Ст.н.с. д-р инж. Иван Кацарски
УВОД
Състоянието и перспективите на една техническа дейност до много голяма степен зависят от състоянието на техническите средства и материалите, които се използват в изследванията, обучението и производството. Поради това обстоятелство в тази статия са изложени характеристики на някои технически средства и материали, както и други параметри за тях, така като се намират в специалната литература. Имат се предвид следните технически средства и материали, които са от съществено значение за съвременното фотограметрично производство:
(1) Аналогови аерокамери.
(2) Дигитални аерокамери.
(3) Фотограметрични скенери.
(4) Дигитални фотограметрични работни станции.
(5) Процесори за проявяване на аерофилми.
(6) Аерофилми.
(7) Самолети за аерозаснемане.
(8) Спътници за дистанционни изследвания.
1. АНАЛОГОВИ АЕРОКАМЕРИ
Първата автоматична аерофотокамера е създадена през 1915 г. от Oscar Messter във фирмата Zeiss. Сега около 20 фирми в света произвеждат над 100 вида аналогови аерофотокамери за различни цели и с различна конструкция, които обаче се основават на един и същ общ принцип. Изискванията към аерофотокамерите се различават значително от изискванията към обикновените фотоапарати.
Аерофотокамерите трябва:
· Да имат стабилен висококачествен обектив с високи геометрични качества:
- Голяма разделителна способност (десетки линии в милиметър);
- Малка дисторзия (няколко микрометъра);
Надеждно действащ затвор.
· Да могат да правят в бърза последователност голям брой фотоснимки с предварително зададени параметри.
· Да работят успешно при различни атмосферни условия висока над земната повърхност.
· Да работят надеждно независимо от вибрациите на самолета.
Таблица 1 съдържа основни параметри на двете най-често използвани метрични аерофотокамери, известни още като аналогови камерни системи или филмови аерокамери.
Таблица 1 | |||||||
Производител | Камера | Обектив | Ъглов oбхват | Фокусно разстояние | Светлосила | Максимална дисторзия | |
LH Systems | RC-30 | UAG-S | 900 | 153 mm | 1:4 | 4 μm | |
RC-30 | UAGS –S | 550 | 300 mm | 1:5,6 | 4 μm | ||
Z / I Imaging | RMK-TOP 15 | Pleogon A3 | 930 | 153 mm | 1:4 | 3 μm | |
RMK-TOP 30 | Topar A# | 540 | 305 mm | 1:5,6 | 3 μm | ||
В страната ни се използват аерофотокамерите RC-30 (Wild), RC-30 (LH Systems), MRB 30/23 и MRB 15/23 (Zeiss-Jena), RMK A 15/23 (Zeiss-Oberkochen), а в миналото са използвани и някои по-стари камери.
2. ДИГИТАЛНИ АЕРОКАМЕРИ
През 2002 г. фирмата Zeiss / Intergraph Imaging произвежда за продажба дигиталната аерокамера DMC. Сега около 25 фирми в света произвеждат дигитални камери, основаващи се на различни принципи. Не всички обаче могат да се използват за фотограметрични измервания, а някои от тях имат друго предназначение.
В сравнение с метричните аерофотокамери с дигиталните метрични аерокамери се постига:
· По-висока радиометрична разделителна способност.
· Възпроизводима цветна информация.
· По-евтин дигитален образ отколкото фотообраза (спестяват се филм, обзавеждане на фотолаборатория, фотографски процеси).
· Спестява се сканиране на фотоснимките (негативен или обратим филм, или диапозитиви).
· Незабавна наличност на дигиталните образи (без междинен процес на сканиране на фотообразите).
Таблица 2 съдържа основни параметри на най-често използваните дигитални метрични аерокамери, известни още като дигитални камерни системи или CСD-камери.
Таблица 2 | ||||||||
Производител | Камера | Сензор размер | Снимка размер [mm] | Ъглов обхват [O] | Пиксел размер [?m] | Фокусно разс. [mm] | Светло сила | Радиометр. разделит. способност |
LH Systems | ADS40 | линеен | 64 | 6,5 | 63 | 1:4 | 8 bits | |
2х12К | ||||||||
Z/I Imaging | DMC | матричен | 13Кх8К | 74 / 44 | 12 | 120 | 1:4 | 12 bits |
2001 | 7Кх4К | 95х168 | ||||||
Vexcel | Ultra | матричен | 1 1,5Кх7,5К | 55 / 37 | 9 | 100 | 1:5,6 | 12 bits |
CamD | 4Кх2,7К | 103,5х67,5 | ||||||
Страната за сега не разполага с дигитална метрична аерокамера.
Сравнение – аналогови и дигитални аерокамери
Таблица 3 съдържа сравнение между основните параметри и характеристики на аналоговите и дигиталните аерокамери.
Таблица 3 | ||
Характеристики | Аналогови (филмови) камери | Дигитални (CCD) камери |
1 | 2 | 3 |
Фокусно разстояние | 9, 15, 21, 30 cm | 50 до 100 mm за голямоформатна и 17,5 mm за малкоформатна матрица |
Формат | 23 х 23, 30 х 30 cm | 63,5 х 63,5 mm за сензор с висока и по-малък от 25,4 mm за сензор с ниска разделителна способност |
Ъглов обхват | 60О до 125О | Подобни стойности за сензори с висока разделителна способност и 25О за чип с размер по-малък от 25,4 mm |
Светлочувствителен материал | Емулсия със сребърен халоид | CCD сензор |
Компенсиране изместването на образа | Механичен или оптичен FMC; ъгловото изместване се редуцирва със стабилизираща платформа | FMC се осъществява от CCD с TDI архитектура |
Действителен образ | Получава се от латентен образ като негатив или позитив по време на проявяването на филма | Получава се чрез трансфериращо натоварване към чувствителния възел където се измерва, усилва и извежда |
Спектрална чувствителност | Оптически двойки прибавени към инхерентна UV чувствителна емулсия до спектрален обхват близко IR Необходими са различни емулсии за различни спектрални обхвати. | Силиконова инхерентна чувствителност към фотони с λ < 1,1 μm |
Динамичен обхват | 6 bits за черно-бяла фотография | 8 – 12 bits |
Разделителна способност | Обектив: AWAR > 100 линии / mm Филм: > 100 линии / mm Практически: 50 – 60 линии / mm | Обетив вероятно по-малка, освен ако се използва също висококачествен обектив CCD: пикселна стъпка 15 μm дава 30-40 линии / mm |
Предимства | Доказана и установена технология Голяма разделителна способност. Висок динамичен обхват Филмът е голяма и не скъпа запаметяваща среда | Голям спектрален чувствителен обхват. Дигиталният образ е незабавно наличен Обратната връзка с обработването в реално време увеличава гъвкавостта на придобиването нданни. |
Недостатъци | Дълго време за обработване. Образът е наличен само като хардкопие | Сензорите с висока разделителна способност са са скъпи и все още по-некачествени спрямо филмите. Дълго изходящо време за сензори с висока разделителна способност. Голямото трансфериране на данни. Изисква огромен запаметяващ капацитет. |
3. ФОТОГРАМЕТРИЧНИ СКЕНЕРИ
В дигиталната фотограметрия скенерите са предназначени за превръщане на фотографския образ от фотоснимките (негативи, диапозитиви) в дигитален образ (ако заснемането не е извършено с дигитална камера), т. е. скенерите дигитализират фотообразите.
Специалните плоски фотограметрични скенери датират от 1989 г., когато се появяват скенерите PS 1 (Zeiss / Intergraph Imaging) и VА 3000 (Vexcel Imaging).
Таблица 4 съдържа основни характеристики на други пет плоски фотограметрични скенери.
Таблица 4 | ||||||
Производител | Скенер | Сензор | Цветен ? | Размери на пиксела | Радиометричен обхват | Филм |
LH Systems | DSW 500 | Камера с 2048х2048 пиксела | Да | Непрекъснато 4 до 20 μm | 0,1 – 2,5 D | Форматен и ролфилм |
Z/I Imaging | PhotoScan 2001 | Трилинеен CCD | Да | 7,14,21,28,56, 112,224 μm | 0,1 – 3 D | Форматен и ролфилм |
Vexcel | UltraScan 5000 | Трилинеен масив | Да | Непрекъснато 2,5 до 2500 μm | 0,1 – 4 D | Форматен и ролфилм |
GeoSystem | DeltaScan 470 | CCD | Да | 8,12,16,24,32, 128 μm | Форматен и ролфилм | |
Werhli | RM 2 | Линеен масив | Не | 10 μm | 0,1 – 2 D | Форматен филм |
За сега в страната има 3 .фотограметрични скенера DeltaScan на GeoSystem Scientific Production Enterprise.
4. ДИГИТАЛНИ ФОТОГРАМЕТРИЧНИ РАБОТНИ СТАНЦИИ
Дигиталните фотограметрични работни станции (системи) са трета генерация фотограметрични средства, предназначени са за извличане на метрична и семантична информация за земната повърхност и други обекти от дигитални образи. Тяхното проектиране се основава на аналитични фотограметрични алгоритми. За разлика от аналоговите и аналитичните картировъчни апарати (първа и втора генерация фотограметрични средства), дигиталните системи нямат оптически и механични конструктивни елементи, тъй като решението се извършва изцяло чрез компютърно (софтуерно) обработване на дигитални образи.
Дигиталният фотограметричен апарат (хардуер) е компютър и присъединен към него подходящи периферни устройства.
Програмните продукти (софтуерът) за дигитална фотограметрия са основани на дигитални образи и по принцип могат да бъдат инсталирани във всеки компютър. Необходим е обаче достатъчно мощен компютър с относително широк обхват на периферните устройства.
Първите дигитални фотограметрични работни станции са на Leica-Helava, Zeiss / Intergraph Imaging и Supresoft. Сега са известни около 15 вида дигитални системи.
Нашата страна разполага с по няколко инсталации от следните дигитални фотограметрични работни станции:
· SOCET SET (Softcopy Exploitation Tool) на Leica-Helava.
· DVD (Digital Video Plotter) на Leica-Helava.
· DELTA Digital Photogrammetric Station на GeoSystem Scientific Production Enterprise.
· DiAP (Digital image Analytical Plotter) на ISM International System Corp.
· PHOTOMOD на Racurs Co.
· Geomatica OrthoEngine на PCI Geomatics.
· ERDAS IMAGINE на Erdas Inc.
5. ПРОЦЕСОРИ ЗА ПРОЯВЯВАНЕ НА АЕРОФИЛМИ
Няколко фирми в света произвеждат процесори за проявяване на аерофилми. Един от най- разпространените е процесорът Colenta. Страната ни разполага с такъв процесор.
Някои технически характеристики на Colenta Film Processor 30 C41 65 Pro:
· Процес: С41 за негативен форматен или ролфилм.
· Максимална широчина на филма: 30 cm.
· Микропроцесорен контрол: 4 програмируеми процесорни цикъла.
· Скорост на транспортиране на филма при проявяването: 65 cm в минута.
· Електроснабдяване: трифазен ток 400/230 V, 4,6 kW, 25 А.
· Размери: 235 (Д) х 75 (Ш) х 127 (В) cm.
6. АЕРОФИЛМИ
За аерофотоснимане се използват изключително филм. В миналото са се използвали много рядко и стъклени плаки. Повече от 5 фирми в света произвеждат над 20 вида аерофилми с различни характеристики и различно предназначение.
Таблица 6 съдържа основни характеристики на най-често използваните аерофилми.
Таблица 6 | |||||
Производител | Аерофилм | Чувствителност [DIN] | Разделителна способност [ l / mm] при контраст | Вид | |
1000,:1 | 1,6:1 | ||||
Agfa-Gevaert | Aviohot Pan 200 S PE 1 | 23 | 130 | 50 | Панхроматичен |
Aviphot Pan 80 | 20 | 287 | 101 | Панхроматичен | |
Aviphot color X 100 PE | 22 | 140 | 55 | Цветен негативен | |
Aviphot color N 400 PE | 28 | 130 | 5 | Цветен негативен | |
Aviphot chrome 200 PE1/PE3 | 24 | 110 | 50 | Цветен обратим | |
Kodak | Aerographic 2402 | 23 | 130 | 55 | Панхроматичен |
Aerographic 2403 | 29 | 100 | 40 | Панхроматичен | |
Double X Aerographic 2405 | 27 | 125 | 50 | Панхроматичен | |
Panatomic X 3412 | 17 | 400 | 125 | Панхроматичен | |
Aerocolor 2445 | 19 | 80 | 40 | Цветен негативен | |
Aerochrome 2448 | 16 | 80 | 40 | Цветен обратим | |
Aerocolor SO 846 | 23 | 100 | 63 | Цветен негативен |
В нашата страна се използват цветни аерофилми на Agfa-Gevaert и Kodak.. Използвали са се и панхроматични филм Orwo (ГДР) и Свема (Русия).
7. САМОЛЕТИ ЗА АЕРОЗАСНЕМАНЕ
Аерозаснемането се извършва с подходящ летателен апарат – най-често самолет. За целта в света се използват повече от 50 типа самолети.
Изисквания към самолета за аерозаснемане:
· Конструкцията му да е съобразена с физико-географските и климатичните особености на районите, където ще се използва.
· Да набира бързо височина.
· Да има таван (максимална надморска височина на летене), съобразно с предназначението на аерозаснемането.
· Да може да лети и с малка скорост.
· Да е стабилен по трите оси по време на полета.
· Да бъде маневрен с оглед бърза промяна на посоката, скоростта и височината на полета.
· Да им място за монтиране и работа на снимачната апаратура (поне две аерокамери).
· Да има подходящо разположени отвори (люкове) за аерокамерите.
· Да има обзаведена тъмна кабина (при използване на аерофотокамера).
· Конструкцията му да позволява видимост от хоризонта до надира.
· Изгорелите газова от двигателите да не пречат на аерозаснемането.
· Да е снабден със съвременна навигационна апаратура (приемник за глобална позиционираща система), осигуряваща точното изпълнение на плана за летене.
· Да има сигурна връзка между пилота, щурмана и бордния фотограф.
Таблица 7 съдържа основни характеристики на няколко самолета, които се използват за аерозаснемане.
Таблица 7 | ||||||
Модел Страна | Двигатели бр | Разположение на крилата | Таван [km] | Работна скорост [km/h] | Дължина на полета[km] | Продъл. на полета [h:m] |
Антонов АН-30 Русия | 2 | горно | 7,5 | 350-500 | 2600 | |
L-410-фотовар. Чехия | 2 | горно | 6 | 170-370 | 1400 | |
Cessna 404 Titan САЩ | 2 | долно | 7,9 | 200-340 | 3410 | 04:55 |
De Havilland DHC-2 Канада | 1 | горно | 7,2 | 225 | 1152 | 06:40 |
Rockwell 680-FL САЩ | 2 | горно | 8,7 | 370 | 2100 | 06:40 |
Dornier Do-28 Германия | 2 | горно | 8,2 | 270 | 1810 | 06:40 |
De Havilland DH-104 Великобритания | 2 | долно | 6,6 | 245 | 1600 | 06:30 |
Piper PA-31 САЩ | 2 | долно | 8,8 | 393 | 2060 | 05:10 |
Douglas DC-3 САЩ | 2 | долно | 6,6 | 228 | 2400 | 08:50 |
Fokker F-27 Нидерландия | 2 | горно | 10,7 | 336 | 1600 | 04:50 |
В допълнение на информацията, съдържаща се в таблица 7, за АН-30, L-410 и Cessna 404 трябва да се добави още следното:
· АН-30 е модификация на пътническо-товарния самолет АН-24 с близки до неговите технически характеристики. Има специална навигационна кабина (остъклена предна част), 5 люка за монтиране на камери, както и тъмна кабина.Самолетът е херметизиран, и е подходящ за работа на голяма височина.
· L-410-фотовариант има 3 люка и тъмна кабина. Може да излита и каца на малки почвени писти и да поддържа малки скорости на летене (което го прави подходящ за аерозаснемане в едри мащаби).
· Дължината на АН-30, L-410 и Cessna 404 Titan е съответно 29, 17,5 и12 m; размахът на крилата – 24,3, 16,6 и 14,1 m; височина (на земята) за АН-30 и L-410 – 8,3 и 6 m.
За аерозаснемане в страна се използват самолетите Антонов АН-30, L-410 фотовариант и Cessna 404 Titan.
8. СПЪТНИЦИ ЗА ДИСТАНЦИОННИ ИЗСЛЕДВАНИЯ
Таблица 8 съдържа основни характеристики на някои от общоизползваните спътници за оптически дистанционни изследвания.
За картографиране в страната са използвани изображения, получени от спътниците QuickBird и Ikonos.
Литература
- Кацарски, И. Основи на фотограметрията (Записки). София, ГИС София ЕООД, 2002.
- Кацарски, И. Приложни и теоретични въпроси на фотограметрията (Сборник). София, ГИС София ЕООД, 2005.
- Albertz / Kreiling. Photogrammetrisches Taschenbuch, 3. Auflage. Karlsruhe, Herbert Wichmann Verlag, 1980.
- Konecny, G. Geoinformation – Remote Sensing, Photogrammetry and Geographic Information Systems. London and New York, Taylor & Francis, 2003.
- Manual of Photogrammetry, 5th edition. Bеthesda, Maryland, American Society for Photogrammetry and Remote Sensing, 2004.
- Petrie, G. Airborne Digital Frame Cameras. Emmelord, Тhe Netherlands, Geoinformatica, 7, 2003.
- Schenk, T. Digital Photogrammetry, Vol. I. Laureville, Ohio, Terra Science, 1999.
- Stoney, W. E. ASPRS Guide to Land Imaging Satellites. Mitretek Systems, 2004.
