тема 10

Тема 10. Знімальна апаратура

1.Типи знімальної апаратури, їх класифікація.

2.Фотографічні і телевізійні знімальні системи.

3.Оптико-електронні знімальні системи матричного та лінійкового типу. Характеристики оптико-електронних ЗС.

Інфрачервоні ЗС.

4.Принципи лазерного та радіолокаційного сканування місцевості. Лазерні, радіо теплові та радіолокаційні знімальні системи, їх характеристики.

5.Розрізнювальна здатність та контрастно-частотна характеристика знімальних систем. Методи аероекспонометрії в аерознімальному процесі.

Залежно від способів запису отриманої інформації знімальні системи доцільно поділяти на фотографічні, в яких приймачем зображення слугує фотоплівка, і нефотографічні, в більшості з яких в остаточному вигляді інформація подається у цифровому записі.

Термін “цифрові камери”, вживаний у спеціальній літературі,

стосувався запису інформації, одержаної оптико-електронними камерами на початкових стадіях їхнього розроблення та експлуатації,

як систем, які давали можливість отримувати зображення у цифровій формі.

Принциповими в класифікації аерокосмічних систем є способи одержання зображення або вхідних даних, за якими можна виокремити такі типи знімальних систем: фотографічні, телевізійні,

оптико-електронні, оптикомеханічні, інфрачервоні, лазерні,

мікрохвильові радіометри (радіотеплові) та радіолокаційні.

Кожну знімальну систему можна охарактеризувати такими величинами: розмірами сцени знімання, кількістю спектральних каналів, в яких працює система, просторовим (поверхневим)

розрізненням і радіометричним розрізненням (у фотографічних – різницею оптичних щільностей).

Фотографічні системи. Фотографічні знімальні системи працюють у видимій та близькій інфрачервоній ділянках спектра і дають можливість отримати чорнобілі, кольорові, спектрозональні і багатоспектральні фотозображення. Знімання виконують з аерота 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 інфрачервоної 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.

Телевізійні системи. 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, наприклад,

оцінювання результатів стихійних явищ, повеней, катаклізмів тощо.

Оптико-електронні системи. У знімальних системах оптико-

електронного типу приймачами сигналів слугують 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 в межах рядка. Все зображення формується послідовним під’єднанням рядків за рахунок переміщення літального апарата. 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 інфрачервону 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. У

сучасних умовах знімальні системи оптико-електронного типу дуже широко використовуються.

Оптико-механічні системи (сканувальні). У фотографічних,

телевізійних та оптико-електронних системах на основі матриць елементи зображення будуються в кадрі одночасно. У сканувальних знімальних системах сканується безпосередньо об’єкт, тобто під час оптико-механічного сканування фіксується сигнал у межах миттєвого кута зору розміром до декількох кутових мінут, який називають променем сканування. Елементи зображення отримують послідовно,

після чого вони можуть бути приведені у формат кадру. Оптико-

механічні сканери містять оптичну систему, яка звичайно є дзеркальним об’єктивом типу дефлектора. В систему входить оптико-

механічний пристрій, який відхиляє сканувальний промінь за заданою траєкторією.

Під час знімання за допомогою сканувальних систем кожен сканувальний промінь відповідає певному положенню системи

координат сканера в просторі. Якщо не враховувати поступального руху апарата і зміни кутів нахилу за час формування рядка зображення, то його можна з деяким наближенням вважати центральною проекцією. А загалом панорама, складена із окремих рядків, не є центральною проекцією.

Багатоспектральні та гіперспектральні сканери. Різновидом скандувальних систем, які широко використовують в дистанційному зондуванні Землі, є багатоспектральні сканери. Вони дають змогу отримати ефективну вихідну інформацію про об’єкти земної поверхні за рахунок знімання у вузьких спектральних зонах.

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.

Інфрачервоні (теплові) системи. Знімальні системи, які забезпечують створення зображення об’єктів за їх власним тепловим випромінюванням, називають інфрачервоними або тепловими системами. На відміну від зображення у видимій та близькій інфрачервоній ділянках спектра, яке створюється за рахунок відбивної здатності об’єктів, інфрачервоні зображення у середній і дальній інфрачервоній ділянках створюються власним випромінюванням об’єктів і частково відбитим від них ІЧ випромінюванням інших джерел.

ІЧ системи можна застосовувати в денний і нічний час, вони дають можливість за додатковими дешифрувальними ознаками не тільки розпізнати об’єкти, а й вивчати динаміку процесів і явищ. Особливо це стосується розвитку міст, вивчення екологічних процесів та охорони довкілля.

Лазерні системи. У сфері моніторингу земної поверхні, інженерних вишукувань для будівництва лінійних та площинних об’єктів,

створення та ведення кадастрових планів різного призначення щораз більшого значення набувають лазерні знімальні системи, які встановлюють на літаках. За допомогою лазерних ЗС одержують

зображення за рахунок відбитої від земної поверхні “хмари точок”.

Особлива роль належить лазерним системам в побудові цифрових моделей рельєфу на принципі вимірювання відстаней від оптичної системи лазера до точки земної поверхні. Принциповим в отриманні зображень у лазерному зніманні є підсвічування місцевості променем лазера. Промінь від лазера розгортальний пристрій скеровує на місцевість; відбитий промінь за допомогою оптичної системи скеровується у приймач випромінювання, де перетворюється на електричний сигнал. Лазерні знімальні системи працюють у видимому та найчастіше в інфрачервоному діапазонах електромагнітного спектра. На борту літака лазерну систему встановлюють так, щоб вісь розгортального пристрою збігалася з напрямком польоту. Розгортка променя лазера вздовж рядка здійснюється поворотом дзеркала, розгортка по кадру – за рахунок руху літака.

Мікрохвильові радіометри (радіотеплові ЗС). Мікрохвильові радіометри працюють у радіодіапазоні як пасивні знімальні системи,

фіксуючи радіо теплове випромінювання Землі. Мікрохвильові радіометри дають змогу отримувати інформацію про місцевість через

хмарне покриття, що є безсумнівною перевагою цього типу знімальних систем. Роль оптичної системи в сканувальних мікрохвильових радіометрах відіграє направлена антена, яка сканує місцевість перпендикулярно до польоту літального апарата.

Мікрохвильові радіометри мають порівняно низьке просторове розрізнення, прямо пропорційне до висоти знімання і кутової ширини сканувального променя. Деякі з них працюють тільки по профілю (у

площині орбіти КЛА), тобто подають інформацію в точці.

Радіолокаційні системи. В останні десятиліття все ширше використовуються радіолокаційні системи. Вони належать до активних систем, працюють в сантиметровому або метровому діапазоні радіохвиль. Їх використовують в умовах, коли об’єкти закриті хмарами, туманом, димовими завісами тощо у будь-який час доби. Суть знімання полягає в посиланні радіосигналів, які виробляє генератор, і фіксації часу повернення сигналів у приймач. Час повернення сигналів залежить від відстаней до об’єктів. Це дає можливість створювати цифрові моделі рельєфу. Із дешифрування радіолокаційних зображень встановлено, що вони особливо ефективні для дослідження гідромережі, яка розпізнається значно

краще, ніж на фотозображенні. Успішним є використання радіолокаційних знімків для виявлення підземних вод, дослідження льодовиків, снігового покриву.

Розрізнювальна здатність фотоматеріалу. Резольвометричні характерис-

тики дають змогу оцінити такі важливі властивості фотоматеріалу, як здатність окремо передавати дрібні, розташовані близько одні від одних деталі об’єкта. За аналогією з резольвометричними характеристиками оптичної системи (розд. 3) використовують дві групи характеристик: розрізнювальну здатність і контрастночастотну характеристику.