Загальні відомості про аерозйомку

Аерофотозйомка (англ. aerial photography, aerophotography; нім. Luftbildaufnahme; фр. photographie aerienne)– дистанційний метод дослідження земної поверхні шляхом фотографування в різних зонах спектра з літака або інших літальних апаратів.

Розрізняють фотографічну (аерофотозйомку), телевізійну, теплову, радіолокаційну і багатозональну аерозйомки.

Основними характеристиками аерофотозйомки є висота і масштаб, придатний сезон і час зйомки, а також сприятливі метеоумови. Аерофотозйомки виконують з малих і великих висот. При цьому нижня межа регламентується вимогами безпеки польотів, а верхня – межею польоту авіаносіїв. Від висоти польоту залежить масштаб аерозйомки. Чим менше висота, тим вище розрізнення зйомки і, відповідно, крупніше масштаб знімків. При великій висоті аерофотозйомки її розрізненність зменшується а отже, зменшується масштаб знімків.

При зйомці з літака декількома апаратами з різною фокусною відстанню забезпечується одержання знімків різного масштабу при однаковій висоті польоту.

Аерофотозйомкавиконується за допомогою спеціальних аналогових або цифрових камер. Якщо аерозйомку здійснюють аналоговими камерами (фотоапаратами), то її називають аерофотозйомкою, якщо за допомогою спеціальних радіоелектронних пристроїв, то електронною зйомкою. При аерофотозйомці одержують фотографічне зображення місцевості у вигляді аеронегативів і аерознімків, а при електронній аерозйомці – у вигляді електричних сигналів, записаних на магнітну стрічку або у вигляді сигналів, переданих на землю для телевізійного відтворення зображення.

За знімками за допомогою дешифрування і вимірювань вивчають видимі й приховані об'єкти. Крім того, традиційні аерометоди включають низку геофізичних зйомок – аеромагнітну, аерорадіометричну, аероспектрометричну, в результаті виконання яких одержують не знімки, а цифрову інформацію про досліджувані об’єкти.

Аерофотозйомка виконується за допомогою спеціального аерофотоапарата. Масштаб знімків (m) при аерофотозніманні визначається висотою фотографування (Н) і фокусною відстанню аерофотоапарата (f):

Залежно від масштабу аерозйомку поділяють на типи:

– крупномасштабна – масштаб крупніше 1:10000;

– середньомасштабна – масштаб від 1:10000 до 1:30000;

– дрібномасштабна – масштаб дрібніше 1:30 000.

Найбільш поширеною аерозйомкою малої авіації є крупномасштабна і середньомасштабна.

У випадку прив’язки планових аерознімків до глобальної або місцевої системи координат на виході аерофотозйомку називають топографічною.

Аерофотозйомка включає льотно-знімальний і фотолабораторний періоди та польові фотограмметричні роботи.

Льотно-знімальний періодскладається з аеронавігаційних розрахунків, що виконуються у відповідності із заданими вимогами до аерофотозйомки і фотографування місцевості за цими розрахунками.

Перед початком льотно-знімальних робіт перевіряють і готують до роботи устаткування матеріали та польотні карти на яких прокладають маршрути польоту, проводять тренування екіпажів і складають графік польотів, аерофотозйомщик-опреатор визначає кут зносу і шляхову швидкість літака, тобто швидкість руху літака відносно Землі. З урахуванням величини кута зносу літак розгортають проти вітру на кут попередження. Значення путьової швидкості літака або іншого носія необхідно для обчислення інтервалу часу між експозиціями. Кут зносу і путьову швидкість літака визначають за допомогою оптичних візирів в прямому і зворотному напрямках по маршруту. Після цього приступають до прокладання маршрутів у відповідності з проектом. Маршрут літака прикладають по приладах і контролюють за земними орієнтирам. За відсутності орієнтирів маршрути і заходи на них виробляють інструментальним методом, особливість якого полягає в прокладці маршрутів тільки на підставі показань навігаційних і пілотажних приладів.

Знімальні роботи полягають у фотографуванні місцевості спеціальними фотоапаратами, встановленими в певному положенні на літальному апараті. Зазвичай аерофотозйомка виконується прямолінійними паралельними маршрутами з частковим перекриттям сусідніх аерофотознімків одного маршруту (повздовжнє перекриття) або суміжних маршрутів (поперечне перекриття), що дозволяє визначати просторові координати точок місцевості (рис. 6.2) зберігаючи за можливістю попередню висоту польоту.

Необхідність повздовжнього і поперечне перекриття (рис. 6.3), зумовлена як необхідністю одержання об’ємної моделі місцевості, так і при наступній обробці фотознімків використовувати лише центральні частини, що піддані найменшим викривленням.

Рис. 6.2. Розробка маршруту польоту	Рис. 6.3. Повздовжнє (1) і поперечне (2) перекриття знімків при аерофотозніманні

Поздовжнє перекриття трьох послідовних фотознімків є обов’язковим тому, що воно визначає величину перекриття між сусідніми стереопарами. В межах цього перекриття набирають точки зв’язування, які забезпечують передачу координат з однієї стереопари на другу. В поперечному перекритті намічають точки польової прив’язки аерофотознімків, точки зв’язування для передачі координат з одного маршруту на інший.

Поздовжнє перекриття Р_х аерофотознімків має бути в середньому 60% (мінімальне перекриття 56%), що забезпечує наявність потрійного поздовжнього перекриття не менше 12% (рис. 6.4 а). Поперечне перекриття Р_у аерофотознімків суміжних маршрутів (рис. 6.4 б) має бути в середньому 30 – 40 % з допустимим мінімальним значенням 20% і максимальним, яке не перевищує середнє на 10-20%.

Непаралельність базису фотографування стороні фотознімка (рис. 6.4 в), так званої ”ялинки”, не повинна перевищувати 5^о для фокусних відстаней фотокамер f = 100 мм і менше, 10^о-12^о для f = 200 – 350 мм і 14^о – для f = 500 мм.

При прокладанні маршрутів аерофотозйомки використовують спеціальне навігаційне обладнання, для визначення просторового положення аерофотознімків – радіовисотомер (для фіксації висоти фотографування), статоскоп (для реєстрації зміни висоти польоту), літаковий радіодальномер (для визначення планових координат).

Рис. 6.4. Схема поздовжнього (а) і поперечного (б) перекриттів аерофотознімків, а також непаралельність базису фотографування стороні аерофотознімка (в)

Знімки шляхом трансформування приводять до горизонтальної проекції до масштабу, потрібному для побудови плану. Щоб виконати трансформування, на знімках потрібно мати декілька точок, координати яких відомі. Ці точки називають опізнавальними знаками (опознаками). Їх опізнавання (знаходження) на знімку і на місцевості, а також визначення координат здійснюють у результаті польових вимірів на місцевості.

Топографічну карту або план одержують стереофотограмметричним способом, при якому рельєф зображують в камеральних умовах за допомогою стереоприладів. Для цього потрібно на кожному знімку мати декілька точок з відомими висотами (висотними опознаками).

План місцевості складають або отриманням фотоплана і перенесення на нього горизонталей зі знімків, або одночасним малюванням ситуації і рельєфу на стереоприладах.

Лабораторні роботи полягають у хіміко-фотографічній обробці експонованої аерофотоплівки, оцінці фотоякості аерофотозйомки і одержанні контактних відбитків.

Польові фотограмметричні роботи полягають у виконанні двох процесів: негативного і позитивного. Негативний процес передбачає прояв, фіксацію та промивку експонованої аероплівки на спеціальних ручних або автоматизованих приладах, які сконструйовані так, щоб забезпечити рівномірний і правильний в часі прояв плівки. Найбільш часто вживаються прилади для проявлення плівки з пристроєм перемотування плівки, що складаються з двох котушок розташованих на одній загальній станині обертаючих, які обертаються. Плівку рівномірно перемотують з однієї котушки на іншу вручну або за допомогою електромотора, в цей час плівка знаходиться в розчині проявника. Після сушіння аерпоплівку передають у фотограмметричну групу, де негативи реєструють і нумерують. Потім аероплівка (аерофільм) надходить у фотолабораторію для виготовлення позитивних відбитків. Позитивний процес полягає в отриманні контактних аерофотознімків шляхом друкування на спеціальних верстатах фотозображення з негативів на світлочутливу фотопапір або позитивну фотоплівку. Контактні відбитки повинні бути достатньо контрастними і мати прийнятну розрізненність деталей за усією площею негатива. Для одержання таких аерознімків необхідно враховувати ступінь контрастності негативів при наборі фотопаперу, дотримуватись потрібної експозиції і дотримуватись технології проявлення. Нумерацію і реєстрацію аеронегативів виконують відразу ж після просушки аерофільмів. Кожний аеронегатив нумерують з емульсійного боку в лівому верхньому куті зворотними листом. Крім порядкових номерів аерофотознімків, підписують дату і номенклатуру району аерофотознімка. Всі аерофотознімки реєструють у журналі і відправляють до фотолабораторії для здійснення контактного друку. Попередньо аерофотознімки розкладають по маршрутах. Монтаж починають з верхнього маршруту справа на ліво або навпаки, щоб були видні номера аерофотознімків, які послідовно накладають один на один, монтують по контурах ситуації місцевості в місцях перекриттів і скріплюють кнопками. Кожний наступний маршрут пов’язують з попереднім за перекриттями. Одержаний робочий накидний монтаж дозволяє встановити межі знятої території перевірити технічну фотографічну якість знімальних робіт. Даючи попередню оцінку якості аерофотознімків, встановлюють місця, які підлягають повторній аерофотозйомці, якщо перекриття між аерофотознімками менше заданої величини або є фотографічні дефекти.

За змонтованими контактними відбитками (накидному монтажу) здійснюються виміри з метою остаточної оцінки якості аерофотозйомки.

Аерофотооптика за своїм призначенням поділяється на оптику для топографічного і оглядового фотознімання.

Аерофотознімання виконують на чорно-білій, кольоровій і спектрозональній фотоплівках. Частіше використовують чорно-білу фотоплівку, тому що вартість її виготовлення і фотохімічної обробки нижча, ніж у інших типів фотоплівок. Кольорову і спектрозональну фотоплівки використовують в тих випадках, коли основною метою є дешифрування об’єктів на земній поверхні.

За типом використаної фотоплівки розрізняють чорно-білі (монохромні), кольорові (панхроматичні) і спектрозональні аерофотознімки, виконані в умовних кольорах. Багатозональну аерофотозйомку здійснюють одночасно в декількох зонах спектру.

Фотознімання повинно виконуватись при відсутності хмар, висота Сонця над горизонтом має бути не нижче 20^о при фотографуванні на чорно-білу фотоплівку і 25^о – на кольорову або спектрозональну.

Аеронегативи, контактні відбитки з них на фотопапері, а також діапозитиви на скляних пластинках повинні мати різке і добре оброблене зображення по всій площині.

На сучасному етапі аерознімання здійснюється на спеціальну високочутливу авіаплівку, яка в момент знімання вирівнюється і автоматично перемотується. В одній касеті запас плівки становить 100 – 300 аерознімків. Найчастіше використовуються аерофотоплівки шириною 7, 8, 19 і 32 см, на яких утворюються кадри розмірами 8х8 см, 18х18 см, 18х24 см, 30х30 см.

Висота фотографування визначається заданим масштабом знімків.

Аерозйомка земної поверхні здійснюється з літаків (Ан-2, Ан-30, Іл 14 (ФКМ), Ту-134 СХ, Ан-28 ФК) і гвинтокрилів, обмежено використовуються аеростати, мотодельтаплани і дрони для зйомки невеликих площ. Аерозйомка здійснюється з використанням знімальних систем, які працюють у різних ділянках спектра ЕМХ.

Носієм аерофотознімального обладнання під час знімання в середніх і менших масштабах служить літак Ан–30, верхня межа висоти польоту якого складає 8 км, середня швидкість – 440 км/год.

Для аерознімання в середніх масштабах використовують літак Іл–14 ФК, висота польоту якого досягає 6 км і середня крейсерська швидкість становить 300 км/год.

Літак Ан–2 призначають для знімання в крупних масштабах. Висота польоту його дорівнює 5 км, середня швидкість – 180 км/год. Для фотознімання в тих же масштабах невеликих ділянках земної поверхні використовується вертоліт Ка–26, висота польоту якого досягає 3 км і середня швидкість становить 140 км/год.

Відхилення висоти польоту над середньою площиною зйомочної ділянки від її розрахованого значення не повинно перевищувати 3 % при зніманні рівнинних районів і 5 % – гірських.

Аерофотозйомку можна класифікувати за декількома критеріями:

– в залежності від величини кута нахилу α між головною оптичною віссю знімальної камери і відвісної прямої, аерофотозйомку поділяють на планову (α < 3º) і перспективну (α > 3º).

При плановій зйомці оптична вісь спрямовується вертикально вниз. Аерофотознімання при напрямку оптичної вісі під будь-яким кутом відхилення від вертикалі називається перспективним, або нахиленим, аерофотозніманням.

Аерофотозйомка з одночасним застосуванням обох видів фотографування називається планово-перспективною. До аерозйомки такого виду відноситься панорамна зйомка, яка виконується різними способами: обертанням об’єктива, розміщенням попереду об’єктива обертових призм або дзеркал тощо.

В залежності від поставленої задачі і розмірів ділянки фотографування місцевості розрізняють аерофотозйомку: одинарну – коли об’єкт фотографування розміщується на одному або двох знімках; маршрутну – коли виконується фотографування вузької смуги місцевості (річки, дороги, берегові лінії тощо); площинну або багатомаршрутну – коли ділянка зйомки за своїми розмірами не може бути відображена на знімках одного маршруту, і для його фотографування необхідно декілька паралельних маршрутів на певній відстані один від одного.

У деяких випадках, при виконанні площинної аерофотозйомки, прокладаються додаткові аерозйомочні маршрути, що перетинають основні. Такі маршрути розміщуються, як правило, на початку і наприкінці основних маршрутів і називаються каркасними.

В залежності від цілей і поставлених завдань аерофотозйомка виконується в межах топографічних планшетів або в межах адміністративно-територіальних одиниць.

Планова аерозйомка

При плановій зйомці оптична вісь спрямовується вертикально вниз, у відвисне положення (під кутом 90º) до поверхні Землі, при якому знімок буде горизонтальним (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Планова аерозйомка

Планова аерофотозйомка головним чином використовується для для створення фотопланів, хоча сучасні технології фотограмметричної обробки аерознімків такого обмеження не висувають. При цьому площа, відображена на знімку, буде менше, проте й викривлення по краях знімка будуть не такі значні, як при перспективній зйомці.

Однак у процесі польоту за прямолінійним маршрутом аерознімальний літак періодично випробує відхилення, які характеризуються кутами тангажу, крену і зносу (рискання). Через коливання літака фотоапарат також нахиляється і розвертається. Тому до планових прийнято відносити знімки, кут нахилу (кут огляду) яких не перевищує 2-3°. При такій зйомці на знімках утворюється плоска картина (ортогональна проекція), яка нагадує зображення на географічних картах. При цьому виді аерофотозйомки можна визначити взаємне розташування об’єктів на площині без урахування їх висот (рис. 6.6).

Планові аерознімки широко використовуються в лісовпорядкуванні, пошуку корисних копалин, прокладці і моніторингу транспортних магістралей, ліній електропередач, трубопроводів, складанні планшетів карт, спільному використанні в топографічній зйомці, фітосанітарному контролі в сільському господарстві, оцінці фотосинтезу зеленої біомаси тощо.

Рис. 6.6. Приклад планового аерознімку

Крім того, планова зйомка може бути використана для моніторингу стану важкодоступних поверхонь звернених вгору (дахів, частин мостів, труб, технологічного обладнання, крон дерев, стану льоду і водних поверхонь).

Дешифрування аерознімків, трансформованих фотознімків, фотопланів і фотосхем є одним з основних процесів складання планів і карт. У процесі дешифрування на матеріалах аерофотозйомки пізнаються і викреслюються відповідними умовними знаками з дотриманням вимог генералізації об’єкти і контури місцевості, що підлягають зйомці. Дешифрування може виконуватись методами: польовим, комбінованим, камеральним і аеровізуальним.

Об’єктами дешифрування, наприклад, для потреб землевпорядкування, державного обліку земель і земельного кадастру, є межі, сільські населені пункти, дороги, гідротехнічні споруди, меліоровані землі, сільськогосподарські угіддя, рілля, багаторічні насадження, залежи, сінокоси, пасовища, ліси і чагарники, болота, елементи рельєфу, невикористовуванні в сільському господарстві землі, землі, несільськогосподарського призначення тощо.

Фотограмметрична обробка планових аерофотознімків вельми проста. В умовах рівнинної місцевості вона буде полягати перш за все в усуненні спотворень від недотримання вертикального положення оптичної осі фотокамери і від коливань висоти польоту.

Аерознімання може виконуватися також шляхом сканування, радіолокації земної поверхні або іншими способами. До аерозйомок відносять також різні види геофізичного зондування з літальних апаратів (аеромагнітна, аерогравіметрична, аерогаммазйомка тощо).