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

Данные табл. 13 показывают, что яркостные характеристики от­ дельных элементов ландшафта и ландшафта в целом изменяются в широком диапазоне. Летний аэроландшафт — совокупность мало­ контрастных деталей: число объектов с контрастом t/^ 1 ,4 состав­ ляет около 50% всей совокупности объектов [78, с. 139—188]. Гра­ ничная частота, характеризующая размеры деталей структуры ландшафта, составляет 0,75—2 м-1.

§ 9. Влияние атмосферы на радиацию, отраженную природными объектами.

Воздушная дымка

Интенсивность и спектральный состав радиации, отраженной природными объектами, можно наблюдать без изменений только в непосредственной близости к земной поверхности. На различных ее высотах существует суммарный восходящий поток, состоящий из отраженного потока, трансформированного нижестоящим слоем воздуха, и потока радиации, рассеянного этим же слоем.

Первая составная часть суммарного потока В' есть яркость В*, равная произведению яркости объекта В и прозрачности атмосферы

ТZ ,

B*= BTZ.

40

ние светимости атмосферного слоя, обусловленное рассеянием части световых лучей, проходящих через этот слой. В зависимости от природы рассеивающих частиц различают:

1) дымку первого рода, так называемую молекулярную или релеевскую дымку, образующуюся в результате рассеяния светового потока на молекулах газов, составляющих атмосферу; эту дымку называют «голубой», так как она наиболее сильно рассеивает ко­ ротковолновую радиацию (см. формулу (18));

2) дымку второго рода, возникающую вследствие аэрозольного рассеяния, — аэрозольную дымку, которая по своей природе может быть пылевой, водяной и т. д.; эту дымку называют «серой», так как она в равной степени рассеивает все видимые лучи (см. формулу

(19)).

Из определения воздушной дымки как явления светимости слоя атмосферы, находящегося между земной поверхностью и аэрофото­ аппаратом, поднятым на некоторую высоту, следует, что для оценки ее оптических свойств применимы характеристики, использованные ранее для описания рассеивающих свойств атмосферы. Для аэро­ фотографии существенны, во-первых, оценка яркости воздушной дымки, во-вторых, определение коэффициента задымленности атмо­ сферы.

Для оценки я р к о с т и д ы м к и Вд удобно применить однослой­ ную двухпараметрическую модель атмосферы, применительно к ко­ торой рассчитаны значения яркости дымки для различных состоя­ ний атмосферы [97, 98]. При этом отмечается хорошая сходимость расчетных данных с экспериментальными. Наличие таких данных позволяет получить значения яркости дымки в данный момент с уче­ том фактического состояния атмосферы и геометрических условий освещения и фотографирования. В табл. 14 приведены значения яркости дымки Вд, рассчитанные для двух основных состояний ат­ мосферы, при которых обычно производится аэрофотографирова­ ние: высокая прозрачность (то,55 = 0,2; 5 М= 50 км) и средняя про­ зрачность (то,55 = 0,3; 5 М= 20 км). Величины яркости дымки даны для различных зенитных расстояний Солнца и геометрических ус­ ловий освещения и наблюдения.

Приведенные в табл. 14 значения Вд определяют яркость всей толщи атмосферы. Для определения яркости дымки Вд, п для слоя атмосферы конечной толщины можно предположить, что в первом приближении яркость дымки пропорциональна массе атмосферы. Поэтому для надирного направления напишем приближенное равен­ ство

(57)

41

Сравнение величин яркостей дымки Вп и яркостей объектов В*, рассчитанных для приемника за пределами атмосферы, показывает, что в ряде случаев, особенно для коротковолновой зоны спектра и при наблюдении «на Солнце», яркость дымки может значительно превышать яркость объектов. Так, например, для объектов с ко­ эффициентом яркости для длины волны К= 0,4 мкм, равным 0,1, при средней задымленности атмосферы (то,55 = 0,3; 5 М= 20 км) полу­ чаем, что для зенитного расстояния Солнца Z0 =60° яркости дымки и объекта примерно одинаковы, а при Z0 =80° яркость дымки при­ мерно в 3 раза больше яркости объекта. Поэтому яркость дымки должна быть учтена при аэроэкспонометрическом расчете, расчете ожидаемого контраста фотографического изображения и выборе оптимальных условий аэрофотографирования.

Наиболее глубокие исследования влияния атмосферы на радиа­ цию, отраженную природными объектами, выполнены с космичес­ ких летательных аппаратов «Союз» [34]. Определено, что атмосфера не только снижает спектральный контраст объектов, но и искажает ход кривых г%. Наиболее существенно влияние атмосферы в корот­

42

коволновой зоне спектра, особенно для объектов малой яркости, что показано на рис. 13, где кривые 1, 3 описывают изменение г* со­ ответственно водной поверхности и песка на уровне Земли, а кри­ вые 2, 4 получены для соответствующих объектов с высоты 250 км

[34].Особенности спектров природных образований при измерении

скосмических аппаратов по сравнению с наземными состоят в сле­ дующем:

а) для растительности характерно заметное повышение гя в об­ ласти длин волн а= 0,55—0,56 мкм и понижение в красной зоне спектра; значения г% по спектру меняются в пределах 0,12—0,35; б) обнажения и почвы имеют ярко выраженную спектральную зависимость; общая яркость почвенных и геологических образова­

ний увеличивается, особенно за-

яркость дымки повышает г\ на л

0,10—0,15;

в) водные поверхности имеют более высокие значения гя, а г* снежных поверхностей сильно 0,1 уменьшается в красной зоне спек­ тра;

г) в отдельных случаях гя под­ 0 стилающей поверхности с высо­ ким альбедо при определенных зенитных расстояниях может уменьшиться.

Для оценки влияния воздушной дымки на контраст объектов пользуются понятием коэффициента задымленности атмосферы ид.

К о э ф ф и ц и е н т о м з а д ы м л е н н о с т и хд называют отноше­ ние яркости дымки Вд в данном направлении к яркости Во абсо­ лютно белой идеально рассеивающей поверхности, наблюдаемой сквозь данный слой атмосферы с прозрачностью Tz, т. е.

В„

(58)

в отг

Для оценки влияния воздушной дымки на контраст U отражен­ ных лучистых потоков, регистрируемых на некоторой высоте над земной поверхностью, напишем равенства

Д max= Дщах 7 Z Д д .

Д ш , п = Д т Ь ^ + Д д ,

где Дтах и ВШт — максимальная и минимальная яркости объекта на уровне земли;

Д^ах и ^min— максимальная и минимальная яркости объекта,

наблюдаемые сквозь слой атмосферы с коэффи­ циентом прозрачности Tz и яркостью Бд.

43

Тогда контраст объектов, наблюдаемых сквозь слой атмосферы, с учетом формул (43) и (58) будет равен

r min Т- х д

Причем V <U.

Коэффициент снижения контраста определяется формулой

Как видно, чтобы оценить степень снижения контраста объек­ тов вследствие влияния воздушной дымки, необходимо знать коэф­ фициент задымленности атмосферы хд. Величина коэффициента х.д, как и яркость дымки, зависит от многих факторов, основными из ко­ торых являются: оптическая толщина атмосферы, зенитное расстоя­ ние Солнца, длина волны, индикатриса рассеяния атмосферы, а также направление визирования и отражательная способность объектов. Поэтому строго решить задачу определения коэффициента задымленности атмосферы сложно; в настоящее время эту задачу решают различными способами, которые в той или иной степени являются приближенными.

§ 10. Определение коэффициента задымленности атмосферы

Основное требование, которое предъявляется к способу опреде­ ления коэффициента задымленности хд, состоит в том, что его вели­ чина должна соответствовать фактическому состоянию атмосферы в момент аэрофотографирования. Величину желательно знать до вылета летательного аппарата на аэрофотографирование; в край­ нем случае она должна быть получена непосредственно в полете с тем, чтобы экипаж или руководитель полета могли принять реше­ ние об оптимальном режиме аэрофотографирования и обработке ре­ зультатов или признать, что существующие атмосферно-оптические условия не пригодны для выполнения аэрофотографирования.

В настоящее время для определения коэффициента задымлен­ ности атмосферы применяются в основном расчетные способы.

Для ориентировочных расчетов влияния воздушной дымки на процесс аэрофотографирования используются [54] коэффициенты > задымленности, рассчитанные Е. С. Кузнецовым и Б. В. Овчинским (1949 г.). Эти коэффициенты получены для атмосферы, представ­ ляющей собой чисто рассеивающую среду с простейшей сфериче­ ской индикатрисой при условии, что оптические свойства атмо­ сферы не зависят от горизонтальных координат. Эти условия огра­ ничивали возможность точного приближения расчетных данных о задымленности атмосферы к фактическим. В последующем коэф­ фициенты задымленности рассчитывались для двухслойной модели

44

атмосферы, краткая характеристика которой была дана выше (§ 4). Однако практическое использование этих данных затруднено тем, что выходные данные выражены через индикатрису у Земли, что неудобно. Поэтому в данной работе для расчета коэффициентов за­ дымленности атмосферы принята однослойная двухпараметриче­ ская модель К- С. Шифрина, О. Авасте и X. Молдау. Данные о яр­ кости воздушной дымки, полученные для этой модели, позволяют уточнить методику расчета коэффициента задымленности хд и по­ лучить величины хд для самых разнообразных условий, охватываю­

(табл. 14) и прозрачности атмосферы, полученными для двухпара­ метрической модели, в табл. 15 рассчитаны спектральные коэффи­ циенты задымленности хд для всей толщи атмосферы, разной про­ зрачности атмосферы, различных зенитных расстояний и разнооб­ разных геометрических условий наблюдения.

Значения коэффициентов задымленности хд, н для конечных вы­ сот с достаточной для оценочных расчетов точностью могут быть по­ лучены по приближенной формуле

(61)

При этом предполагается, что при малой мутности атмосферы, когда обычно выполняется аэрофотосъемка, коэффициент задым­ ленности пропорционален массе атмосферы, а следовательно, при­ веденной высоте Яп. Вычисление величин хд, Jr предлагаемым спосо­ бом включает:

1.Определение параметров Z0 , to.ss, 5 М, 6 и ср, характеризую­ щих конкретные условия аэрофотографирования.

2.Вычисление коэффициентов хд для всей толщины атмосферы

изаданного спектрального интервала (табл. 15).

3.Вычисление по формуле (61) коэффициентов хДуН для конеч­ ных высот Я; величина Яш необходимая для расчета коэффициен­ тов хд>н, определяется по формуле (1).

Я = 4 км; для этого по формулам (48) и (59) определялись U и U'. Данные табл. 16 показывают влияние спектральной зоны и вы­

соты на контраст объектов.

45

Р а з д е л II

Оптико-механические основы аэрофотографии и метрологическое качество оптического изображения

оптико-электромеханическое устройство, применяемое для фотогра­ фирования местности с летательного аппарата, совершающего по­ лет в атмосфере Земли.

Наибольшее применение имеют аэрофотоаппараты с неизменяющимся направлением оптической оси относительно плоскости пред­ метов и реализующие принцип центральной проекции. Такие аэро­

Схема аэрофотоаппарата (рис. 14) состоит из следующих основ­ ных узлов: съемочной камеры (аэрокамеры) I, кассеты II, аэрофо­ тоустановки III и блока управления — командного прибора IV. Съемочная камера и кассета составляют аэрофотокамеру, которая помещается в фотоотсеке V летательного аппарата.

о п т и ч е с к и м , — один из самых ответственных узлов аэрофотока­ меры. В нижней части блока расположен объектив 3, между ком­ понентами которого у большинства аэрофотоаппаратов помещен аэрофотозатвор 4.

Верхнее основание 5 корпуса оптического блока, обычно жестко скрепленное с объективом, является плоскостью прикладной рамки, к которой в момент фотографирования прижимается эмульсионный

ра т а .

Вплоскости прикладной рамки аэрофотоаппарата имеются ко­ ординатные метки, которые фиксируются на каждом аэроснимке, и

48

при этом определяется координатная система снимка: начало коор­ динат— точка О' и оси О'х, О'у (рис. 15).

Кроме координатных меток, в плоскости прикладной рамки мно­ гих аэрофотоаппаратов имеются контрольные метки, также фикси­ руемые на каждом аэроснимке. Чаще всего это кресты, равномерно

нанесенные на поверхности выравнивающего стекла и образующие

обусловленных деформацией фотоматериала и другими факторами. Элементы внутреннего ориентирования — величины, определяю­ щие положение задней узловой точки объектива S2 относительно плоскости прикладной рамки Р. Этими элементами являются коор­

ней узловой точки объектива на плоскость прикладной рамки; осно­ вание перпендикуляра (точку О) называют г л а в н о й т о ч к о й с н и м к а .

При аэрофотосъемке важно точно знать элементы внутреннего ориентирования и обеспечить их постоянство. Для их определения разработаны специальные способы; постоянство этих элементов