ТЕМА 7-1
.pdfТЕМА 7. ПРИРОДНІ ТА ТЕХНІЧНІ ФАКТОРИ ДЕШИФРУВАННЯ АЕРОКОСМІЧНИХ ЗОБРАЖЕНЬ.
Природні фактори дешифрування знімків
Технічні фактори дешифрування знімків
Вплив різних факторів на достовірність результатів дешифрування
Природні фактори дешифрування зображень
Зображення місцевості на знімках залежить від її оптичних характеристик і визначається набором природних факторів: вигляд ландшафтів; освітленість місцевості; відбиваюча властивість об’єктів; інтервал яскравості ландшафту; період проведення знімання; час проведення знімання; погодні умови; вологість; запиленість атмосфери.
Ландшафти, як сукупність форм рельєфу, гідрографії, рослинності, відкритих ґрунтів і об’єктів соціально-економічного характеру, мають характерний вигляд. Наприклад, гірський, прибережний чи міський ландшафти, де б вони не знаходились не земній поверхні, на зображеннях виглядають однаково. Ландшафти поділяють на локальні (заплави, яри, вулкани, ліси, кратери), регіональні (гори, пустелі, континенти) і глобальні (оболонки планет та їх супутників). Кожен з них має свій специфічний рисунок зображення. Ландшафти утворені господарською діяльністю людини є значно важчими для дешифрування. Такі ландшафти здебільшого розрізняють на локальному рівні (села, міста, кар’єри, штучні ставки, меліораційні споруди, сільськогосподарські угіддя, гольфові поля). На вигляд ландшафтів впливають контраст яскравості – різниця у кількості відбитої променевої енергії та контраст кольорів – різниця спектрального складу світла.
Освітленість місцевості – визначається променевою енергією Сонця. Важливими факторами освітленості є час проведення знімання, пора року, кут падіння сонячних променів (наприклад, для топографічного знімання кут падіння променів має бути більший 15º).
Відбиваюча властивість об’єктів – кількість світла, яку відбиває об’єкт
– залежить від спектрального коефіцієнта яскравості, який, в свою чергу, залежить від матеріалу, шорсткості поверхні, кольору, вологості об’єктів. Для порівняння – спектральний коефіцієнт яскравості свіжого снігу 99%, сухого бетону і кам’яної дороги 20%, ґрунтової дороги 15%, сухого асфальту
12%, зеленого листя дерев і зеленої трави 10%, вологого зораного чорнозему
2%.
Інтервал яскравості ландшафту – відношення самого світлого і самого темного об’єкту на знімку. Чим більший інтервал яскравості, тим більша контрастність. Кожен об’єкт ландшафту в залежності від виду (ліс, польова рослинність, гідрографія) має свій інтервал яскравості, який також залежить і від інших факторів, таких як вологість, висота Сонця над горизонтом.
Період проведення знімання впливає на якість отриманого зображення та його дешифрувальні можливості. Знімання лісів найкраще проводити весною, коли можна відрізнити хвойні дерева від листяних і добре проглядається рельєф, або восени, коли теж можна відрізнити хвойні дерева від листяних та визначити породи дерев. У високогір'ях знімання проводять наприкінці літа, коли максимально розтанув сніг. Знімання долин виконують в період відсутності повеней.
Час проведення знімання залежить від освітленості місцевості та її поверхні. Час проведення знімання залежить від освітленості місцевості та її поверхні. В рівнинних районах знімання виконують зранку або ввечері для отримання максимум тіні від мікроформ рельєфу і рослинності. В містах і гірських районах знімання краще проводити ближче до полудня, коли тіні від висотних об’єктів є мінімальні і не закривають собою інші об’єкти.
Несприятливі погодні умови (дощ, сніг, сильний вітер) взагалі унеможливлюють аерофотознімання. У хмарну погоду не бажано проводити знімання рівнинних територій та недоречно виконувати космічне знімання поверхні землі, проте можна виконувати аерофотознімання нижче хмарного покриву гірських територій і міст.
Надмірна вологість підсилює контрастність об’єктів ландшафту – ґрунтів, рослинності. В окремих випадках це допомагає розрізнити на зображенні форми рельєфу – в низовинах, де вологість більша, зображення темніше.
Запиленість атмосфери вуалює контраст та структурний рисунок зображення. Цей фактор часто унеможливлює аерофотознімання над великими містами або на територіях де відбуваються природні катаклізми – виверження вулкану, пилові бурі.
Технічні фактори дешифрування зображень
Дешифрування виконують на матеріалах, отриманих дистанційними методами. Для аерокосмічних зображень – це аерометоди (знімання виконують з атмосфери) та космічні методи (знімання виконують з космосу).
Аерофотознімання виконують з літаків, гелікоптерів та БПЛА. З літаків
(АН-2, АН-30, VulcanAir P68 Observer, Cessna 441 Conquest, Rockwell 690A Turbo Commander) знімання проводять з висот 3000-6000 м. Гелікоптери
(АК1-3 «Слава», AS 355, Arena Robinson R44 Raven II) застосовують для знімань з висот 500-1000 м. В останнє десятиліття для крупномасштабного аерофотознімання невеликих територій застосовують БПЛА (Arrow, М-6-3 «ЖАЙВІР», Trimble, Topcon), отримуючи зображення місцевості з висот 100-
1000 м.
Космічне знімання реалізують з штучних супутників землі та автоматичних міжпланетних станцій (Landsat, WorldView, QuickBird, Habble, Mars Express, Juno). Відстань до об’єктів знімання становить від 200 км до сотень тисяч світлових років. Знімання поверхні Землі та планет для цілей картографування проводять з висот 200-800 км.
Аерокосмічні зображення отримують аерофотокамерами та багатоспектральними знімальними системами (3-DAS-1, UltraCam Eagle, Canon 5D, Pentax Optio A40, Leica DMC III, High Resolution Stereo Camera, Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer, Enhanced Thematic Mapper
Plus) у різних діапазонах електромагнітного випромінювання, застосовуючи пасивний метод – апаратура сприймає тільки відбиті об'єктом ЕМХ та активний – апаратура випромінює і сприймає відбиті об'єктом ЕМХ.
В залежності від діапазону ЕМХ, які сприймає знімальна апаратура, знімання та отримані зображення поділяють на фотографічні, сканерні, інфрачервоні (теплові), радіотеплові, радіолокаційні, лазерні. Кожен з цих видів у процесі дешифрування має свої недоліки та переваги.
Фотографічне знімання виконують в межах видимого та ближнього інфрачервоного діапазонів, фіксуючи відбиті від об’єктів світлові промені фоточутливим елементом (ПЗЗ-матрицею). Недоліки такого знімання – отримання зображень тільки освітлених об’єктів; непрозорість атмосфери (хмарний покрив закриває місцевість); отримання зображення у малому діапазоні ЕМХ. Головна перевага – це отримання зображень у спектрі, в якому бачить око людини, що спрощує процес розпізнавання зображень. Непрозорість атмосфери планет є одночасно і перевагою, адже можливо досліджувати хмарний покрив. До переваг фотографічного знімання також відносять високу детальність (точність) зображень.
За використанням спектру ЕМХ фотографічне знімання поділяють на: інтегральне – фіксування всіх довжин хвиль, які попадають в об’єктив фотоапарату; спектрозональне – фіксування зображення у вузькому наперед визначеному спектральному діапазоні ЕМХ, при цьому отримане зображення буде чітко виділяти ті об’єкти, які відбили саме цей діапазон хвиль; багатоспектральне – одночасне фіксування зображення декількома камерами, кожна з яких отримує зображення у вузькому спектрі (спектрозональне), якщо такі зображення накласти в певних комбінаціях, можна отримати інформацію про об’єкти, які важко або неможливо розпізнати на звичайних фотографіях.
Сканерне знімання – виконують в межах видимого діапазону з захопленням ближніх ультрафіолетових та інфрачервоних ЕМХ. Відмінніс ть від фотографічного знімання полягає у неперервності отриманих зображень (неперервна послідовність ліній). Перевага такого знімання – це можливість сканування у дуже вузькому спектрі ЕМХ (у 5-10 разів вужчому ніж під час фотографічного знімання. Застосовуючи сканерне телевізійне знімання отримують оперативні дані про швидкоплинні процеси на місцевості (метеорологічна ситуація, природні і техногенні катастрофи). Недоліки сканерного знімання аналогічні фотографічному – знімання тільки денної сторони планет, неможливість знімання крізь хмарний покрив.
Інфрачервоне знімання – реєстрація невидимого інфрачервоного (теплового) випромінювання в ближньому та середньому діапазонах. В залежності від структури, кожен об’єкт випромінює і відбиває різну кількість тепла, що дає змогу отримати зображення об’єктів у вигляді різниці температур. За даними реєстрації цього випромінювань можна судити про теплофізичні властивості об’єктів, їх геометричні ознаки, щільність, вологість тощо. Чутливість апаратури становить 2-3ºС, а розрізнення – від сотень метрів до декількох кілометрів. Під час знімання вночі фіксується тільки власна температура об’єктів, а вдень – до власної температури додається температура від нагрівання об’єктів сонячними променями. Зареєстровані теплові промені перетворюють на джерела світла різної інтенсивності відповідно до температур випромінювання, що створює візуальну картинку різниці температур (наприклад, холодніші об’єкти світліші, тепліші – темніші). Недолік інфрачервоного знімання – неможливість отримання зображень крізь хмарний покрив, а недолік самих інфрачервоних зображень – низьке розрізнення.
Радіотеплове знімання – інфрачервоне знімання та надвисокочастотне
– базується на реєстрації випромінювання об’єктами ЕМХ в ультракороткому діапазоні. В даному випадку кількість випромінюваної енергії залежить не тільки від температури об’єкта, але й від його хімічного складу, структури та шорсткості поверхні. Найкоротші хвилі визначають температуру об’єкта, довші несуть інформацію про температуру і вологість поверхневого шару об’єкта, найдовші про ґрунтові запаси вологості (товщина шару дорівнює або кратна довжині випроміненої хвилі). Чим довші хвилі тим нижче розрізнення. Переваги даного методу знімання над інфрачервоним – незалежність від хмарного покриву.
Радіолокаційне знімання – вловлювання ЕМХ мікрохвильового діапазону згенерованих радіолокатором і відбитих від об’єктів. Якщо нерівність поверхні менша за половину довжини хвилі (долі сантиметра), то хвилі від такого об’єкта відбиваються повністю (гладкі об’єкти – темніше зображення). Якщо розмір нерівностей понад пів довжини хвилі, то частина хвиль губиться (розсіюється) і такі об’єкти зображуються світлішими. Тон залежить від розміру нерівностей, їхньої форми, орієнтування щодо променя сканування. Переваги радіолокаційного знімання – незалежність від погодних умов, освітлення і атмосфери.
Лазерне знімання – активне знімання поверхні шляхом неперервної фіксації відбиття від поверхні, яка опромінюється монохроматичним лазерним випромінюванням з фіксованою довжиною хвилі. Зображення отримане цим методом уявляє собою «хмару» точок з відомими просторовими координатами. Застосувавши математичну фільтрацію такої «хмари», отримують класифіковані зображення місцевості – поверхня ґрунту, рослинність, гідрографія, забудова, комунікації. Хоча зображення отримані завдяки лазерному зніманню опрацьовують автоматично, все ж певний відсоток інформації потребує візуального дешифрування.
Щоб отримати якісні зображення з високими дешифрувальними можливостями, обирають параметри знімання: тип знімальної системи; висоту знімання; швидкість польоту носія; поздовжнє та поперечне перекриття знімків.
Тип знімальної системи підбирають згідно: фокусної віддалі і кута поля зору; світлосили об’єктиву; швидкості дії затвору; світлофільтрів; можливості використання просторової стабілізації; параметрів сенсору фіксування ЕМХ. Для дешифрування знімків рівнинної місцевості найкращим є варіант використання короткофокусного ширококутного
об’єктиву (f 100мм), для ландшафтів гір, лісів і міст – довгофокусного вузькокутного об’єктиву (f>100мм). Світлосила об’єктиву впливає на здатність оптики пропускати більшу кількість світла при великих швидкостях носія. Застосування просвітленої оптики покращує насиченість зображення, передачу деталей і оптичних контрастів між об’єктами. Це досягається нанесенням на лінзу плівки, яка менше заломлює світлові промені ніж скло. Швидкість дії затвору (витримку) підбирають згідно параметрів сенсора ЕМХ та швидкості носія. Для сучасних знімальних систем найменша витримка сягає 1/8000 секунди. Світлофільтри дають змогу отримати зображення у певному спектрі, або у широкому спектрі з виключенням тільки деяких. Поляризаційні фільтри дозволяють уникнути на зображеннях відблисків та зменшити вплив задимлення атмосфери. Стабілізація знімальної системи необхідна для виконання планового знімання. Для стабілізації використовують гіростабілізаційні пристрої.
Параметри сенсора ЕМХ підбирають згідно: спектрального коефіцієнту яскравості; розрізнення; світлочутливості; діапазону фіксування ЕМХ.
Спектральний коефіцієнт яскравості залежить від довжини електромагнітних хвиль, що відбиваються від поверхні тих чи інших об’єктів. Коефіцієнт підбирають із спеціальних таблиць, де він розрахований для кожного виду ландшафту і для різних довжин хвиль. Розрізнення залежить від розміру сенсора, який сприймає ЕМХ. Так, найменша елементарна частинка зображення (піксел) для сучасних знімальних систем становить 0,0025-0,0080 мм. При цьому максимальне розрізнення зображень отриманих з космічних знімальних систем сягають 0,5 м на місцевості, а з БПЛА – 0,1 м. Світлочутливість визначає наскільки сенсор ЕМХ чутливий до кількості одержуваного ним світла. Чим вище показник світлочутливості ISO, тим більш чутливий сенсор, і система може робити знімки за менший проміжок часу (витримку). Світлочутливість в сучасних знімальних системах залежить від підсилювача та алгоритму перетворення електричних сигналів і сягає 400000 од ISO. Вибір діапазону фіксування електромагнітних хвиль
залежить від завдань, які будуть вирішуватись за отриманими зображеннями. Для топографічного дешифрування застосовують знімання у видимому діапазоні ЕМХ. Щоб отримати інформацію про вегетацію рослинності, окрім видимого діапазону використовують ближній інфрачервоний діапазон ЕМХ. Зміну температурного режиму світового океану досліджують за тепловими зображеннями. Побачити поверхню планет під густим шаром атмосфери
дозволяє радіодіапазон. А інформацію про згасаючі зорі отримують, вловлюючи рентгенівський діапазон ЕМХ.
Вплив деяких параметрів знімання на дешифрувальні можливості зображень можна передати такими зв’язками: чим менша висота фотографування і більша фокусна віддаль об’єктива, тим більший вертикальний масштаб; чим більша висота фотографування, менша швидкість носія і менша витримка тим менший зсув зображення; чим більше поздовжнє та поперечне перекриття знімків, тим вища точність ототожнення і розпізнавання контурів стереомоделей місцевості.