация азрофотоаппаратов

Классификация аэрофотоаппаратов возможна по различным признакам. В зависимости от способа экспонирования аэрофотопленки различают кадровые, щелевые и панорамные аэрофотоаппараты. Как видно из предыдущего, в кадровых аэрофотоаппаратах экспонирование аэрофотопленки происходит прерывисто, отдельными кадрами вдоль длины аэрофотопленки; при этом направление оптической оси не меняется относительно плоскости предметов.

В щелевых аэрофотоаппаратах экспонирование происходит непрерывно по всей длине аэрофотопленки; при этом направление оптической оси также не меняется относительно плоскости предметов.

В панорамных аэрофотоаппаратах оптическая ось непрерывно изменяет свое направление.

Аэрофотоаппараты классифицируются по их техническим характеристикам, которые являются следствием рассмотренных в главах III - V (III - Основные узлы аэрофотоаппарата, IV - Оптическая система аэрофотоаппарата и метрологическое качество оптического изображения, V - Влияние на качество изображения неплоскостности аэрофотопленки и перемещений аэрофотокамеры при аэрофотографировании) особенностей устройства основных узлов аэрофотоаппарата. Так, например, в зависимости от величины угла поля зрения и фокусного расстояния аэрофотообъективов различают узкоугольные (длиннофокусные), нормальноугольные (нормальные), широкоугольные (короткофокусные) и сверхширокоугольные (сверхкороткофокусные) аэрофотоаппараты. По степени автоматизации различают аэрофотоаппараты автоматические и полуавтоматические и т. д.

Наибольший интерес имеет классификация аэрофотоаппаратов по назначению. В этом случае все аэрофотоаппараты принято делить на два больших класса: топографические аэрофотоаппараты и аэрофотоаппараты нетопографического назначения.

Топографические аэрофотоаппараты предназначены для получения ортоскопических аэроснимков земной поверхности, поверхности Луны и других небесных тел с целью их картографирования. Использование аэроснимков, полученных топографическими аэрофотоаппаратами, для составления топографических карт предопределяет требования к их конструкции и характеристикам.

Топографические аэрофотоаппараты обеспечивают получение аэроснимков, обладающих высокими как измерительными, так и изобразительными свойствами. Так как фотограмметрические методы, применяемые в настоящее время при составлении топографических карт по аэроснимкам, основаны на предпосылке, что аэроснимок является центральной проекцией точек местности на плоскость, то конструкция топографических аэрофотоаппаратов должна обеспечивать получение ортоскопических аэроснимков. Поэтому топографические аэрофотоаппараты являются кадровыми, в них не применяются шторно-щелевые аэрофотозатворы. Для обеспечения высоких измерительных и изобразительных свойств получаемых аэроснимков топографические аэрофотоаппараты снабжаются ортоскопическими аэрофотообъективами с хорошей контрастно-частотной характеристикой; конструкция этих аэрофотоаппаратов обеспечивает высокоточное выравнивание аэрофотопленки в плоскость при экспонировании, возможность получения аэроснимков с заданным продольным перекрытием. Непременное условие, выполнение которого предусматривается в топографических аэрофотоаппаратах, - неизменяемость элементов внутреннего ориентирования аэрофотокамеры и остаточной дисторсии, а также постоянство других характеристик аэрофотоаппаратов в любых условиях их эксплуатации: на малых и больших высотах, при низких и высоких скоростях полета, при использовании пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов.

Так как решение измерительных задач по аэроснимкам требует точного знания элементов внутреннего ориентирования аэрофотокамеры и дисторсии изображения, то топографические аэрофотоаппараты периодически калибруются. Кроме того, в топографических аэрофотоаппаратах дополнительная информация регистрируется наиболее полно.

Аэрофотоаппараты нетопографического назначения применяются для получения аэроснимков с целью их топографического, геологического, ландшафтного и других видов дешифрирования, т. е. опознавания и определения качественной и количественной характеристик изображенных на них объектов. В этом случае решение измерительных задач по аэроснимкам ограничивается определением цифровых характеристик отдешифрированных объектов (глубины оврагов, высоты деревьев и пр.). На этом основании требования к ортоскопии аэроснимков, получаемых этими аэрофотоаппаратами, значительно снижаются.

Общим свойством топографических и нетопографических аэрофотоаппаратов являются одинаково высокие требования к изобразительным свойствам получаемых аэроснимков.

Для увеличения разрешения на местности, улучшения дешифрируемости аэроснимков, что зависит не только от их изобразительных свойств, но и от масштаба аэроснимков, последние в целях детального дешифрирования получают в более крупном масштабе, поэтому аэрофотоаппараты нетопографического назначения для получения крупномасштабных аэроснимков снабжаются более длиннофокусными объективами, чем топографические.

Топографические аэрофотоаппараты для обеспечения более высокой экономической эффективности аэрофототопографического метода создания карт имеют, как правило, широкоугольные, а в ряде случаев даже сверхширокоугольные объективы. Нормальноугольные объективы используются реже.

Как видно, топографические и нетопографические аэрофотоаппараты дополняют друг друга, поэтому аэрофотосъемочный комплекс включает те и другие аэрофотоаппараты. При аэрофотосъемке в картографических целях фотографирование выполняется, как правило, одновременно топографическим и нетопографическим длиннофокусными аэрофотоаппаратами. В этом случае первый считается основным, а второй - дополнительным. Аэроснимки, полученные топографическим аэрофотоаппаратом, используются для фотограмметрических работ, а аэроснимки, полученные нетопографическим длиннофокусным аэрофотоаппаратом, - для топографического дешифрирования.

К аэрофотоаппаратам нетопографического назначения относится также небольшая группа аэрофотоаппаратов, применяемых для обзорной или рекогносцировочной аэрофотосъемки. Это, как правило, сверхширокоугольные аэрофотоаппараты, часто малоформатные.

§28. Характеристика основных типов топографических аэрофотоаппаратов

В настоящее время в Советском Союзе, в странах социалистического содружества и других странах применяется значительное количество топографических аэрофотоаппаратов. Ведутся большие работы по совершенствованию аэрофотоаппаратов этого класса.

Современные топографические АФА дают возможность получать изображение с малыми искажениями ортоскопии; средние значения дисторсии изображения лучших аэрофотоаппаратов - 5 - 10 мкм, причем получение лучшей ортоскопичностн во многих случаях использования сверхширокоутольных аэрофотоаппаратов лимитируется короткопериодическими ошибками невыравнивания аэрофотопленки при ее экспонировании, что обусловливает целесообразность уменьшения интервала между контрольными метками (крестами) до 1 см и меньше. Отечественные топографические аэрофотоаппараты АФА-ТЭ и АФА-41 в большинстве своем соответствуют предъявляемым к ним требованиям.

Отличительная особенность широко применяемых аэрофотоаппаратов АФА-ТЭ - большое разнообразие фокусных расстояний: 55, 70, 100, 140, 200, 350 и 500 мм при размере кадра 18х18 см. В этих аэрофотоаппаратах в основном применен вакуумный способ выравнивания аэрофотопленки. Однако в отдельных моделях, например, АФА-ТЭС-10 (f' = 100 мм) и АФА-ТЭС-7 (f' = 70 мм), аэрофотопленка для выравнивания прижимается к стеклу, имеющему сетку контрольных меток. Разрешающая способность системы аэрофотообъектив - аэрофотопленка средней чувствительности - 60-30 мм-1 в центре и 30-10 мм-1 на краю поля изображения, дисторсия изображения не превышает 10-20 мкм. Аэрофотоаппараты АФА-41 имеют размер кадра 18х18 см, для выравнивания аэрофотопленки используется стекло.

Весьма интересны аэрофотоаппараты, выпускаемые Народным предприятием Карл Цейсс, Иена (ГДР); MRB 21/1818, f = 210 мм, размер кадра 18X18 см: MRB 11,5/1818, f =115 мм, размер кадра 18X18 см; MRB 15/2323, f = 152 мм, размер кадра 23X23 см; MRB 9/2323, f = 88 см, размер кадра 23X23 см. В этих аэрофотоаппаратах применен вакуумный способ выравнивания аэрофотопленки, остаточная дисторсия объективов Ламегон и Супер-Ламегон не превышает 5-8 мкм; при создании отдельных образцов аэрофотообъективов этого типа (PI) удалось устранить хроматическую аберрацию для видимой и ближней инфракрасной зоны спектра. Отдельные аэрофотоаппараты MRB имеют оптический клин, который впечатывается на каждый кадр. Разрешающая способность АФА-MRB 9/2323 при использовании аэрофотопленки средней чувствительности - 85 мм-1 в центре и 20 мм-1 на краю поля изображения.

§29. Характеристика основных типов аэрофотоаппаратов нетопографического назначения

1. Кадровые нетопографические аэрофотоаппараты с постоянным направлением оптической оси в момент экспонирования

Отличительные особенности таких аэрофотоаппаратов названы в § 27. К ним относятся отечественные аэрофотоаппараты АФА-42, имеющие фокусные расстояния 200, 500, 750 и 1000 мм при размере кадра 30x30 см, с выравниванием аэрофотопленки при помощи стекла, которое не входит в оптический расчет объектива. Аэрофотоаппараты АФА-42 с фокусными расстояниями 500 мм и больше имеют оптические устройства для компенсации сдвига изображения; они применяются для планового, перспективного и планово-перспективного аэрофотографирования. К нетопографическим аэрофотоаппаратам относятся: АФА-ТЭ с фокусным расстоянием f = 36 мм при размере кадра 18X18 см, АФА-МИИГАиК, f =20 мм, размер кадра 5,2х7 см и др.

Отличительная особенность аэрофотообъективов, разработанных в последнее время, в том, что они корригированы не только в отношении монохроматических и хроматических аберраций, но у них устранены термооптические аберрации, т. е. это объективы, не расстраивающиеся при изменении температуры. Так, например, аэрофотообъектив "Ленинград-7" (f = 1000 мм) разрешает в центре поля при температуре 20 °С и t = -56 °С около 42 мм-1, а у аналогичного объектива "Телемар-7" при тех же температурных колебаниях разрешение падает от 40 до 8 мм-1; у объектива "Телемар-7" при указанном изменении температур термооптическая аберрация достигает 1,4 мм.

2. Щелевые аэрофотоаппараты (АЩАФА)

При щелевом фотографировании (метод щелевой аэрофотосъемки разработан В. С. Семеновым в 1936 г.) изображение местности 1 получается в результате непрерывного экспонирования фотопленки 2, движущейся по направлению летательного аппарата; аэрофотопленка экспонируется при помощи объектива 4 через постоянно открытую щель 3, расположенную в фокальной плоскости объектива перпендикулярно направлению летательного аппарата (см. рис. 62). Скорости перемещения аэрофотопленки и летательного аппарата согласованы. Результатом фотографирования местности в этом случае являются не отдельные кадры, а сплошная лента - фотографическое изображение маршрута полета летательного аппарата, причем в поперечном направлении (по ширине аэрофотопленки) щелевой снимок представляет центральную проекцию, а в продольном- ортогональную проекцию фотографируемой местности.

Таким образом, в щелевом аэрофотоаппарате светочувствительный материал непрерывно экспонируется через щель, расположенную в фокальной плоскости объектива перпендикулярно к линии полета.

Отсюда можно сделать выводы:
1. Перемещение аэрофотопленки с определенной скоростью в направлении полета летательного аппарата исключает сдвиг, вызывающий нерезкость изображения.
2. Для сохранения заданной выдержки t необходимо с изменением скорости движения аэрофотопленки пропорционально изменять ширину щели, которая обычно изменяется от 1,5 до 10 мм.
3. Допустимая выдержка в щелевом аэрофотоаппарате, определяемая допустимым сдвигом, значительно больше допустимой выдержки при использовании кадровых аэрофотоаппаратов в тех же условиях.
4. В щелевом аэрофотоаппарате затвор отсутствует, регулирование экспозиции производится изменением ширины щели и диафрагмированием.
5. Изображение местности получается в виде сплошной ленты. Щелевые аэрофотоаппараты бывают однообъективные и двухобъективные; они имеют две основные системы механизмов: систему механизмов синхронизации движения аэропленки и систему механизмов регулирования экспозиции (регулирование ширины щели). Управление этими механизмами выполняется в полуавтоматическом или чаще всего в автоматическом режиме работы.

3. Панорамные аэрофотоаппараты (ПАФА)

При панорамном фотографировании (рис. 63) участка местности 4 используется объектив 3, оптическая ось которого вращается вокруг оси, проходящей через заднюю узловую точку параллельно образующей цилиндра, на котором располагается фотопленка 1. При этом задняя узловая точка находится на оси цилиндра, которая обычно параллельна направлению полета; радиус цилиндра равен фокусному расстоянию объектива. Панорамный аэроснимок получается путем последовательного перемещения щели 2 по поверхности аэрофотопленки и ее экспонирования. По форме это обычно прямоугольный снимок в виде кадра, но экспонирование аэрофотопленки происходит не одновременно, а последовательно в соответствии со скоростью вращения объектива. Таким образом, панорамный аэроснимок представляет собой развертку местности на цилиндрическую поверхность.

Панорамные аэрофотоаппараты бывают прямого сканирования, осуществляемого качанием (вращением) объектива, и косвенного сканирования, осуществляемого вращением призм или зеркал, установленных перед объективом.

Выдержка tск, получаемая в ПАФА, определяется скоростью вращения объектива vоб или скоростью сканирования vск и шириной щели lщ, т. е.

tск = lщ / vск

В современных ПАФА скорость сканирования vск изменяется от 30 до 700 см/с, а ширина щели lщ от 1 до 10 мм; в соответствии с этим величина выдержки изменяется в очень широких пределах - от 1/30 до 1/15000 с.

Особенности панорамных аэрофотоаппаратов:
1. Используется только центральная часть поля зрения объектива, что способствует получению высоких изобразительных свойств панорамных снимков.
2. Скорость поворота проектирующего пучка при сканировании не зависит от путевой скорости W, что позволяет успешно использовать ПАФА для фотографирования с любого летательного аппарата.
3. Большая ширина снимаемой полосы местности (угол панорамирования составляет 140-180°).
4. Необходима точная синхронизация поворота проектирующего пучка с движением аэрофотопленки мимо щели при косвенном способе сканирования.
5. Сравнение ПАФА с многокамерными АФА и АФА в качающих аэрофотоустановках показывает, что трехобъективная система гораздо проще размещается в самолете, чем ПАФА, для вращения объектива или призмы которого необходим люк больших размеров, но аэрофильм, полученный ПАФА, гораздо удобнее для рассматривания, хотя менее удобен для определения координат.
6. Применение ПАФА для картографических целей ограничивается сложностью их калибровки (определение элементов внутреннего ориентирования) и недостаточной геометрической определенностью получаемых аэроснимков, что является следствием механических перемещений частей АФА во время экспонирования (неодновременностью экспонирования всего снимка), однако эти трудности не являются непреодолимыми.