航空摄影是什么?关于航空摄影的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:26:27

航空摄影(或机载成像)是从飞机或其他飞行物体上拍摄照片。 航空摄影平台包括固定翼飞机、直升机、无人驾驶飞行器(UAV或无人机)、气球、小型飞船和飞艇、火箭、鸽子、风筝、降落伞、独立伸缩杆和车载杆。安装的摄像机可以远程或自动触发;手持照片可以由摄影师拍摄。

航空摄影不应与空对空摄影混淆,空对空摄影是指一架或多架飞机被用作“追逐”和拍摄其他飞行中的飞机。

历史早期历史

《纳达尔将摄影提升到艺术高度》发表于Le Boulevard,1862年5月25日

1858年,法国摄影师兼气球驾驶员加斯帕德-费利克斯·图尔纳洪(Gaspard-Félix Tournachon),当时被称为“纳达尔”,在法国巴黎上空第一次尝试了航空摄影。 然而,他拍摄的照片已不复存在,因此,现存最早的航拍照片被命名为“老鹰和野鹅眼中的波士顿”。1860年10月13日,詹姆斯·华莱士·布莱克(James Wallace Black)和塞缪尔·阿彻·金(Samuel Archer King)拍摄了这幅波士顿全景图

古董明信片中使用风筝摄影技术(1911年左右)

风筝航空摄影是1882年由英国气象学家阿奇博尔德(E.D. Archibald)开创的。他用计时器上的安全炸药从空中拍摄照片。 法国人亚瑟·巴图(Arthur Batut)于1888年开始用风筝摄影,并于1890年写了一本关于风筝摄影方法的书。 塞缪尔·富兰克林·科迪(Samuel Franklin Cody)发明了先进的“军事载人风筝”,并成功地展现其能力引起了英国陆军部的兴趣。

1909年4月24日,在罗马上空拍摄的3分28秒的无声电影短片《威尔伯·莱特和塞纳·弗拉格马斯尼》中,第一次使用了安装在比空气还重的飞机上的电影摄影机。

第一次世界大战

吉萨(Giza)金字塔建筑群,摄于1904年11月21日爱德华·斯皮尔特里尼的热气球上

航空摄影的使用在战争期间迅速成熟,因为侦察机配备了摄像机来记录敌人的行动和防御。在战争开始时,空中摄影的用处没有得到充分的重视,侦察是通过空中绘制地图来完成的。

德国在1913年使用了第一架航空摄像机,即Görz。法国人以几个装备有侦察摄像机的布莱里奥(blériot)的侦察飞机中队开始了战争。法国军队可以在创纪录的时间内将照片印出交到战地指挥官手中。

弗雷德里克·查尔斯·维克托·劳(Frederick Charles Victor Laws)于1912年开始与皇家飞行队第一中队(后来的皇家空军第一中队)进行航空摄影实验,从英国飞艇贝塔(Beta)上拍摄照片。他发现60%重叠的垂直照片可以用来在立体镜中观察时产生立体效果,从而产生深度感,这有助于绘制地图和从航空图像中获取情报。皇家飞行队侦察飞行员在1914年开始使用照相机记录他们的观察结果,到了1915年的新夏佩尔战役(Battle of Neuve Chapelle),整个德国战壕系统都被拍摄下来。 1916年,奥匈帝国在意大利上空制作了垂直摄影照片用于地图制作。

一架德国的侦察机,叫做Rumpler Taube

1915年,在桑顿-皮卡德(Thornton-Pickard)公司的帮助下,约翰·摩亚-布拉巴森(John Moore-Brabazon)上尉发明了第一架特制实用的航空摄相机,大大提高了航空摄影的效率。摄像机被安装在飞机地板上,飞行员可以随时地触发它。摩尔-布拉巴森(Moore-Brabazon)还率先将立体摄影技术融入航空摄影,通过比较不同角度拍摄的照片,可以分辨出景观中物体的高度。

到战争结束时,航空相机的尺寸和焦距都大大增加了,而且使用越来越频繁,因为它们证明了其关键的军事价值;到1918年,双方每天拍摄两次整个前线,自战争开始以来已经拍摄了50多万张照片。1918年1月,艾伦比(Allenby)将军派遣空军一中队的五名澳大利亚飞行员去拍摄面积为 624平方英里(1620平方公里)的巴勒斯坦地区,以帮助纠正和改善土耳其前线的地图。这是航空摄影作为制图辅助手段的开创性应用。中尉伦纳德·塔普林(Leonard Taplin)、艾伦·朗西曼·布朗(Allan Runciman Brown)、弗雷泽(H. L. Fraser)、爱德华·帕特里克·肯尼(Edward Patrick Kenny)和罗杰斯(L. W. Rogers)拍摄了从土耳其前线延伸到后方32英里(51公里)的一块土地 。从1月5日开始,他们在战斗机护卫下飞行,以避开敌方战斗机。使用英国皇家飞机制造厂(Royal Aircraft Factory)的BE.12和马丁斯德(Martinsyde)飞机,他们不仅击退了敌人的空袭,还必须要抗衡 65mph(105km/h)的风、防空火力和故障设备来完成他们的任务。

商业航空摄影

英国第一家商业航空摄影公司是航空电影有限公司(Aerofilms Ltd),是由一战老兵弗朗西斯·威尔斯(Francis Wills)和克劳德·格雷厄姆·怀特(Claude Graham White)于1919年创立。该公司很快发展成为一家在非洲、亚洲和英国都签订有重大项目合同的企业,其中和英国的合作始于艾奇韦尔(Edgware)的Stag Lane机场,使用的是伦敦飞行学校的飞机(London Flying School)。随后,飞机制造公司(后来的德哈维兰飞机公司De Havilland Aircraft Company)与飞行员企业家艾伦·科巴姆(Alan Cobham)一起租用了一家航空公司的DH.9飞机。

1932年,纽约市,飞兆航空测量有限公司(Fairchild Aerial Surveys Inc)航拍。

从1921年开始,Aerofilms公司为勘测和绘图目的进行垂直摄影。在20世纪30年代,该公司开创了摄影测量学(利用航空照片绘制地图),(英)陆地测量部(Ordnance survey)就是该公司的客户之一。 1920年,澳大利亚人米尔顿·肯特(Milton Kent)开始在航空摄影业务中使用从卡尔·蔡司公司(Carl Zeiss AG)购买的半平板斜航相机。

航空摄影商业应用的另一个成功先驱是美国的谢尔曼·费尔柴尔德(Sherman Fairchild),他创办了自己的飞机公司飞兆飞机公司(Fairchild Aircraft),为高空航空勘测任务开发和制造专用飞机。 1935年,一架飞兆航空勘测飞机搭载了两台同步相机,每台相机有五个6英寸镜头和一个10英寸镜头,并在23000英尺的高空拍摄照片。每张照片覆盖225平方英里。它的首批政府合同之一是对新墨西哥州进行航空勘测,以研究土壤侵蚀。 一年后,飞兆半导体推出了一款更好的九镜头高空相机,可以在30000英尺的高空拍摄600平方英里的照片。

第二次世界大战

西德尼·科顿(Sidney Cotton)的洛克希德·12A飞机。1940年,他驾驶这架飞机上进行了一次高速侦察飞行

1939年,西德尼·科顿(Sidney Cotton)和英国皇家空军飞行军官莫里斯·隆巴顿(Maurice Longbottom)率先提出空中侦察可能是一项更适合快速小型飞机的任务,因为它们具有速度和高升限的优势来避免被发现和拦截。虽然现代侦察任务由快速、高空飞行的飞机来完成是显而易见的,但在当时这是激进的想法。

他们提议拆除喷火枪武器和无线电设备,以便装载更多的燃料和搭载摄相机。这导致了喷火式战机的改型。 喷火枪被证明在侦察方面非常成功,并且有许多专门为此而制造的改型武器。它们后来最初是在1号摄影侦察队(PRU)服役。1928年,英国皇家空军为航空摄相机开发了一套电加热系统。这使得侦察机可以在很高的高度拍摄照片,而相机部件不会结冰。 在英国皇家空军梅德门汉姆(Medmenham)基地,对这些照片进行收集和解译成了一项相当大的事情。

科顿的航拍照片在这个时代遥遥领先。他和PRU的其他成员一起开创了高空、高速立体摄影技术,这些技术有助于揭示许多重要军事和情报目标的位置,发挥了重要作用。据琼斯(R.V. Jones)说,照片还被用来确定V-1飞行炸弹和V-2火箭的尺寸和特征发射机制。科顿还提出了一些设想,例如研制一架原型专业侦察机和进一步改进摄影设备。在高峰期,英国人每天进行100多次侦察飞行,每天对产生的50,000张图片进行解译。其他国家也同样做出了类似的努力。

使用

鲍鱼点,欧文湾,拉古纳海滩(Abalone point, Irvine Cove, Laguna Beach):低空航空摄影的一个示例

航空摄影用于制图 (特别是在摄影测量中,摄影测量通常是制作地形图的基础)、土地利用规划、 考古学, 电影制作,环境研究, 电力线检查, 监控、商业广告、产权转让和艺术项目。航空摄影在考古领域应用的一个例子是1995-1996年在柬埔寨吴哥窟(Angkor Borei)遗址进行的测绘项目。通过航空摄影,考古学家能够确定吴哥窟内的考古特征,包括112个水文特征(水库、人工建造的水池和天然池塘)。 在美国,航空照片被用于许多环境现场第一阶段评估,以进行属性分析。

平台

飞机

在美国,除非需要起飞和着陆,全尺寸的载人飞机禁止在1000英尺以下的高度飞越拥挤地区,也禁止在非拥挤地区离任何人、船只、车辆或建筑低于500英尺的上空飞行。某型例外情况下允许直升机、动力降落伞和在载重限制以下的飞机飞行。

无线电控制模型飞机

携带航空摄影机的无人机

两架用于航空拍摄的无人机

无线电控制模型的进步使模型飞机能够在低空进行航空摄影。这让房地产广告业受益匪浅。2014年,美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration)发布命令,禁止在商业应用中使用“无人机”拍摄任何与房地产相关广告中使用的照片。 自2016年8月29日,随着联邦航空局对于小型无人机的第107部规定生效,这项禁令已经解除。

小型模型飞机为这些以前受限制的区域提供了更多的摄影通道。微型飞行器不能代替全尺寸飞行器,因为全尺寸飞行器能够飞行更长的时间、更高的高度和更大的有效载荷设备。 然而,小型模型飞机可以在全尺寸飞机操作有危险的任何情况下得到应用。比如检查输电线路顶部的变压器和在农田上空缓慢低空飞行,这两者都可以通过大型无线电控制直升机来完成。 有一种模型中使用了专业级陀螺稳定相机平台:一架装有26cc汽油发动机的大型模型直升机,它可以载重大约7公斤(15磅)。除了陀螺稳定的相机外,随着FPV(第一人称视角)技术的整合,遥控直升机作为可靠的航空摄影工具,其使用也在增加。许多无线电控制的飞机现在能够利用无线网络将即时影像从飞机的摄像机传输回飞行员或飞行员控制的地面站。

法规

澳大利亚

《澳大利亚民航安全条例101 (CASR 101)》 允许无线电控制飞机的商业使用。根据本条例,商用无线电控制的无人机被称为无人机系统(UAS),其中娱乐用无线电控制的飞机被称为模型飞机。根据CASR 101法案,商业运营无线电控制飞机的企业/人员需要持有飞行员证书,就像载人飞机飞行员一样。商用无线电控制飞机的飞行员也必须获得民用航空安全局(CASA)的执照。 虽然小型无人机和模型飞机可能实际上是相同的,但与模型飞机不同的是,无人机可以经批准进入管制空域,并在机场附近运行。

由于澳大利亚的一些非法经营者谎称获得批准,澳大利亚民航局维持并公布了一份获得批准的UAS经营者名单。 然而,民用航空安全局(CASA)已经修改了条例,从2016年9月29日起,2kg以下的商用无人机才允许操控飞行。

美国

2006年美国联邦航空局(FAA)规定所有商用遥控模型飞机必须经过升级才能在美国任何高度飞行。

2014年6月25日,美国联邦航空局在裁定14CFR第91部分【文件号FAA–2014–0396】“对模型飞机特殊规则的解释”中,禁止了无人机在美国领空的商业使用。 2014年9月26日,美国联邦航空局开始授予无人机在航空电影制作中的使用权。操作人员必须是持有执照的飞行员,并且必须时刻保持无人驾驶飞机在视野之内。无人机不能用于在人们可能面临危险的地区拍摄。

美国联邦航空局2012年颁布的《现代化和改革法案》第336节中为模型飞机制定了一项特殊规则。在第336节中,国会批准了联邦航空局的长期立场,即模型飞机就是飞机。根据该法案的条款,模型飞机被定义为“无人驾驶飞机”,即(1)能够在大气层中持续飞行;(2)在操控飞机的人的视线范围内飞行;(3)出于爱好或娱乐目的飞行。”

因为在美国,任何能够从公共空间观看的东西都被认为是非隐私领域,所以航空摄影可以合法地记录私人财产上的特征和发现。

公法112–95,第336(b)节中规定,联邦航空局可以对危害国家空域系统安全的操控模型飞机的人员采取强制行动。

2016年6月21日,美国联邦航空局发布了小型无人驾驶飞机规则摘要(107部)。为小型无人机系统操控员制定了指导规则,包括只能在白天飞行,升限为400英尺,且必须保持在飞行员可视范围内飞行。

2017年4月7日,联邦航空局宣布了14 CFR 99.7。自2017年4月14日起,除非获得基地和/或联邦航空局获得特别许可,否则禁止美国军事设施横向边界400英尺范围以内的所有无人机飞行。

英国

在英国,对无人机能进行航空摄影飞行的地点有严格的规定。

20公斤以下轻型飞机用于航空摄影。SUA(小型无人驾驶飞机)非商业飞行满足基本规则。

第二百四十一条 危及人身、财产安全。任何人不得鲁莽或疏忽地导致或允许飞机危及任何人或财产。

第九十四条 小型无人驾驶飞机:1.任何人不得致使或允许任何物品或动物(无论是否系在降落伞上)从小型无人驾驶飞机上坠落,从而危及人员或财产安全。

2.小型无人驾驶飞机的负责人只有在非常确信可以安全进行飞行的情况下才能驾驶飞机。

3.小型无人驾驶飞机的负责人必须与飞机保持直接并且无辅助的视觉接触,足以监控其相对于其他飞机、人员、车辆、船只和建筑的飞行路径,以避免碰撞。(保持500米安全距离)

4.质量超过7kg的小型无人驾驶飞机(不包括其燃料,但包括在飞机开始飞行时安装在飞机上或附着在飞机上的任何物品或设备)的负责人,以下情况不得驾驶飞机飞行:4.1 在A类、C类、D类或E类空域,除非获得空中交通管制单位的相关许可;4.2 在机场交通管制单位(如有的话)所通知的监控时间内,在机场交通区内飞行,除非取得任何该等航空交通管制单位的准许。4.3在高于地面400英尺的高度

5.除非获得民航局的许可,小型无人驾驶飞机的负责人不得进行商业驾驶飞行。

第九十五条小型无人侦察机 1.不得驾驶飞机飞越任何拥挤区域或在任何拥挤区域150米内飞行。(这定义很模糊,如果真的发生了事故,归相关部门裁定,请谨慎行事)。

2. 超过1000人有组织的露天集会区域的150米以上高度或150米以内范围。

3.任何不受飞机负责人控制的船只、车辆或建筑的50米范围内。

4.在任何人的50米范围内(特别在起飞或着陆时,小型无人侦察机不得在任何人的30米范围内飞行)。这不包括小型无人侦察机的负责人及其控制下的人。

质量超过20kg的模型飞机被称为“大型模型飞机”——在英国,大型模型飞机只能根据美国民航局颁发的航空条例豁免进行飞行。

Dronesafe是一个来帮助在英国 NATS (国家空中交通服务)进行安全和合法飞行的网站。看看 Dronesafe website 了解更多信息。

大型模型飞机应遵循的程序全部细节可在CAA website网站的CAP 658中找到。

大型载人飞机上的高空作业可以在 CAA中找到。

类别

倾斜摄影

倾斜航拍照片

从一个角度进行拍摄的照片叫做倾斜摄影。如果是从相对于地球表面的低角度拍摄的,就被称为低倾斜摄影,从高角度拍摄的照片叫做高或陡倾斜摄影。

一名空中摄影师在塞斯纳206飞机上准备连续倾斜拍摄

垂直摄影

垂直航拍照片

垂直照片是直接向下拍摄的。 主要用于摄影测量和图像解译。摄影测量中使用的照片传统上是用具有校准和记录的几何特性的特殊大型照相机拍摄的。

组合摄影

航空摄影通常是组合在一起的。根据他们的目的,可以用几种方法来完成,下面列出了几种方法。

  • 全景图可以通过固定从一个点(例如用手持照相机)以不同角度或从相同角度(例如从一个平面)的不同点拍摄的若干照片来制作。
  • 立体摄影技术允许从不同地点拍摄的同一区域的多张照片创建3D图像。
  • 在图像测量中,通过五个固定安装的摄像机拍摄一个垂直和四个低倾斜的图像,可以一起使用。
  • 在一些用于航空摄影测量的数码相机中,来自几个成像元件(有时具有单独的透镜)的图像被几何校正并在相机中组合成一个图像。
正射影像

垂直照片通常用于创建正射影像,也称为正射影像图,即经过几何“校正”以便用作地图的照片。换句话说,正射影像是对从无限远处拍摄的照片的模拟,直接向下拍摄至最低点。透视显然必须被去掉,但是地形的变化也应该被修正。根据图像特定部分透视和地形校正的需要,对图像进行多个几何变换。

正射影像通常用于地理信息系统,例如测绘机构(如陆地测量部)用来制作地图。一旦图像与已知的现实世界坐标对齐或“配准”,它们就可以被广泛应用。

大型正射影像,通常有多个来源,并被分成“块”(每个块大小通常为256 x 256像素),广泛用于在线地图系统,如谷歌地图。OpenStreetMap使用类似的正射影像来获取新的地图数据。谷歌地球将正射影像或卫星图像叠加到数字高程模型上,以模拟三维景观。

空中视频

用无人机拍摄的莫赫尔悬崖(2014)

随着视频技术的进步,空中视频变得越来越流行。正交视频是从飞机上对管道、农田和其他感兴趣的地点进行测绘拍摄的。使用全球定位系统,视频可以嵌入元数据,然后与视频映射程序同步。

这种“空间多媒体”是数字媒体的及时结合,包括静态摄影、运动视频、立体声、全景图像集、沉浸式媒体结构、音频和其他数据,以及来自全球定位系统和其他地点的位置和日期时间信息。

空中视频是新兴的空间多媒体,可用于场景理解和目标跟踪。输入视频由低空飞行的空中平台捕捉,通常由来自非地平面结构的强视差组成。数字视频、全球定位系统和自动图像处理的一体化将提高数据采集的准确度和成本效益,缩减成本。为了收集数据,几个不同的空中平台正在调研当中。