книги из ГПНТБ / Кучко А.С. Аэрофотография. Основы и метрология
.pdf
. с ««к» |
АЭРО |
ФОТОГРАФИЯ
ОСНОВЫ И МЕТРОЛОГИЯ
ИЗДАТЕЛЬСТВО « Н Е Д Р А *
М о с к в а , 1974
УД К 778.35(021)
W ~ / Q 5 £ i
Щ
Кучко А. С. Аэрофотография (Основы и метрология).
М., «Недра», 1974, 272 с.
В книге изложены основы и метрология аэрофотографического процесса, предназначенного для получения аэроснимков земной поверхности с летательного аппа рата. Показаны основные закономерности построения оптического и фотографического изображения с испольованием современных аэрофотоаппаратов и фотографи ческих материалов. Большое внимание уделено анализу влияния различных факторов на метрологическое каче ство п. гчаемого аэрофотоизображения, изложены сов ременные способы оценки изобразительных и измери тельных свойств аэроснимков. Приведены принципиаль ные схемы аппаратуры, применяемой для получения аэроснимков и определения метрологических характери стик оптического и фотографического изображений.
Книга рассчитана на широкий круг специалистов, работающих в области аэрофотографии и аэрофото съемки и использующих аэроснимки для решения разно образных задач. Она будет полезна научным работникам и инженерам, занимающимся разработкой, исследова нием и применением аэрофотосъемочной аппаратуры, приборов для послесъемочной химико-фотографической обработки фотоматериалов, а также приборов и спосо бов метрологической оценки аэрофотографического про цесса и аэрофотоизображения. Книга будет полезна студентам вузов, изучающим аэрофотосъемку и аэро фотографию.
Таблиц 26, иллюстраций 114, список литературы —
125 назв.
К |
0271—65 |
119-74 |
© Издательство «Недра», 1974 |
043(01)—74 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Для успешного решения задач, связанных с изуче нием местности, необходимы топографические карты или фотодокументы. В настоящее время исходная информация о земной поверхности, используемая при создании топографических карт, фотодокумен тов и решении других задач, получается в резуль тате аэрофотографирования местности. Фотографи ческое изображение местности, полученное с са молета или другого летательного аппарата (вертолета, аэростата и др.), при помощи аэрофото аппарата с использованием фотографического мате риала, чувствительного к видимой и ближней ин фракрасной зоне спектра, называется а э р о с н и м ком.
Аэроснимки широко применится для решения самых разнообразных задач. Использование аэро снимков для построения фотограмметрических сетей высокой точности и крупномасштабного картогра фирования, необходимость обеспечения высокой экономической эффективности аэрометодов обус ловливают повышение требований к качеству аэро фотоизображения по точности построения и полноте воспроизведения деталей, содержащихся в объекте.
Технологический процесс получения аэросним ков, оценка их метрологического качества, а при не обходимости изготовление с них копий составляют содержание предмета аэрофотографии, под кото рой понимается совокупность атмосферно-оптиче ских, оптико-механических и химико-фотографиче ских данных, комплексно используемых для полу чения с летательного аппарата фотографических изображений заданного метрологического качества.
Аэрофотография по назначению и условиям вы полнения существенно отличается от других видов фотографии. Эти различия обусловлены в основном следующим.
Объект аэрофотографирования (земная поверх ность) богат, как правило, малоконтрастными де талями, оптические характеристики которых зави сят от многих факторов и претерпевают существен ные изменения как во времени, так и в простран стве, что, естественно, необходимо учитывать при съемках.
1* |
3 |
Слой атмосферы, находящийся между объектом фотографиро вания и аэрофотоаппаратом, обладает оптическими свойствами и существенно влияет на процесс формирования изображения.
Аэрофотоаппарат, при помощи которого производится фотогра фирование местности, установленный на летательном аппарате, ис пытывает во время экспонирования фотографического материала различного рода перемещения и вибрации, что не может не влиять на качество изображения. Вследствие отличия фактических усло вий аэрофотографирования от предполагаемых, например от несоот ветствия давления и температуры воздуха на высоте полета расчет ным значениям, присущие объективу аберрации изменяются, воз никает расфокусировка объектива, что, безусловно, должно быть компенсировано.
Таким образом, для получения доброкачественных аэроснимков необходимы изучение и всесторонняя оценка атмосферных оптиче ских условий аэрофотографирования, характеристик аэрофотоаппа рата, свойств фотографических материалов и процессов их химико фотографической обработки. Можно получать доброкачественные аэроснимки, если аэрофотоаппарат и аэрофотоматериалы исполь зуются с учетом конкретных условий аэрофотографирования.
В настоящее время основной книгой, в которой рассмотрен ком плекс вопросов, составляющих предмет аэрофотографии, является труд проф. В. Я. Михайлова «Аэрофотография и общие основы фо тографии» (1959 г.). Опубликованные впоследствии монографии и статьи посвящены отдельным проблемам аэрофотографии. За по следние годы аэрофотографическое производство обогатилось но выми совершенными приборами; отечественная промышленность ос воила выпуск разнообразных аэрофотоматериалов, широко развиты методы всесторонней оценки метрологического качества аэрофото изображения и метрологического контроля всех стадий аэрофотографического процесса. Расширилась область применения аэрофотографического метода изучения местности, для исследования при родной среды используются космические летательные аппараты [9, 34, 43, 64]. Поэтому назрела потребность в книге, в которой
изложены основы и метрология |
современной аэрофотографии. |
В предлагаемой книге автор |
пытается решить поставленную |
перед собой задачу — восполнить имеющийся пробел в специальной литературе по аэрофотографии. Изложение материала подчинено технологической последовательности аэрофотографического про цесса: даны оценки оптических свойств атмосферы и земной поверх ности, которые должны быть учтены при аэрофотографировании, изложены оптико-механические и физико-химические основы аэро фотографии, рассмотрены свойства черно-белых и цветных аэрофо томатериалов, условия их экспонирования и химико-фотографиче- ческой обработки, показаны пути получения доброкачественных копий с аэронегативов. Учитывая возросшие требования к качеству аэрофотоизображения, автор много внимания уделил метрологи ческой характеристике аэрофотографической системы как канала
4
передачи информации. Аэрофотографическая система рассматри вается как совокупность последовательных взаимосвязанных эле ментов (звеньев), обеспечивающих построение оптического и фото графического изображений и моделирующих влияние внешних фак торов на качество аэрофотоизображения, к которым относятся сдвиг изображения и атмосферно-оптические факторы. Поступаю щий в оптическую систему аэрофотоаппарата входной сигнал — пространственно-частотное распределение яркостей в объекте фото
графирования, |
модулированное влиянием внешних факторов, |
преобразуется |
сначала в оптическое изображение — пространст |
венно-частотное распределение наложенной освещенности изобра жения в плоскости прикладной рамки аэрофотоаппарата, а затем в фотографическое изображение — выходной сигнал, рассматривае
мый как пространственно-частотное распределение |
действующих |
||||
на эмульсионный слой освещенностей. |
|
процесса |
предмет |
||
С учетом специфики аэрофотографического |
|||||
метрологии |
в аэрофотографии определен |
при |
написании книги |
||
шире, чем |
предмет фотографической метрологии |
[88, |
с. 183— |
||
184; 94]. |
|
разработку с теорети |
|||
В аэрофотографии метрология включает |
|||||
ческой и практической сторон методов и приборов для измерения величин, объективно характеризующих:
1) входной сигнал, свойства оптико-механической системы и ка чество оптического изображения фотографируемой местности;
2) собственные свойства аэрофотографических материалов;
3) качество аэрофотографической системы: аэрофотообъек
тив — аэрофотопленка — сдвиг |
изображения — атмосферно-оптиче |
ские факторы; |
и фотографического проявления на |
4) влияние экспонирования |
качество изображения; 5) качество аэронегатива и изготовленной с него копии.
Р а з д е л I
Оптические характеристики атмосферы и земной поверхности
Глава I
СТРУКТУРА И ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТМОСФЕРЫ
§ 1. Структура атмосферы. Модель однородной атмосферы
1. Структура атмосферы
Структура атмосферы — вертикальное распределение темпера туры, давления и плотности воздуха, а также водяного пара, аэро золей и других частиц атмосферы.
Основные газы, составляющие атмосферу: азот 78,09% по объ ему, кислород 20,95% и аргон 0,93%; к ним в небольших количест вах примешаны углекислый газ, озон, водород, неон, гелий, крип тон и ксенон. В атмосфере содержится водяной пар и другие при меси, так называемые аэрозоли — мельчайшие взвешенные твердые и жидкие частицы.
Физическое состояние атмосферы в тот или иной момент харак
теризуется метеорологическими элементами. |
К основным |
из них |
относят температуру и влажность воздуха, |
атмосферное |
давле |
ние и др. |
|
|
По среднегодовым многолетним измерениям метеорологических элементов рассчитана стандартная атмосфера (ГОСТ 4401—64), данными которой пользуются для решения многих практических задач.
За нулевую точку принят уровень |
моря с давлением воздуха |
Рв =101 325 Па, температурой воздуха |
7’В= 288К, весовой плотно |
стью ув=1,125 кг/м3, влажностью ев= 103 Па.
Изменение с высотой давления описывается барометрическими формулами; температуры — температурными градиентами.
Температурные градиенты |
tgr: |
|
|
|
|||
в тропосфере |
t g r = - |
-6,5е1 км-1, |
|
|
|
||
в слое от 11 км до 46 КМ |
t g r |
= |
— |
2,5° k m - 1, |
|||
То же от 46 |
до 54 км |
h r |
= |
0, |
|
||
„ |
от 54 |
до 60 |
км |
h r |
= |
+ |
3,5° k m - 1, |
„ |
от 60 |
до 95 |
км |
t g r |
= |
0, |
|
»ОТ 95 до 1201 км h r cp = — 0,65° км-1 и т. д.
Градиент влажности в тропосфере egr= —330 Па/км, выше тро посферы предполагается, что влажность отсутствует. Молекуляр-
6
ный вес рв до высоты 95 км равен 28,966 г/моль, в слое высот от 95 до 120 км рв = 28,934 r/моль, на высоте 150 км цв= 28,107 г/моль и т. д.
Общее количество водяного пара в столбе атмосферы выража ется в сантиметрах и обозначается wB— высота столба осажденной воды, который получается, если при данном сечении столба атмо сферы весь содержащийся в нем водяной пар превратить в воду. Величина wB численно равна давлению (г/см2), производимому слоем воды толщиной дов, см-
Вклад слоя воздуха выше 12—15 км в общее влагосодержание мал. Среднее значение wBв умеренных широтах 1,6—1,7 см. Однако в конкретных условиях эта величина претерпевает существенные изменения. Для оптических расчетов принимают шв= 2,1 см, что со ответствует летнему полдню.
Атмосферные аэрозоли — взвешенные в воздухе |
частицы твер |
||
дого или жидкого вещества — имеются практически |
на всех высо |
||
тах. Размеры континентальных |
аэрозолей изменяются в пределах |
||
от 0,01 до 40 мкм. Частицы больше 1 |
мкм встречаются только у по |
||
верхности земли. |
|
активные и наименее изучен |
|
Аэрозоли — наиболее оптически |
|||
ные составляющие атмосферы. |
На аэрофотографический процесс |
||
в основном влияют аэрозоли с размером частиц 0,4 мкм и больше. Частицы размером меньше 0,2 мкм оптически мало активны и влияют в основном на электрические свойства нижней атмо сферы.
Распределение аэрозоля по высоте характеризуется следую щими данными [1, 11, 34, 35, 64, 91]:
1)концентрация аэрозоля с увеличением высоты уменьшается, всегда имеется слой повышенной концентрации аэрозоля на высо тах около 20, 50 и 80—90 км (объемный коэффициент аэрозольного ослабления на высоте около 20 км составляет 0,02 км-1);
2)в дневное время может наблюдаться аэрозольный слой над тропопаузой на высотах 9—11 км;
3)в отдельных случаях образуется аэрозольный слой на высо тах около 6 км.
До настоящего времени окончательно не установлены законо мерности вертикального распределения аэрозоля, нет общепри знанной аэрозольной модели.
Количество углекислого газа в атмосфере изменяется мало. В среднем считают, что для всей атмосферы содержание СО2 соста вляет около 0,03% по объему; такой концентрации соответствует приведенная к нормальному давлению и температуре толщина слоя углекислого газа, равная 2,4 м.
Содержание озона в атмосфере весьма неравномерно. В призем ном слое до высоты 20—25 км концентрация озона незначительна (10-5—10-6%), чтосоответствует приведенной толщине в не сколько миллиметров; максимум концентрации (1,6 см/км) наблю дается на высотах примерно от 25 до 30 км. На высотах 5 и 35 км
7
концентрация озона составляет 10% от максимального значения, а на высоте 50—60 км практически равна нулю. Общее содержание озона в атмосфере считается равным 0,33—0,35 см.
2. Модель однородной атмосферы
Однородной называется идеальная атмосфера, не содержащая водяного пара и аэрозолей, которая имеет одинаковую плотность и давление, равное давлению на уровне моря, и в пределах которой распределена вся масса атмосферы, равная 5,3* 1018 кг.
Высота такого столба воздуха, эквивалентного всей массе атмо сферы в вертикальном направлении, при температуре ^ = 0°С и стандартном давлении называется п р и в е д е н н о й в ы с о т о й Яп. В настоящее время высоту однородной атмосферы принимают рав ной 7995,8 м (8000 м) [72, с. 71].
Связь между приведенной Яп и фактической Я высотами, выра женными в километрах, устанавливается формулой Бесселя
|
/ / п= 8 ,0 [1 —ехр ( —0,13/7)]. |
|
|
(1) |
||||||
В зависимости от фактических высот Я приведенные высоты Яп |
||||||||||
будут принимать следующие значения: |
|
|
|
|
|
|||||
Я в км |
1,0 |
2,0 |
4,0 |
8,0 |
16,0 |
32,0 |
более 32 |
/ |
||
Я п в км |
1,0 |
1,8 |
3,2 |
5,3 |
7,0 |
7,8 |
|
8,0 |
|
7 |
Масса слоя атмосферы, через который проходит поток лучистой |
||||||||||
энергии при зенитном расстоянии Солнца |
Z0 ^60°, при |
условии, |
||||||||
|
|
|
|
что атмосфера считается плоско |
||||||
Солнце |
|
|
|
параллельным слоем, |
увеличива |
|||||
|
|
|
|
ется по закону sec Z0 |
(рис. 1), где |
|||||
|
|
|
|
ob = oa sec Zs , т. е. |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
т , |
-т0sec Z0 , |
(2) |
||
|
|
|
|
где т0— масса |
атмосферы при |
|||||
|
|
|
|
|
|
2®=0°; |
масс |
атмосферы |
||
|
|
|
|
|
mz — число |
|||||
|
|
|
|
|
|
при |
зенитном |
расстоя |
||
|
|
|
|
|
|
нии Z0 . |
|
Солнца |
||
рис- 1 |
|
|
Z0 |
Зенитное |
расстояние |
|||||
|
|
простейшим |
способом может |
|||||||
|
|
|
|
быть определено по |
отношению |
|||||
длины тени /т, отбрасываемой каким-либо предметом, например карандашом, к длине /п этого предмета, т. е.
tg Z 0 = - ^ .
1п
Приняв в равенстве (2) т 0=1, получим формулу
mz= s e c Z 0 ,.
(3)
(4)
8
позволяющую выражать зенитное расстояние Солнца через значе ния масс mz ■Величина mz показывает, во сколько раз масса атмо сферы в наклонном направлении больше массы атмосферы в верти кальном направлении, что эквивалентно длинам, проходимым оптическими лучами по этим направлениям.
Если необходимо учитывать кривизну Земли, а рефракцией можно пренебречь (6O°<Z0 ^80°), пользуются эмпирической формулой [64, с. 119]
mz = s e c Z @— 2,8(90° — Z @)~2. |
(5) |
Для Ze >80°, когда существенной становится и атмосферная рефракция, вычисление величин mz производят по более строгим формулам, которые здесь не приводятся.
Массы mz при рв=105 Па, ^В= 0°С имеют следующие значения:
Z s |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
85 |
89 |
mz |
1,00 |
1,02 |
1,06 |
1,15 |
1,30 |
1,55 |
2,00 |
2,90 |
5,60 |
10,40 |
27,00 |
Эти значения mz принято называть «массы по Бемпораду».
§ 2. Оптические характеристики атмосферы
Как известно, для полного описания излучения надо знать три его характеристики: общую (интегральную) интенсивность, распре деление интенсивности по сйектру и в пространстве.
1. Интенсивность и спектральный состав солнечной радиации на верхней границе атмосферы
На верхнюю границу атмосферы приходит так называемая пря мая солнечная радиация. Под прямой солнечной радиацией пони мается спектр электромагнитных излучений, приходящий непосред ственно от Солнца и имеющий в своем составе энергию с длинами волн от 0,17 до 4,0 мкм. Этот диапазон делят на три части: види мую, если 0,4 мкм ^А .^0,7 мкм, невидимую ультрафиолетовую (УФ), когда Я<0,4 мкм, и невидимую инфракрасную ИК, если А> >0,7 мкм.
Диапазон длин волн для видимой зоны спектра соответствует чувствительности панхроматических фотоматериалов; ИК зону можно разделить на ближнюю область, используемую в фотогра фии довольно часто, 0,7 м км ^А ^0,85 мкм; среднюю 0,85 мкм<А,<^ ^ 1 ,3 Mj£M, в которой еще возможно применение обычных фотомате риалов; дальнюю А, >1,3 мкм, в которой съемка на обычные фото материалы невозможна; эта область используется для специальных видов съемки, например инфратепловой.
Интенсивность интегрального потока прямой солнечной радиа ции за пределами атмосферы оценивается величиной солнечной по стоянной S0, выражаемой обычно в энергетических единицах
9