книги из ГПНТБ / Кучко А.С. Аэрофотография. Основы и метрология

прижиме к стеклу это влияние меньше, так как выравнивается эмульсионный слой, толщина которого более постоянна, чем тол­ щина подложки. Для фотопленок на триацетатной подложке и под­ ложке из высокомолекулярных соединений разнотолщинность не превышает 2 мкм на 10 мм. Нарушение ортоскопии снимка, обус­ ловленное разнотолщинностью аэрофотопленки, подсчитывается по формуле (163), в которой вместо Ав следует подставить величину, определяющую колебания толщины аэрофотопленки.

Исследованиями неплоскостности аэрофотопленки выявлено [119] наличие короткопериодических уклонений от плоскости по­ рядка 6—7 мкм; для выявления этих ошибок сокращают интервал между контрольными метками в плоскости прикладной рамки съемочной камеры до 1 см и меньше.

§25. Сдвиги изображения при аэрофотографировании

иих влияние на качество аэрофотоизображения

Особенность аэрофотографированйя состоит в том, что аэрофо­ тоаппарат во время экспонирования аэрофотопленки совершает сов­ местно с летательным аппаратом линейные и угловые перемещения относительно фотографируемой местности (рис. 57). Линейные перемещения происходят вдоль осей х, у , г со скоростью Vx, Vy и Vz, угловые перемещения вокруг тех же осей происходят со скоро­

стями фж, фуИф2. Кроме того, аэро­ фотокамера перемещается под воздействием вибраций, возни­ кающих в точках крепления.

Вследствие линейных и угло­ вых перемещений аэрофотокаме­ ры при экспонировании аэрофото­ пленки возникает движение опти­

ческого изображения точек местности относительно светочувстви­ тельного слоя азрофотопленки. Как результат этого движения возникает сдвиг изображения (рис. 58), равный расстоянию, на ко­ торое переместится точка оптического изображения в фокальной плоскости аэрофотоаппарата в течение фактической выдержки ^ф, отсчитываемой от момента открывания аэрофотозатвора до его пол­ ного закрытия. Это расстояние, равное величине геометрического сдвига, называется с д в и г о м о п т и ч е с к о г о и з о б р а ж е н и я .

110

В зависимости от источников возникновения различают следую­ щие виды сдвигов изображения: линейный, обусловленный линей-

РИС. 58

ными перемещениями аэрофотокамеры; угловой, вызванный враще­ ниями аэрофотокамеры; вибрационный как результат вибрацион­ ных движений аэрофотокамеры.

1. Линейный сдвиг изображения

Линейные перемещения аэрофотокамеры возникают:

а) вследствие поступательного движения летательного аппарата

VX = W;

б) в результате смещения летательного аппарата в направлении, перпендикулярном линии пути;

в) при изменении высоты полета.

В соответствии с этими движениями аэрофотокамеры изобра­ жения точек в плоскости прикладной рамки при экспонировании бу­ дут перемещаться в противоположном направлении со скоростями

нерезкость изображения точки вследствие поступательного движе­ ния летательного аппарата и смещений его в направлении, перпен­

При прямолинейном полете, если W^>Vy, W^>VZ [96], то ах^>ау\ 0 д;>аг (см. рис. 58, а, в).

Следовательно, основная причина, вызывающая нерезкость изо­ бражения как результат линейных перемещений аэрофотокамеры при экспонировании аэрофотопленки, — поступательное движение летательного аппарата и возникающий при этом сдвиг изображения, называемый р е г у л я р н ы м или л и н е й н ым .

111

2. Угловой сдвиг изображения

Угловые перемещения аэрофотокамеры возникают вследствие колебаний летательного аппарата вокруг продольной, поперечной и

вертикальной осей с угловыми скоростями cp*, cpy и <р2 (см. рис. 57, 58, а, б, г).

Величины угловых перемещений аэрофотокамеры за время экс­ понирования t определяются формулами

Величины сдвигов изображения, возникающих при наклонах ка­ меры вокруг продольной х и поперечной у осей, вычисляют по фор­ мулам

расстоянии г от центра снимка, величина oz определяется формулой

Итак, основными факторами, вызывающими сдвиг — нерезкость изображения, являются поступательное движение летательного ап­ парата и повороты его вокруг осей X, Y во время экспонирования аэрофотопленки. Величина геометрических сдвигов aw , о<х и ашопре­ деляется формулами (168), (170), причем часто ow > o a-

Таким образом, для многих случаев фактором, определяющим нерезкость изображения, является регулярный (линейный) сдвиг, обусловленный поступательным перемещением летательного аппа­ рата при экспонировании аэрофотопленки. Преобладающее влияние угловых сдвигов может иметь место при аэрофотосъемке с малых высот на больших скоростях полета и при использовании сверхши­ рокоугольных аэрофотообъективов.

Для того чтобы от геометрических сдвигов, определяемых по формулам (168) и (170), в которые входит фактическая выдержка t,

112

перейти к фотографическому сдвигу Оф, необходимо учесть ряд факторов, отражающих природу образования фотографического изображения.

Если фотографируется линейный объект абсолютного контраста, расположенный перпендикулярно к направлению сдвига, при ОКПД аэрофотозатвора т]= 1 и величине геометрического сдвига aw , не превышающем половину ширины объекта, то различие между визу­ ально оцениваемой шириной фотографического изображения этого объекта при сдвиге aw и шириной этого объекта (ovr = 0) опреде­ ляется формулой [78, с. 95—138]

где ЯПор — пороговая экспозиция, которая вызывает заметное для глаза почернение фотослоя; она зависит от светочувст­ вительности аэрофотопленки и условий ее проявления; величина ЯПОр постоянна для данного типа пленки;

Яшах— максимальная экспозиция, сообщаемая участку фото­ пленки от того или иного объекта; она зависит в первую очередь от яркости лучистого потока, строящего оптиче­ ское изображение объекта.

Из формулы (173) следует, что при фотографировании объектов, имеющих большую яркость {Нта,х^ 2 0 Н пОр), фотографический сдвиг мало отличается от геометрического.

Для объектов летнего ландшафта пользуются приближенной формулой

Вопросы расчета разрешающей способности при сдвиге изобра­ жения рассматриваются во многих публикациях [18, 69, 91, 114,

с. 232—235].

В первом приближении, исходя из принципа равных влияний различных факторов на результирующую разрешающую способ­ ность Rv изобразительной системы, можно написать

где Яф— исходное значение разрешающей способности системы объ­

следует из этих формул, геометрический сдвиг aw =-^r- снижает раз-

А

решающую способность на 30—50%. Для приближенной оценки влия­ ния сдвига изображения на КЧХ фотографической системы исполь­

зуется формула [18, с. 538]

(Тф — величина фотографического

Наиболее надежная оценка вли­ яния сдвига изображения на КЧХ получается из экспериментальных

исследований. На рис. 59 изображены кривые КЧХ сдвига изобра­ жения, рассчитанные по формуле (178) при различных величинах сдвига Оф. Кривые показывают, что наличие сдвига изображения значительно ухудшает КЧХ фотографической системы.

Существенное влияние сдвига изображения на разрешающую способность и КЧХ фотографической системы обусловливает необ­ ходимость применения способов, позволяющих уменьшить вели­ чины сдвигов.

Одним из путей уменьшения сдвига изображения, как это сле­ дует из формул (168), (170), является сокращение выдержки t. При этом величина выдержки определяется в зависимости от допусти­ мого сдвига изображения aw>Hon, т. е.

114

Однако фотографирование с короткими выдержками, при кото­ рых величина сдвига ow не выходит за допустимые пределы, не всегда возможно. Во-первых, наименьшая величина выдержки огра­ ничивается пределом допустимых минимальных экспозиций (см. § 39). Во-вторых, конструкцией аэрофотозатворов предусматрива­ ется определенный диапазон выдержек и максимальная скорость работы затворов строго ограничена. В-третьих, при использовании фотографических материалов невысокой чувствительности, что бы­ вает необходимо (спектрозональное, цветное, инфракрасное фото­ графирование и пр.), требование фотографировать с короткими вы­ держками находится в противоречии с необходимостью аэрофото­ съемки при низких и средних уровнях освещенности. В этом случае существенно сокращается диапазон съемочного времени. Поэтому для аэрофотосъемки при больших скоростях полета летательного аппарата без сокращения выдержек или даже с их увеличением, когда это необходимо в условиях пониженной освещенности, отдель­ ные типы аэрофотоаппаратов имеют специальные устройства для компенсации сдвига изображения (КСИ), в той или иной степени уменьшающие линейный сдвиг изображения.

Основное требование к устройствам, компенсирующим линейный сдвиг изображения,— сохранение оптического изображения непод­ вижным относительно светочувствительного слоя во всех точках кадра при его экспонировании, т. е. выполнение для любой точки поля изображения условия, которое может быть написано в соот­ ветствии с формулой (168),

т. е. скорость компенсации сдвига пк должна быть равна скорости перемещения изображения ии.

Эта задача решается при помощи специальных устройств, ком­ пенсирующих скорость движения изображения [3, 40, 63, 96]. Од­ нако любое из устройств КСИ не в состоянии полностью компенси­ ровать относительное смещение изображения: имеется остаточный сдвиг, который составляет некоторую долю общего сдвига.3

3. Вибрационный сдвиг изображения

Аэрофотокамера под воздействием различных возмущений как внешних (вибрации самолета под действием силовой установки, турбулентность атмосферы и т. д.), так и внутренних (действие ме­ ханизма кассеты, срабатывание аэрофотозатвора и т. п.) совершает вибрационные движения. Многочисленные источники возмущений, будучи не связаны между собой, обусловливают случайный харак­ тер вибрации аэрофотокамеры и сложность математического описа­ ния [96, 103].

Установлено [76], что для летательных аппаратов с винтомотор­ ными двигателями частота вибрации не превышает 40—70 Гц,

а амплитудные значения линейных ускорений, обусловленных виб­ рацией, не более 15 • 10~3 g в горизонтальном прямолинейном полете с постоянной скоростью. В результате вибраций с названными ха­ рактеристиками амплитудные смещения точек крепления аэрофото­ камеры не будут превышать 0,1 мм.

Так как при аэрофотографировании выдержка —^-сек, что

в большинстве случаев меньше одной четвертой периода вибраци­ онных колебаний, то при оценке вибрационного сдвига изображе­ ния можно вибрационные смещения аэрофотокамеры рассматривать как равномерный сдвиг, а угол поворота камеры Дав определять,

исходя из среднего значения угловой скорости <р, характеризующей колебательное движение, вызванное основным источником колеба­ ний, например работой силовой установки.

Тогда

Сравнение величин сдвигов изображения, обусловленных влия­ нием вибрационных перемещений аэрофотокамеры стф, в (формула (170)) и поступательным движением летательного аппарата ow (формула (168)), показывает, что в зависимости от конкретных условий аэрофотографирования будет иметь место неравенство оф, в ^ % , так как

§ 26. Искажения ортоскопии изображения, вносимые шторно-щелевым аэрофотозатвором

На рис. 60 точка а фиксирует начало экспонирования снимка шторно-щелевым затвором, направление движения шторки кото­ рого показано стрелкой. В этот начальный момент точка А местно­ сти на снимке будет зафиксирована в точке а. Если бы экспониро­ вание всей площади снимка происходило с неподвижного основа­ ния— точки Si, то и точка В местности изобразилась бы в точке b снимка.

каженным изображением отрезка АВ местности, получим отрезок ab' = l. Величина bb'= 6Шбудет искажением ортоскопии, которое вносит шторно-щелевой затвор при аэрофотографировании. Из рис. 60, введя дополнительное обозначение /п— диаметр в пло­

116

скости шторки светового пу­ чка, строящего изображение точки, после простых преоб­ разований получим

отсутствовать. Этот принцип был использован проф. Б. Н. Родио­ новым и проф. Н. П. Заказновым при создании аэрофотозатворов

пробега шторки при экспонировании (длина стороны снимка). Ис­ кажения бш возрастают также с уменьшением ширины щели и сечения пучка /п. Так как обычно шторка располагается вблизи

светочувствительного слоя /i~ 2 -МО мм, то для практических целей

величинами — и /п как весьма малыми можно пренебречь. Тогда

формулу (183) можно переписать в виде

при 1 : т = 1 :50 0 0 0 получим бш~ 0 ,1 мм, что в ряде случаев может оказаться недопустимым.

Сравнивая формулы (184) и 168), напишем

Формула (185) интересна тем, что она устанавливает связь между сдвигом изображения Gw и нарушением ортоскопии бш-

Из этой формулы найдем

(186)

117

При использовании аэроснимка для высокоточных фотограммет­ рических измерений 6 га<Щг; это неравенство может иметь место, когда Ещ> /; однако практически выполнить последнее условие не представляется возможным (ширина щели не может быть больше длины стороны аэроснимка). Это обстоятельство исключает воз­ можность использования шторно-щелевых затворов в топографиче­ ских аэрофотоаппаратах, предназначенных для получения аэро­ снимков с высокими измерительными свойствами *.

РИС. 61

Шторно-щелевые затворы применяются в аэрофотоаппаратах для получения аэроснимков, к которым не предъявляются высокие требования к ортоскопичности изображения.

Характер искажений бш, вносимых шторно-щелевым затвором

ниях движения шторки Vm относительно направления полета W ил­ люстрируется рис. 61. С точки зрения получения наименьшей нерезкости изображения наиболее благоприятен случай, когда направле­ ние движения шторки затвора противоположно направлению полета (направления движения шторки и объекта совпадают).

Г л а в а VI

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ АЭРОФОТОАППАРАТОВ

§ 27. Классификация аэрофотоаппаратов

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

* Здесь не рассматривается случай, когда каким-либо способом вводятся поправки, учитывающие искажения, вносимые шторно-щелевым аэрофотозатво­ ром, что принципиально возможно.

118

Вщелевых аэрофотоаппаратах экспонирование происходит не­ прерывно по всей длине аэрофотопленки; при этом направление оптической оси также не меняется относительно плоскости пред­ метов.

Впанорамных аэрофотоаппаратах оптическая ось непрерывно изменяет свое направление.

Аэрофотоаппараты классифицируются по их техническим харак­ теристикам, которые являются следствием рассмотренных в гла­ вах III—V особенностей устройства основных узлов аэрофотоаппа­ рата. Так, например, в зависимости от величины угла поля зрения

ифокусного расстояния аэрофотообъективов различают узкоуголь­ ные (длиннофокусные), нормальноугольные (нормальные), широко­

угольные (короткофокусные) и сверхширокоугольные (сверхкорот­ кофокусные) аэрофотоаппараты. По степени автоматизации разли­ чают аэрофотоаппараты автоматические и полуавтоматические и т. д.

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

Топографические аэрофотоаппараты предназначены для получе­ ния ортоскопических аэроснимков земной поверхности, поверхно­ сти Луны и других небесных тел с целью их картографирования. Использование аэроснимков, полученных топографическими аэро­ фотоаппаратами, для составления топографических карт предопре­ деляет требования к их конструкции и характеристикам.

Топографические аэрофотоаппараты обеспечивают получение аэроснимков, обладающих высокими как измерительными, так и изобразительными свойствами. Так как фотограмметрические ме­ тоды, применяемые в настоящее время при составлении топографи­ ческих карт по аэроснимкам, основаны на предпосылке, что аэро­ снимок является центральной проекцией точек местности на плос­ кость, то конструкция топографических аэрофотоаппаратов должна обеспечивать получение ортоскопических аэроснимков. Поэтому то­ пографические 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-частот­ ной характеристикой; конструкция этих аэрофотоаппаратов обеспе­ чивает высокоточное выравнивание аэрофотопленки в плоскость при экспонировании, возможность получения аэроснимков с заданным продольным перекрытием. Непременное условие, выполнение кото­ рого предусматривается в топографических аэрофотоаппаратах,— неизменяемость элементов внутреннего ориентирования аэрофотока­ меры и остаточной дисторсии, а также постоянство других харак­ теристик аэрофотоаппаратов в любых условиях их эксплуатации: на малых и больших высотах, при низких и высоких скоростях

119