Ugrás a tartalomhoz

Fotogrammetria 5., Az információszerzés eszközei

Dr. Engler Péter (2010)

Nyugat-magyarországi Egyetem

5.3 Légi mérőkamerák

5.3 Légi mérőkamerák

A légi fényképezésben az elsődleges cél, hogy olyan felvételeket készítsünk, amelyek a vizsgált területet teljes egészében lefedik, a képek előírt mértékben átfedik egymást. Ilyen feladat végrehajtása mozgó repülőről történő fényképezéskor csak magas szintű automatizálással lehetséges. A légi fényképező mérőkamerák sorozatfelvételek készítésére alkalmas eszközök. A légi fényképező kamerák a repülőgép törzsében, közelítőleg a súlypontjában, a padlóban vágott nyílásba vannak beépítve.

5.3.1 A légifényképező kamerákkal szemben támasztott követelmények

A légi kamerákkal szemben nagyon sok követelményt támasztunk. Először a külső tájékozás követelményei t foglaljuk össze:

  • A lefelé néző kameratengely iránya talpcsavarok segítségével állítható legyen. Ekkor az ω és ϕ értéke 5o alatt tartható. A korszerű kamerák beállítása két nagy pontosságú giroszkóppal automatikusan történik.

  • Egy olyan eszközzel kell rendelkeznie, amellyel az oldalgást észlelni tudjuk, és a kamerát a tényleges repülési irányba állíthatjuk (χ ≤ 3o). Ehhez a kamerát a függőleges tengely körül egy gyűrű alakú felfüggesztésben el kell tudnunk forgatni.

  • A repülés tengelyvonalára rá kell repülni és azt tartani mind vízszintes, mind magassági értelemben. A fényképező repüléshez tehát jó navigációs eszközök is szükségesek.

  • A tervezett soron belüli átfedést az egymást követő képek között tartani kell. Ehhez egy átfedésszabályozó szükséges.

  • A repülő személyzetnek (pilóta, navigátor, fényképész) együtt kell dolgoznia, hogy a felvételek a repülési tervnek megfelelően készüljenek el. Fontos, hogy közöttük rádió összeköttetés legyen.

  • A repülőgép haladása a megvilágítási idő alatt képvándorlást okoz, amelyet a képnek a megvilágítási idő alatti elmozdításával kompenzálhatunk. A keretjelek leképződése ennek ellenére kielégítően élesnek kell lennie.

  • A rövid megvilágítási idők (1/150 – 1/1000 s) miatt feltétlenül szükséges nagy fényhatásfokkal rendelkező zár alkalmazása.

Amíg a földi kamerák esetében a külső tájékozási elemek könnyen meghatározhatók, ez a légi kameráknál természetesen - mint az előzőekből is látható - olyan egyszerűen nem lehetséges.

A belső tájékozás vonatkozásában a légi mérőkamerák a földi mérőkameráktól az alábbiak miatt különböznek:

  • Mindig egy rögzített kameraállandóval dolgozunk, amely még nagy nyílásszögű kamera esetén sem a végtelenre, hanem egy kb. 500 m-es tárgytávolságnak megfelelő értékre van beállítva.

  • A képek formátuma ma már szinte teljesen egységesen 23x23 cm. A nagy formátum igen jó területfedést biztosít.

  • A filmet nagy méretei miatt pneumatikusan síkba kell fektetni.

  • A keretjeleket meg kell világítani.

  • A belső adatok állandósága érdekében biztosítani kell, hogy a nagy hőmérsékletingadozástól védve legyenek (pl. a hideg levegő elterelése, esetleg egy padlónyílást záró üveglemez).

5.3.2 A légi kamerák felépítése

A sorozatfelvevő légi mérőkamerák felépítése hármas tagozódású [3.] (5-4. ábra):

  1. Kameratörzs (objektív toldat),

  2. Negatív tároló (filmkazetta),

  3. Kameratest

5-4. ábra Légifényképező kamera

5.3.2.1 A kameratörzs (objektívtoldat)

A kameratoldat magában foglalja a több lencsetagból álló objektívet, az objektív fényerejének szabályozására szolgáló rekeszt és a lencsetagok között elhelyezkedő központi zárat. Ugyancsak a kameratoldat része a felfekvő keret (a jelkeret síkja), amely lehetővé teszi, hogy megfelelő leszorítás esetén a negatív a képsíkba feküdjön. A felfekvő kereten találhatók a keretjelek. Az objektív cseréje esetén a kameratoldatot cseréljük, tehát a lencsék és a jelkeret viszonya gyakorlatilag nem változik. Ezzel biztosítani tudjuk a belső adatok állandóságát. Az objektív toldatok cserélhetők. A kameratoldat cseréjével különböző nyílásszögű felvételeket készíthetünk.

A kameratoldat anyaga tömör öntvény, az objektív felöl hengeres kiképzésű és az objektív ebbe a hengeres részbe van beépítve. A többnyire szimmetrikus lencsetagok között található központi zár a rekesszel együtt szabályozzák a lencsén áthaladó fény mennyiségét. A zársebesség beállításával szabályozzuk az expozíciós időt, míg a lemezekből álló rekesz a sugárnyaláb átmérőjét határozza meg.

A mérethelyesség megköveteli a felvételek megvilágításakor a központi zár alkalmazását, melynek eredményeképpen mind a belső adatok, mind a külső tájékozási elemek a kép egészére érvényesek. A központi zár tulajdonsága, hogy a teljes képmezőt gyakorlatilag azonos időben világítja meg. A földi kamerákban az egyszerű lemezes zárat, a légi kamerákban a forgólemezes zárat alkalmazzák. A forgó lemezes zár (5. ábra) lényege, hogy az egyes lemezek állandó, de különböző sebességgel forognak. A lemezeken lévő bemetszések csak az expozíció pillanatában és idejéig kerülnek az objektív elé. A lemezek fordulatszáma határozza meg az expozíciós időt. Az 5-5. ábra jobboldali rajza mutatja a zár nyitott állapotát.

5-5. ábra Forgólemezes zár

A zárszerkezettel szemben különböző követelményeket támasztunk:

  1. Kedvező legyen a hatásfoka.

  2. Működése rázkódásmentes legyen.

  3. Különböző hőmérsékleti viszonyok között is megbízhatóan működjön.

A zár hatásfoka az objektíven a megvilágítási idő alatt elméletileg lehetséges és a ténylegesen áthaladó fénymennyiségek viszonya. A megvilágítás első szakaszában, a nyitási fázisban az expozíciós idő bizonyos százaléka eltelik, míg a zárlemezek ténylegesen és teljes mértékben kinyílnak. Ugyanígy a zárásnál a lemezek takarási ideje alatt is eltelik bizonyos idő. A zárszerkezet hatásfoka (5-6. ábra) optimális, ha a vonalkázott felület a lehető legkisebb. Ezt azzal érhetjük el, ha a nyitás és a zárás nagy sebességgel és automatikusan történik

5-6. ábra A zárszerkezet hatásfoka [2.]

A fotogrammetriában használatos zárak hatásfoka eléri a 90 %-ot.

Az objektív fókuszsíkjában van a felfekvő keret. A légi fényképezésben egy képtávolságot használunk, amely a kameraállandóval azonos. A kameraállandó az objektív képfelőli főpontjának és a felfekvő keret felső síkjának távolságával azonos. A szabatosan sík kereten, az oldalak középpontjában képezik ki a mechanikai keretjeleket, míg az optikai keretjeleket a képsarkokba mikroszkóp segítségével vetítik be. Az újabb kameráknál az oldalak középpontjába is optikai keretjelet vetítenek be. Ezzel 8 keretjelre végezhető el a képkoordináta transzformáció, mely a filmtorzulások jobb hatásfokú kiegyenlítését segíti elő.

5.3.2.2 A negatív tároló (filmkazetta)

Korábban voltak olyan kamerák, amelyekkel üveglemezre készültek a felvételek, de ezeket a mai gyakorlatban már nem használjuk. Ebből adódóan a fényérzékeny anyagot tartalmazó negatív tárolót filmkazettának nevezzük. A filmkazetta tartalmazza az orsókat, a megvilágított és a megvilágítatlan filmmel, tovább a filmtovábbító és síkba fektető mechanizmust. Az újabb típusú kameráknál a síkbafektető lemez a kameratest tartozéka, s része a képvándorlás kompenzáló mechanizmusnak. A film síkba fektetése a mai kamerákban vákuummal történik. Egy szívóberendezés a film mögötti szabatos síkot képező szívólemezhez és a film között vákuumot hoz létre. Ez a megoldás biztosítja, hogy a felvétel közben a film tökéletesen síkban legyen, azaz film hullámosságából adódó filmbelógást kiküszöböli.

Egy kép elkészítése a következő műveletekből áll a filmkazettában:

  • a filmet a rendszer továbbítja,

  • a film megáll,

  • a filmet síkba fekteti,

  • egy leszorító lemez a síkba fektetett filmet leszorítja a felfekvő keretre.

A filmet tartalmazó kazetta leemelése előtt a film egy fényzáró redőnnyel fedhető le. Egy kazetta általában 60 m, vagy 120 m film befogadására alkalmas.

5.3.2.3 A kameratest

A kameratest kívülről mechanikusan csatlakozik a felfüggesztő berendezéshez, belülről pedig magában foglalja a meghajtó művet, valamint a különböző vezérlő és mérő egységeket, kapcsolókat.

A felfüggesztő berendezés rögzíti a kamerát a gép törzséhez. Annak érdekében, hogy a repülőgép rezgését a kamerák ne vegyék át, a rezgést rugók vagy „gumipogácsák” csillapítják. A lefelé néző kameratengely iránya talpcsavarok segítségével állítható. Ekkor a kameratengely dőlése 5o alatt marad. A korszerű kamerák beállítása giroszkóp segítségével történik, melyet a 5.3.3 fejezetben tárgyalunk. A felfüggesztő berendezés révén a kamera elforgatható, így a kép oldalát a repülési tengellyel párhuzamosan lehet tartani. Oldalszél hatására ugyanis a repülőgép hossztengelyének iránya és a repülési iránya eltér, melynek eredményeként a képek sarkosan fednék át egymást (5-7. ábra)

5-7. ábra Oldalgás [3.]

A kamera elfogatásával az oldalgás ellenére a képek újra megfelelően fedik át egymást.

A kameratest a kameratoldathoz hasonlóan egy öntvényből készül. A benne lévő meghajtó mechanizmus biztosítja a soron következő felvétel elkészítéséhez szükséges műveletek végrehajtását.

5.3.3 A légi kamerák kiegészítő berendezései

A légi kamerák kiegészítő, vagy segédberendezései a navigációt és a fényképezés vezérlését hivatottak biztosítani.

A WILD kamerákhoz csatlakoztatható kereső távcső ben (5-8. ábra) a kamera kezelője a terepet látszólag haladni látja [3.].

5-8. ábra Kereső távcsőben látható adatok (Wild)

A kereső távcső lehetővé teszi:

  • a kameraállandó ellenőrzését (1),

  • az egyes objektívtoldatok látószögének megfelelő keretvonalakkal a képterület ellenőrzését (2),

  • a keresztirányú átfedések ellenőrzését (3 – 20 %-os átfedés, 4 – 30 %-os átfedés),

  • egy szálkereszt (5) és a megvilágítás pillanatában felvillanó ellenőrző fény segítségével a célpont ellenőrzését,

  • a soron belüli 60 %-os átfedés ellenőrzését a bázisvégpontot jelölő vonallal (6),

  • egy bevetített libellával a vízszintessé tétel ellenőrzését (7),

  • a tervezett repülési irány ellenőrzését (8). Vizuális navigáció közben a repülési tengelyre eső tereppontoknak a középvonalon kell lenniük. A repülési tengelytől való eltérést és az oldalgási szöget a pilótával közölni kell.

  • a bázisirányú átfedés ellenőrzését, amely során egy forgó, excentrikus spirál képe (9), mint egy vándorló vonal, feltűnik. Ennek ugyanolyan gyorsan kell mozognia, mint a terep képének. Ha a vándorló vonalak gyorsabbak, mint a terep képe, akkor kézi szabályozással lassítani kell, ha lassúbbak, akkor ennek megfelelően gyorsítani kell őket. Ha egyforma gyorsan haladnak, akkor a felvételek az előre beállított bázisirányú átfedésnek megfelelően készülnek. Ezt a műveletet átfedés szabályozás nak is nevezzük. Az átfedés szabályozással tulajdonképpen a felvételi időközt változtatjuk.

A Zeiss műszergyártó cégek a kereső távcső helyett egy különálló, egy másik padlónyílás fölé szerelt, keresővel ellátott vezérlő egységet alkalmaznak. A kereső távcsőben az előrehaladó terepet egy létraszerű ábra (5-9. ábra) követi, melynek sebességét úgy kell szabályozni, hogy a terepével azonos legyen, és így az egymást követő képek bázisirányú átfedése az előre megadott értékkel egyezik meg.

5-9. ábra Átfedés szabályzó (Zeiss)

A Zeiss NA (Automatic Navigation Meter) rendszere az oldalgást és a bázisirányú átfedést elektrooptikai úton, automatikusan szabályozza.

A kereső távcsövek, illetve vezérlő berendezések mellett még speciális navigációs távcsövek is vannak (pl. Leica NF2A), amelyeket a kamerától távol, a navigátor ülésénél helyeznek el. A kamerát onnan, távvezérléssel irányítják. A navigációs távcsövek általában 40-50o-os hajlással előre néznek.

Vannak kameratípusok, amelyekhez automatikus megvilágítás szabályozó berendezést is építenek, melyek a film érzékenységének, valamint a választott expozíciós időnek megfelelően a terepről visszavert fény mennyisége szerint szabályozza a rekesznyílást.

A korszerű légi mérőkamerák, a repülőgép egyenletes előrehaladása miatt jelentkező képvándorlást egy képvándorlást kompenzáló berendezés (FMC = f orward m otion c ompensation) segítségével megszüntethetjük, vagy csökkenthetjük. A képvándorlást oly módon kompenzálja, hogy a filmleszorító keretet a repülési sebességtől függően, számítógéppel vezérelten eltolja a megvilágítási idő alatt (5-10. ábra).

5-10. ábra Képvándorlás kompenzálás

Mint korábban említettük, a légi fényképezésnél fontos, hogy a kameratengely függőleges, vagy közel függőleges legyen. A korszerű kamerák beállítása két nagy pontosságú giroszkóppal és horizontális érzékelővel automatikusan történik. A stabilizáló berendezést a kameratestbe építik be (5-11. ábra).

5-11. ábra Stabilizáló berendezés (Zeiss)

A mai gyakorlatban a repülőgépeket elláthatják inerciális navigációs rendszer rel. Az inerciális navigációs rendszerrel a külső tájékozási elemeket is regisztrálhatjuk minden egyes felvételhez, mégpedig a felvételi hely φ, λ földrajzi koordinátáit és a magasságát, a kamera ϕ és ω dőlésszögeit, a menetirányt, és az oldalgást, valamint a dátumot és az időpontot. Az oldalgás beállítása és a bázisirányú átfedés szabályozása ebben az esetben automatikusan történik. Az ilyen inerciális navigációs rendszernek a külső adatok meghatározásán túl előnye, hogy a feltáratlan területek felett is pontos repülést hajthatunk végre.

5.3.4 Külső adatok meghatározása

A külső adatok közül a koordináták meghatározására, valamint navigációra és vezérlésre a mai gyakorlatban a GPS -t használják (5-12. ábra). A repülőgép törzsén, vagy szárnyán elhelyezett egy, vagy több vevő segítségével a felvételi hely meghatározható kinematikus helymeghatározással.

5-12. ábra GPS alkalmazása

Ha nem szükséges valamennyi külső adat meghatározása, a repülési magasságot minden esetben mérjük. A repülési magasság lehet relatív (hr = terepszint feletti), vagy abszolút (ha = tengerszint feletti) magasság.

Az abszolút repülési magasság mérésére korábban alkalmazott magasságmérő műszer a fémbarométer (aneroid), mely a kameratestbe van kivehető módon elhelyezve. Működése azon elven alapul, hogy a légnyomás a magassággal egyenletesen változik és az egyenlő nyomású (izobár) felületek az alapszint felülettel, azaz a tengerszinttel párhuzamosak. A fémbarométert a légnyomás helyett közvetlenül magasságra hitelesítik. A repülőtéren a repülőtér tengerszint feletti magasságát állítják be, a műszer a változást ehhez képest méri és a felvételi álláspontok tengerszint feletti közelítő magasságát a film szélére leképezi. A mért pontosság: ± 10 m.

A relatív repülési magasság mérésére elterjedőben van a lézer használata. A repülési tengely alatt mérhetjük a terepszint feletti magasságot. A lézeres magasságmérés pontossága: ± 1 m.

A terep feletti relatív repülési magasság meghatározására korábban felhasználták a radar elvet.

5.3.5 A légifényképező kamerák vizsgálata

A légi fényképező kamerák komoly külső hatásoknak vannak kitéve (pl. hőmérsékletváltozás, stb.). A kamera belső adatai és más jellemzői a használat során változhatnak, emiatt szükség van arra, hogy 2-3 évenként megvizsgálják és hitelesítsék azokat. A kamerák vizsgálatát kamerakalibráció nak nevezzük. A kamerakalibrációt leggyakrabban laboratóriumi módszerekkel végzik el, ahol olyan mintákat, jeleket képeznek le, melyek egymáshoz viszonyított helyzete pontosan ismert. Ezután szabatos méréseket végeznek az optika képen és összehasonlítják a jelek tényleges képi helyzetét az elméleti helyzettel. A kamerakalibráció során a következő adatokat határozzák meg:

  • a kameraállandót (ck), vagy kalibrált fókuszt,

  • a főpont koordinátáinak értékeit (ξ0, η0),

  • a keretjelek főponthoz viszonyított koordináta értékeit,

  • az átlagos radiális elrajzolást, mely leírja az elrajzolás értékeit a legjobb szimmetria ponttól mért radiális távolságok függvényében,

  • a legjobb szimmetria pont helyzetét (ξs, ηs), mely az átlagos radiális elrajzolás figyelembe vételénél a képi-koordináta rendszer ideiglenes középpontja (ez a pont általában néhány mikrométerrel tér el a kép középponttól),

  • az egymással szemben lévő keretjelek távolságait, ez összesen 6 adat, a négy oldal és a két átló,

  • a képkoordináta-rendszer tengelyeinek merőlegességét, melynek 90o ± 1’-nek kell lennie,

  • A képsík hullámosságát, melynek az eltérése az elméleti síktól maximum 0,01 mm lehet,

  • Az objektív optikai feloldóképességét.

5.3.6 A Magyarországon használt kamerák

A Magyarországon használatos mérőkamerák és műszaki paraméterei a következők [6.]:

Kamera

Objektívtoldat

típus

min. cikl. idő [s]

p [%]

típus

f

[mm]

fényerő

képméret

[cm]

exp. idő [s]

max. radiális elrajzolás

[μm]

infra tart.

RC-10

1,8

20-90

Uaga II

152

4,0

23x23

1/100-1/1000

4,0

igen

RC-10

1,8

20-90

Saga II

88

5,6

23x23

1/100-1/1000

15,0

igen

RC-10

1,8

1-99

Uaga II

153

auto-

matikus

23x23

1/100-1/1000

4,0

igen

RC-30

1,8

0-99

Uaga II

153

auto-matikus

23x23

1/100-1/1000

2,5

igen

5-13. ábra Wild kamerák [5.]