11.2. 摄影过程摄影测量¶
（在开始这一长页之前，回顾一下第27章第26节中的I-8页可能会有所帮助。）
黑白（B&W）照片首先将感光膜暴露于入射的电磁辐射（光），从紫外线到可见光之间的光谱范围中选择，然后进入近红外。相机的光学系统将目标反射的光聚焦到焦平面（焦平面）上。胶片被平放在焦平面上，光线激活胶片区域中的位置，其空间关系与场景中表面的辐射光子的空间关系相同。记录的曝光是许多变量的函数，其中三个主要变量与场景、相机和胶片有关：
1）场景通常包含各种不同的物体，它们的光谱特征（反射波长）和反射辐射的强度。
2）在相机中，我们可以改变镜头直径d和光圈开口的有效尺寸d。
光圈取决于入射光的光阑宽度。打开/关闭的快门控制光线进入的持续时间。透镜的光学特性随从透镜到焦距最锐利的胶片（焦距，f）的距离而变化。该集光系统可调节胶片响应（ISO，形式上为ASA值）；
3）在薄膜中，其性质不同，例如，它对哪种波长最敏感，在哪种条件下，它最容易发展成负波，然后印刷。
对于大多数相机，我们通常调整的四个变量是：
1）相对于焦平面前后移动透镜，使目标图像在胶片的平面上聚焦；
2）f-stop，定义为f/d，焦距除以透镜开口的有效直径。f值的典型值为f/1（透镜开口与焦距大小相同）、f/1.4、f/2（透镜开口是焦距的一半）和f/2.8至f/22。分母增加约2的平方根（1.414…），因此f/d的每减少一次（即分母增加），会导致接受的光的数量减少2倍。因此，f值随着透镜直径的减小而增加，因此我们拍摄低f值光圈（如f/2）的暗场和高f值光圈（如f/32）的亮场。
3）控制胶片曝光时间的快门速度（通常按1/2000、1/1000、1/500、1/250、1/30、1/15、1/8、1/2、1/1、2、4….的顺序，以秒为单位）；
4）胶片速度，即胶片响应的曝光级别。ISO（ASA）评定薄膜性能。高ISO数字指的是“快速”胶片（高速），例如ISO 1000，它需要较少的辐射（因此，较短的曝光时间或较小的光圈）来实现给定的响应。慢”胶片，例如ASA64，需要更长的曝光时间或更大的光圈，但提供更高的分辨率。对于航空胶片，更常用的是AFS（航空胶片速度）。
曝光的一个一般方程是：
E= SD 2 /（4F） 2 ）
在哪里？
E=暴露（焦耳（J）mm）-2
S=固有场景亮度，单位：J mm-2 秒 -1
d=透镜开口直径（mm）
t=时间（秒）
f=透镜焦距，mm
（见Lillesand&Kiefer，1994年第6章）。这些变量中的任何一个或组合的变化都会引起光响应特性的变化。这些差异是有利的，我们通过调整一个或多个相机设置来启动它们。
10-5: Given a camera in which you maintain control of the focal length, exposure time, and F-Stop (the old-fashioned or professional kind, not like those today that have automated the adjustment of these settings), and assuming it has a built-in light meter, enumerate the steps you would take in getting ready to take a picture of a) a nearby person, and b) a distant mountain range, on a sunny day and again near sunset. `ANSWER <answers.html#10-5>`__
黑白胶片由底材或底材组成，底材或底材由明胶组成的乳剂包裹，明胶是由卤化银（通常是氯化银、氯化银）和波长敏感染料嵌入的微小晶体。染料对电磁波谱段的辐射作出反应，如紫外线、可见光和可见/近红外。特殊胶片对来自较短或较长波长的光子作出反应；例如，X射线胶片。当许多光子撞击卤化物晶体时，它们会从一些银（Ag）原子中打出松散的电子，使它们电离。因此被激活的电子数取决于辐射的亮度（强度）。我们可以通过在镜头上使用滤色片来控制光谱范围的一部分。这些滤光片接受来自光谱有限部分的辐射。这个过程是一个光化学反应，它将卤化物颗粒调节为随后的化学变化，形成一个中间的潜在图像（不可见，但在我们显影时就可以出现）。
显影首先将薄膜浸入特定有机化学品的碱性溶液中，该溶液中和电子并将Ag+离子还原到细小的黑色银金属颗粒中。在一定体积内，这种金属颗粒的数量决定了薄膜（负）密度。对于接收更多光照的部分乳剂，胶片的密度（黑暗）更大。在显影过程中，必须在某一点用酸性停止浴来停止离子的转换。我们去除薄膜中因化学固定体积而未显影的任何卤化银，因为很少曝光（较少的光子）最终会产生最小的银颗粒，因此在底片中会呈现出光亮和透明。我们可以通过改变溶液强度、显影剂温度和每个处理步骤中的时间等变量来控制和修改显影过程，从而控制负显影中的相对密度。
接下来，我们必须使用负片来制作一个单独的正片黑白印刷品，其中暗色对应场景中的较暗区域，浅色对应灯光区域。我们在印刷过程中这样做。印刷品（或透明胶片）由乳剂组成，由纸张作背衬。我们把白光通过底片照射到印刷材料上。清晰的区域允许充足的光线通过和冲击打印，从而产生高密度的暗（富银）色调。因此，最初来自目标的低水平光子（相对暗）最终会产生一个由许多银颗粒组成的打印图像，使受影响的区域变暗。反过来，明亮的目标区域，由防止光线通过的负片中的深色区域表示，在印刷品中表示为浅色（白色到浅灰色）色调（少量银，因此纸张的白度保持不变）。再一次，我们可以通过改变与上述相同的变量，通过修改曝光时间，使用具有特定辐射响应的打印纸，以及使用具有不同光谱响应（最大限度地减少某些波长的通过）或光传输的滤光片，来控制开发过程中灰色的相对水平或增加黑暗。锡安因此，我们可以选择不同的平均色调水平的印刷品，而且，更重要的是，我们可以调整灰色（色调）的相对水平，以呈现一种图像表达，称为对比度。对比度决定了具有可变颜色和亮度的场景是显示为平坦的，还是显示有助于识别特征的宽范围明暗区域。对比度是密度与曝光对数值的比率。我们可以在Hurter-Driffeld（H-D）曲线中绘制这个比率，这是一条直线，在一系列曝光中具有一个倾斜角度，但在高曝光和低曝光时会变成曲线。
我们可以在将黑白胶片转换成多光谱图像的条件下曝光它们。我们通过在曝光过程中通过有限波长范围的滤色片（带通滤色片）来实现这一点。如我们在CH27_第26章中所解释的，例如，红色滤光片主要通过可见光谱中红色区域和附近区域的辐射。红色物体会产生高曝光，在底片上以暗色调出现，在黑白照片上以浅色调重新出现，或在彩色正片上以红色重新出现。我们在下面的段落中描述了为什么这与黑白电影的反应如此不同。绿色在黑白多光谱图像中显示为黑色，代表红色区域，在彩色多光谱图像中显示为深绿色或淡绿色。我们可以将不同色带的多光谱正透明胶片用几种滤色片投射到彩色打印纸上，以产生自然色或假色复合材料，如第27章简介所述。
我们如何使用彩色胶片制作彩色图像涉及到一些不同的概念，尽管许多相同的因素和机制仍然有效。从红色、绿色和蓝色这三种加色原色开始，或者从黄色、青色和洋红这三种减色原色开始，我们可以利用加色或减色的原理来制作其他颜色。看看这些图表：
加色模型 |
减色模型 |
表：颜色模型
当我们将原色重叠在一起时，颜色添加就起作用。例如，如果我们在白墙上的同一点上发出绿光和红光，我们会看到一些橙色或黄色的阴影，这取决于红色和绿色照明的相对强度。如果我们在光斑上加上第三道蓝光，我们会看到白色或灰色。电脑显示器就是这样工作的。要创建一种颜色，我们通常可以选择一个介于0和255之间的数字，以指示我们需要的三种原色中每种原色的数量。如果我们的显示板有足够的内存，我们将有2553（16581375）种颜色可供选择。
在减色法中，我们使用过滤器来去除颜色。例如，黄色滤光片会去除除黄色以外的其他颜色，青色和洋红滤光片也是如此。如果将这三个滤光片叠加在一起，几乎看不到或几乎看不到可见光，则会产生黑色或深灰色的结果。通过组合减法原色对，我们可以创建每一种加色原色。洋红和黄色产生红色。什么对应青色和洋红，黄色和青色？
减色原理适用于彩色感光胶片。该膜由含有氯化银的乳状液层组成，经光敏染料处理，每一层对有限的波长范围作出响应。这些层在开发期间充当减法过滤器。因此，胶片的每一层都对场景光谱的不同部分做出响应。这些层分别堆叠如下：顶部是蓝色敏感层，然后是黄色过滤层（以屏蔽紫外线和蓝色进入下一层；下图中省略），最后是绿色和红色敏感层。
来自F.F.Sabins，Jr.，遥感：原理和解释。第2版，1987年。经纽约市W.H.Freeman&Co.许可转载。
参考上图，当红色阴影穿过对青色敏感的颜色层（蓝绿色，对红色的互补色；任何主色和对色补色之和始终等于白色）时，其吸收激活该层中的染料/银颗粒，在相关的区域产生负青色色调。以红色物体在现场。在彩色胶卷中，三个减色层堆叠在一个透明的基面上（第四层用于特殊目的，如下所述）。为了指导您通过生产其他颜色进行推理，请检查此示意图：
来自F.F.Sabins，Jr.，遥感：原理和解释。第2版，1987年。经纽约市W.H.Freeman&Co.许可转载。
因此，以类似的方式，来自蓝色物体的光与黄色层反应，产生黄色阴影（红色和绿色构成了这一互补色），使其在底片上的区域。为了测试您的理解，从图中，设置绿色对象的响应（洋红，蓝红色，是红色和蓝色的混合体）。这里有一个显而易见的规则：
10-6: To test your understanding, from the above diagram, you set up the response for green objects (magenta, a bluish-red, is a mix of red and blue). Also look at the diagram just below. No doubt you can see an obvious rule working here: devise it. `ANSWER <answers.html#10-6>`__
来自F.F.Sabins，Jr.，遥感：原理和解释。第2版，1987年。经纽约市W.H.Freeman&Co.许可转载。
如图中所示，每种原色都会激活与之相对的包含减色的层。其他一些规则或观察适用：
1）给定的原色不会直接激活其他两个胶片层。
2）注意黄色+洋红=红色。红色是这些减法颜色中的一种，蓝色和绿色被过滤掉。同样的原理也适用于其他两种减色组合。
3）白光曝光底片上的三个减影层。这三层的总和（右边颜色图的中心）是黑色的。相反，黑色（没有光）物体在三层胶片上产生一个清晰（没有颜色）的区域。
4）我们必须在黄色层下面插入第四层特殊的黄色滤光层，因为下面的红色和绿色敏感层中的染料对蓝色也很敏感，这层滤光层在显影过程中会过滤掉，然后溶解掉。
要了解如何进行彩色打印，请遵循以下一组参数：当白光通过彩色负片开始打印时，青色区域通过打印胶片的青色层（称为正片或反转片）传输该光，而不是通过洋红或黄色区域，使每一个区域都曝光，使其呈现其颜色。由于黄色和洋红的总和是红色的，所以在显影过程中，底片上青色区域的打印胶片是红色的。同样的推理也适用于洋红和黄色区域的负，从而产生绿色和蓝色。如果底片的黄色和洋红占据两个叠加层上的相同区域，结果将是绿色+绿色？=黄色，以此类推，用于其他非原色。重申一下，蓝色从蓝绿色的负激活，首先是黄色层（对蓝色敏感，被吸收），然后是洋红层（对绿色敏感），但蓝绿色底层没有被蓝绿色光（通过）敏化，在发育过程中变得清晰。我们可以为其他两种颜色分别定制这一声明。
我们可以通过类似的颜色反转技术生成彩色透明胶片，但不需要底片。首先，我们开发暴露的透明胶片，使其最初在三种颜色的乳剂层中的每一层起到负图像（将敏化的氯化银/染料转换为彩色颗粒）的作用。然后，我们将薄膜重新暴露在白光下，以形成任何残留的卤化银。这种潜在的阳性图像，然后化学耦合或结合彩色染料，以产生一个积极的彩色图像在每一层。接下来，我们在漂白剂中处理薄膜，在不影响染料的情况下，漂白剂将银转化为可溶性盐并去除未使用的染料耦合器，同时去除最初的黄色过滤层。红色主体在绿色和蓝色敏感层上形成洋红色和黄色图像图案。当白光通过这种透明度投射时，黄色和洋红层分别吸收蓝色和绿色，允许红色出现在投影图像中，红色在空间上应该是。（其他颜色也一样。）
其他的色彩制作系统也已经设计出来了。这里简要提到的是IHS系统，其中：
i=颜色强度或亮度，
H=由主导波长组成的色调，从相邻波长的有限范围中平均。
S=饱和度，颜色相对于灰色的纯度。
该系统对优化和增强颜色表示的可控转换（计算机辅助）非常敏感。
现在让我们从摄影测量的光谱部分转到空间部分。前面提到的比例，只是将照片或地图中的对象或特征的尺寸与目标中的实际尺寸进行比较。我们以多种方式陈述比例，例如“六英寸到一英里”、“1/20000”，以及最常见的“1:2000”。这意味着分子（图像或地图）中的一个测量单位等于分母（场景）中该单位的规定数量。因此，1:2000简单地说，照片中任何长度单位（如英寸）中的一个对应于地面或空中2000英寸（云）。或者，一厘米等于20000厘米。”6英寸到1英里”在照片中表示6英寸在现实世界中代表63360（5280英尺x 12英寸/英尺）英寸，但我们可以进一步将其减少到1:10560，因为6和63360可以被6整除。请注意，如果我们放大或缩小给定比例的照片，例如将其作为透明度投影到屏幕上，则屏幕上的一英寸不再对应于相同的分母数，而是表示由放大系数确定的其他比例。但是，有效分辨率、覆盖面积和相关细节保持不变。
根据这个方程，我们确定了航空照片的比例，用移动平台的高度和照相机的焦距表示为其代表性分数（rf）：rf=f/h * 在何处 * =h-h，其中h=高度（参照海平面的高度），h是地面上参考点的高度，因此h-h是平台和点之间的距离（假设地面平坦；在崎岖地形中，比例实际上随海拔变化）。我们还可以证明，rf与分辨率和距离比成正比，如rf=rg/rs=d/d所示，其中rg是地面分辨率（每米线对；见下文），rs是传感器系统分辨率（每毫米线对）；d是照片中两点之间的距离，d是这些点之间的实际距离。在地面上（尺度的定义）。
还有几个问题将有助于掌握这些想法。
10-7: A map has a scale of 9.0 inches to the mile. What is the denominator of the RF? `ANSWER <answers.html#10-7>`__
10-8: Two points appear on a map 1.75 inches apart. The actual horizontal ground distance between the two points is 1108.0 meters. What is the denominator of the scale fraction (RF) for this map? `ANSWER <answers.html#10-8>`__
10-9: Points A and B are 2.2 inches apart on a map having a RF = 1/20000. They are 6.83 inches apart on an airphoto. What is the scale of the airphoto? `ANSWER <answers.html#10-9>`__
10-10: A vertical airphoto is taken from a flying height of 5000 ft relative to the ocean with a camera having a focal length of 6 inches. The flat surface is 1000 ft above sealevel. What is the RF for the resulting photo? `ANSWER <answers.html#10-10>`__
10-11: An aerial camera has a 9 1/2 inch square film format and a 6 inch focal length lens. What must the flying height (in meters) be to obtain a scale (RF) of 1/2000? `ANSWER <answers.html#10-11>`__
我们可以解释F和H的作用。 * 此外，借助下一张图表，尽管在光学方面不完全正确，并简化为二维，但它确实允许我们可视化焦距和平台高度变化的影响：
|显示改变传感器焦距和平台高度如何影响生成的照片图像的图表。|
像1-1“或A-A”这样的线是穿过透镜的光线，L.G是地面。A'位于焦距为f'的焦平面（保持胶片），A“是该平面移动到f的新值”。对于透镜L现在处于较低高度的情况，“”是焦平面的位置。地面上的一条线，A-B，穿过透镜，L，聚焦于平面A’，因此，它的胶片尺寸为B’-A”（注意，它在位置上是颠倒的，但这并不重要，因为我们可以翻转透明底片）。当我们把焦距延长到f“把焦点放在a”上时，b“-a”扩大到b“-a”。接下来看看当我们将相机（和飞机）降到A“'位置时会发生什么：在这个新的排列中，A-B（其中L，镜头相对于胶片的位置与情况1的距离相同，因此焦距或焦距再次为f’，即f“=f”），现在表示为b’’-a’’，在这些情况下，它甚至比b“-a”长。“。在这些情况下，胶片的帧大小（二维简化中的x-y）保持不变。因此，当x-y位于a“位置时，图像中的部分会因外部零件的损失而减少，而b”-a“占据了更大的部分。在“A”的情况下，显示所有1-2所需的胶片尺寸更大，因此X-Y现在包围的场景更小。“A”图像保持在X-Y极限，其比例大于“A”图像，而“A”图像也更大。请记住，G行上显示的尺寸为地面尺寸，而A’、A”和A”中的尺寸为胶片尺寸，通过照片的比例相对于地面距离减小。
我们用助记法总结这些关系： long is large/low is large and large is small . 我们把它解释为：当我们拉长焦距或降低平台时，刻度变大（分母变小）。一个大（R）尺度的图像覆盖一个小（ER）地面区域（分辨率提高）。为了了解比例如何影响场景内容，您可以返回上一页中我们联机提供的各种照片。每一张的比例都印在旁边。
分辨率有一个普遍的意义，但最好从技术角度来定义。我们通常认为分辨率是分离和区分场景中相邻对象或项目的能力，无论是在照片中还是现实生活中。我们根据我们能辨别的最小特征来指定分辨率。但是，对比度影响分辨率。如果两个项目是相同的颜色，它们可能很难分开，但如果它们在颜色、色调或亮度上有明显的不同，我们可以更容易地识别它们。形状也是一个因素。因此，对分辨率的严格定义依赖于将目标中相邻的黑白相间的细线分开的能力。在实验室里，胶片的分辨率是通过在白色背景（或背面）上拍摄含有不同间距的黑线的标语牌大小的图表来确定的。然后，分辨率是最小的间距，在这里我们可以区分对。
我们可以在场景中放置这样的目标（例如，在混凝土机场跑道或道路上绘制不同间距的黑线），以确定空中条件的分辨率。地面分辨率是在一定宽度（通常为一米）内的黑白线对的数量，我们可以从在特定高度拍摄的航空照片中辨别出来。根据相机、胶片分辨率和平台高度（系统），在照片中，这对将混合视觉（不可分辨）或可分辨。我们表示系统解决方案， rs ，（其中我们结合了传感器和胶片因素的影响）在印刷品中的线对/mm。地面分辨率公式， rg ，（线对/米），仅适用于可分离地线，为：rg = f x rs/H . 一个典型的例子是透镜焦距为150毫米，系统分辨率为60线对/毫米，高度为3000米，因此rg为3线对/米。从关系式1线对/rg=1线对地面上的宽度，该宽度为0.33 m（每条线是该值的一半）。这意味着，如果与周围环境形成对比，机载摄像机可以使用具有适当分辨率的胶片解析地面上尺寸为0.165 m（约6.5英寸）的物体。如果飞机飞得更高，照相机就无法探测到这个大小的物体。
10-12: Given a camera with the focal length of 9 inches, capable of a photo resolution of 15 line-pairs per millimeter, when flown at an altitude of 12000 ft, what is the equivalent resolution on the ground. `ANSWER <answers.html#10-12>`__
10-13: What is the photo (system) resolution obtained when a camera with focal length of 120 mm is flown at an altitude of 6000 meters; the line-pair in a calibration target on the ground has a spacing of 4 line-pairs/m. `ANSWER <answers.html#10-13>`__
胶片（底片和印刷品）的分辨率部分取决于银粒的尺寸分布。在Landsat_的多光谱扫描仪/专题测绘器（MSS/TM）和其他电子传感器中，图像分辨率与像素大小或电荷耦合探测器（CCD）阵列（如现场）中单个探测器的尺寸密切相关。乍一看，我们似乎无法分辨小于单个像素/探测器所代表的地面尺寸的物体。但是，如果地面上的子分辨率点的光谱特性与周围区域有足够的差异，它们会影响像素的平均亮度，从而使该点在图像中可见。其中一个例子是比30米（98英尺）TM像素更窄的道路，但在TM图像中却非常明显。
在航空照片中，当我们从主点（光学中心，通常在最低点或垂直于平面）的地面点观察特征时，也就是说，沿着倾斜方向，它们可能看起来偏离中心，特别是当它们很高（如建筑物）或地势很高时。如果飞机低空飞行以获取大规模照片，这种失真会更严重。这是一种位移，在哈里斯堡一个社区1:4000的航拍照片（见第10-1页）的边缘很明显。在第11节中，我们考虑了其他位移模式，如沿不同角度斜坡的图像点的明显横向运动，该节探讨了立体观测和摄影测量制图相关的三维方面。
我们可以在白天的任何时候执行空中摄影任务，但通常发生在上午10:00到下午2:00之间（在夏季，以避免午后风暴）。通常情况下，飞机沿前后飞行线穿过要拍摄的区域，并以允许连续照片之间约50%重叠和线之间20%至50%侧重叠的间隔获取照片。照相机通常安装在飞机的下面，靠近它的鼻子。摄像机中的胶片以与飞机速度同步的时间间隔自动前进。特别是在彩色照片中，也包括黑白照片中，大气散射的蓝光和紫外线可能会降低胶片图像的质量。我们可以通过使用能吸收紫外线和最短可见蓝色波长的薄雾滤光片来减少这种降解。
美国国家航空航天局有一个稳定的支持飞机，可以操作各种传感器，包括照相机，以收集遥感实验的地面参考数据（见第13节讨论这一点）。在U-2飞行中获得的一个小比例图像（约1:150000）的例子，它在犹他州上空18000米（59000英尺）的高度（分辨率约5米）上运行，关闭了这一部分的航空摄影。
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表：犹他州格林河U-2照片
对于有兴趣观看更多空中类型照片的人，包括某个家庭地区的人，请访问由微软赞助的名为“TerraServer”的在线网络主页。从美国地质调查局收集的数据中，对美国大部分地区的航空影像，无论是单独的照片还是正射影像四分体的剖面，都进行了数字化处理。它们的分辨率在2米到12米之间。用KVR-1000相机（分辨率：2米）拍摄的几颗俄罗斯卫星的图像显示了世界其他地区，主要是欧洲。他们将这些数据作为其spin-2计划的一部分在世界范围内销售。所有照片都是黑白的。
当然，我们在这两页中应用到航空照片的原则在许多方面也适用于空间图像。以前主要用航空照片绘制的地图现在几乎可以用航天产品绘制。主要缺点是分辨率，随着高分辨率军事图像的解密，以及目前正在飞行的卫星或可预见的未来在绘图板上的分辨率不断提高，这种局限性正在迅速消失。正如我们将在下一节中看到的，从空间中收集与三维表面变化相关的数据的能力允许地图社区基本上复制所有的优势，一旦排除在航空摄影之外。