Аэрофотоаппара́т — фотоаппарат специального назначения, предназначенный для аэрофотосъёмки участков земной поверхности с атмосферного летательного аппарата в хозяйственных, научных и военных целях. Состоит из съёмочной камеры, устройства её крепления к носителю (аэрофотоустановки) и командного прибора для автоматического дистанционного управления съёмочным процессом. По назначению аэрофотоаппараты делят на топографические и обзорные, по времени применения — на дневные, ночные и универсальные, по принципу действия — на кадровые, щелевые и панорамные. Кроме того, аэрофотосъёмка может быть плановой, когда оптическая ось объектива направлена в точку надира, и перспективной, когда она расположена под наклоном к горизонту.
Историческая справка Первые попытки воздушной съёмки, предпринятые Надаром в 1855 году, проводились при помощи крупноформатных фотоаппаратов, предназначенных для портретной съёмки, и не приспособленных для аэрофотографии. Первый специализированный аэрофотоаппарат, пригодный для съёмки больших площадей на несколько фотопластинок, был построен французом Тибулье в 1884 году. Через пять лет российский инженер Ричард Тиле сконструировал «панорамограф», близкий по конструкции к французскому аналогу, и состоящий из шести камер, расположенных под наклоном вокруг седьмой с вертикальной оптической осью. Запуск затворов всех фотоаппаратов производился изобретённым Тиле электронивелиром, улавливающим отвесное положение оптической оси центральной камеры.
Первый настоящий аэрофотоаппарат, специально приспособленный для съёмок с воздуха, сконструировал в 1886 году русский инженер Вячеслав Измайлович Срезневский, использовав в качестве основы изобретённый им же пыле-влагозащищённый противоударный экспедиционный фотоаппарат, который изобретатель создал для экспедиции Николая Пржевальского в 1882 году.
Наиболее бурное развитие аэрофотоаппаратов началось после появления первых самолётов, более пригодных для воздушной разведки, чем аэростаты. Съёмка с одноместного летящего самолёта потребовала автоматизации большинства процессов. Первый аэрофотоаппарат, приспособленный для маршрутной съёмки кадровым методом, был изобретён в 1896 году русским военным инженером Владимиром Потте. Впервые он использован для оценки результатов учебных стрельб морской артиллерии в 1898 году, а в 1912 году автором получен патент № 22433. Съёмка проводилась на катушечную фотоплёнку с форматом кадра 13×18 сантиметров объективом с фокусным расстоянием 210 мм и светосилой f/4,5. Во время Первой мировой войны аэрофотоаппарат использовался для разведывательных аэрофотосъёмок. Конструкция фотоаппарата Потте в то время была лучшей в мире. Он использовался в СССР до конца 1920-х годов для создания топографических карт.
В 1918 году фирма Eastman Kodak начала производство первого в мире полностью автоматизированного аэрофотоаппарата «К-1». Создание собственного аэросъёмочного оборудования в СССР началось под руководством Михаила Бонч-Бруевича после организации Всероссийского общества «Добролёт» в 1923 году. Первым советским автоматическим аэрофотоаппаратом стал «АФА-13», сконструированный КБ ВООМП в 1934 году. Дальнейшее развитие аппаратуры этого типа связано с разработкой широкоугольных ортоскопических объективов, позволяющих получать снимки больших площадей одним кадром без искажений. Значимым успехом советской оптической промышленности стала разработка в 1935 году инженером Михаилом Русиновым объектива «Лиар-6». При фокусном расстоянии 100 мм этот объектив покрывал кадр формата 13×18 см, обеспечивая угол поля зрения 104°. Немецкий аналог «Топогон», созданный в скором времени, обладал меньшей светосилой и недопустимо большой дисторсией. В конструкции аэрофотоаппаратов появляются приборы, фиксирующие элементы внешнего ориентирования: радиовысотомеры, статоскопы, гиростабилизаторы и другие. Внедряется автоматическое управление экспозицией. К началу 1950-х годов аэрофотоаппараты превратились в специализированное авиационное устройство с высокой степенью автоматизации.
Бурное развитие цифровой фотографии на рубеже XX и XXI столетий предопределило появление цифрового аэрофотоаппарата. Главным препятствием замены аэрофотоплёнки фотоэлектрическим преобразователем стал небольшой формат доступных ПЗС-матриц, не превышавший в первых цифровых камерах размера 86×49 миллиметров. Сопоставимой с обычными аэрофотоаппаратами разрешающей способности удалось добиться в 2000 году компаниям Leica Geosystems и Intergraph при помощи объединения четырёх цифровых камер с такими сенсорами по 28 мегапикселей каждый и последующей обработки полученных файлов на компьютере. Дальнейшее развитие цифровых аэрофотоаппаратов идёт в направлении уменьшения размеров элементарного пикселя, а не увеличения площади матрицы. Так, второе поколение аэрокамер «Z/I Imaging DMC II» содержит в одном корпусе 4 спектрозональных цифровых камеры с небольшими сенсорами и одну 250-мегапиксельную с размером матрицы 90×84 мм. При этом диагональ фотодиодов не превышает 5,6 микрона. Другое направление разработки заключается в использовании вместо кадровой фотоматрицы ПЗС-линейки по принципу щелевого аэрофотоаппарата. Кроме оперативности получения результатов, одним из главных достоинств цифровых аэрофотоаппаратов является низкий уровень геометрических искажений изображения местности. Он достигается за счёт высокой точности изготовления фотоматриц и возможности программной коррекции искажений объектива.
В последние годы получает распространение дешёвая технология аэрофотосъёмки с беспилотных летательных аппаратов. Из-за небольшого потолка беспилотников доступна только съёмка небольших территорий в крупных масштабах, для которой вместо специализированных цифровых аэрофотоаппаратов может быть использована аппаратура общего назначения, в том числе цифровые зеркальные и беззеркальные фотоаппараты. Несмотря на преимущества цифровых методов, аналоговые аэрофотоаппараты продолжают использоваться, принимая участие в гибридной технологии при геодезических съёмках с больших высот. При этом дешифруется не плёночный негатив, а цифровой файл, полученный сканированием аэрофотоплёнки на фотограмметрическом сканере. Получаемое при этом разрешение в 180 мегапикселей превосходит этот же параметр большинства серийных цифровых аэрофотоаппаратов, обычно не превышающий 40 мегапикселей.
Особенности конструкции
Главное отличие от всех остальных видов фотоаппаратуры заключается в необходимости обеспечения высокой точности измерений на местности при дешифровке снимков, требующей минимальных геометрических искажений изображения. Это достигается тщательным выравниванием аэрофотоплёнки в кадровом окне, высокой ортоскопичностью используемых объективов и точной ориентацией относительно земной поверхности. Данные о времени, параметрах полёта и ориентации в момент съёмки впечатываются большинством аэрофотоаппаратов на плёнку или записываются в цифровой снимка. Некоторые аэрофотоаппараты дополнительно впечатывают сенситометрический клин.
В современных аэрофотоаппаратах отсутствует видоискатель, поскольку они непригодны для съёмки с рук, и закрепляются на летательном аппарате неподвижно или через стабилизирующие платформы. Кадрирование производится изменением положения носителя при помощи специальных систем самолётовождения, интервалометров, а также датчиков высоты и крена. Управление аэрофотоаппаратами осуществляется дистанционно при помощи командных приборов, размещаемых в кабине экипажа и сопряжённых с аэронавигационным оборудованием и системами спутникового позиционирования. Часто аэрофотоаппараты снабжаются электрообогревом, предотвращающим запотевание стёкол и замерзание механизмов на большой высоте.
Кадровые аппараты Наиболее распространены кадровые аэрофотоаппараты, ведущие площадную или маршрутную съёмку местности последовательным фотографированием её участков с перекрытием соседних снимков. По классификации, принятой в обычной фотографии, большинство кадровых аэрофотоаппаратов можно отнести к крупноформатным, и из-за большого размера кадра они оснащаются системой выравнивания фотоплёнки в кадровом окне (чаще всего при помощи вакуума или прижима к стеклу). Площадь экспонируемого кадра ограничивается прикладной рамкой с координатными метками. В советских аэрофотоаппаратах наиболее распространённым был формат кадра 18×18 сантиметров, а в аппаратуре иностранного производства чаще встречается кадр 23×23 см. В настоящее время советский стандарт не используется.
Транспортировка аэрофотоплёнки и взвод затвора в большинстве случаев происходят при помощи встроенного электропривода. Объектив постоянного фокусного расстояния неподвижно сфокусирован на «бесконечность», поскольку съёмка происходит с высот, превышающих это значение для любого объектива. Иногда для охвата большой площади земной поверхности используются многообъективные кадровые фотоаппараты, в которых каждый объектив ведёт съёмку отдельного участка. В цифровых кадровых фотоаппаратах применяются ПЗС-матрицы прямоугольной формы. В полноформатных цифровых камерах используется одна матрица, а в среднеформатных готовое изображение сшивается компьютером из нескольких, полученных с небольших матриц через разные объективы. В большинстве случаев для повышения разрешающей способности фильтр Байера не используется, и при необходимости получения цветного или спектрозонального изображения съёмка ведётся четырьмя монохромными камерами за соответствующими светофильтрами.
Щелевые аппараты Такие аэрофотоаппараты осуществляют маршрутную аэрофотосъёмку не покадрово, а непрерывно, по принципу щелевой фотографии. Фотоплёнка с постоянной скоростью перемещается мимо щели, расположенной в фокальной плоскости объектива. При установке щелевого аэрофотоаппарата на носитель эта щель располагается перпендикулярно к направлению полёта. Движение плёнки синхронизируется с полётом таким образом, чтобы её скорость совпадала со скоростью перемещения оптического изображения. Выдержка регулируется не затвором, а шириной щели. Готовый снимок представляет собой сплошной кадр на рулоне фотоплёнки с непрерывным изображением местности, расположенной вдоль всего маршрута. Технология позволяет вести съёмку на малой высоте (50—100 м) и высоких скоростях полёта носителя (более 1000 км/ч), что недостижимо для кадровых аэрофотоаппаратов. Кроме того, щелевые аппараты более пригодны для ночной съёмки, поскольку даже при длинных выдержках дают несмазанное изображение.
В цифровых аэрофотоаппаратах аналогичной конструкции (сканирующих) вместо щели размещена ПЗС-линейка, а изображение формируется в кадровой памяти. Для измерительных целей аэроснимки, сделанные щелевыми аппаратами непригодны из-за геометрических искажений и разницы масштабов, получаемых в направлении полёта и перпендикулярном к нему. Цифровые щелевые камеры позволяют компенсировать искажения обработкой полученных данных специальным программным обеспечением. Достоинством сканирующих цифровых аппаратов является возможность получения цветного и спектрозонального изображения с высоким разрешением. Для этого вместо одной устанавливаются несколько ПЗС-линеек (чаще всего 3 или 4), расположенных за цветоделительной системой. В кадровых цифровых фотоаппаратах на монохромное изображение высокой чёткости накладывается цветное с низким разрешением, снижая информативность дешифровки. Двухщелевые аэрофотоаппараты позволяют вести съёмку сразу в двух разных масштабах или создавать трёхмерную модель местности за счёт параллакса, получаемого при движении самолёта. При этом первая щель фиксирует местность до её пролёта, а вторая — после, с другого ракурса.
Панорамные аппараты