O cameră aeriană este o cameră specială concepută pentru fotografierea aeriană a unor părți ale suprafeței pământului de la o aeronavă atmosferică în scopuri economice, științifice și militare [1] . Este alcătuit dintr-o cameră, un dispozitiv de atașare la suport (fotografie aeriană) și un dispozitiv de comandă pentru controlul automat de la distanță a procesului de filmare [2] . În funcție de scopul lor, camerele aeriene sunt împărțite în topografice și panoramice, în funcție de timpul de utilizare - în zi, noapte și universale, conform principiului de funcționare - în cadru, slot și panoramic. În plus, fotografia aeriană poate fi planificată atunci când axa optică a lentilei este îndreptată către punctul nadir ., și perspectiva când este înclinată spre orizont .
Primele încercări de fotografiere aeriană, întreprinse de Nadar în 1855, au fost realizate folosind camere de format mare concepute pentru portrete și neadaptate pentru fotografierea aeriană. Prima cameră aeriană specializată, potrivită pentru fotografierea unor suprafețe mari pe mai multe plăci fotografice , a fost construită de francezul Tiboulier în 1884 [3] . Cinci ani mai târziu, inginerul rus Richard Thiele a construit un „panoramograf”, similar ca design cu omologul francez, și format din șase camere situate la un unghi în jurul celei de-a șaptea cu o axă optică verticală [4] . Obturatoarele tuturor camerelor au fost declanșate de o nivelă electronică inventată de Thiele, care surprinde poziția verticală a axei optice a camerei centrale [5] .
Prima cameră aeriană reală, special adaptată pentru fotografierea din aer, a fost proiectată în 1886 de inginerul rus Vyacheslav Izmailovich Sreznevsky , folosind ca bază camera expediționară rezistentă la praf și umiditate, rezistentă la șocuri, inventată de el, pe care inventatorul a creat-o pentru expediția lui Nikolai Przhevalsky în 1882. [6]
Cea mai rapidă dezvoltare a camerelor aeriene a început după apariția primei aeronave , mai potrivite pentru recunoașterea aeriană decât baloanele . Filmarea dintr-un avion zburător cu un singur loc a necesitat automatizarea majorității proceselor. Prima cameră aeriană adaptată pentru fotografierea rând cu linie a fost inventată în 1896 de inginerul militar rus Vladimir Potte [7] [8] . Pentru prima dată a fost folosit pentru evaluarea rezultatelor tragerii de antrenament a artileriei navale în 1898 , iar în 1912 autorul a primit brevetul nr. 22433 [9] . Fotografierea a fost efectuată pe bobină de film cu un format de cadru de 13 × 18 centimetri, un obiectiv cu o distanță focală de 210 mm și o deschidere relativă de f / 4,5. În timpul Primului Război Mondial, camera aeriană a fost folosită pentru fotografii aeriene de recunoaștere. Designul camerei lui Potte la acea vreme era cel mai bun din lume. A fost folosită în URSS până la sfârșitul anilor 1920 pentru a crea hărți topografice [10] [11] .
În 1918, Eastman Kodak a început producția primei camere aeriene complet automatizate din lume, K-1 [12] [13] . Crearea propriului echipament de fotografiere aeriană în URSS a început sub conducerea lui Mihail Bonch-Bruevich după organizarea Societății All-Russian „ Dobroleț ” în 1923 [10] . Prima cameră aeriană automată sovietică a fost AFA-13, proiectată de Biroul de Proiectare VOOMP în 1934 [4] . Dezvoltarea ulterioară a echipamentelor de acest tip este asociată cu dezvoltarea lentilelor ortoscopice cu unghi larg , care fac posibilă obținerea de imagini cu suprafețe mari într-un cadru fără distorsiuni. Un succes semnificativ al industriei optice sovietice a fost dezvoltarea în 1935 de către inginerul Mihail Rusinov a lentilei Liar-6 [14] . La o distanță focală de 100 mm, acest obiectiv acoperea un cadru de 13×18 cm, oferind un câmp vizual de 104° [15] . Analogul german „Topogon”, creat în curând, avea un raport de deschidere mai mic și o distorsiune inacceptabil de mare. În proiectarea camerelor aeriene apar dispozitive care fixează elementele de orientare externă: radioaltimetre , statoscoape , girostabilizatoare și altele. Se introduce controlul automat al expunerii . La începutul anilor 1950, camerele aeriene au evoluat într-un dispozitiv de aviație specializat, cu un grad ridicat de automatizare.
Dezvoltarea rapidă a fotografiei digitale la începutul secolelor 20 și 21 a predeterminat apariția unei camere digitale aeriene. Principalul obstacol în calea înlocuirii filmului aerian cu un convertor fotoelectric a fost formatul mic al matricelor CCD disponibile , care nu depășea 86 × 49 milimetri în primele camere digitale [16] . Rezoluția comparabilă cu camerele aeriene convenționale a fost obținută în 2000 de către Leica Geosystems și Intergraph prin combinarea a patru camere digitale cu astfel de senzori de 28 de megapixeli fiecare și prelucrarea ulterioară a fișierelor rezultate pe un computer [17] . Dezvoltarea ulterioară a camerelor digitale aeriene merge în direcția reducerii dimensiunii pixelului elementar și nu a creșterii zonei matricei. Astfel, a doua generație de camere aeriene Z/I Imaging DMC II conține 4 camere digitale cu senzori mici și o cameră de 250 de megapixeli cu o dimensiune a matricei de 90 × 84 mm într-o singură carcasă . În acest caz, diagonala fotodiodelor nu depășește 5,6 microni [16] . O altă direcție de dezvoltare este folosirea unei matrice CCD în locul unei fotomatrice de cadru conform principiului unei camere aeriene cu fante [17] [18] . Pe lângă viteza de obținere a rezultatelor, unul dintre principalele avantaje ale camerelor digitale aeriene este nivelul scăzut de distorsiune geometrică a imaginii terenului. Se realizează datorită preciziei ridicate a fabricării matricei foto și posibilității de corectare software a distorsiunilor lentilelor [19] .
În ultimii ani, tehnologia ieftină de fotografiere aeriană de la vehicule aeriene fără pilot a câștigat teren [20] . Datorită plafonului mic al dronelor, este disponibilă doar fotografierea unor zone mici la scară largă, pentru care, în locul camerelor digitale aeriene specializate, pot fi folosite echipamente de uz general, inclusiv SLR digitale și camere fără oglindă [21] [22 ]. ] . În ciuda avantajelor metodelor digitale, camerele aeriene analogice continuă să fie utilizate, participând la tehnologia hibridă în topografia de la altitudini mari. În acest caz, nu un negativ de film este decriptat, ci un fișier digital obținut prin scanarea filmului aerian pe un scaner fotogrammetric. Rezoluția rezultată de 180 de megapixeli depășește același parametru al majorității camerelor aeriene digitale seriale, de obicei nedepășind 40 de megapixeli [17] .
Principala diferență față de toate celelalte tipuri de echipamente fotografice este necesitatea de a asigura o precizie ridicată a măsurătorilor la sol la descifrarea imaginilor, ceea ce necesită o distorsiune geometrică minimă a imaginii [23] . Acest lucru se realizează prin alinierea atentă a filmului aerian în fereastra cadru, ortoscopicitatea ridicată a lentilelor utilizate și orientarea precisă în raport cu suprafața pământului. Datele despre timp, parametrii de zbor și orientarea în momentul fotografierii sunt imprimate de majoritatea camerelor aeriene pe film sau înregistrate într-un fișier imagine digital . Unele camere aeriene imprimă suplimentar o pană sensitometrică [24] .
Camerele aeriene moderne nu au vizor , deoarece nu sunt potrivite pentru fotografierea manuală și sunt fixate de aeronavă fără mișcare sau prin platforme stabilizatoare. Încadrarea se realizează prin schimbarea poziției transportatorului folosind sisteme speciale de navigație a aeronavei, intervalometre , precum și senzori de altitudine și ruliu . Camerele aeriene sunt controlate de la distanță folosind dispozitive de comandă situate în cockpit și interfațate cu echipamente aeronautice și sisteme de poziționare prin satelit . Camerele aeriene sunt adesea echipate cu încălzire electrică, care previne aburirea ferestrelor și înghețarea mecanismelor la mare altitudine.
Cele mai obișnuite sunt camerele aeriene de personal care efectuează inspecții de suprafață sau de traseu ale terenului prin fotografiarea secvențială a secțiunilor acestuia cu imagini adiacente suprapuse [25] . Conform clasificării adoptate în fotografia convențională, majoritatea camerelor aeriene cadru pot fi clasificate ca de format mare și, datorită dimensiunii mari a cadrului, sunt echipate cu un sistem de aliniere a filmului în fereastra cadru (cel mai adesea folosind vid sau apăsare pe sticlă ). ) [26] . Zona cadrului expus este limitată de cadrul aplicat cu semne de referință. În camerele aeriene sovietice, cel mai comun format de cadru era de 18 × 18 centimetri, iar în echipamentele de fabricație străină, un cadru de 23 × 23 cm este mai frecvent [27] . În prezent, standardul sovietic nu este utilizat [17] .
Transportul filmului aerian și armarea oblonului au loc în cele mai multe cazuri cu ajutorul unei acționări electrice încorporate . Un obiectiv cu distanță focală fixă este focalizat fix la „infinit”, deoarece fotografierea are loc de la înălțimi care depășesc această valoare pentru orice obiectiv [24] [25] . Uneori, pentru a acoperi o suprafață mare a suprafeței pământului, se folosesc camere cu cadru cu lentile multiple, în care fiecare obiectiv captează o zonă separată [1] . Camerele digitale cu cadre folosesc CCD dreptunghiulare. În camerele digitale cu format complet, se folosește o matrice, iar în camerele cu format mediu, imaginea finită este cusată împreună de un computer din mai multe obținute din matrice mici prin diferite lentile [18] . În cele mai multe cazuri, pentru a crește rezoluția, nu se folosește filtrul Bayer , iar dacă este necesar să se obțină o imagine color sau spectral-zonală, fotografierea este efectuată de patru camere monocrome în spatele filtrelor corespunzătoare [28] .
Astfel de camere aeriene efectuează fotografii aeriene de traseu nu cadru cu cadru, ci continuu, conform principiului fotografiei cu fantă . Un film fotografic se deplasează cu o viteză constantă pe lângă o fantă situată în planul focal al obiectivului. Când se instalează o cameră aeriană cu fantă pe un suport, acest slot este situat perpendicular pe direcția de zbor [29] . Mișcarea filmului este sincronizată cu zborul în așa fel încât viteza acestuia să coincidă cu viteza de mișcare a imaginii optice [25] . Expunerea nu este reglată de obturator, ci de lățimea fantei. Imaginea finită este un cadru continuu pe o rolă de film cu o imagine continuă a terenului situat de-a lungul întregului traseu [30] . Tehnologia permite fotografierea la altitudine joasă (50–100 m) și la viteze mari de zbor (mai mult de 1000 km/h), ceea ce este de neatins pentru camerele aeriene obișnuite. În plus, camerele cu fantă sunt mai potrivite pentru fotografierea pe timp de noapte, deoarece chiar și la viteze mici ale obturatorului oferă o imagine neîncețoșată.
În camerele digitale aeriene cu un design similar (scanare), în loc de fantă, este plasată o riglă CCD, iar imaginea este formată în memoria cadru [17] . În scopuri de măsurare, fotografiile aeriene realizate cu dispozitive cu fante sunt improprii din cauza distorsiunilor geometrice și a diferenței de scale obținute în direcția de zbor și perpendicular pe aceasta [31] . Camerele digitale cu fantă fac posibilă compensarea distorsiunilor prin procesarea datelor primite cu un software special. Avantajul dispozitivelor digitale de scanare este capacitatea de a obține imagini color și spectrozonale de înaltă rezoluție. Pentru a face acest lucru, în loc de una, sunt instalate mai multe linii CCD (cel mai adesea 3 sau 4), situate în spatele sistemului de separare a culorilor . În camerele digitale de tip cadru, o imagine color cu rezoluție scăzută este suprapusă unei imagini monocrome de înaltă definiție, reducând conținutul informațional al decodării. Camerele aeriene cu fantă dublă permit fotografierea la două scări diferite simultan sau crearea unui model de teren tridimensional datorită paralaxei obținute atunci când aeronava este în mișcare. În acest caz, primul slot fixează zona înainte de zborul său, iar al doilea - după, dintr-un unghi diferit [19] .
Acestea servesc pentru fotografierea aeriană prin fixarea secvenţială a secţiunilor largi (panorame) ale terenului, practic de la orizont la orizont pe traseu. Acest lucru se realizează în cel mai simplu caz prin camere aeriene cu cadru multi-obiectiv, formate dintr-o cameră planificată și mai multe camere de perspectivă amplasate oblic [32] . O cameră panoramică specializată scanează zona prin rotirea lentilei în jurul punctului nodal împreună cu fanta de expunere. În acest caz, filmul este staționar și aliniat pe suprafața unui cilindru sau con din sticlă optică, cu o rază egală cu distanța focală a lentilei. Principiul de funcționare a unor astfel de camere aeriene este similar cu camerele convenționale pentru fotografia panoramică . In cazul unei suprafete conice se obtine nu o imagine plan-panoramica, ci o imagine in perspectiva-panoramica a zonei. În dispozitivele panoramice cu scanare indirectă, lentila este staționară, iar scanarea este efectuată de o oglindă sau prismă rotativă situată în fața acesteia [33] . În acest caz, filmul aerian se deplasează sincron cu mișcarea sistemului de scanare [34] . Fotografia aeriană panoramică este, de asemenea, nepotrivită pentru măsurători precise din cauza distorsiunilor geometrice și este utilizată în scopuri speciale.
Lentilele aeriene sunt împărțite în optice concepute pentru ridicări topografice sau panoramice [35] . Calitățile lor optice sunt supuse celor mai înalte cerințe, adesea se exclud reciproc. Ar trebui să aibă distorsiuni geometrice minime la unghiuri mari de câmp de vedere și luminozitate ridicată. Totodata, rezolutia unor astfel de lentile trebuie sa fie mare atat in centru cat si in camp pentru a asigura o interpretabilitate ridicata a filmului aerian. O cerință suplimentară este stabilitatea temperaturii, care previne deteriorarea calității imaginii atunci când obiectivul este răcit la altitudini mari. Construcția lentilelor din lume își datorează o mare parte din progresul lucrării la scară largă de proiectare a celor mai noi aparate aerooptice, desfășurate în mai multe țări după Primul Război Mondial.
O contribuție semnificativă la acest lucru a fost adusă de industria optică sovietică, condusă de Institutul Optical de Stat. Vavilov . De câteva decenii, au fost create scheme optice de anastigmate cu unghi larg cu deschidere mare, care au devenit un model pentru numeroase imitații și au deschis noi perspective pentru alți dezvoltatori. Cele mai faimoase au fost următoarele obiective fotografice aeriene sovietice [36] :
Pe lângă lentilele sovietice, optica străină, precum Aeroektar și Geogon (SUA), Aviogon (Elveția) și Pleogon (Germania), au calități optice înalte. Pentru a facilita interpretarea negativelor aeriene și a reduce efectul brumei atmosferice asupra contrastului, majoritatea camerelor aeriene prevăd amplasarea diferitelor filtre de lumină în fața obiectivului . În funcție de înălțimea de la care se realizează fotografia aeriană, sunt selectate filtre care, într-o oarecare măsură, taie partea cu lungime de undă scurtă a spectrului, care este supusă celei mai mari împrăștieri în atmosferă [37] . Filtrele de lumină sunt, de asemenea, folosite la filmarea în raze invizibile, trecând doar partea utilă a radiației luminoase.
În URSS, producția primelor camere aeriene a fost lansată la uzina de geodezie din Moscova, care a fost evacuată dincolo de Urali în anii de război. În viitor, fabrica optic-mecanică din Kazan „KOMZ” a devenit principalul producător . Pe lângă Uniunea Sovietică, camerele aeriene au fost produse în alte țări cu o industrie optică și mecanică dezvoltată: SUA , Marea Britanie , Italia , Franța , Germania și Japonia [27] . Cel mai cunoscut echipament al companiei americane Fairchild Aerial Camera, germanul Carl Zeiss și francezul SFOM
Echipamentele moderne de fotografiere aeriană digitală sunt produse de Hexagon AB (rezultatul fuziunii dintre Leica Geosystems și Z/I Imaging, Suedia ), IGI mbH ( Germania ), Visionmap ( Israel ), Optech și Applanix ( Canada ), Vexcel Imaging ( Austria ). ) și altele [38] . În 2004, la CNE ucraineană „Geosistem” a fost lansată producția unei camere aeriene de scanare digitală „3-DAS-1” [39] .