Letecká kamera je účelová kamera určená pro letecké snímkování částí zemského povrchu z atmosférického letadla pro hospodářské, vědecké a vojenské účely [1] . Skládá se z kamery, zařízení pro její připevnění na nosič (letecké snímkování) a povelového zařízení pro automatické dálkové ovládání procesu natáčení [2] . Podle účelu se letecké kamery dělí na topografické a panoramatické, podle doby použití - na denní, noční a univerzální, podle principu činnosti - na rámové, štěrbinové a panoramatické. Kromě toho lze plánovat letecké snímkování, kdy je optická osa objektivu nasměrována do nejhlubšího bodu , a perspektivní, kdy je nakloněna k horizontu .
První pokusy o letecké snímkování, které provedl Nadar v roce 1855, byly prováděny s použitím velkoformátových fotoaparátů určených pro portrétování a neuzpůsobených pro letecké fotografování. První specializovaný letecký fotoaparát, vhodný pro snímání velkých ploch na několik fotografických desek , sestrojil Francouz Tiboulier v roce 1884 [3] . O pět let později ruský inženýr Richard Thiele zkonstruoval „panoramograf“, designově podobný francouzskému protějšku, sestávající ze šesti kamer umístěných pod úhlem kolem sedmé se svislou optickou osou [4] . Závěrky všech kamer spouštěla elektronická vodováha vynalezená Thiele, která snímá vertikální polohu optické osy centrální kamery [5] .
První skutečnou leteckou kameru, speciálně upravenou pro střelbu ze vzduchu, zkonstruoval v roce 1886 ruský inženýr Vjačeslav Izmailovič Srezněvskij , přičemž jako základ použil jím vynalezenou expediční kameru odolnou proti prachu a vlhkosti, kterou vynálezce vytvořil pro expedice Nikolaje Prževalského v roce 1882. [6]
Nejrychlejší vývoj leteckých kamer začal poté, co se objevily první letouny , vhodnější pro letecký průzkum než balóny . Střelba z jednomístného létajícího letadla vyžadovala automatizaci většiny procesů. První leteckou kameru upravenou pro natáčení po řádcích vynalezl v roce 1896 ruský vojenský inženýr Vladimir Potte [7] [8] . Poprvé byl použit k vyhodnocení výsledků cvičné střelby námořního dělostřelectva v roce 1898 a v roce 1912 obdržel autor patent č. 22433 [9] . Natáčení probíhalo na kotoučový film s formátem políčka 13 × 18 centimetrů, objektivem s ohniskovou vzdáleností 210 mm a relativní světelností f / 4,5. Během první světové války byla letecká kamera používána pro průzkumné letecké snímkování. Potteho design fotoaparátu v té době byl nejlepší na světě. V SSSR se používal až do konce 20. let k tvorbě topografických map [10] [11] .
V roce 1918 zahájil Eastman Kodak výrobu první plně automatizované letecké kamery na světě, K-1 [12] [13] . Vytváření vlastního leteckého fotografického vybavení v SSSR začalo pod vedením Michaila Bonche-Brueviče po organizaci Všeruské společnosti " Dobrolet " v roce 1923 [10] . První sovětská automatická letecká kamera byla AFA-13, navržená VOOMP Design Bureau v roce 1934 [4] . Další vývoj zařízení tohoto typu je spojen s vývojem širokoúhlých ortoskopických čoček , které umožňují získat snímky velkých ploch v jednom snímku bez zkreslení. Významným úspěchem sovětského optického průmyslu byl vývoj v roce 1935 inženýrem Michailem Rusinovem čočky Liar-6 [14] . Při ohniskové vzdálenosti 100 mm zakrýval tento objektiv rámeček 13×18 cm a poskytoval zorné pole 104° [15] . Brzy vzniklý německý analog „Topogon“ měl nižší clonový poměr a nepřijatelně velké zkreslení. V konstrukci leteckých kamer se objevují zařízení, která fixují prvky vnější orientace: rádiové výškoměry , statoskopy , gyrostabilizátory a další. Zavádí se automatické řízení expozice . Na počátku 50. let se letecké kamery vyvinuly ve specializované letecké zařízení s vysokým stupněm automatizace.
Rychlý rozvoj digitální fotografie na přelomu 20. a 21. století předurčil vznik digitálního leteckého fotoaparátu. Hlavní překážkou nahrazení leteckého filmu fotoelektrickým konvertorem byl malý formát dostupných CCD matic , který u prvních digitálních fotoaparátů nepřesahoval 86 × 49 milimetrů [16] . Rozlišení srovnatelného s konvenčními leteckými kamerami bylo dosaženo v roce 2000 společnostmi Leica Geosystems a Intergraph spojením čtyř digitálních fotoaparátů s takovými snímači 28 megapixelů a následným zpracováním výsledných souborů na počítači [17] . Další vývoj digitálních leteckých kamer jde směrem ke zmenšení velikosti elementárního pixelu a nezvětšování plochy matice. Druhá generace leteckých kamer Z/I Imaging DMC II tedy obsahuje 4 digitální kamery s malými snímači a jednu 250megapixelovou kameru s velikostí matice 90 × 84 mm v jednom pouzdře . V tomto případě úhlopříčka fotodiod nepřesahuje 5,6 mikronů [16] . Dalším směrem vývoje je použití CCD pole místo rámové fotomatice podle principu štěrbinové letecké kamery [17] [18] . Kromě rychlosti získávání výsledků je jednou z hlavních výhod digitálních leteckých kamer nízká míra geometrického zkreslení obrazu terénu. Je toho dosaženo díky vysoké přesnosti výroby fotomatrice a možnosti softwarové korekce zkreslení čočky [19] .
V posledních letech se prosazuje levná letecká fotografická technika z bezpilotních prostředků [20] . Vzhledem k malému stropu dronů je k dispozici pouze natáčení malých ploch ve velkém měřítku, pro které lze místo specializovaných digitálních leteckých kamer použít univerzální zařízení včetně digitálních zrcadlovek a bezzrcadlovek [21] [22 ] . Navzdory výhodám digitálních metod se stále používají analogové letecké kamery, které se účastní hybridní technologie při průzkumu z vysokých nadmořských výšek. V tomto případě se nedešifruje filmový negativ, ale digitální soubor získaný skenováním leteckého filmu na fotogrammetrickém skeneru. Výsledné rozlišení 180 megapixelů překračuje stejný parametr většiny sériových digitálních leteckých kamer, obvykle nepřesahuje 40 megapixelů [17] .
Hlavním rozdílem od všech ostatních typů fotografických zařízení je nutnost zajistit vysokou přesnost měření na zemi při dešifrování snímků, což vyžaduje minimální geometrické zkreslení obrazu [23] . Toho je dosaženo pečlivým vyrovnáním leteckého filmu v okně rámu, vysokou ortoskopičností použitých čoček a přesnou orientací vzhledem k zemskému povrchu. Údaje o čase, letových parametrech a orientaci v době fotografování většina leteckých kamer otiskuje na film nebo zaznamenává do digitálního obrazového souboru . Některé letecké kamery navíc otiskují senzitometrický klín [24] .
Moderní letecké kamery nemají hledáček , protože nejsou vhodné pro fotografování z ruky a jsou připevněny k letadlu nehybně nebo prostřednictvím stabilizačních plošin. Rámování se provádí změnou polohy nosiče pomocí speciálních leteckých navigačních systémů, intervalometrů a také snímačů výšky a náklonu . Letecké kamery jsou ovládány na dálku pomocí příkazových zařízení umístěných v kokpitu a propojených s leteckým vybavením a satelitními polohovacími systémy . Letecké kamery jsou často vybaveny elektrickým vyhříváním, které zabraňuje zamlžování oken a zamrzání mechanismů ve velké výšce.
Nejběžnější jsou personální letecké kamery, které provádějí plošné nebo traťové průzkumy terénu sekvenčním snímkováním jeho úseků s překrývajícími se sousedními snímky [25] . Podle klasifikace přijaté v konvenční fotografii lze většinu rámových leteckých fotoaparátů klasifikovat jako velkoformátové a vzhledem k velké velikosti rámečku jsou vybaveny systémem zarovnání filmu v rámovém okně (nejčastěji pomocí vakua nebo přitlačení na sklo ) [26] . Oblast exponovaného rámečku je omezena aplikovaným rámem s výchozími značkami. U sovětských leteckých kamer byl nejběžnější formát rámečku 18 × 18 centimetrů a u zařízení zahraniční výroby je běžnější rámeček 23 × 23 cm [27] . V současné době se sovětský standard nepoužívá [17] .
Transport leteckého filmu a natahování závěrky ve většině případů probíhá pomocí vestavěného elektrického pohonu . Objektiv s pevnou ohniskovou vzdáleností je pevně zaostřen na „nekonečno“, protože ke snímání dochází z výšek přesahujících tuto hodnotu pro jakýkoli objektiv [24] [25] . Někdy se pro pokrytí velké plochy zemského povrchu používají vícečočkové rámové kamery, ve kterých každá čočka snímá samostatnou oblast [1] . Digitální kádrové kamery používají obdélníkové CCD. U plnoformátových digitálních fotoaparátů se používá jedna matrice a u středoformátových fotoaparátů je hotový obraz sešíván počítačem z několika získaných z malých matric různými čočkami [18] . Ve většině případů se pro zvýšení rozlišení nepoužívá Bayerův filtr a pokud je potřeba získat barevný nebo spektrálně-zónový snímek, natáčí se čtyři monochromatické kamery za odpovídajícími filtry [28] .
Takové letecké kamery provádějí traťové letecké snímkování nikoli snímek po snímku, ale kontinuálně, podle principu štěrbinové fotografie . Fotografický film se pohybuje konstantní rychlostí kolem štěrbiny umístěné v ohniskové rovině čočky. Při instalaci štěrbinové letecké kamery na nosič je tento slot umístěn kolmo ke směru letu [29] . Pohyb filmu je synchronizován s letem tak, že jeho rychlost se shoduje s rychlostí pohybu optického obrazu [25] . Expozice se nereguluje clonou, ale šířkou štěrbiny. Hotový snímek je souvislý snímek na svitku filmu se souvislým obrazem terénu umístěným po celé trase [30] . Technologie umožňuje natáčení v malé výšce (50–100 m) a vysokých rychlostech letu (více než 1000 km/h), což je pro běžné letecké kamery nedosažitelné. Štěrbinové kamery jsou navíc vhodnější pro noční focení, protože i při dlouhých expozičních časech podávají nerozmazaný obraz.
U digitálních leteckých kamer obdobné konstrukce (skenování) se místo štěrbiny umístí CCD pravítko a obraz se vytvoří v paměti snímků [17] . Pro účely měření jsou letecké snímky pořízené štěrbinovými přístroji nevhodné z důvodu geometrických zkreslení a rozdílu měřítek získaných ve směru letu a kolmo na něj [31] . Digitální štěrbinové kamery umožňují kompenzovat zkreslení zpracováním přijatých dat speciálním softwarem. Výhodou digitálních snímacích zařízení je možnost získat barevné a spektrozonální snímky s vysokým rozlišením. K tomu je místo jedné instalováno několik CCD linek (nejčastěji 3 nebo 4), které jsou umístěny za systémem separace barev . V kádrových digitálních fotoaparátech se barevný obraz s nízkým rozlišením překrývá na monochromatický obraz s vysokým rozlišením, čímž se snižuje informační obsah dekódování. Dvouštěrbinové letecké kamery umožňují natáčet ve dvou různých měřítcích najednou nebo vytvořit trojrozměrný model terénu díky paralaxe získané při pohybu letadla. V tomto případě první slot fixuje oblast před svým letem a druhý - po z jiného úhlu [19] .
Slouží pro plošné letecké snímkování sekvenčním zafixováním širokých úseků (panoramat) terénu prakticky od horizontu k horizontu napříč trasou. Toho je v nejjednodušším případě dosaženo pomocí víceobjektivních rámových leteckých kamer, skládajících se z jedné plánované a několika šikmo umístěných perspektivních kamer [32] . Specializovaná panoramatická kamera snímá oblast otáčením čočky kolem uzlového bodu spolu s expoziční štěrbinou. V tomto případě je film nehybný a vyrovnaný na povrchu válce nebo kužele vyrobeného z optického skla s poloměrem rovným ohniskové vzdálenosti čočky. Princip činnosti takových leteckých kamer je podobný jako u běžných fotoaparátů pro panoramatickou fotografii . V případě kuželové plochy se získá nikoli půdorysně panoramatický, ale perspektivně panoramatický snímek oblasti. V panoramatických zařízeních s nepřímým snímáním je čočka stacionární a snímání provádí před ní umístěné otočné zrcadlo nebo hranol [33] . V tomto případě se letecká fólie pohybuje synchronně s pohybem snímacího systému [34] . Panoramatické letecké snímkování je také nevhodné pro přesná měření kvůli geometrickým zkreslením a používá se pro speciální účely.
Letecké čočky se dělí na optiku určenou pro topografické nebo panoramatické průzkumy [35] . Na jejich optické kvality jsou kladeny ty nejvyšší požadavky, které se často vzájemně vylučují. Měly by mít minimální geometrické zkreslení při velkých úhlech pohledu a vysokou svítivost. Rozlišení takových čoček přitom musí být vysoké jak ve středu, tak v poli, aby byla zajištěna vysoká interpretovatelnost leteckého filmu. Dalším požadavkem je teplotní stabilita, která zabraňuje zhoršení kvality obrazu při chlazení objektivu ve vysokých nadmořských výškách. Světová konstrukce čoček vděčí z velké části za svůj pokrok rozsáhlé práci na návrhu nejnovější aerooptiky, která byla nasazena v několika zemích po první světové válce.
Významně k tomu přispěl sovětský optický průmysl v čele se Státním optickým ústavem. Vavilov . Již několik desetiletí vznikají optická schémata širokoúhlých anastigmatů s vysokou aperturou, která se stala vzorem pro četné napodobeniny a otevřela nové perspektivy dalším vývojářům. Nejznámější byly následující sovětské letecké fotografické objektivy [36] :
Kromě sovětských čoček má vysoké optické kvality zahraniční optika jako Aeroektar a Geogon (USA), Aviogon (Švýcarsko) a Pleogon (Německo). Pro usnadnění interpretace leteckých negativů a snížení vlivu atmosférického oparu na kontrast většina leteckých kamer umožňuje umístění různých světelných filtrů před objektiv . Podle výšky, ze které se provádí letecké snímkování, se volí filtry, které do určité míry odříznou krátkovlnnou část spektra, která je vystavena největšímu rozptylu v atmosféře [37] . Světelné filtry se používají i při fotografování v neviditelných paprscích, které propouštějí pouze užitečnou část světelného záření.
V SSSR byla zahájena výroba prvních leteckých kamer v moskevském závodě Geodesy, který byl během válečných let evakuován za Ural. V budoucnu se hlavním výrobcem stal kazaňský opticko-mechanický závod „KOMZ“ . Kromě Sovětského svazu se letecké kamery vyráběly i v dalších zemích s rozvinutým optickým a mechanickým průmyslem: USA , Velká Británie , Itálie , Francie , Německo a Japonsko [27] . Nejznámější zařízení americké firmy Fairchild Aerial Camera, německého Carl Zeiss a francouzského SFOM
Moderní digitální vybavení pro letecké snímkování vyrábí Hexagon AB (výsledek fúze Leica Geosystems a Z/I Imaging, Švédsko ), IGI mbH ( Německo ), Visionmap ( Izrael ), Optech a Applanix ( Kanada ), Vexcel Imaging ( Rakousko ). ) a další [38] . V roce 2004 byla zahájena výroba digitální skenovací letecké kamery „3-DAS-1“ na ukrajinské JE „Geosystem“ [39] .