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遥感与航空摄影的历史概述

引言

遥感是一门艺术和科学,它涉及从远处对地球表面物体进行观察和测量。根据这一定义,航空摄影被视为遥感领域的一部分。术语“遥感”最早由美国海军研究办公室的Evelyn L. Pruitt在1960年提出。然而,早在“遥感”这一术语出现前的102年,即1858年,第一张航空照片就已经被拍摄下来。在卫星和微型计算机成为遥感领域的主导技术之前,人们就已经开始从远处拍摄地球表面的照片。这一过程充满挑战,许多人冒着生命危险,为推动该领域的发展做出了巨大贡献。为了更好地理解这段历史,本单元将简要介绍航空摄影的发展历程。

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航空摄影简史:

19世纪

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图1:已知的第一张照片,拍摄于1827年。

在1827年,Joseph Nicephoce Niepce(发音为Nee-ps)据说是拍摄了第一张照片的人。他对石版画非常着迷,但由于自己不擅长绘画,他的艺术家儿子便为他制作了所需的图像。1814年,他的儿子被征召入伍参加滑铁卢战役,Niepce不得不寻找另一种获取图像的方法。最终,他发明了一种他称之为“heliographs”的产品。他的第一张照片(图1)呈现了他工作室窗外的景象,曝光时间长达八小时。由于曝光时间过长,太阳从东向西移动,使得照片中的建筑看起来被从两侧照亮。1829年1月4日,Niepce与Louis Jacques Mande Daguerre建立了合作关系,但这段合作关系仅持续了几年,Niepce于1833年去世。

Daguerre继续他们的工作,并于1839年宣布开发出了一种称为“达盖尔型”的处理过程。早期的达盖尔型照片有几个缺点,其中之一就是曝光时间过长。下面这张照片(图2)就展示了这个问题。这张照片是从一座高楼的屋顶拍摄的,可能被认为是第一张斜角航空照片。拍摄于1839年,照片显然显示的是巴黎白天一条空旷的街道。由于曝光时间过长,移动的物体比如行走的人和移动的马车都没有被记录下来。唯一的例外是一个男人停下来擦鞋(见大图左下角的放大部分)。随着时间的推移,达盖尔型处理过程得到了改进,但最终还是被更新、更好的处理过程所取代。在美国,达盖尔型照片被通俗地称为“铁板照片”。到1851年,英国人Scott Archer开发出了用感光银化合物涂覆玻璃板的过程。这些板被称为“湿板”,并且这个过程将曝光时间缩短到了达盖尔型过程的十分之一。

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图2:1839年巴黎一条看似空旷街道的航空照片。

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图3:1862年Nadar的漫画像。

一旦摄影技术得以确立,就需要一个合适的空中平台来拍摄航空照片。当时唯一可用的平台是气球和风筝。1858年,Gaspard Felix Tournachon(后来被称为Nadar”)从一个系在Bievre Valley上空的气球上拍摄了第一张有记录的航空照片。然而,他最初的工作成果显然已经丢失了。另一方面,他的早期努力在一幅由Honoré Daunier为1862年5月25日出版的《Le Boulevard》准备的漫画(图3)中得到了保留。Nadar继续他的各种努力,以改进和推广航空摄影。1859年,他联系了法国军方,商讨为法国军队在意大利的战役拍摄军事照片,以及利用航空照片制作地图。1868年,他乘坐一个系留气球上升了几百英尺,拍摄了巴黎的倾斜照片(图5)。

1860年10月13日,James Wallace Black在Professor Sam King的气球上,上升到了1200英尺的高度,并拍摄了波士顿市的一部分(图4)。一条缆绳将气球固定在位置上。摄影师Black进行了八次曝光,其中只有一次得到了一张合理的照片。这是现存最古老的航空照片。他在气球的艰难条件下工作,尽管气球被系留,但它一直在移动。再加上当时使用的摄影材料速度慢,很难在无运动的情况下获得良好的曝光。他还使用了湿板,并在每次曝光前在气球上准备它们。在下降以获取更多补给后,King和Black再次上升,他们的目标是不仅覆盖波士顿,还要记录周围的乡村。然而,他们遇到了其他问题。随着他们上升,氢气膨胀导致气球颈部张开更多。这导致气体流向他们的设备,使板子变黑并无法使用。此外,气球起飞了,他们降落在马萨诸塞州Marshfield的一些高灌木中,离起点大约三十英里。显然,气球作为空中平台存在一些问题。

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图4和图5:Black于1860年拍摄的波士顿照片和Nadar于1868年拍摄的巴黎照片。

M. Arthur Batut(图6a)使用风筝拍摄了第一张航空照片。这张照片于19世纪80年代末在法国Labruguiere上空拍摄。相机直接连接到风筝上,配备有一个高度计,可以在胶片上编码曝光高度,从而允许对图像进行缩放(图6c)。一个缓慢燃烧的引信,响应于一个由橡胶带驱动的装置,在风筝发射后几分钟内激活快门。一旦释放快门,就会掉落一个小旗子,表示是时候收回风筝了。Batut于1888年5月拍摄了他的第一张航空照片。然而,由于快门速度太慢,图像不是很清晰(图6b)。在对橡胶带的厚度进行了一些修改后,获得了良好的快门速度。

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图6a-c:Batut,他在法国Labruguiere上空拍摄的第一张航空照片,以及他的风筝,中间安装了相机。

1900-1914年

1906年,George R. Lawrence在地震和火灾后拍摄了旧金山的倾斜航空照片(图8)。他使用九到十七个大型风筝来举起一个巨大的相机(49磅),拍摄了一些有史以来从空中平台获得的最大的曝光(约48 x 122厘米或18 x 48英寸)。他的相机设计得使胶片盘在后面弯曲,镜头在前面低处安装,从而提供全景图像(图7a)。相机被提升到大约2000英尺的高度,一个电控线控制快门以产生底片。Lawrence设计了自己的大型相机,并专门从事航空摄影。他使用梯子或高塔从上方拍照。1901年,他从系在气球上的笼子里拍摄了航空照片。一次,在芝加哥上空200多英尺的地方,笼子从气球上撕裂,Lawrence和他的相机掉到了地上。幸运的是,电话和电报线缓冲了他的坠落;他毫发无损地着陆。他继续使用气球,直到他开发出了一种用无人风筝悬挂相机拍摄航空照片的方法,从他的角度来看,这是一个更安全的平台。他开发了一种方法,可以让Conyne风筝成串飞行,并在各种风力条件下保持相机稳定。他将这个系统命名为“Captive Airship”(图7b)。

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图7a-b:Lawrence的相机和他的一艘“Captive Airship”(空中囚船)。

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图8:Lawrence于1906年拍摄的旧金山照片之一。

1903年,摄影爱好者Julius Neubranner设计并专利了一种安装在信鸽胸部的航空相机(图10)。这款相机仅重70克,能够在鸽子飞行的路线上以30秒的间隔自动曝光。尽管信鸽比气球更快,但它们在遵循飞行路径方面并不总是可靠。这些信鸽在1909年的德累斯顿国际摄影展览会上展出。航拍照片制成的明信片在展览会上非常受欢迎。它们在其他博览会和军事侦察中也得到了使用。下面提供了两张样张(图9a-b)。在其中一张照片中,可以看到鸟儿飞越宫殿时翅膀的尖端。

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图9a-b:由鸽子拍摄的航空照片。

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图10:胸部安装相机的鸽子

为了使鸽子能够携带如此小的相机并在一次飞行中拍摄多张照片,需要一种新型胶片和更小的相机系统。在19世纪70年代,George Eastman出生在纽约州上部的农村社区Waterville,他是一名住在Rochester的会计师。在银行工作了五年后,他对工作的单调感到厌倦。1878年,他决定去圣多明各岛度假,重新评估自己的生活。为了记录他的旅行,他购买了一套湿板相机设备。然而,他发现相机和各种暗室设备既笨重又庞大。他需要一辆小马车来携带所有材料和设备,这种安排不适合在度假时拍照。他很快忘记了去圣多明各的旅行,而开始对开发更好的胶片和相机系统产生了兴趣。

1879年,Eastman发现了制造成功胶乳涂覆干板的配方,并建造了一台用乳胶涂覆干板的机器。这些发展导致了卷式胶片的发明。由此产生的印刷品清晰、清晰,无纸纹失真。1889年,他的公司Kodak推出了灵活的赛璐珞胶片,摄影的普及率飙升。他现在需要一台相机来利用这种新胶片。1900年,配备了一个简单的镜头和处理卷式胶片的能力,一美元的Kodak Brownie box相机使Kodak和摄影几乎成为同义词。Eastman不仅革新了摄影领域,还为航空摄影领域的新发展奠定了基础。他的工作在1903年很快得到了莱特兄弟首次成功飞行比空气重的飞机的追随。另一种空中平台出现了。

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图11:Alford Nobel拍摄的瑞典村庄的航空照片

同样在1903年,德国工业家兼工程师Alfred Maul开发了一种火箭系统,用于从空中拍摄照片。这个系统后来被称为Maul Camera Rocket。在Maul之前,有几个人进行了各种火箭试验,但基本上没有发现它们的实际应用。1891年,Ludwig Rahrmann获得了一项将相机附着在大口径火炮或火箭上的方法的专利。他的工作启发了Maul开发他的系统。与此同时,Alfred Nobel(诺贝尔奖获得者)制造了第一架携带相机的火箭。图11显示了Nobel在Karlskoga教区拍摄的瑞典村庄的航空照片。Nobel的火箭相机系统仅在离地面约300英尺的高度拍照,将视野限制在很小的区域。

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图12:Maul的火箭-相机系统的示意图。

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图13:由Maul Camera Rocket拍摄的航空照片。

Maul的相机位于火箭的头部部分,并倾斜向下安装。镜头通过头部的孔洞向下拍摄。火箭配备了翅膀或刀片,以防止其在飞行中旋转和改变方向,从而保持镜头对地面的聚焦。在飞行的最高点,一个定时引信会抬起镜头的快门,同时打开存储在相机下方的降落伞。降落伞逐渐将火箭降落到地面。图12说明了这些步骤,并改编自Maul的1904年美国专利设计。

1904年,Maul Camera Rocket在大约1900英尺的高度拍摄了一张北德风景的照片(图13)。从一开始,人们就考虑将这项技术用于军事目的。1906年8月,在德国射击场,军事观察员面前进行了秘密测试。测试后,他于1907年开发了配备陀螺仪稳定装置的平板相机,以确保飞行稳定和图像清晰。接下来,火箭相机系统在1912/1913年的土耳其-保加利亚战争中由奥地利军队测试,作为侦察手段。由于飞机在拍摄航空照片方面更为有效,因此该系统在1913年后没有继续开发。

第一次世界大战

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图14和图15:第一次世界大战期间的航空摄影师和法国机场。

在第一次世界大战初期,交战双方的军队都认识到了使用飞机进行侦察工作的价值,但并没有完全意识到航空摄影的潜力。最初,航空观察员乘坐双座飞机,与飞行员一起进行空中侦察,通过绘制草图地图和口头上传达地面情况。他们报告敌人的位置、补给和行动;然而,一些观察员倾向于夸大或误解情况。在某些情况下,他们的观察是基于对错误军队的观察。从高处辨认一名士兵与另一名士兵并不容易。有一次,一名德国观察员指出,一个英国部队四处乱跑,似乎处于恐慌状态。而实际上,英国士兵是在踢足球。

一些英国观察员开始使用相机来记录敌人位置,并发现航空摄影比绘图和观察更容易、更准确(图14)。航空观察员变成了航空摄影师(图15)。很快,所有参与冲突的国家都开始使用航空摄影。1915年纽维尔-夏普尔战役中双方使用的地图都是由航空照片制作的。到战争结束时,德国和英国每天至少两次记录整个前线。两国都拥有最新的敌人战壕建设记录(图16)。英国估计,其侦察机在战争期间拍摄了五十万张照片,而德国计算,如果将其所有航空照片并排放置,它们将覆盖全国六次。战争带来了相机质量的重大改进;在15000英尺(4572米)高度拍摄的照片可以放大显示泥地上的脚印。

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图16:1916年7月31日在2000英尺高度观察到的战壕发展情况。

1920-1939年

到第一次世界大战时,飞机的发展已经成熟,可以用于空中侦察。然而,由于快门速度相对于飞机速度来说太慢,从飞机上拍摄的航空照片往往高度失真。战争接近尾声时,Sherman M. Fairchild开发了一种将快门置于镜头内部的相机。这种设计显著减少了失真问题。此外,相机的胶片仓可以防止照片间距不均。Fairchild还设计了一个间隔定时器,允许以任何间隔拍摄照片。这些发展结合在一起,使得Fairchild相机成为当时最好的航空相机系统(图17)。经过改进,Fairchild相机在接下来的五十年里一直是最受欢迎的航空相机系统。

与Eastman一样,Fairchild出生在纽约州北部的一个小城Oneonta。他的父亲George W. Fairchild制造时间钟和计算器。他的公司与另外两家公司后来合并成为IBM,George Fairchild成为公司的第一任总裁。他还曾在美国众议院任职十二年。在开发相机的初期,Fairchild得益于他父亲的财富和影响力。

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图17和图18:Fairchild的航空相机系统,用于垂直摄影并配备自动操作设备。右侧是间隔定时器,前景是取景器。右侧是曼哈顿岛航空地图的一部分。

尽管到1920年,Fairchild已经建造了一种优于以往任何产品的航空相机,但战争已经结束,军方除了两个训练模型外,不愿意投资于这种相机。他将注意力转向将他的相机系统用于非军事目的。1921年,他拍摄了一系列100张重叠的照片,制作了曼哈顿岛的航空地图(图18)。这张航空地图是他第一次真正的商业成功,被纽约市的几个机构和商家使用。1922年,新泽西州的纽瓦克与他签约,绘制其湾区地图。康涅狄格州的一个小镇通过航空地图发现了1800栋不在其税册上的建筑,而另一个小镇East Haven想要重新评估其财产,但发现进行地面调查需要五年时间和8万美元。Fairchild在60天内完成了这项工作,成本为7000美元。加拿大公司Laurentide Paper and Pulp雇用他来调查加拿大大片无法进入的森林地区。在第一年内,510平方英里的区域被绘制了地图。Fairchild证明航空摄影有许多非军事用途,并且可以成为一项成功的商业冒险。到1930年代中期,Fairchild Aerial Surveys成为美国最大、最成功的航空摄影公司。

Fairchild发现有必要进入飞机制造领域,以获得一个良好的稳定的空中平台。开放式座舱的双翼飞机完全不能令人满意。他生产了高翼单翼机,带有一个封闭、加热的驾驶舱,以保护相机设备以及摄影师和飞行员免受恶劣天气的影响。他现在有三家公司,一家生产航空相机,一家进行航空测量,第三家建造适合进行航空摄影的飞机。Fairchild出色的相机设计和他对航空摄影的坚定承诺使航空制图达到了完全成熟。在他1971年去世之前,他看到了他的相机被安装在阿波罗15号、16号和17号上,当宇航员探索月球表面时,他的相机绘制了月球地图。

除了Fairchild在第一次世界大战和第二次世界大战之间的成就之外,在这一时期,遥感领域还发生了其他几项重要的发展。这些发展如下所述。

  • 1920年代 - 第一本关于航空照片解释的书籍出版了。Reeves的《航空照片:特征及其军事应用》于1927年出版,紧随其后的是Winchester和Wills的《航空摄影:其实践和发展的全面调查》以及Pendleton的《从航空照片编制地图》,这两本书都在1928年出版。McKinley的《应用航空摄影》在1929年问世。

  • 1924年 - Mannes和Godousky为他们关于开发多层彩色胶片的研究申请了专利。他们的工作导致了Kodak在1935年生产了Kodachrome。Goddard是1937年首批使用彩色胶片进行航空摄影的人之一。直到第二次世界大战之后,彩色胶片才广泛应用于航空摄影。当时胶片速度太慢;设计用于纠正色彩的相机镜头并不容易获得;存在大气雾霾问题;而且胶片处理不一致。

  • 1920-1930年代 - 在这一时期,对航空摄影和平用途的兴趣增加了。超过三分之二的美国大陆地区已经进行了航空摄影,其中大部分是在三十年代后半期完成的。三个联邦机构,即土壤保持服务局、农业调整管理局和林业局,承担了大部分航空摄影工作。其他参与航空摄影工作的机构包括美国地质调查局、田纳西河谷管理局、海岸和大地测量局以及陆军航空兵团。

  • 1934年 - 十二个人在华盛顿特区会面,并从这次会议中成立了美国摄影测量学会。该学会的期刊《摄影测量工程》同时创立。今天,该学会被称为美国摄影测量与遥感学会,其期刊已更名为《摄影测量工程与遥感》。

  • 1935年 - 在南达科他州拉皮德城附近的斯特拉托碗发射,气球“探险家二号”携带了上尉阿尔伯特·史蒂文斯和奥维尔·安德森以及一系列仪器,达到了72,395英尺(22,066公里)的世界纪录高度。由全国地理学会赞助,这次飞行最引人注目的成功之一与航空摄影有关。首次拍摄了显示对流层和平流层之间分界以及地球实际曲率的照片。此外,还拍摄了南达科他州及其周边各州的壮丽照片。

第二次世界大战

第二次世界大战带来了航空摄影领域的巨大发展和认可,这一趋势一直持续到今天。1938年,德国总参谋长瓦尔特·冯·布劳希奇将军说:“拥有最佳航空侦察的国家将赢得战争。”到1940年,德国在航空侦察方面领先于世界。然而,在冯·布劳希奇去世后,德国的航空情报质量下降了。当美国于1941年参战时,它基本上没有军事摄影解释的经验。到战争结束时,它拥有世界上任何国家中最好的摄影解释能力。1945年,美国太平洋两栖部队司令小约瑟夫·F·特纳海军上将表示,“摄影侦察一直是我们在太平洋地区的主要情报来源。其重要性怎么强调都不为过。”

在第二次世界大战期间,航空摄影侦察和解释的众多应用无法在这篇教学模块中充分涵盖。因此,只提供一个例子。佩内明德是德国用于火箭和喷气式飞机开发的实验站,位于波罗的海沿岸。1937年,沃纳·冯·布劳恩和他的火箭团队被转移到佩内明德。在这里,经过六年的艰苦工作,冯·布劳恩和他的团队开发了A-4火箭。1942年10月3日,A-4火箭成功发射,达到了六十英里的高度。这是世界上第一次发射弹道导弹,也是第一枚进入太空边缘的火箭。1943年,A-4被下令投入生产,并更名为V-2。不久之后,V-2火箭被发射到英格兰。

1942年底,英国秘密情报局得知佩内明德正在开发一种新型火箭。1943年6月23日,一架航空摄影侦察飞机被派去,获得了第一张V-2火箭的照片(图19)。这张航空照片展示了德国测试中心的试验台VII,以及位于测试发射区内的V2火箭及其拖车。它还显示了相邻建筑物顶部可能的防空炮位置。1943年8月17日和18日,英国派出轰炸机前往佩内明德,不是一般地轰炸该设施,而是根据之前获得的优秀航空摄影,选择了精确的目标。轰炸后,第二架航空摄影侦察飞机被派去获取照片,以评估损害程度(图20)。

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图19和图20:左图是1943年6月23日拍摄的佩内明德V-2火箭测试发射场的照片。右图是在轰炸行动后拍摄的照片。

1950年代

在1950年代,航空摄影继续从第二次世界大战和朝鲜战争开始的工作中发展。彩色红外摄影在识别不同类型的植被以及检测患病和受损植被方面变得重要。多光谱成像,即在电磁谱的不同部分同时拍摄图像,正在测试不同的应用。雷达技术沿着两条平行的路径发展,即侧视空载雷达(SLAR)和合成孔径雷达(SAR)。西屋电气公司和德州仪器公司为美国空军完成了大部分这项工作。

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图21:U-2侦察机降落。

1950年代,随着冷战的加剧,美国和苏联之间的紧张关系日益紧张。美国需要知道苏联有多少导弹、飞机和其他军事硬件,以及它们的位置。传统的军用飞机无法在不被击落的情况下飞越苏联,而卫星技术尚未开发。1950年代中期,在加利福尼亚州伯班克的洛克希德“臭鼬工厂”,Clarence L. “Kelly” Johnson为中央情报局建造了U-2侦察机(图21),代号为AQUATONE。在苏联断然拒绝了他的“开放天空”计划后,艾森豪威尔总统授权了“越境飞行”行动——对苏联的隐蔽侦察任务。该计划本允许两国的飞机公开飞越对方的领土。五年来,U-2的相机拍摄了苏联境内的洲际弹道导弹测试基地和空军基地的照片,飞行高度超过70,000英尺,使飞机无法被触及。来自飞机的航空摄影证明,美国和苏联之间不存在之前怀疑的轰炸机或导弹差距。最终,在1960年5月1日,一架U-2被击落,飞行员弗朗西斯·加里·鲍尔斯被逮捕并送往苏联监狱。尽管U-2继续在全球范围内用于各种目的,但这一事件象征着使用卫星观察地球表面条件的开始,并建立了“遥感”这一术语。

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