Лекция 1. Физические основы и технические средства аэро- и космических съёмок

съёмок  
Электромагнитное излучение, используемое при съемках. Влияние атмосферы на проходящее

излучение
Оптические свойства природных образований, критерии отражательной способности.
Классификация съемочных систем. Схема получения видеоинформации при аэро- и космической съемке.
Основные критерии информационных возможностей съемочных систем.
Общее устройство кадровых аэрофотоаппаратов и их характеристика.
Особенности устройства цифровых камер и их характеристика.
Нефотографические съемочные системы, их метрические и изобразительные свойства

Аэрокосмические методы в лесном деле

задач, связанных с изучением лесов и оценкой их состояния:

лесоустройство;
инвентаризация и

картографирование лесов;
охрана лесов от пожаров;
выявление и картографирование площадей лесов, поврежденных насекомыми-вредителями, болезнями, стихийными бедствиями;
контроль за лесопользованием и воспроизводством лесов;
лесопатологическое обследование лесов;
оценка состояния лесов, повреждаемых и загрязняемых промышленными выбросами и другими видами антропогенной деятельности;
др.

методы в лесном деле
Рис. 1. Распределение энергии в спектре ЭМИ

Солнца

(21%), аргон (0,9%), углекислый газ (0,03%), озон и др.);
водяной

пар;
аэрозоли — мельчайшие взвешенные твердые и жидкие частицы.

Влияние атмосферы на проходящее излучение.

Газы и аэрозоли изменяют спектр проходящего ЭМИ (полностью или частично поглощают лучи некоторых спектральных зон).

Механические частицы и водяной пар образуют атмосферную дымку, которая снижает контраст изображения.

мкм

компонентов, входящих в состав атмосферы.
Приводит к деформации и смещению изображений

снимаемых объектов.

Аэрокосмические методы в лесном деле

Рис. 1.4. Рефракция атмосферы

интегральной яркости (КЯ),

-коэффициенты спектральной яркости (КСЯ),

- интегральные и спектральные

индикатрисы рассеяния.

Рис. 1. 5. Схематизированные кривые КСЯ основных классов природных объектов:
I — горные породы и почвы;
II — растительный покров;
III — снежный покров и облака;
IV — водные поверхности

Аэрокосмические методы в лесном деле

В – яркость объекта;
- яркость идеально отражающей поверхности

отражение (ортотропное) – песчаные поверхности;
б) зеркальное отражение - водные

поверхности;
в) отражение в сторону источника излучения - вспаханная пашня, сухая широколиственная растительность;
г) смешанная форма отражения - увлажненные газоны, сенокосы, пастбища

Аэрокосмические методы в лесном деле

- выбирают зоны спектра ЭМИ для съемки;
-

определяют время суток и сезон съемки;
- определяют тип съемочной системы и их спектральное разрешение.

Индикатрисы рассеяния используют для расчета угла захвата съемочной системы с целью сохранения оптической плотности изображения по всему полю снимка.

Аэрокосмические методы в лесном деле

Рис. 1.7. Влияние неортотропности поверхности на различие оптической плотности ее изображения в различных частях снимка (а), пары снимков (б)

Рис. 1.8. Иллюстрация различных оптических плотностей изображения соответственных объектов на паре реальных снимков

деревьев разной степени повреждения:
1 - неповрежденных;
2 - поврежденных

на 20 - 40%;
3 - поврежденных на 70-80%;
4 - полностью обесхвоенных

Для оценки санитарного состояния насаждений применяют двухслойную спектрозональную аэропленку с зонами спектральной светочувстви­тельности
660-680 нм и 740-760 нм и объектив с красным светофильтром КС-14.

видеоинформации при аэро- и космической съемке

объектов, фиксируя энергию отраженную от объектов

и формируемую самими съемочными системами

ПСС: строят изображение, фиксируя энергию отраженную от объектов съемки и излучаемую солнцем (или искусственным источником освещения),
либо фиксирует собственное тепловое излучение самих объектов.

Рис. 1.12. Сущность активного (а) и пассивного (б) методов ДЗ

аэро- и космической съемке

систем
Линейная разрешающая способность,

Спектральная разрешающая способность - минимально возможная ширина

спектральной зоны, в которой проводят съемку. Для фотографических систем - 40...50 нм, для нефотографических систем — 10...20 нм и мене.

Фотограмметрическая точность съемочной системы — критерий геометрического искажения получаемого снимка.

Фотометрическая точность съемочной системы - способность пропорционально воспроизводить через оптическую плотность соотношение яркостей элементов снимаемой местности.
Характеризуется радиометрической разрешающей способностью  - число градаций цвета воспроизводимых съемочной системой. Измеряется в количестве бит на пиксел изображения.
Большинство сенсоров обладают радиометрическим разрешением 8 – 12 бит/пиксел.
(8 бит - 28 = 256 градаций цвета; 12 бит - 212 = 4096 градаций цвета)

- возможность раздельно воспроизводить на снимке мелкие детали снимаемого объекта

(определяется числом раздельно воспроизводимых черных линий в 1мм изображения при таком же белом интервале между ними).
R=50 мм-1 =50 лин/мм
Линейное разрешение (ρ)- минимальная ширина линии раздельно отображаемой на снимке.

Разрешающая способность фотоизображения на аэрофотонегативе R определяется по формуле



где Ro и Rп – соответственно разрешающая способность объектива АФА и аэрофотопленки.

- ПЗС-линейки или ПЗС-матрицы) разрешающая способность выражается числом элементов или

линий в одном дюйме изображения (dpi или lpi) .
Например, 600 или 1200 dpi означает, что минимальный размер элемента (пиксела) изображения соответственно равен
25,4 мм / 2*600=0,02 мм и 25,4мм / 2*1200=0,01 мм.

Цифровые камеры имеют размер пиксела изображения порядка 5 – 7 мкм (0,005 – 0,007 мм)
Разрешение цифровых АФА определяется размером ПЗС-матрицы (число пикселов результирующего кадра).
Для камеры DMC II – 14656×17216 = 252 млн. пикселов.

Пространственное разрешение (r) - это величина пиксела изображения в пространственных единицах. Эта величина характеризует размер наименьших объектов на местности, различимых на изображении.
Цифровые аэрокамеры – r= 5-20 см.
Космические оптико-электронные сканеры сверхвысокого разрешения - r= 40-50 см

r, м – разрешение на местности;
Δ – размеры пиксела ПЗС-матрицы;
f - фокусное расстояние АФА;
H – высота съемки

кадровых АФА:
1— снимок;
2 — зона захвата на местности;
3 —

затвор;
4— S— центр проекции;
5— координатные метки;
ABCD — фрагмент местности; а, б, с, d— снимок

5. Общее устройство кадровых аэрофотоаппаратов и их характеристика

– 2;
пульт управления (командный прибор) - 3.
Фотокамера :
корпус 

- 5,
объективный блок - 6 ;
прикладная рамка - 7;
- объектив - 8;
диафрагма  и затвор - 9;
выравнивающее стекло - 10;
защитное стекло - 11,
светофильтры - 12.
Кассета:
- направляющие валики;
- сматывающая - 13 и наматывающая  - 14 катушки;
- прижимной стол – 15.

В кассете 120 м аэрофотопленки - до 600 фотоснимков формата 18х18см

Рис. 1.15. Схема устройства кадровых АФА

дисторсия,
разрешающая способность,
угол поля изображения,
светораспределение по

полю изображения.

Фокусное расстояние объектива (f)
( главное фокусное расстояние) -расстояние от задней узловой точки объектива (S) до главного фокуса (F).

Через главный фокус (F) перпендикулярно оптической оси (SF) проходит фокальная плоскость (P), в которой строится изображение и где располагается фотопленка.

Фокусное расстояние АФА f и высота фотографирования Н определяют масштаб съемки:



где т — знаменатель масштаба фотографирования.
При неизменной Н, чем больше f, тем крупнее масштаб съемки.

f

строящих оптическое изображение за счет неодинакового преломления различно направленных проектирующих

лучей.

Подушкообразная дисторсия

Бочкообразная дисторсия

Бочкообразная дисторсия

лучами, исходящими из задней узловой точки объектива и опирающимися на

диагональ прикладной рамки АФА.

Различают АФА:
короткофокусные (f<150 мм) - широкоугольные (2β более 60°).
среднефокусные (f=150-300 мм) - нормальноугольные (2β =15...60°)
длиннофокусные (f>300 мм) - узкоугольные (2β =менее 15°)

их использования
Фотоматериалы классифицируют:
- по назначению (аэрофотопленки, фототехнические пленки и

др.);
- по цвету получаемого фотографического изображения (черно-белые, спектрозональные и цветные);
- по строению (фотопленки, фотопластинки, фотобумага).

Все фотоматериалы имеют:
подложку (основу) из прозрачных (триацетатных или лавсановых) пленок;
светочувствительный эмульсионный слой (тонкая прозрачная желатиновая пленка, содержащая во взвешенном состоянии галоидные соли серебра (бромистые, йодистые и хлористые) в виде отдельных кристалликов-зерен.

Под воздействием света серебро освобождается, что и приводит к почернению эмульсионного слоя, тем большему, чем интенсивнее оно было. С помощью органических красителей (сенсибилизаторов) регулируют спектральную чувствительность эмульсии.

панхроматическая, изопанхроматическая и инфра­хроматическая;
- цветные спектрозональные для условной цветопередачи (спектрозональные);
цветные

для натурального воспроизведения объектов местности.

Панхроматические — чувствительны ко всему (пан-) диапазону видимого света.
Изопанхроматические — панхроматические с выравненной чувствительностью в зелёной области. Все современные фотоэмульсии для чёрно-белой фотосъёмки изготавливаются изопанхроматическими.
Инфрахроматические — сенсибилизированы к инфракрасному излучению, обычно 760-920 нм, иногда до 1200 нм. Обладают естественной чувствитель­ностью к синефиолетовой и УФ части спектра.

Цветные и спектрозональные пленки отличаются от черно-белых строением эмульсии.

Спектрозональная пленка содержит эмульсию из двух слоев: инфрахромати­ческого и панхроматического.
Цветопередача на этой пленке ис­кажена, но она позволяет получать многие детали изображения, теряющиеся на черно-белой и цветной аэропленках.

их характеристика
В цифровых камерах, либо при сканировании фотографий изображение регистрируется

на светочувствительном сенсоре (матрице), состоящей из множества ПЗС элементов (пикселов), каждый их которых формирует электрический заряд, в соответствии с количеством попавшего на него света, а затем заряд преобразуется в код и запоминается в цифровой форме.
Pixel от англ. picture element — элемент изображения.
ПЗС (прибор с зарядовой связью, английский вариант названия – ССD – charge-coupled device). ПЗС – это монолитный чип, представляющий собой совокупность мельчайших датчиков-фотоэлементов, тем или иным способом собранных в единую матрицу.

Основные преимущества цифровой съемки:
- оперативность выполнения работ за счет исключе­ния процесса проявления и сканирования;
- более высокое радиометрическое разрешение, повышающем визуальное качество изображения;
- отсутствие затрат на дорогостоящие расходные материалы.

линеек ПЗС в фокальной плоскости камеры АФА –ТЭ-140
Крупноформатные цифровые

топографические камеры

– размеры пиксела ПЗС-матрицы
r
8. Нефотографические съемочные системы, их метрические

и изобразительные свойства

на борту ЛА выраба­тывает радиоволны определенной длины, амплитуды, поляриза­ции.
С

помощью антенны радиоизлучение направляется на зем­ную поверхность.
Интенсивность отраженных сигна­лов соответствует радиояркости элементов местности, а фаза определяет наклонную дальность.
Важней­шее преимущество снимков этого класса - их всепогодность. Поскольку радар регистрирует собственное, отраженное земной поверхностью, излучение, для его рабо­ты не требуется солнечный свет.
Для облучения местности используются радиоволны длиной:
72 см, 22 см, 5,6 см и 3 см
(соответственно P-, L-, С- и Х-диапазоны). Пространственное разрешение сопоставимо с разрешением оптических систем (1 – 100 м).

(длина волны~3 см) отражаются от поверхности крон (непроницаемы);
С-волны (~5,6 см)

проникают внутрь полога до 5 м, т.е. при средней высоте леса 15 м этот вид волн не достигает земной поверхности (непроницаемы);
L-волны (~22 см) проникают на глубину 5-12 м (частично проницаемы);
Р-волны (~72 см) - на 15- 20 м, т.е. отражаются от поверхности земли (проницаемы).

Н= 300 м
точность определения плановых

координат - 0,7 м,
точность определения высот точек местности — 10...12 см.

Полупроводниковый лазер БИК диапазона, работающий в импульсном режиме с частотой несколько сот тысяч раз в секунду.
Создается облако точек на подстилающей поверхности с пространственными координатами Х, У, Z.
Координаты точки фотографирования определяются с помощью ГНСС-приемников

аэрофотосъемкой.

Трехмерное облако точек лазерных отражений
Цифровой аэроснимок

данным лазерной локации
А) Исходный массив точек лазерной локации
Б) массив точек

после фильтрации

В) цифровая модель лесного полога

Г) Цифровая модель стволов и крон интегрированная с рельефом

Д) Полная трехмерная реконструкция древостоя

е) Плановая проекция полога древостоя с оконтуренными кронами деревьев основного яруса. Точки, кодированные цветом, соответствуют различным элементам рельефа

съемках.
Что называется рефракцией атмосферы?
Какое влияние оказывает атмосфера на результаты съемки.

Критерии отражательной способности объектов местности.
Формы кривых КСЯ для различных классов объектов.
Задачи решаемые с помощью КСЯ и индикатрис рассеяния.
Общая схема аэро- и космических съемок.
Различия активных и пассивных съемочных систем.
Основные критерии информационных возможностей съемочных систем.
В чем суть критерия Линейная разрешающая способность съемочной системы и понятие пространственное разрешение?
Сущность понятий спектральная разрешающая способность, фотограмметрическая точность, фотометрическая точность.
Назовите основные элементы АФА.
Основные характеристики объектива АФА.
Перечислите типы нефотографических съемочных систем и их преимущества по сравнению с аэрофотоаппаратами.

: Учебное пособие [Текст] / И.А. Лабутина. – М.: Аспект

Пресс, 2004. – 184 с.
2. Медведев, Е.М. Лазерная локация земли и леса : Учебное пособие [Текст] / Е.М. Медведев, И.М Данилин, С.Р. Мельников. − М.: Геолидар, Геоскосмос; Красноярск: Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2007. − 230 с.
3. Обиралов, А.И. Фотограмметрия и дистанционное зондирование: Учебник [Текст] / А.И Обиралов, А.Н. Лимонов, Л.А. Гаврилова. – М.: КолосС, 2006. – 334с.
4. Сухих, В.И. Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве: Учебник [Текст] / В.И. Сухих. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2005. – 392 с.
 5. Гарбук, С.В. Космические системы дистанционного зондирования Земли [Текст] / С.В. Гарбук, В.Е. Гершензон. – М.: Издательство А и Б, 1997. – 296 с.