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

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

Лекция 1. Физические основы и технические средства
аэро- и космических съёмок
1. Электромагнитное излучение, используемое при съемках. Влияние
атмосферы на проходящее излучение
2. Оптические свойства природных образований, критерии отражательной
способности.
3. Классификация
съемочных
систем.
Схема
видеоинформации при аэро- и космической съемке.
получения
4. Основные критерии информационных возможностей съемочных систем.
5. Общее устройство кадровых аэрофотоаппаратов и их характеристика.
6. Особенности устройства цифровых камер и их характеристика.
7. Нефотографические съемочные системы, их метрические и
изобразительные свойства
Аэрокосмические методы в лесном деле
1

2.

Направления применения аэрокосмических методов при решении
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.
Аэрокосмические методы в лесном деле
2

3.

1. Электромагнитное излучение, используемое при съемках.
Влияние атмосферы на проходящее излучение.
Рис. 1. Распределение энергии в спектре ЭМИ Солнца
Аэрокосмические методы в лесном деле
3

4.

Оптический диапазон спектра ЭМИ
Видимая
Ультрафиолетовая
УФ
0,3
В
0,4
G
0,5
Инфракрасная
R
0,6
БИК
0,75
Средняя ИК
1,3
Тепловая ИК
3,0
16
Длина волны, мкм
Аэрокосмические методы в лесном деле
4

5.

Влияние атмосферы на проходящее излучение.
Состав атмосферы:
- газы (азот (78%), кислород (21%), аргон (0,9%), углекислый газ (0,03%), озон и
др.);
- водяной пар;
- аэрозоли — мельчайшие взвешенные твердые и жидкие частицы.
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
Рис. 1.3. График поглощательной способности атмосферы
Аэрокосмические методы в лесном деле
5

6.

Рефракция атмосферы – явление изменения прямолинейности прохождения
лучей под воздействием компонентов, входящих в состав атмосферы.
Приводит к деформации и смещению изображений снимаемых объектов.
Рис. 1.4. Рефракция атмосферы
Аэрокосмические методы в лесном деле
6

7.

2. Оптические свойства природных образований,
критерии отражательной способности.
Критерии отражательной способности:
-коэффициенты интегральной яркости (КЯ),
r
B
B0
-коэффициенты спектральной яркости (КСЯ),
r
B
B 0
В – яркость объекта;
Bo - яркость идеально
отражающей поверхности
- 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
7

8.

Рис. 1.6 Сечения индикатрис рассеяния основных типов поверхностей:
а) равномерное 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
8

9.

При планировании АКС с помощью КСЯ решают задачи:
- 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.
Рис. 1.7. Влияние неортотропности
поверхности на различие оптической
плотности ее изображения в различных
частях снимка (а), пары снимков (б)
Аэрокосмические методы в лесном деле
Рис. 1.8. Иллюстрация различных
оптических плотностей изображения
соответственных объектов на паре
реальных снимков
9

10.

II-4 Лиственные леса осень
II-3 Лиственные леса
и травы летом
II-2 Хвойные леса летом
I-2 Дерново-подзолистые
II-1 Хвойные леса зимой
I-1 Черноземы
λ, нм
Рис. 1.10. Спектральная отражательная способность природных объектов

11.

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.
Рис. 1.11 Кривые КСЯ крон кедровых
деревьев разной степени повреждения:
1 - неповрежденных;
2 - поврежденных на 20 - 40%;
3 - поврежденных на 70-80%;
4 - полностью обесхвоенных
Аэрокосмические методы в лесном деле
11

12.

3. Классификация съемочных систем.
Схема получения видеоинформации при аэро- и космической съемке
Признак классификации
Вид носителя съемочной
системы
Типы съемочных систем
Вид регистрируемого
электромагнитного излучения
(ЭМИ)
Используемый диапазон ЭМИ
Количество зон спектра ЭМИ
Вид устройства регистрации
ЭМИ
Способ построения
изображения
Величина угла поля зрения и
фокусного расстояния
аэрофотообъективов
По назначению
Способ доставки
видеоинформации
Аэрокосмические методы в лесном деле
воздушные (самолет, вертолет, дельтаплан, БЛА и т.п.)
космические (ИСЗ, пилотируемые КЛА)
наземные (фототеодолит, фотокамера и т.п.)
пассивные (фотографические, телевизионные, тепловые, сканеры, оптикоэлектронные камеры на ПЗС)
активные (радары, лидары)
оптические
радиофизические (РЛС БО, радиовысотомеры)
однозональные
многозональные
фотографические (ЭМИ регистрируется на фотопленке)
нефотографические (ЭМИ регистрируется на устройстве, преобразующем
аналоговый сигнал в цифровой)
по законам центральной проекции (кадровые фотографические и
телевизионные системы)
строчно-кадровой развертки (сканеры)
щелевые
панорамные
узкоугольные (длиннофокусные)- (2β < 15°; f > 300 мм))
нормальноугольные (среднефокусные) - (2β =15...60°; f = 150 – 300 мм))
широкоугольные (короткофокусные) – (2β >60°; f < 150 мм)
сверхширокоугольные (сверхкороткофокусные) - (2β >120°; f < 50 мм)
топографические (предназначены для получения аэроснимков с целью
картографирования)
нетопографические (применяются для получения аэроснимков с целью их
дешифрирования)
оперативные
неоперативные
12

13.

Рис. 1.12. Сущность активного (а) и пассивного (б) методов ДЗ
АСС: строят изображение
объектов, фиксируя энергию
отраженную от объектов и
формируемую самими
съемочными системами
Аэрокосмические методы в лесном деле
ПСС: строят изображение, фиксируя энергию
отраженную от объектов съемки и излучаемую
солнцем (или искусственным источником
освещения),
либо фиксирует собственное тепловое
излучение самих объектов.
13

14.

Рис. 1.13. Схема получения видеоинформации
при аэро- и космической съемке
Аэрокосмические методы в лесном деле
14

15.

4. Основные критерии информационных возможностей съемочных 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)
Аэрокосмические методы в лесном деле
15

16.

Линейная разрешающая способность съемочной системы (R) - 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.
1
1
0,01мм
2 R 2 50
Разрешающая способность фотоизображения на аэрофотонегативе R
определяется по формуле
1
1
1
R RO Rn
1
1
1
1
R 50 200 33
где Ro и Rп – соответственно разрешающая способность объектива АФА и
аэрофотопленки.
Аэрокосмические методы в лесном деле
16

17.

Для цифровых СС (приемник излучения - 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
f
H
r
r, м – разрешение на местности;
Δ – размеры пиксела ПЗС-матрицы;
f - фокусное расстояние АФА;
H – высота съемки
Аэрокосмические методы в лесном деле
17

18.

5. Общее устройство кадровых аэрофотоаппаратов и их характеристика
Рис. 1.14. Схема построения изображения в 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
Аэрокосмические методы в лесном деле
18

19.

2
13
3
14
15
7
1
10
4
6
S2
5
S1
9
11
8
12
В кассете 120 м аэрофотопленки - до 600
фотоснимков формата 18х18см
- фотокамера - 1;
- кассета – 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.
Рис. 1.15. Схема устройства кадровых АФА
Аэрокосмические методы в лесном деле
19

20.

Основные характеристики аэрофотообъектива:
• фокусное расстояние,
• дисторсия,
• разрешающая способность,
• угол поля изображения,
• светораспределение по полю изображения.
P
От B
a
S
f
F2
b
От A
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:
1
f
m H
где т — знаменатель масштаба фотографирования.
При неизменной Н, чем больше f, тем крупнее масштаб съемки.
Аэрокосмические методы в лесном деле
20

21.

Дисторсия — нарушение связки
проектирующих лучей, строящих оптическое
изображение за счет неодинакового
преломления различно направленных
проектирующих лучей.
Подушкообразная
дисторсия
Бочкообразная
дисторсия
Бочкообразная дисторсия
Аэрокосмические методы в лесном деле
21

22.

Угол поля изображения (2β)- угол,
образованный 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°)
Аэрокосмические методы в лесном деле
22

23.

Характеристика топографических аэрофотоаппаратов
Показатели
АФА-ТЭ
АФА-41 АФА- АФА- АФА- LMK-30 LMK-15
ТЭС-5М ТЭС-7 ТЭС-10
Фокусное
расстояние,
мм
70,100,
100, 200
140,200, 500
Дисторсия,
мкм
0,03... 0,01
25...40
Разрешающая
способность,
лин/мм
Способ
выравнивания
пленки
Формат
снимка, см
50
70
100
305
152
Сменные
объективы
88, 153, 303
0,025...
0,04
0,01
0,01
0,01
0,002
0,003
0,002
45...60
55
70
90
65
70
110
Вакуум
18x18
Аэрокосмические методы в лесном деле
RC-30
Прижим к стеклу
18x18
18x18 18x18
18x18 23x23 23x23
23x23
23

24.

6. Строение и виды аэрофотопленок, особенности 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.
Аэрокосмические методы в лесном деле
24

25.

При аэрофотосъемке применяются следующие фотопленки:
- черно-белая 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.
Аэрокосмические методы в лесном деле
25

26.

7. Особенности устройства цифровых камер и 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 датчиковфотоэлементов, 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.
Аэрокосмические методы в лесном деле
26

27.

Крупноформатные цифровые топографические камеры
АФА –ТЭ-140 с цифровым съемным
модулем
Аэрокосмические методы в лесном деле
Расположение линеек ПЗС в фокальной плоскости
камеры АФА –ТЭ-140
27

28.

Основные параметры крупноформатных цифровых камер
Фирма-производитель
Название модели
Intergraph Z/I Imaging Microsoft-Vexcel Imaging GmbH
(США)
(Австрия)
DMC II
Принцип получения
изображения
Число объективов
UltraCamXp
Кадровые камеры
5
8
5,6 панхром.;
7,2 мультиспектр.
6
Число пикселов
результирующего кадра
вдоль/поперек маршрута
14656×17216
11310×17310 панхром.
5770×3770 мультиспектр.
Фокусное расстояние, мм
112 панхром.
45 мультиспектр.
100 панхром.
33 мультиспектр.
Углы поля зрения
вдоль/поперек маршрута
46,6°/40,2°
55°/37°
Радиометрическое
разрешение, бит/пиксел
14
>12
Минимальный интервал
фотографирования, с
1,7
2
Спектральные диапазоны
R, G, B, NIR
R, G, B, NIR
Размер пиксела, мкм
Аэрокосмические методы в лесном деле
28

29.

8. Нефотографические съемочные системы, их метрические и изобразительные
свойства
Δ
r, м – разрешение на местности;
Δ – размеры пиксела ПЗС-матрицы
f
H
r
f
H
r
Рис. Принципиальная схема
оптико-электронной съемки
Аэрокосмические методы в лесном деле
29

30.

ADS80
ADS100
12 CCD-линеек по 12 000 пикселов в каждой: 4
панхроматические и 8 цветных (2×RGBN).
13 CCD-линеек по 20,000 пикселов в каждой, все
Сенсор с наклоном вперед (27°): 1 панхроматическая цветные (3xRed, 4xGreen, 3xBlue, 3xNIR).
линейка.
Сенсор с наклоном вперед (25.6°): 4 линейки RGBN;
Надирный сенсор (0°): 4 линейки RGBN и две
панхроматические, смещенные друг относительно
друга на полпикселя.
Надирный сенсор (0°): 5 линеек RGGBN. Две зеленые
линейки смещены друг относительно друга на
полпикселя.
Сенсор с наклоном назад (16°): 1 панхроматическая и Сенсор с наклоном назад (17.7°): 4 линейки RGBN.
4 цветные линейки RGBN.
Рис. Характеристики оптико-электронных камер ADS80 (100)
Аэрокосмические методы в лесном деле
30

31.

Рис. Схема работы РЛС БО
Аэрокосмические методы в лесном деле
Генератор 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).
31

32.

Рис. Проницаемость радиоволн сквозь древесный полог:
Х-волны (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).
Аэрокосмические методы в лесном деле
32

33.

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
Рис. Схема лазерной съемки
ALMT-1020 при Н= 300 м
точность определения плановых
координат - 0,7 м,
точность определения высот точек
местности — 10...12 см.
Аэрокосмические методы в лесном деле
33

34.

Воздушное лазерное
сканирование, как правило,
выполняется в комплексе с
цифровой аэрофотосъемкой.
Трехмерное облако точек лазерных
отражений
Цифровой аэроснимок
34

35.

Построение цифровой модели лесного полога по данным лазерной локации
А) Исходный массив
точек лазерной локации
Б) массив точек после
фильтрации
Г) Цифровая модель
стволов и крон
интегрированная с
рельефом
В) цифровая модель
лесного полога
е) Плановая проекция
полога древостоя с
оконтуренными кронами
деревьев основного
яруса. Точки,
кодированные цветом,
соответствуют
различным элементам
рельефа
Д) Полная трехмерная
реконструкция
древостоя
Аэрокосмические методы в лесном деле
35

36.

Контрольные вопросы:
1. Электромагнитное излучение, используемое при съемках.
2. Что называется рефракцией атмосферы?
3. Какое влияние оказывает атмосфера на результаты съемки.
4. Критерии отражательной способности объектов местности.
5. Формы кривых КСЯ для различных классов объектов.
6. Задачи решаемые с помощью КСЯ и индикатрис рассеяния.
7. Общая схема аэро- и космических съемок.
8. Различия активных и пассивных съемочных систем.
9. Основные критерии информационных возможностей съемочных систем.
10. В чем суть критерия Линейная разрешающая способность съемочной системы и
понятие пространственное разрешение?
11. Сущность понятий спектральная разрешающая способность, фотограмметрическая
точность, фотометрическая точность.
12. Назовите основные элементы АФА.
13. Основные характеристики объектива АФА.
14. Перечислите типы нефотографических съемочных систем и их преимущества по
сравнению с аэрофотоаппаратами.
Аэрокосмические методы в лесном деле
36

37.

Литература:
1. Лабутина, И.А. Дешифрирование аэрокосмических снимков : 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.
Аэрокосмические методы в лесном деле
37

38.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
Аэрокосмические методы в лесном деле
38