Фотографические методы съемки и съемочные платформы в дистанционном зондировании. Часть 1

4. Методы съемки и съемочные платформы в дистанционном зондировании

4.1. Фотографические методы

(Многозональная фотография, «Скайлэб»: камеры S 190A и S 190В, «Спейслэб»: Метрическая камера.)

Приведенные в предыдущих главах результаты исследований показывают, что спектральные характеристики горных пород, почв, растительности и вод зависят от длины волны падающего на них излучения, что определенные материалы и среды в специфических, часто типичных частях спектра сильно отражают или поглощают падающий на них поток энергии и что различия спектров отражения и поглощения разных материалов или одинаковых материалов, но в разном состоянии (например, сухом, влажном и т. п.) наиболее четко выражаются в определенных частях спектра. Поэтому в этих зонах от различных материалов и сред получаются такие сигналы, которые можно использовать в дистанционном зондировании для дешифрирования, т. е. разделения и оконтуривания образов на аэрокосмических изображениях, и в наиболее благоприятных случаях для распознавания (не только образов, но и самих материалов). Очень важно, чтобы съемка местности (на которой осуществляются, например, картирование или другие исследования) проводилась в тех спектральных диапазонах, в которых характеристики спектрального отражения и поглощения оптического излучения представляющих интерес горных пород, почв, видов растительности и вод имеют максимальные различия.
Панхроматические аэрофотофильмы (черно-белые, отснятые через желтый или оранжевый фильтр), полученные при стандартных аэрофотосъемочных полетах, фиксируют отраженный от объектов на местности световой поток в относительно широком диапазоне (примерно от 0,5 до 0,9 мкм). Применение к объективу аппарата светофильтров других цветов позволяет добиться того, что на пленку будет попадать световой поток только определенного, строго ограниченного интервала длин волн. Таким способом можно увеличить контрастность оттенков серого тона между различными образами объектов ландшафта и тем самым усилить их дешифрируемость или различимость. Какие интервалы длин волн особенно подходят для контрастного представления определенных объектов ландшафта или состояний ландшафта, зависит от характера спектрального отражения материалов, которые как в районе съемок, так и на его аэрокосмических изображениях находятся рядом друг с другом. Это хорошо иллюстрируется примером многозональных фотографий шести штуфов пород разного типа (рис. 53). Для того чтобы копии снимков штуфов имели одинаковую яркость и степень ослабления фильтром, репродуцирование их проводилось вместе с оптическим клином. Нижняя половина оптического серого клина смонтирована с репродукционной шкалой цветов и поясняет их изменения в каждой из полученных спектральных зон.
Информативность снимков явно неодинакова. Первая группа фотографий (рис. 53, а) показывает, как выглядят отдельные типы пород, если их снять на черно-белую панхроматическую пленку без фильтра. Несмотря на известные различия пород по текстуре и цвету, например между темно-серой грауваккой и красно-коричневым биотитовым порфиритом и между красноватым, мясо-красным гранит-порфиром и матовым бледно-зеленым пропилитом, их едва можно отличить друг от друга, так как они оказались одинаковыми или очень похожими по серым фототонам. Интенсивность фототона пантеллерита – одной из разновидностей лав (матовая оливково-зеленая) – почти соответствует интенсивности тона гранит-порфира и пропилита. Только кварцевый порфир (светлый травяно-зеленый) выделяется среди остальных пород на снимках очень светлым тоном. Итак, несмотря на очень разный цвет самих штуфов пяти типов пород, интенсивность их фототона на снимках почти одинакова. Относительное соотношение фототонов на снимках шести типов пород изменяется с применением сменных светофильтров: голубого, зеленого, красного и желтого – и заменой пленки на узкозональную черно-белую инфракрасную (с подстановкой красного светофильтра). Возможно повышение контрастов. Так, объекты, собственный цвет которых совпадает с цветом светофильтра, воспроизводятся более светлыми, чем другие. Дополнительные цвета будут сильно погашены. Например, выделятся лучше других гранит-порфир и пропилит (рис. 53, г, е), причем лучше, чем на снимках остальных групп (рис. 53). Останутся одинаковыми только граувакка и биотито-вый порфирит. Контраст между гранит-порфиром и кварцевым порфиром лучше всего выражен только в одной группе (рис. 53, б). Наоборот, пантеллерит и биотитовый порфирит, почти идентичные на одной из серий фотографий (рис. 53, е), ясно различаются на двух других (рис. 53, в и д).

Рис. 53. Воспроизведение различных пород на фотоснимках, сделанных при различной комбинации фильтр/пленка, а – панхроматическая пленка, без фильтра; б – панхроматическая пленка, с голубым светофильтром; в – панхроматическая пленка, с зеленым светофильтром; г – та же пленка, с красным светофильтром; д – та же пленка, с желтым светофильтром; е – инфракрасная пленка, с красным светофильтром [95].

На этом примере становится ясным, что съемка в выбранном, строго ограниченном спектральном диапазоне улучшает контрасты фототона, более информативна и скорее может дать зависящие от материала спектральные характеристики, чем фотографирование на панхроматическую пленку без фильтра. Чтобы лучше уловить спектральную специфику объектов ландшафта и использовать ее при дешифрировании, были разработаны методы многозональной фотосъемки.
В приведенном выше примере рассматривалась такая модель съемки, когда четыре фотокамеры синхронно снимают одни и те же объекты ландшафта. Отдельно подобранные для каждой камеры комбинации светофильтра с пленкой позволяют регистрировать отраженный от объектов световой поток в строго ограниченных зонах спектра. Чаще всего использовались такие комбинации светофильтров с пленкой, которые позволяли регистрировать фотокамерой свет только в голубой, зеленой, красной или инфракрасной зоне на черно-белую пленку в фотокамере. В этом случае каждый из снимков можно было рассматривать в качестве модели для дешифрирования узкозональных аэрофотоснимков местности. Возможны и другие комбинации светофильтров с черно-белой, цветной и цветной инфракрасной пленками.
В другом эксперименте использовалась для съемки местности одна фотокамера с четырьмя объективами и со светофильтрами разного цвета на каждом из них (рис. 54). Для диапазона 0,44-0,925 мкм был выбран и поставлен светофильтр № 40, который пропускает на пленку световой поток в узкой, строго ограниченной части спектра. Таким образом, получились четыре узкозональных снимка одной местности.
Многозональной фотокамерой МКФ-6, используемой при съемках с космических кораблей «Союз» и изготовленной в ГДР на предприятии «Карл Цейс, Йена», можно получить шесть синхронных снимков в разных спектральных зонах (рис. 55.). В ней смонтированы шесть объективов с узкозональными светофильтрами для диапазона 0,48-0,840 мкм и шесть кассет для пленки. Формат негатива 55х81 мм. Фильтры подобраны с таким расчетом, чтобы диапазоны проходящего светового потока не перекрывались. Шесть фильтров с разной светосилой, установленные на шести объективах камеры МКФ-6, обусловливают ее разное спектральное разрешение (или спектральную чувствительность) в этих выбранных зонах спектра, что иллюстрирует график (рис. 56) спектрального разрешения негатива на цветной (каналы 1-4) однотипной пленке и на цветной инфракрасной пленке (каналы 5, 6).

Рис. 54. Мультиспектральная камера, модель 10 (Prospekt Spektral Data).

Рис. 55. Многозональная камера МКФ-6 для съемок в шести спектральных диапазонах. (Werkphoto Jenoptik, Jena GmbH.)

Рис. 56. Спектральная чувствительность (Е) камеры МКФ-6 при зарядке цветной и цветной ИК-пленкой и светопроницаемость (F) при установке стандартных цветных фильтров камеры [32]: а – аэрофотосъемочная цветная пленка: G – желтый, М – бледно-красный, Z – васильково-голубой; б – аэрофотосъемочная ИК-цветная пленка; в – кривая светофильтров, МКФ-6М.

Для дешифрирования многозональных аэрокосмических снимков существуют различные проекторы, комбинирующие цвета, – так называемые мультиспектральные проекторы. Они предназначены для того, чтобы из трех (или четырех) узкозональных изображений одного объекта, снятых какой-либо многозональной фотокамерой и фотохимически обработанных до прозрачного диапозитива (или негатива), получить нормальное цветное или условно-цветное (или спектрозональное) изображение, в том числе и цветное ИК-изображение объекта, подбором соответствующих комбинаций светофильтров прибора. Например, на предприятии «Карл Цейс, Йена», создан мультиспектральный проектор MSP-4 (рис. 57) для визуальной обработки черно-белых зональных снимков, сделанных камерой МКФ-6. На нем можно установить до четырех дубль-диапозитивных (дубль-негативных или прозрачных позитивных) кадров и получить (с высоким геометрическим разрешением и небольшой ошибкой перекрытия) адекватное цветное или условно-цветное изображение местности в разных вариантах. Относительно малые черно-белые контрасты исходных кадров на нем можно превратить в значительное различие цветов – так называемый перепад цветов условно-цветного изображения.

Рис. 57. Мультиспектральный проектор MSP 4C для воспроизведения условно-цветных изображений. (Werkphoto Jenoptik, Jena GmbH.)

Большие возможности комбинирования контрастов в проецируемом на экран изображении или комбинаций цветов, т. е. изменения информативности получаемого изображения, могут оказаться полезным средством для проведения тематического дешифрирования (например, для геологического картирования) материалов аэрокосмической съемки.
В качестве примера рассмотрим многозональные аэрофотоснимки (рис. 58). Эти три снимка одной и той же местности были сделаны во время специальных аэрофотосъемочных залетов, проведенных фирмой «Ганза-Люфтбильд, Мюнстер». Съемка осуществлялась на инфракрасную аэрофотопленку камерой «Цейс» (многозональная камера с фокусным расстоянием 8/2480 mm – MUK 8/24) с фильтрами: желто-оранжевым (0,55-0,62 мкм), темно-красным (0,61-0,722 мкм) и инфракрасным (0,7-0,92 мкм); масштаб снимков 1:7000. Сопоставлялись образы определенных объектов ландшафта (поля, кустарники, водоемы) по ряду из трех узкозональных снимков так, чтобы можно было узнать, каковы оптическая яркость фотообразов и их контрастность для разных объектов ландшафта. Соответственно характеристики объектов, зависящие от их состава, изменялись от снимка к снимку при общем увеличении контрастности изображения на инфракрасных снимках (правый в ряду снимков). Наибольшая выраженность контрастов (светлого и темного серого) проявилась: между водой и землей; между площадями, заросшими разными кустарниками; между сухой и сырой почвами.

Рис. 58. Пример многозональных снимков. Мультиспектральная камера MUK 8/24; съемки – «Ганза-Люфтбильд, Мюнстер». Пленка – «Кодак ИК», фильтры – желто-оранжевый (550-620 нм), темно-красный (0,61-0,722 мкм) и ИК (700-920 нм). Примерный масштаб снимков 1:7000. (Freig. Reg. Pras., Munster 3892/72.)