5.2.1. Фотографічні системи

Фотографічні системи – це фото- або електронні камери, які забезпечують одномоментне одержання всього кадру знімка. Космічні зображення відрізняються високим розрізненням і можуть бути збільшені в декілька разів без втрат інформативності.

Фотографічні знімальні системи працюють у видимій та близькій ІЧ ділянках спектра і дають можливість отримати чорно-білі, кольорові, спектрозональні і багатоспектральні фотозображення. Знімання виконують з аеро- та космічних літальних апаратів. Чорно-білі фотознімки широко застосовують у фотограмметрії завдяки високим вимірним властивостям. Особливо покращує процес фотоінтерпретації зображень спектрозональна фотографія, виконана на спеціальних фотоматеріалах, які містять фотошари, чутливі до певних спектральних зон. Варто відзначити фотоматеріали, чутливі до ІЧ смуги спектра, які мають підвищені інтерпретаційні можливості стосовно аналізу стану рослинності, впливу діяльності людини на довкілля та екологічну ситуацію. Як окремий вид спектральної фотографії можна виділити фотографію багатоспектральну, яка дає змогу через світлофільтри реєструвати вузькі смуги електромагнітного випромінювання, відбитого від об'єктів місцевості. Практично в сучасному аерокосмічному зніманні застосовують переважно кадрові фотографічні знімальні системи, в яких зображення створюється на засадах центрального проектування.

5.2.2. Телевізійні системи

Телевізійні системи працюють в тому ж спектральному діапазоні (0,4-0,9 мкм), що і фотографічні камери. Основна відмінність від фотографічних полягає в тому, замість фотокамери використовується телекамера. Використання декількох телекамер з світлофільтрами дозволяє одержувати багатозональне зображення.

За допомогою телевізійних систем зображення місцевості будується оптичним способом на електронно-променевій трубці, а потім або фотографується, або радіоканалами передається на наземні пункти. Відтворюється зображення в режимі реального часу як безпосередньо на екрані приймача, так і з магнітних цифрових записів. Розрізнення телевізійних знімальних систем невисоке, тому їх використовують для розв'язання оглядових задач (дослідженні великих територій поверхні або океанів, дослідження хмарності, оцінювання результатів стихійних явищ, повеней, катаклізмів тощо).

До недоліків телевізійних систем також відносять великі геометричні і фотометричні викривлення та залежність від погодних умов.

5.2.3. Сканерні системи

Сканерні системи відрізняються від інших знімальних систем перед усім принципом побудови зображення. В знімальних системах оптико-електронного типу приймачами сигналів слугують оптико-механічні сканери і пристрої із зарядовим зв'язком (ПЗЗ) лінійкового або матричного типу. Ці пристрої є фактично фотонними детекторами, світлочутливий шар яких складається із кремнієвих або інших діодів. Зображення будується оптичним способом у межах лінійки або матриці. Якщо використовують ПЗЗ-лінійки, то зображення будується скануванням (переглядом) місцевості по рядках (рис. 5.3 а). Все зображення формується послідовним під'єднанням рядків за рахунок переміщення літального апарата.

Скануючий пристрій сприймає відбитий (випромінений) електромагнітний потік від елементарних майданчиків об’єкта знімання 1, які розташовуються вздовж рядка. Розмір майданчика залежить від висоти зйомки, миттєвого кута 2α зображення оптичної системи 2 сканера і положення відносно осі сканування (рис. 5.3 б). Кут захоплення 2β визначає ширину смуги на місцевості.

Рис. 5.3. Схема сканування місцевості

Перехід від одного рядка до іншого (порядкова розгортка) відбувається в результаті поступального руху літального апарату. Для виключення розривів між рядками швидкість сканування узгоджується з висотою і швидкістю польоту. Пристроями сканування можуть бути оптичні елементи: плоскі дзеркала, дзеркальні призми, піраміди тощо.

В сканер них системах застосовують різні типи приймачів електромагнітного випромінювання: теплові (теплоелектричні) і фотонні (фотоелектричні). Теплові системи працюють на основі перетворення теплової енергії в електричний сигнал, у фотонних системах рівень сигналу визначається кількістю поглинених фотонів. Найбільше розповсюдження отримали сканери, приймачами яких слугують лінійки ПЗЗ.

Стандартний ПЗЗ – досить складна електронна мікросхема, яка є двовимірною матрицею з дуже маленьких детекторів світла. У кожному детекторі нагромаджуються електрони під дією фотонів, які надходять від об'єкта. ПЗЗ охоплюють видиму та близьку ІЧ ділянки спектра, тобто працюють в оптичному діапазоні, який широко використовується в дослідженні природних ресурсів Землі. Залежно від яскравостей об'єктів на кожен детектор надходить певний сигнал, який генерує електричний струм, пропорційний до яскравості об'єктів. Електричний сигнал переноситься в певну комірку заряду, а згодом в електронний блок, де підсилюється та оцифровується.

В сучасних умовах знімальні системи оптико-електронного типу використовуються дуже широко. Як відомо, зйомка може вестись в одному спектральному діапазоні, коли на зображенні фіксується вся видима ділянка спектра (в цьому випадку зображення називають панхроматичним) або декількох зонах спектра (багатозональним).

По знімках у різних зонах спектру можна встановити, які саме об’єкти зображені. Для цього яскравість зображення невідомого об’єкта на серії зональних знімків (тобто його спектральний образ) порівнюється з еталонними кривими, одержаними шляхом спеціальних вимірів на місцевості що зберігаються в банку даних. Наприклад, якщо об’єкт темний в червоній зоні і дуже світлий в ближній ІЧ, можна впевнено стверджувати, що це рослинність.

Спектральні характеристики об’єкта безпосередньо пов’язані з енергетичною структурою речовин, що входять до його складу, і тим самим несуть інформацію про склад об’єкта, його структуру, стан тощо. Наприклад, людське око, що має лише три колірних канали, які сильно перекриваються, здатне розрізняти мільйони відтінків, що дозволяє вирішувати різноманітні практичні проблеми, пов’язані із життєдіяльністю.

Як свідчать порівняння зору людини із зором птахів, які володіють 4-м каналом у ближньому УФ діапазоні. додавання лише одного каналу робить систему набагато більш вибірковоюі більш ефективною.

При багатозональному зніманні отримують декілька різних зображень у різних зонах спектра. При цьому з декількох спектральних зон можна синтезувати не один, а безліч варіантів кольорового зображення, причому за допомогою комп'ютера це виконується майже миттєво. Розглянемо це на прикладі. Припустимо, що зніманню і розпізнаванню підлягають об'єкти А, В і С, криві спектральної яскравості яких наведені на рис. 5.4.

А

В

С

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Рис. 5.4. Обґрунтування необхідності багатозонального знімання

Якщо для зйомки використовується спектральний інтервал λ=0,5–0,8 мкм, то чутливість приймача випромінювання в цьому інтервалі приблизно постійна і об'єкти А і В відобразяться приблизно з однаковою оптичною щільністю (рівнем сигналів), оскільки сумарний вплив випромінювання, що відбивається від цих об'єктів і доходить до приймача приблизно однаковий. Отже на чорно-білій фотографії або чорно-білому моніторі об'єкти, що різко різняться за кольором, наприклад, червоний і зелений, можуть відобразитися однаковим темно-сірим тоном.

Якщо спектральний інтервал реєстрації не може бути розширений або зміщений в будь-який бік, то виходом з даного стану буде звуження інтервалу і пошук його положення за спектром. Якщо прийняти спектральне розрізнення системи дорівнює 0,1 мкм, то такими інтервалами (зонами) для об'єктів А і В можуть бути зони II і III. Але в будь-якому з цих варіантів виявляться нерозрізненими інші комбінації об'єктів, у II зоні – В і С, в III – А і С. В I зоні об'єкт С відокремиться від об'єктів А і В, проте останні тут будуть нерозрізненими. Відзначимо, що в обраних зонах, комбінації розрізнених і нерозрізнених об'єктів будуть різними. Отже, при спільному аналізі зображень, отриманих у двох-трьох зонах, можна розділити всі об'єкти або навіть розрізнити їх, якщо відомі еталонні комбінації яскравостей цих об'єктів на знімках використовуваних зон.

Застосовуючи багатозональний принцип знімання, отримують багатозональні знімки, а при великій кількості знімальних зон – гіперспектральні, використання яких ґрунтується на спектральній відбивній здатності об’єктів знімання, їх спектральній яскравості.

Багатоспектральними сканерами зображення створюється послідовно рядками. Об'єкт сканується растровим способом за допомогою оптико-механічної системи. Потім випромінювання проходить через збірну оптичну систему та диспергувальні системи, після чого сигнали записуються. Багатоспектральні, а особливо гіперспектральні системи дають змогу одержувати значно більше інформації про об'єкт, що широко використовується під час інтерпретації зображень.

Сучасні багатоспектральні та гіперспектральні ЗС працюють за оптико-електронним способом отримання зображень.

Сканерні оптико-електронні системи з’явились у середині 70-х рр. ХХ ст. і до кінця 80-х рр. ХХ ст. майже повністю витіснили традиційні фотографічні і телевізійні системи. Сьогодні вони є основним джерелом даних ДЗЗ. Сканерні методи мають низку істотних переваг перед аерокосмічним фотозніманням. У той час як спектральний діапазон знімань фотографічними способами обмежений видимим і ближнім інфрачервоним випромінюванням (400-900 нм), сканерні методи передбачають знімання в широкому діапазоні спектра сонячного випромінювання – від ультрафіолетового до теплового ІЧ (300-1400 нм).

Сканерне зображення – впорядкований пакет даних яскравості об’єктів зондування, переданих радіоканалами з супутника на Землю.

Сканерні оптико-електронні системи – це багатоелементні фотоелектричні приймачі випромінювання, які складаються з мініатюрних фотодіодів, з’єднаних в одно мірні лінійки або двохмірні матриці. Розмір окремого чутливого елементу приймача дуже малий – менше 0,01 мм. Найкращі зразки сучасних приймачів-лінійок включають понад десять тисяч, матриці – декілька мільйонів чутливих елементів. Цикл роботи цих детекторів достатньо складний: він включає вироблення відповідного електросигналу, інтенсивність якого пропорційна яскравості світла, що подіяло на приймач світла, запам’ятовування сигналу кожного елементу і їх послідовне зчитування. Керуючи зчитуванням, можна вибирати окремі елементи або їх групи для одержання результуючого сигналу. Застосування багатоелементних фотоелектричних приладів для реєстрації випромінювання відкрило широкі перспективи створення геометрично і радіометрично точних багатозональних знімальних систем високого просторового розрізнення, які можна швидко адаптувати до зовнішніх умов знімання, які постійно змінюються.

Загальна чутливість фотоелектричних приймачів в декілька разів перевищує чутливість фотоплівки, що дозволяє здійснювати знімання при порівняно коротких витримках або більш низькій освітленості. Цінними їх властивостями є також чутливість до ІЧ випромінювання, можливість реєстрації більш широкого діапазону інтенсивності випромінювання, а також лінійна залежність між відповідним сигналом і випромінюванням, що подіяло.

Електронні сенсори генерують електричний сигнал, пропорційний загальній одержаній енергії. Сигнал з кожного детектора в масиві може бути записаний і передаватися за допомогою електронних пристроїв у цифровій формі (як серія чисел).

Зображення отримане з сенсорного масиву (лінійки) складається з двохмірної прямокутної матриці (растра) цифрових величин, які представляють рівні яскравості об’єкта дослідження. Кожна величина растру – піксель, репрезентує середню яскравість для ділянки поверхні, растра (рис. 5.5).

Рис. 5.4. Подання цифрового зображення у вигляді матриці яскравості

В оптико-електронних системах випромінювання потрапляє на відповідні датчики, які генерують електричний сигнал, що залежить від інтенсивності випромінювання. В якості одноелементних датчиків оптико-електронних систем виступають фотомножники або фотодіоди. Щоб отримати зображення, необхідно з’єднати велику кількість одноелементних датчиків або сканувати об’єкт одним датчиком.

Перший варіант можна реалізувати на основі фотодіодів. Пристрій такого типу називається приладом з зарядовим зв’язком (ПЗЗ). Конструктивно ПЗЗ являє собою матрицю з ідентичних елементів і можуть бути лінійними і плоскими (планарними).

Очевидні переваги цифрової знімання обумовили проведення в даний час активних робіт зі створення цифрових сканерних камер з фотоприймачами на базі матричних і лінійних ПЗЗ.