Аэрофотосъемка или воздушное фотографирование является одним из основных методов исследования и изучения земной поверхности и атмосферы. Помимо получения красивых и интересных фотографий с воздуха, аэросъемка дает наиболее объективную информацию о различных объектах на поверхности земли и характере рельефа местности. Эти фотоматериалы затем широко используются в самых разных областях народного хозяйства, науки и техники. Аэрофотосъемка выполняется с движущихся воздухоплавательных и летательных аппаратов через слой атмосферы. Особое направление – это космическая фотосъемка, производящаяся со значительных высот.
Естественно, что для осуществления фотографирования с воздуха требуется специальная фотоаппаратура, способная делать качественные снимки в сложных, постоянно изменяющихся условиях полета. Такая аппаратура зачастую относится к категории секретной или стратегической, поэтому информация об истории развития и классификации фотоаппаратов для аэросъемки подчас окутана настоящей тайной. Тем не менее, о многих фотокамерах, предназначенных для воздушного фотографирования и активно использовавшихся, нам хорошо известно.
Аэрофотосъемка. Основные особенности
Но прежде чем говорить о конкретных моделях аэрофотоаппаратов, следует сказать несколько слов о самом воздушном фотографировании. На самом деле аэрофотосъемка появилась еще задолго до создания самолетов – в эпоху аэростатов и воздушных шаров. В 1855 году фотограф Надар сделал фотоснимок Парижа с воздушного шара, находившегося на высоте 200 метров. В австрийской армии в 1900 – 1906 гг. производились успешные опыты фотографирования с воздушного шара и дирижабля.
Что касается нашей страны, то еще в 1885 году была сформирована воздухоплавательная команда во главе с поручиком А. М. Кованько, а спустя два года и учебный воздухоплавательный парк, где офицеры обучались аэронавтике и фотографированию с воздуха. В 1886 году все тот же М. Кованьков небе над Санкт-Петербургом провел первую опытную воздушную съемку, которая и послужила началом развития аэрофотосъемки в нашей стране.
Если в начале своего развития воздушное фотографирование в основном применялось исключительно в военных и оборонных целях, то позже аэросъемка стала использоваться в картографических целях, для изучения рельефа земной поверхности и отдельных объектов. Например, именно благодаря аэрофотосъемке советские ученые смогли впервые изучить район падения знаменитого тунгусского метеорита, добраться до которого мешали непроходимая тайга и болота.
Процесс современной фотосъемки сводится к следующему. Специально сконструированная фотокамера устанавливается на самолет или другой летательный аппарат (может быть установлено сразу несколько камер). Через определенные промежутки времени камера фиксирует изображение местности, над которой пролетает самолет. Обычно съемка производится с высоты 2 – 5 километров, но иногда и с больших высот или даже с околоземного космического пространства.
Во время аэрофотосъемки летательный аппарат движется над снимаемой территорией по определенным, заранее заданным маршрутам. Причем интервалы между маршрутами рассчитываются таким образом, чтобы на фотографиях получилось взаимное перекрытие до 60% территории. С таким же перекрытием территории рассчитываются снимки и в пределах одного маршрута.
То есть, засняв какой-либо требуемый маршрут, самолет разворачивается и летит в обратном направлении параллельно первому маршруту, с сохранением по возможности прежней высоты полета. И аэроснимки второго маршрута должны будут частично перекрываться с первым. Фотографические изображения, снятые с воздуха, впоследствии внимательно изучаются специалистами для различных целей, например, составления или корректировки топографических карт.
Аэрофотосъемка может быть плановой, перспективной или планово-перспективной. При плановой съемке с воздуха заданный угол отклонения оптической оси от вертикали равен нулю градусов, а случайные его колебания могут составлять не более двух – трех градусов. По сути, это строго вертикальная съемка с воздуха. Перспективное или наклонное фотографирование – это съемка при направлении оптической оси под каким-либо углом отклонения от вертикали. Наконец, планово-перспективная съемка представляет собой фотографирование с одновременным применением обоих вышеупомянутых методов съемки.
Воздушное фотографирование имеет свои особенности, которые и предъявляют серьезные требования к фотоаппаратуре. Во-первых, съемка с воздуха производится с нежесткого основания, вследствие чего камера и оптика подвергаются воздействию непрерывных аэродинамических возмущений и вибраций.
Во-вторых, на параметры фотографической системы влияют изменяющиеся условия полета, в частности, температура воздуха и давление, что, в свою очередь, может приводить к искажениям фотоизображения. В-третьих, малые размеры снимаемых объектов требуют повышенной разрешающей способности фотоаппарата. Масштабы фотографирования при съемке воздуха могут составлять от 1:10 000 и более.
В-четвертых, между фотоаппаратом и объектом съемки всегда располагается слой атмосферы, который обладает свойством рассеивать свет с ярко выраженной спектральной избирательностью. Наконец, освещенность и контраст объектов фотографирования при съемке с воздуха могут изменяться в довольно широком диапазоне, что предъявляет повышенные требования к характеристикам оптической системе камеры. Кроме того, особенностью съемки с воздуха является постоянство фокусировки и независимость ее от высоты фотографирования, ведь здесь оптическая система аэрофотоаппарата будет всегда настроена на бесконечность.
Вследствие этих особенностей воздушной съемки инженерам приходилось работать над созданием такой фотоаппаратуры, которая бы полностью соответствовала целому набору жестких требований. Фотоаппарат для аэросъемки должен был иметь очень прочную, надежную конструкцию, минимальные вес и габариты, обладать безотказностью в условиях полета и низких температур. Кроме того, фотокамеры для аэросъемки должны обеспечивать резкость и высокое качество изображения, возможность получения снимков через короткие промежутки времени.
Особенные требования предъявлялись к оптической системе фотоаппарата, в которой все аберрации должны были быть сведены к минимуму. Конструкция камеры для воздушного фотографирования разрабатывалась таким образом, чтобы она могла передавать детализированное изображение с геометрической точностью и правильной передачей яркостей и контраста снимаемого ландшафта.
Камеры для воздушного фотографирования
Одним из первых фотоаппаратов для аэросъемки в России была камера конструкции Ф. В. Дробышева «АД-1», разработанная еще в начале 30-х годов. Эта камера представляла собой фотоустановку, в которой оптические оси восьми боковых камер составляли с оптической осью центральной камеры углы в сорок пять градусов. Благодаря применению объектива с фокусом в 135 мм общий угол захвата фотоаппаратом «АД-1» по длине и по ширине маршрута достигал около 136 градусов.
После развертывания отснятых перспективных фотоизображений в проекцию планового общий снимок одной экспозиции приобретал форму восьмиугольника со сторонами вписанного в него квадрата, равными 50 сантиметров. Примечательно, что общий вес этой фотоустановки составлял 55 килограммов, а перемотка пленки и приведение в действие центральных затворов осуществлялись фотографом вручную посредством двух специальных штурвалов.
Пожалуй, одно из самых известных семейств аэрофотоаппаратов не только в нашей стране, но и во всем мире, – это камеры «АФА». Начало знаменитой линейки фотоаппаратов для воздушного фотографирования было положено в 1933 году, когда под руководством конструктора П.Ф. Полякова был разработан первый советский автоматический аэрофотоаппарат «АФА-13». Камера оснащалась 300 мм объективом «Индустар-13», который был снабжен ручным приводом для возможности производить полуавтоматическую съемку. В конструкции фотоаппарата предусматривался междулинзовый затвор типа жалюзи с выдержками 1/75 – 1/200 сек., приводившийся в действие низковольтным электромотором.
Интересной особенностью фотоаппарата «АФА-13» являлось то, что пленка в фильмовом канале выравнивалась посредством создания вакуума специальным отссасывающим устройством. На каждом отнятом кадре отмечался его порядковый номер и координатные метки. В середине 30-х годов этот фотоаппарат был доработан и появилась модель «МАФА-13», в которой затвор типа жалюзи заменили центральным двух лепестковым затвором плоской формы. Кроме того, был заменен объектив на 100 мм широкоугольную оптику «Руссар-1» с углом охвата в 104 градуса.
В конце 30-х годов в Советском Союзе для целей аэрофотосъемки начали серийно производиться фотоаппараты «AФА-33» . Изначально они имели объективы с фокусными расстояниями 200 мм. Но, уже в ходе боевых действий во время Великой Отечественной войны их переоснастили длиннофокусными объективами для возможности получения фотоснимков контроля бомбометания с высоты 8000 – 8500 метров.
Камеры специального назначения «АФА-33» были приняты на вооружение советской армией и в дальнейшем успешно применялись на самых разных летательных аппаратах – от фронтового бомбардировщика Су-10 до самолета-разведчика Ил-28Р. Камеры весом около 80 – 100 килограмм могли монтироваться как на неподвижной установке в самолете, так и на специальных качающихся установках.
Как уже отмечалось, на первых порах аэрофотоаппараты преимущественно применялись для военных целей и, в частности, целей разведки. Поэтому появилась необходимость в создании специальных фотокамер, способных фотографировать военные объекты, маршруты и районы боевых действий с самолетов разведывательной или бомбардировочной авиации в ночное время суток. В результате, были созданы уникальные аэрофотоаппараты для ночной съемки «НАФА», которые являлись модификацией некоторых моделей семейства «АФА».
В частности, уже в 1937 году заводом «Геодезия» были разработаны первые образцы ночного фотоаппарата для воздушного фотографирования «НАФА-19». Как работала эта камера при съемке с воздуха в ночное время? Основной принцип действия заключался в автоматическом срабатывании камеры от светового импульса, создаваемого фотобомбой при освещении ею фотографируемой местности. Затвор фотоаппарата «НАФА-19» срабатывал по сигналу особого фотоэлемента, размещавшегося в задней части самолета и фиксировавшего вспышку осветительной бомбы ФОТАБ.
При осуществлении ночной съемки с воздуха на летательный аппарат могли подвешивать до 6 – 8 таких фотобомб. Полуавтоматический фотоаппарат «НАФА-19» мог использоваться для ночного фотографирования местности и фотоконтроля боевых действий с высоты 2500 – 3000 метров.
В последующем развитии семейства фотоаппаратов «АФА» можно отметить немало уникальных моделей. Например, камеры «АФА-39» могли осуществлять воздушное фотографирование местности в дневное время при скорости летательного аппарата от 500 до 1500 км/ч. Они оснащались шторным затвором, способным работать на выдержках вплоть до 1/1820 секунд, что обеспечивало очень короткие интервалы между фотографированием.
Кроме того, фотоаппараты «АФА-39» отличались прочной и надежной конструкцией, благодаря чему могли сохранять свою работоспособность в температурном диапазоне +60 до -60°С и при относительной влажности воздуха до 98%. Управлялась камера дистанционно с помощью командного прибора. Камеры «АФА-39» использовались на истребителях и фронтовых разведчиках.
В картографических целях требовалось создание аэрофотоаппаратов, способных снимать с высот до 20 километров. Поэтому в камерах «АФА-41» были использованы сложные конструктивные решения: объективный блок с выравнивающим стеклом и затвором, мерный механизм с двойной фрикционной муфтой на подающей катушке, а также раздельные приводы корпуса и кассеты с фотопленкой.
Объективный блок был помещен во внешний корпус фотоустановки. Фокусировка выполнялась независимо от камерной части, вследствие чего каждый объективный блок был взаимозаменяем для любой камеры соответствующей модификации. В межлинзовом пространстве объектива были установлены диафрагма и центральный затвор, который обеспечивал диапазон выдержек от 1/70 до 1/700 с.
Конструкцией фотоаппарата «АФА-41» была предусмотрена регистрация показаний часов, уровня и счетчика снимков каждого пятого кадра. Управление спуском затвора осуществлялось дистанционно с командного прибора, который позволял установить режим работы фотоаппарата в интервале от 3 до 90 секунд. Фотоаппараты «АФА-41» применялись, в частности, для фотографирования местности с аэрофотосъемщика Ан-30 и летающей лаборатории Як-40 РЭО.
Для выполнения плановой аэросъемки в топографических целях в СССР активно использовались фотокамеры семейства «АФА-ТЭС». К этой серии, в частности, относятся аппараты «АФА-ТЭСА-7» и «АФА-ТЭСА-10», главной особенностью которых была возможность получения качественных снимков за счет повышенной разрешающей способности и постоянства интегральной плотности аэронегативов, которое достигалось путем автоматического регулирования выдержки и переключения диафрагмы.
Комплект таких фотоаппаратов состоял из самой камеры, кассеты с пленкой, пульта управления, блока управления затвором и специального фотоблока. Камера «ТЭСА-7» снабжалась объективом «Руссар-80» с углом зрения в 120 градусов, а модель «ТЭСА-10» – объективом «Руссар-71» с углом поля зрения в 103 градуса. Выдержка затвора достигала 1/700 сек. Конструкция камер предполагала возможность автоматической и ручной установки выдержки.
Среди наиболее интересных отечественных фотоаппаратов для аэросъемки нельзя не отметить и многозональную камеру «МКФ-6», которая являлась совместной разработкой инженеров из Советского Союза и ГДР. Эта камера изготавливалась на немецком предприятии «Карл Цейс». Модель МКФ-6» представляла собой фотоустановку из шести отдельных аппаратов с форматом кадра 55х81 мм.
Конструкцией фотоаппарата предусматривалась высокая синхронизация работы затворов и наличие специального устройства для компенсации сдвига изображения. Съемка осуществлялась в четырех зонах видимой части спектра шириной по 40 нм и двух ближних инфракрасных зонах шириной около 100 нм. Готовые снимки получались с отличными геометрическими и фотометрическими свойствами. Правда, из-за относительно малого формата кадра с высоты 280 километров при масштабе съемки порядка 1:2 000 000 обеспечивался сравнительно небольшой охват.
Камеры для космической съемки
Продолжением развития вышеупомянутой фотокамеры «МКФ-6» стал фотоаппарат «МКФ-6М», который предназначался уже не для простого фотографирования с воздуха, а для целей космической фотосъемки. Этот модифицированный вариант камеры «МКФ-6» работал практически в непрерывном режиме на космических станциях «Салют-6» и «Салют-7». «МКФ-6М» позволял получать фотоснимки, пригодные для всех типов прецизионной обработки изображений, включая возможность фотометрического и фотограмметрического анализа с использованием цифровых и оптико-электронных способов обработки данных.
Различия в величине эффективных фокусных расстояний объективов одного аппарата «МКФ-6М» не превышало ±5 мкм. Для визуальной обработки многозональных черно-белых снимков, снятых на эту камеру, применялся специальный многозональный проектор МСП-4, который имел четыре независимых друг от друга оптических канала. Через отклоняющееся зеркало можно было получить увеличенное в пять раз отображение четырех плоскостей фотопленок на наклонный проекционный экран форматом 350 х 455 мм.
Космическая съемка вообще является отдельным и очень интересным направлением в развитии фототехники. Среди наиболее удачных моделей фотоаппаратов, использовавшихся в космосе, можно выделить камеру «КАТЭ-140», которая была установлена на пилотируемой орбитальной станции «Салют-4». Фотоаппарат состоял из следующих блоков: камерная часть с широкоугольным 140 мм объективом «Руссар-43», светофильтром и центральным апертурным затвором, кассета с устройством для перемотки фотопленки и пульт управления, с помощью которого осуществлялось ручное и автоматическое управление фотоаппаратом.
Также в конструкции аппарата имелась специальная вакуум-помпа, основное предназначение которой заключалось в осуществлении прижима и выравнивания пленки в момент экспонирования. Ключевая особенность камеры « КАТЭ-140» -применение минимального числа механических кинематических устройств. Отдельные блоки фотоаппарата (камерная часть, кассета, пульт управления) не были связаны друг с другом кинематически и даже имели независимые приводы.
В « КАТЭ-140» использовалась превосходная широкоугольная оптика, которая обеспечивала полосу захвата в 450 километров с высоты 350 километров. При этом на каждом снимке регистрировалось изображение земной поверхности площадью более 200 000 квадратных километров. Помимо пилотируемой орбитальной станции «Салют-4», широкоформатная камера « КАТЭ-140» успешно применялась на станциях «Салют-5», «Салют-6», «Салют-7» и космической станции «Мир».
На аппаратах «Зонд-6» и «Зонд-7», запущенных по программе облета Луны, был установлен среднеформатный зеркальный фотоаппарат «Киев-C». Его основными особенностями являлись: шторный затвор, дистанционный спуск и электропривод для вывода затвора и транспортировки пленки. С помощью этого фотоаппарата были получены панорамные черно-белые и цветные фотографии лунной поверхности, и в том числе снимки обратной стороны Луны.
В 1974 году была разработан среднеформатный зеркальный фотоаппарат «ФК-6» со шторным затвором и форматом кадра 6 х 6 см. Корпус фотокамеры отличался повышенной пожаробезопасностью для возможности работы на борту космического корабля в атмосфере с повышенным содержанием кислорода. Аппарат «ФК-6» использовался на советском двухместном пилотируемом космическом корабле «Союз-19», в задачи которого входила стыковка с американским космическим кораблем «Аполлон».
С момента появления аэрофотосъемки, еще во второй половине XIX столетия, было создано немало необычных и уникальных фотоаппаратов, способных осуществлять фотографирование поверхности и атмосферы со значительных высот. В наши дни аэрофотосъемка применяется уже не только для военных или топографических целей, но и для получения великолепных панорамных изображений с поистине редкими и завораживающими кадрами.
Источник: Фотокомок.ру – тесты и обзоры фотоаппаратов (при цитировании или копировании активная ссылка обязательна)
