CC BY
89
УДК 528.8 К.Б. Хасенов
ВКГТУ, Усть-Каменогорск В.А. Хан, Н.Б. Турганбаев КазНТУ, Алматы
ОСОБЕННОСТИ АНАЛИЗА ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦИФРОВЫХ СЪЕМОЧНЫХ КАМЕР
В статье рассмотрены технические характеристики современных цифровых аэрофотосъёмочных камер. Проведен анализ их влияния на параметры съёмки для различных целей.
K.B. Khasenov
East Kazakhstan State Technical University after D. Serikbayev,
69 Protozanov st.,Ust-Kamenogorsk c., 070004, Republic of Kazakhstan V.A. Khan, N.B. Turganbaev
Kazakh National Technical University after K.I. Satpaev 22 Satpaev st, Almaty c., 050013, Republic of Kazakhstan
FEATURES OF THE ANALYSIS OF TECHNICAL CHARACTERISTICS OF DIGITAL CAMERAS
In clause characteristics of modern digital cameras for air photography are considered. The analysis of their influence on quality of the information and parameters of shooting for the various purposes is lead.
Расширение спектра использования данных дистанционного зондирования Земли, связанное с широким внедрением геоинформационных технологий во многие сферы деятельности человека привели к существенным изменениям на рынке аэрофотосъёмочных услуг. На постсоветском пространстве произошла перестройка, как в организационной, так и в технической составляющих этого рынка. В течение короткого периода, за последние 10 лет, сформировался новый рынок аэрофотосъёмочных услуг.
В связи с резким ростом в последние годы цен на нефть, до финансового кризиса, Россия и Казахстан получили известные преимущества. Во-первых, на рынке появились финансово состоятельные потребители, способные осуществить инфраструктурные проекты на основе ГИС-технологий с использованием современных программно-аппаратных комплексов для создания различных видов цифровых геопространственных продуктов. Во-вторых, стали выделяться бюджетные финансовые средства на отраслевые целевые программы, с аэрофотосъёмочной составляющей. Рынок стал
платежеспособным, и как следствие появилось предложение современных цифровых аэрофотосъёмочных технологий.
В отличие от хорошо апробированных и изученных методов подбора параметров аналоговой аэрофотосъёмки для решения различных задач, при цифровой аэрофотосъёмке применяются другие подходы. Связано это, прежде всего с особенностями рынка пользователей, прежде всего в области ГИС-технологий, отсутствием нормативных документов регламентирующих создание цифровой продукции в традиционных для постсоветского пространства сферах использования материалов аэрофотосъёмки. Этот факт прослеживается в практически всех публикациях по цифровой аэрофотосъёмке в научно-технических изданиях.
Проведенный анализ публикаций позволяет выделить следующие основные технические характеристики крупноформатных цифровых аэрофотоаппаратов (АФА), совмещенных для удобства с характеристиками аналоговых фотокамер в одну табл. 1.
Таблица 1. Технических характеристик цифровых и аналоговых
аэрофотоаппаратов
Характеристика Тип аэрофотоаппарата
цифровой аналоговый
Точностные характеристики
Фокусное расстояние объектива + +
Угловое поле зрения объектива + +
Дисторсия объектива + +
Способ выравнивания аэрофотоплёнки - +
Информационные характеристики
Радиометрическое разрешение + -
Спектральные диапазоны (каналы) + -
Размер результирующего изображения по каждому каналу в битах + -
Разрешающая способность объектива + +
Светофильтры - +
Экономические характеристики
Размер результирующего изображения (формат кадра) + +
Размер элемента (пиксела) приёмника излучения + -
Ширина полосы захвата при заданном разрешении на местности + -
Характеристики косвенно влияющие на все параметры аэрофотосъёмки
Тип затвора и диапазон выдержек, диафрагма + +
Минимальный интервал съёмки + +
Механизм компенсации сдвига изображения + +
Формат растрового изображения + -
Объем накопителя снимков + -
Тип формируемого изображения (приёмника + -
излучения)
Применение GPS/IMU + -
Габариты и вес + +
Производитель + +
Условно все параметры аэрофотосъёмки можно разделить на три группы, на основании которых производиться выбор фотокамеры при решении топографических задач: точностные, информационные, экономические.
Соответственно, разделим характеристики фотокамер на три группы, добавив четвертую, косвенно влияющую на все параметры аэрофотосъёмки.
Точностные характеристики.
Выбор аналоговых АФА для целей создания топографических карт и планов осуществлялся в основном по двум характеристикам: масштабу аэроснимка и фокусному расстоянию объектива, при условии соблюдения требований по дисторсии. Влияние фокусного расстояния камеры сохранилось через соотношение базиса фотографирования к высоте полета, что касается предварительного расчета точности, то он свелся к определению размера элемента пространственного разрешения, который устанавливается в размере 0,1 мм в масштабе создаваемого топографического плана или карты. Величина фокусного расстояния цифровых камер используемых для топографических целей лежит в тех же пределах что и у аналоговых 70-120 мм. Угловое поле зрения зависит от величины фокусного расстояния и служит для количественной оценки размера суммарного изображения в цифровых АФА.
Практически нет информации о дисторсии объективов цифровых АФА. Вместо неё встречается характеристика геометрической точности снимков в пределах 2 мкм, что в целом соответствует последним достижениям лучших аналоговых АФА по дисторсии, не превышавших по величине 3 мкм. Тем не менее, в качестве элементов внутреннего ориентирования величина дисторсии должна быть известна.
Способ выравнивания аэроплёнки позволял определить возможность повышения точности измерений по полю аэроснимка, что в принципе при цифровых технологиях решается конструктивными особенностями приемника излучения и программными средствами обработки изображений.
Несомненным преимуществом цифровых камер является многоканальный принцип съёмки, что особенно важно при расширении спектра использования данных аэрофотосъёмки. Особенность панхроматического канала съёмки цифровых камер заключается в отсечении различными способами ультрафиолетовой зоны электромагнитного излучения, что равноценно применению жёлтого светофильтра, широко используемого при аналоговой аэрофотосъёмке.
Информационные характеристики.
Радиометрическое разрешение - один из важнейших параметров приемника излучения цифровой фотокамеры характеризующий уровень детальности изображения. Все современные цифровые камеры имеют показатель не менее 11 бит. Очевидно, что большее значение этого параметра
позволяет в большей степени укрупнять масштаб оригинала аэроснимка без потери детальности изображений, что особенно важно как при камеральном, так и полевом дешифрировании и, кроме того, позволяет сократить долю последнего.
Размер результирующего изображения в битах, кроме количественной оценки информативности снимков, дает возможность оценить объём необходимых аппаратных ресурсов для хранения и обработки информации. Разрешающая способность объектива цифровых камер практически никогда не указывается, тогда как в аналоговых АФА это основной показатель характеризующий возможности оптики по уровню пространственного разрешения. Очевидно, что эти показатели у обоих типов АФА приблизительно одинаковы.
Характеристики экономичности.
Размер результирующего изображения (формат кадра в пикселах или см) -один из важнейших параметров фотокамеры, определяющих экономическую эффективность аэрофотосъёмочных работ. Малый формат приёмников излучения, обусловленный технологией их изготовления - основной недостаток цифровых АФА. Опыт эксплуатации различных цифровых метрических камер показывает достаточную эффективность методов увеличения формата результирующего изображения путём сшивки нескольких составляющих кадров. Появление цифровых АФА с приёмником излучения в виде монолитной матрицы формата около 10х8 см свидетельствует о решении этого вопроса со временем.
Размер пиксела - линейные размеры элемента (детектора) приемника излучения, основной параметр, характеризующий возможности камеры по пространственному разрешению, при прочих равных условиях. Очевидно также, что его проекция на поверхность Земли зависит от косвенных параметров камеры и полета воздушного судна - фокусного расстояния объектива и высоты фотографирования, т. е. масштаба аэрофотосъёмки. Параметр оказывает прямое воздействие на экономическую эффективность аэрофотосъёмочных работ. При прочих равных условиях, меньшие размеры пиксела, позволяют выбрать большую высоту фотографирования и тем самым уменьшить количество съёмочных часов. Однако, при этом необходимо сравнение параметра чувствительного элемента приёмника излучения -отношение сигнал/шум, который прямо влияет на информационное качество изображения.
Ширина полосы захвата при заданном разрешении на местности, например, 0,2 м. Параметр, аналогично формату результирующего кадра, позволяет оценить экономическую эффективность фотокамеры. В аналоговой аэрофотосъёмке аналогичный параметр определяется как произведение ширины формата кадра используемого АФА на знаменатель масштаба съёмки, который в свою очередь зависит от величины фокусного расстояния объектива фотокамеры и высоты фотографирования.
Из опыта производства аэросъёмочных работ в Казахстане, особенно заметна экономическая эффективность применения цифровых камер при
аэрофотосъёмке населенных пунктов для целей создания крупномасштабных топографических планов. Например, для создания топоплана 1:2 000 масштаба населенного пункта площадью 400 кв км необходима аэрофотосъёмка 1:6 000 масштаба аналоговой фотокамерой типа ТАФА-10. На воздушном судне класса Ан-30 на это необходимо затратить 15 часов (без учета подлётов). Аэрофотосъёмка цифровой камерой (с размером пиксела 6-7 мкм) производится в масштабе около 1:30 000, соответственно количество лётных часов составит 3. При этом объем полевых дешифровочных работ сокращается на 50 %.
Менее заметна эффективность цифровой аэрофотосъёмки крупных площадных массивов вследствие малого формата кадра и ограничений по высоте полета воздушного судна, не позволяющего максимального замельчения масштаба оригиналов снимков. Более того, казахстанский опыт показывает необходимость применения в этих случаях только крупноформатных цифровых камер в сочетании с воздушным судном класса Ан-30.
Из характеристик косвенно влияющих на все параметры аэрофотосъёмки следует обратить внимание на позицию - тип формируемого изображения (тип приёмника излучения). Кадровые АФА имеют несомненное преимущество над сканерными, которые требуют обязательного применения инерциальных систем и адаптации программного обеспечения под обработку снимков полуортогональной проекции. Остальные позиции, за исключением объёма накопителя снимков, присущие и аналоговым АФА, необходимо учитывать при выборе воздушного судна.
Исходя из вышеизложенного можно сделать следующие выводы. В целом, для целей цифровой аэрофотосъемки можно использовать в принципе любую цифровую фотокамеру, которую можно скомплексировать со спутниковыми системами навигации, предварительно определив элементы внутреннего ориентирования камеры. Выбор типа камеры зависит от масштабности решаемых посредством цифровой аэрофотосъемки задач, в обязательной связи с имеющимися возможностями выбора типа воздушного судна.
Современное состояние рынка аэрофотосъемочных услуг в Казахстане характерно наличием всего спектра используемой в мировой практике аэрофотосъемочной аппаратуры. Есть в наличии аналоговые аэрофотосъемочные комплексы советского производства и фирмы Karl Zeiss, потребность в которых практически сошла на нет. Небольшими фирмами используются после соответствующих процедур цифровые среднеформатные фотокамеры Hasselblad и Rolley. Есть на вооружении и современные универсального назначения крупноформатные цифровые камеры UltraCam X, ADS40, воздушные суда класса Ан-30 и KingAir. Таким образом, в Республике Казахстан есть все предпосылки для полного обеспечения нужд рынка в современных материалах аэрофотосъёмки, при квалифицированном подходе к организации и проведению этих работ.
© К.Б. Хасенов, В.А. Хан, Н.Б. Турганбаев, 2011
