Et luftkamera er et specialkamera designet til luftfotografering af dele af jordens overflade fra et atmosfærisk fly til økonomiske, videnskabelige og militære formål [1] . Den består af et kamera, en anordning til at fastgøre den til bæreren (luftfotografering) og en kommandoanordning til automatisk fjernstyring af filmoptagelsesprocessen [2] . I henhold til deres formål er luftkameraer opdelt i topografiske og panoramiske, efter brugstidspunktet - i dag, nat og universelle, i henhold til operationsprincippet - i ramme, slot og panorama. Derudover kan luftfotografering planlægges, når objektivets optiske akse er rettet mod nadirpunktet , og perspektiv, når det vippes mod horisonten .
De første forsøg på luftfotografering, udført af Nadar i 1855, blev udført ved hjælp af storformatkameraer designet til portrætter, og ikke tilpasset til luftfotografering. Det første specialiserede luftkamera, velegnet til at optage store områder på flere fotografiske plader , blev bygget af franskmanden Tiboulier i 1884 [3] . Fem år senere konstruerede den russiske ingeniør Richard Thiele en "panoramograf", der i design ligner den franske pendant, og bestående af seks kameraer placeret i en vinkel omkring det syvende med en lodret optisk akse [4] . Lukkerne på alle kameraer blev udløst af et elektronisk niveau opfundet af Thiele, som fanger den lodrette position af det centrale kameras optiske akse [5] .
Det første rigtige luftkamera, specielt tilpasset til optagelser fra luften, blev designet i 1886 af den russiske ingeniør Vyacheslav Izmailovich Sreznevsky , ved at bruge det støv- og fugtsikre stødsikre ekspeditionskamera opfundet af ham, som opfinderen skabte til Nikolai Przhevalskys ekspedition i 1882. [6]
Den hurtigste udvikling af luftkameraer begyndte efter fremkomsten af det første fly , mere velegnet til luftrekognoscering end balloner . At skyde fra et flyvende fly med et enkelt sæde krævede automatisering af de fleste processer. Det første luftkamera tilpasset til linje-for-linje-optagelse blev opfundet i 1896 af den russiske militæringeniør Vladimir Potte [7] [8] . For første gang blev det brugt til at evaluere resultaterne af træningsskydning af flådeartilleri i 1898 , og i 1912 modtog forfatteren patent nr. 22433 [9] . Optagelsen blev udført på spolefilm med et rammeformat på 13 × 18 centimeter, et objektiv med en brændvidde på 210 mm og en relativ blænde på f / 4,5. Under Første Verdenskrig blev luftkameraet brugt til rekognosceringsluftfotografering. Pottes kameradesign på det tidspunkt var det bedste i verden. Det blev brugt i USSR indtil slutningen af 1920'erne til at lave topografiske kort [10] [11] .
I 1918 begyndte Eastman Kodak produktionen af verdens første fuldautomatiske luftkamera, K-1 [12] [13] . Skabelsen af eget luftfotoudstyr i USSR begyndte under ledelse af Mikhail Bonch-Bruevich efter organisationen af det all-russiske samfund " Dobrolet " i 1923 [10] . Det første sovjetiske automatiske luftkamera var AFA-13, designet af VOOMP Design Bureau i 1934 [4] . Yderligere udvikling af udstyr af denne type er forbundet med udviklingen af vidvinkel ortoskopiske linser , som gør det muligt at opnå billeder af store områder i en ramme uden forvrængning. En betydelig succes for den sovjetiske optiske industri var udviklingen i 1935 af ingeniør Mikhail Rusinov af Liar-6 linsen [14] . Ved en brændvidde på 100 mm dækkede dette objektiv en 13×18 cm ramme, hvilket gav et synsfelt på 104° [15] . Den tyske analog "Topogon", der blev oprettet snart, havde et lavere blændeforhold og uacceptabelt stor forvrængning. I design af luftkameraer vises enheder, der fikser elementerne i ekstern orientering: radiohøjdemålere , statoskoper , gyrostabilisatorer og andre. Automatisk eksponeringskontrol er ved at blive indført . I begyndelsen af 1950'erne havde luftkameraer udviklet sig til en specialiseret luftfartsenhed med en høj grad af automatisering.
Den hurtige udvikling af digital fotografering i begyndelsen af det 20. og 21. århundrede forudbestemte fremkomsten af et digitalt luftkamera. Den største hindring for at erstatte luftfilm med en fotoelektrisk konverter var det lille format af tilgængelige CCD-matricer , som ikke oversteg 86 × 49 millimeter i de første digitale kameraer [16] . En opløsning , der kan sammenlignes med konventionelle luftkameraer , blev opnået i 2000 af Leica Geosystems og Intergraph ved at kombinere fire digitale kameraer med sådanne sensorer på hver 28 megapixel og efterfølgende behandling af de resulterende filer på en computer [17] . Yderligere udvikling af digitale luftkameraer går i retning af at reducere størrelsen af den elementære pixel og ikke øge arealet af matrixen. Den anden generation af Z/I Imaging DMC II-antennekameraer indeholder således 4 digitale kameraer med små sensorer og et 250-megapixel kamera med en matrixstørrelse på 90 × 84 mm i ét hus . I dette tilfælde overstiger fotodiodernes diagonal ikke 5,6 mikron [16] . En anden udviklingsretning er at bruge et CCD-array i stedet for en rammefotomatrix ifølge princippet om et spalteluftkamera [17] [18] . Ud over hastigheden til at opnå resultater er en af de vigtigste fordele ved digitale luftkameraer det lave niveau af geometrisk forvrængning af terrænbilledet. Det opnås på grund af den høje præcision af fotomatrix-fremstilling og muligheden for softwarekorrektion af linseforvrængninger [19] .
I de senere år har billig luftfotograferingsteknologi fra ubemandede luftfartøjer vundet frem [20] . På grund af det lille loft af droner er der kun mulighed for optagelse af små områder i stor skala, hvortil der i stedet for specialiserede digitale luftkameraer kan bruges universaludstyr, herunder digitale spejlreflekskameraer og spejlløse kameraer [21] [22 ] . På trods af fordelene ved digitale metoder bliver analoge luftkameraer fortsat brugt, og de deltager i hybridteknologi ved opmåling fra store højder. I dette tilfælde dekrypteres ikke et filmnegativ, men en digital fil opnået ved at scanne luftfilm på en fotogrammetrisk scanner. Den resulterende opløsning på 180 megapixel overstiger den samme parameter for de fleste serielle digitale antennekameraer, normalt ikke over 40 megapixel [17] .
Den væsentligste forskel fra alle andre typer fotografisk udstyr er behovet for at sikre høj nøjagtighed af målinger på jorden ved dechifrering af billeder, hvilket kræver minimal geometrisk forvrængning af billedet [23] . Dette opnås ved omhyggelig justering af luftfilmen i rammevinduet , den høje ortoskopicitet af de anvendte linser og præcis orientering i forhold til jordens overflade. Data om tidspunktet, flyveparametrene og orienteringen på optagelsestidspunktet indprentes af de fleste luftkameraer på film eller optages i en digital billedfil . Nogle luftkameraer præger desuden en sensitometrisk kile [24] .
Moderne luftkameraer har ikke en søger , da de ikke er egnede til håndholdt fotografering og er fastgjort til flyet ubevægeligt eller gennem stabiliserende platforme. Indramning udføres ved at ændre transportørens position ved hjælp af specielle flynavigationssystemer, intervalometre samt højde- og rullesensorer . Luftkameraer fjernstyres ved hjælp af kommandoenheder placeret i cockpittet og forbundet med luftfartsudstyr og satellitpositioneringssystemer . Luftkameraer er ofte udstyret med elektrisk varme, som forhindrer dug af ruder og frysning af mekanismer i stor højde.
De mest almindelige er personelle luftkameraer, der udfører areal- eller ruteundersøgelser af terrænet ved sekventielt at fotografere dets sektioner med overlappende tilstødende billeder [25] . I henhold til klassificeringen, der anvendes i konventionel fotografering, kan de fleste rammeantennekameraer klassificeres som storformat , og på grund af den store billedstørrelse er de udstyret med et filmjusteringssystem i rammevinduet (oftest ved hjælp af vakuum eller tryk mod glas ). ) [26] . Arealet af den eksponerede ramme er begrænset af den påførte ramme med referencemærker. I sovjetiske luftkameraer var det mest almindelige billedformat 18 × 18 centimeter, og i udenlandsk fremstillet udstyr er en ramme på 23 × 23 cm mere almindelig [27] . I øjeblikket bruges den sovjetiske standard ikke [17] .
Transport af luftfilm og spænding af lukkeren sker i de fleste tilfælde ved hjælp af et indbygget elektrisk drev . Et objektiv med fast brændvidde er fast fokuseret til "uendeligt", da optagelsen sker fra højder, der overstiger denne værdi for ethvert objektiv [24] [25] . Nogle gange, for at dække et stort område af jordens overflade, bruges multi-linse frame-kameraer, hvor hver linse fanger et separat område [1] . Digitale kaderkameraer bruger rektangulære CCD'er. I fuldformat digitalkameraer bruges én matrix, og i mellemformatkameraer sys det færdige billede sammen af en computer fra flere hentet fra små matricer gennem forskellige linser [18] . For at øge opløsningen bruges Bayer-filteret i de fleste tilfælde ikke, og hvis det er nødvendigt for at opnå et farve- eller spektral-zonebillede, udføres optagelsen af fire monokrome kameraer bag de tilsvarende filtre [28] .
Sådanne luftkameraer udfører ruteluftfotografering ikke billede for billede, men kontinuerligt i overensstemmelse med princippet om spaltefotografering . En fotografisk film bevæger sig med konstant hastighed forbi en spalte placeret i linsens brændplan . Når du installerer et opslidset luftkamera på en bærer, er denne spalte placeret vinkelret på flyveretningen [29] . Filmens bevægelse er synkroniseret med flyvningen på en sådan måde, at dens hastighed falder sammen med bevægelseshastigheden af det optiske billede [25] . Eksponeringen reguleres ikke af lukkeren, men af spaltens bredde. Det færdige billede er en kontinuerlig ramme på en filmrulle med et kontinuerligt billede af terrænet placeret langs hele ruten [30] . Teknologien tillader optagelser i lav højde (50–100 m) og høje flyvehastigheder (mere end 1000 km/t), hvilket er uopnåeligt for almindelige luftkameraer. Derudover er spaltekameraer mere velegnede til natoptagelser, fordi de selv ved langsomme lukkertider giver et usløret billede.
I digitale luftkameraer af lignende design (scanning) placeres en CCD lineal i stedet for en spalte, og billedet dannes i billedhukommelsen [17] . Til måleformål er luftfotos taget med spalteanordninger uegnede på grund af geometriske forvrængninger og forskellen i skalaer opnået i flyveretningen og vinkelret på den [31] . Digitale spaltekameraer gør det muligt at kompensere for forvrængninger ved at behandle de modtagne data med speciel software. Fordelen ved digitale scanningsenheder er evnen til at opnå farve- og spektrozonale billeder i høj opløsning. For at gøre dette er der i stedet for en installeret flere CCD-linjer (oftest 3 eller 4), placeret bag farveseparationssystemet . I cadre-digitale kameraer er et farvebillede med lav opløsning overlejret på et monokromt højopløsningsbillede, hvilket reducerer informationsindholdet i afkodningen. Luftkameraer med dobbeltspalte gør det muligt at optage i to forskellige skalaer på én gang eller skabe en tredimensionel terrænmodel på grund af den parallakse , der opnås, når flyet bevæger sig. I dette tilfælde fikserer den første spalte området før sin flyvning, og den anden - efter, fra en anden vinkel [19] .
De tjener til arealluftfotografering ved sekventiel fiksering af brede sektioner (panoramaer) af terrænet, praktisk talt fra horisont til horisont på tværs af ruten. Dette opnås i det enkleste tilfælde med multi-objektive frame-antennekameraer, bestående af et planlagt og flere perspektivkameraer placeret skråt [32] . Et specialiseret panoramakamera scanner området ved at dreje linsen rundt om knudepunktet sammen med eksponeringsspalten. I dette tilfælde er filmen stationær og justeret på overfladen af en cylinder eller kegle lavet af optisk glas, med en radius svarende til linsens brændvidde. Funktionsprincippet for sådanne luftkameraer svarer til konventionelle kameraer til panoramafotografering . Ved en konisk overflade opnås ikke et plan-panorama, men et perspektiv-panoramisk billede af området. I panoramaapparater med indirekte scanning er linsen stationær, og scanningen udføres af et roterende spejl eller prisme placeret foran det [33] . I dette tilfælde bevæger luftfilmen sig synkront med scanningssystemets bevægelse [34] . Panoramisk luftfotografering er også uegnet til nøjagtige målinger på grund af geometriske forvrængninger og bruges til specielle formål.
Luftlinser er opdelt i optik designet til topografiske eller panoramiske undersøgelser [35] . Deres optiske kvaliteter er underlagt de højeste krav, ofte gensidigt udelukkende. De skal have minimale geometriske forvrængninger ved store synsfeltsvinkler og høj lysstyrke. Samtidig skal opløsningen af sådanne linser være høj både i midten og i feltet for at sikre høj fortolkning af luftfilmen. Et yderligere krav er temperaturstabilitet, som forhindrer forringelse af billedkvaliteten, når objektivet afkøles i store højder. Verdens linsekonstruktion skylder meget af sine fremskridt til det storstilede arbejde med design af den nyeste aero-optik, der blev indsat i flere lande efter Første Verdenskrig.
Et væsentligt bidrag til dette blev ydet af den sovjetiske optiske industri, ledet af Statens Optiske Institut. Vavilov . I flere årtier er der blevet skabt optiske skemaer af vidvinkelanastigmater med høj blændeåbning, som er blevet en model for adskillige efterligninger og har åbnet nye perspektiver for andre udviklere. De mest berømte var følgende sovjetiske luftfotografiske linser [36] :
Ud over sovjetiske linser har udenlandsk optik, såsom Aeroektar og Geogon (USA), Aviogon (Schweiz) og Pleogon (Tyskland), høje optiske kvaliteter. For at lette fortolkningen af antennenegativer og reducere effekten af atmosfærisk uklarhed på kontrasten sørger de fleste antennekameraer for placering af forskellige lysfiltre foran objektivet . Afhængig af højden, hvorfra der udføres luftfotografering, vælges filtre, der til en vis grad afskærer den kortbølgelængde del af spektret, som er udsat for den største spredning i atmosfæren [37] . Lysfiltre bruges også, når der optages i usynlige stråler, der kun passerer den nyttige del af lysstrålingen.
I USSR blev produktionen af de første luftkameraer lanceret på Moskva Geodesy-anlægget, som blev evakueret ud over Ural i krigsårene. I fremtiden blev Kazan optisk-mekaniske anlæg "KOMZ" hovedproducenten . Ud over Sovjetunionen blev der produceret luftkameraer i andre lande med en udviklet optisk og mekanisk industri: USA , Storbritannien , Italien , Frankrig , Tyskland og Japan [27] . Det mest berømte udstyr fra det amerikanske firma Fairchild Aerial Camera, tyske Carl Zeiss og franske SFOM
Moderne digitalt luftfotoudstyr er produceret af Hexagon AB (resultatet af fusionen af Leica Geosystems og Z/I Imaging, Sverige ), IGI mbH ( Tyskland ), Visionmap ( Israel ), Optech og Applanix ( Canada ), Vexcel Imaging ( Østrig ) ) og andre [38] . I 2004 blev produktionen af et digitalt scanningsluftkamera "3-DAS-1" lanceret på det ukrainske NPP "Geosystem" [39] .