III. Дистанционные методы изучения природных ресурсов
Аэрокосмические съемки (Кафедра акс)
Сенситометрические испытания фотопленок. Сенситометрическая оценка качества изображения аэрофильмов.
Структурные характеристики фотоматериалов. Резкость фотоизображения. Разрешающая способность фотоматериалов. Функция передачи модуляции (ФПМ) фотоматериалов.
Разрешающая способность - способность оптических систем создавать раздельное изображение двух близко расположенных точек объекта. Оценивается по наименьшему расстоянию между двумя точками, при котором их изображение еще не сливается. Фотографическую разрешающую способность фотообъектива характеризуют наибольшим числом параллельных штрихов, которые данный объектив может воспроизвести на отрезке длиной 1 мм.
Производители сканеров часто под разрешением понимают число чувствительных элементов, приходящихся на 1 дюйм сканируемого изображения.
Штрих вместе с ближайшим интервалом называется линейной парой.
Разрешающая способность объектива обычно оценивается, как число различимых линейных пар на миллиметр, что часто записывается как число штрихов на мм. В телевидении и физической оптике часто считают общее число штрихов, считая, что черная и белая линии - это два штриха. В этом случае предельно достижимое разрешение совпадает по значению с числом пикселей изображения или с числом чувствительных элементов на единицу длины. Для сравнения изображений разного размера иногда рассчитывается число штрихов, которые могут быть воспроизведены на всем кадре.
Рассмотрим потенциальные возможности использования системного критерия для анализа отдельных взаимосвязей различных этапов обработки картографической информации и анализа возможных вариантов построения систем. В данном случае в качестве примера используем дистанционный метод получения картографической информации с применением аэросистем. На рис.3 представлена блок-схема вышеуказанного случая получения картографической информации (использование аэрофотосистемы). Эта блок-схема является развернутым вариантом соответствующей части блок-схемы (рис.2), более подробно раскрывающим внутренние взаимосвязи в системе.
Все требования к выходной картографической информации определяются заданным масштабом карты (блок 2). Одним из основных параметров аэросъемки (при условии заданного угла зрения объектива АФА) является масштаб съемки (блок 3), который в существенной степени определяет экономическую эффективность всего процесса аэросъемки. На величину этого параметра решающее влияние оказывает качество изображения (блок 4). Соотношение получаемого качества изображения (по точности определения координат и детальности изображения) и требований заданного масштаба карты и определяют масштаб аэрофотосъемки. При этом чем мельче масштаб аэрофотосъемки, тем выше экономические показатели всего процесса. Основные факторы, влияющие на качество аэрофотоизображения, определяются параметрами АФА (блок 6), аэропленки, системы обработки (блок 7 и 8) и носителя аппаратуры (блок 5). Наиболее существенными параметрами носителя являются величина вибраций, скорость и высота полета и др. При этом основным экономическим параметром носителя является стоимость полетного часа. Следует отметить, что для расчета качества изображения аэрофотосъемки с учетом параметров блоков 5,6,7 и 8 разработаны соответствующие алгоритмы и пакеты прикладных программ [7,8].
Необходимо учитывать, что на общую эффективность аэрофотопроцесса оказывает влияние величина перекрытия аэроснимков (блок 9), которая при прочих равных условиях зависит от точности навигационной системы (блок 11) и наличия или отсутствия бортовой системы GPS (блок 10). Полученный в результате аэросъемки негативный фотоматериал преобразуется сканирующим устройством (блок 12) в цифровое растровое изображение, которое после привязки, фотограмметрической и картографической обработки преобразуется в цифровую картографическую информацию (блок 13).
Блок 13 включает математическое обеспечение для привязки и ортонормирования изображений и соответствующую ГИС. В блок 13 поступает цифровая модель рельефа (блок 15) и информация о координатах опорных точек (блок 14), которая может быть получена как наземными так и картометрическими методами. Блок-схемы, подобные представленной на рис.3, могут быть разработаны как для дистанционного метода, использующего космическую информацию, так и для наземного и картометрического методов. Представление систем получения картографической информации в виде подобном предлагаемой блок-схеме и использование предлагаемого системного критерия облегчает проведение логико-эвристического анализа проектов системы при рассмотрении вариантов и комбинаций различных подсистем с учетом влияния существенных взаимосвязей. Предпочтительный вариант проекта системы может быть определен по минимальному значению системного критерия.
Для примера рассмотрим несколько вариантов логического анализа системы, представленной на рис.3.
Первый вариант - аэрофотосистема (блоки 5, 6, 7 и 8) с параметрами, обеспечивающими высокое качество изображения (например, разрешающая способность порядка 100 лин/мм, дисторсия порядка 0,005 мм). В этом случае масштаб аэрофотосъемки можно принять существенно мельче заданного масштаба карты, что приведет к экономии времени и затрат на летно-съемочные работы. Однако при этом резко возрастут требования к сканирующему устройству (блок 12), уменьшится надежность процесса сканирования негативных материалов и резко возрастут объемы информации для последующей обработки. При этом необходимо учитывать следующее существенное обстоятельство: уменьшение масштаба фотографирования происходит медленнее чем увеличение разрешающей способности системы, а увеличение стоимости аэрофотосистемы значительно опережает рост величины ее разрешающей способности. Можно подсчитать, до какого уровня целесообразно улучшать параметры аэрофотосистемы (т.е. увеличивать ее стоимость), чтобы величина системного критерия с учетом всех перечисленных факторов была минимальной.
Второй вариант. Рассмотрим случай, когда отсутствует цифровая модель рельефа местности (блок 15), но есть возможность ее приобретения. Необходимо оценить выигрыш в затратах за счет уменьшения перекрытия снимков в процессе аэросъемки при переходе к фотограмметрии одиночного снимка в блоке 13 по сравнению с технологией получения рельефа местности по результатам обработки стереопар. Третий вариант. Оценивается целесообразность приобретения и установки на носитель бортовой системы GPS (блок 10), работающей с высокой точностью в дифференциальном режиме. В этом случае необходимо оценить экономический эффект в блоке 13 и 14 при получении информации о координатах центров снимков и эффект от уменьшения затрат на полевые работы по привязке снимков при увеличении точности работы навигационной системы (блок 11).
При оценке реального проекта необходимо просчитать основные возможные комбинации подсистем, их параметров и взаимосвязей и оценить эти варианты по величине системного критерия. В заключение отметим, что нами рассмотрен вариант системного критерия для оценки эффективности систем получения картографической информации и блок-схема для проведения логико-эвристического анализа возможных вариантов проектов дистанционного метода с использованием аэрофотосистем.
Элементы внутреннего ориентирования АФА и ортоскопия изображения. Методы их определения.
Изобразительные свойства аэрофотообъектива. Разрешающая способность и ФПМ аэрофотоизображения.
Разрешающая способность является одним из главных параметров аппаратуры ДЗЗ, эта величина определяет выбор масштаба съемки при заданном показателе детальности снимков. Детальность определяет минимальные линейные размеры объекта аэроландшафта, которые раздельно изображаются на снимке. Детальность определяет классы объектов, которые могут быть отображены на снимках.
В зависимости от рассматриваемой задачи выбирается необходимая детальность. Данный показатель часто является решающим при выборе системы ДЗЗ.
По детальности снимки условно разделяют на следующие классы:
Снимки низкого разрешения (километры).
Снимки среднего разрешения (сотни метров).
Снимки высокого разрешения, которые в свою очередь делятся на:
снимки очень высокого разрешения (10-20 метров);
снимки сверхвысокого разрешения (1 метр и менее).
Другим важным параметром аппаратуры ДЗЗ является угол зрения оптической системы аппаратуры, который при выбранном масштабе съемки определяет величину полосы захвата на местности. При прочих равных условиях при увеличении разрешающей способности аппаратуры можно уменьшать масштаб съемки, т.е. увеличивать величину захвата на местности. Последнее приводит к уменьшению необходимого количества снимков, что соответствующим образом сокращает объемы работ по их обработке.
Приближенное выражение, связывающее разрешающую способность аэрофотоаппаратуры в полете, масштаб съемки и вероятности дешифрирования изображений имеет вид:
откуда
где m – знаменатель масштаба фотографирования;
l - размер наименьшей детали заданного контраста k на местности в мм, различение которой обеспечивает решение поставленной задачи;
R1.0 – разрешающая способность аэрофотоаппаратуры с учетом влияния факторов воздушного фотографирования по контрасту k = 1.0 в лин/мм;
Rk – разрешающая способность аэрофотоаппаратуры по заданному контрасту k;
P- получаемая вероятность решения поставленной задачи.
Данные по разрешающей способности и углам зрения аэрофотоаппаратов приводятся в приложении.
Общая эффективность процесса получения данных определяется стоимостью съемки одного квадратного километра земной поверхности в масштабе, который обеспечивает необходимую детальность получаемых изображений (т.е. заданную вероятность решения задачи) и заданную точность определения координат объектов.
Для примера рассмотрим оценку общей эффективности аэрофотографической съемки для решения кадастровых и землеустроительных задач, когда точность определения координат на снимке имеет порядок 10-15 см. С использованием аэрофотоаппарата RC–30 (фирмы Leica) эту съемку можно производить в масштабах 1: 8000 – 1:10000. При этом стоимость съемки одного квадратного километра с использованием в качестве носителя самолета АН-30 будет порядка 30-50 долларов США, а с использованием мотодельтоплана Т-2 – порядка 5-10 долларов США.
Для сравнения, стоимость съемки одного квадратного километра сканерных материалов индийского спутника IRS-1C при детальности 5,8 м – 1 доллар США.
Предельная детальность сканерных материалов, получаемых из космоса, порядка 1 м (американский спутник фирмы Space Imaging).
Следует отметить, что при определении общей эффективности процесса получения материалов необходимо учитывать расходы на наземную обработку и фотограмметрическую привязку полученных снимков. На эти расходы решающим образом влияют количество обрабатываемых снимков и количество пикселов в каждом снимке. Данные по параметрам систем для ввода аэрокосмических фотографических изображений в ЭВМ приводятся в приложении.
Обратимся к двум проблемам использования геоинформационных систем в управлении городом. Первая из них – это создание традиционных цифровых карт и цифровых изображений. Вторая проблема – использование цифровой картографической информации. Если говорить о проблеме создания цифровых карт, то информационных источников, на базе которых они составляются, достаточно много. В последнее время наиболее распространенной стала информация в виде цифровых изображений. Цифровые изображения появляются в результате цифровой обработки фотографий аэро- или космической фотосъемки. Достижения российских ученых в этой области, которые в последнее время стали общемировым достоянием, успешно конкурируют с аналогичными результатами западных специалистов. В 1993 году были впервые рассекречены топографические фотоснимки высокого разрешения, получаемые с российских спутников типа КВР-1000 и ТК-360. К примеру, разрешающая способность снимков КВР-1000 – два метра на местности, а на базе этого снимка можно сделать хорошую карту масштабом 1:8000; 1:10000. Учитывая, что стоимость фотоизображений невысокая – так, снимок территории размером 40 на 40 километров стоит всего три-четыре тысячи долларов, использование таких снимков открывает перспективу создания цифровой картографической основы практически для любой местности, позволяет решать широкий спектр прикладных задач.
На краях базовой панели ТНС-1 со сдвигом на 1800 устанавливаются две цифровые фотокамеры коммерческого производства фирмы SONY. Они выполняют съемку поверхности земли с разрешением около 100 метров и максимальным захватом 290 км. Экспонирование каждой из двух камер происходит в момент, когда она направлена в надир. Этот момент определяется по показаниям датчика горизонта. Через половину оборота спутника экспонируется вторая камера. Изображения, полученные камерами в стандарте RGB, запоминаются и передаются по специальному радиоканалу с помощью передатчика мощностью около 5 ватт в радиодиапазоне 1,7 ГГц со скоростью 665 кбит/с, что соответствует формату НОАА. Бортовой антенной служит полуволновой диполь, расположенный по оси вращения КА. На земле могут быть использованы станции с антеннами диаметром примерно 2,5 м и персональными компьютерами.
Описанная технология получения и передачи изображений на “персональные” станции представляет интерес для решения широкого круга задач в области землеведения, экологии и образовательных нужд. Проверка этой концепции в реальных условиях составляет одну из задач данного пилотного проекта и при положительном результате может стать основой для создания группировки малоразмерных КА работающей в эксплуатационном режиме.
Важным моментом являются экспериментальные исследования каналов передачи и приема служебной информации с использованием глобальных космических систем связи ГЛОБАЛСТАР и ОРБКОММ. Обе эти системы находятся сегодня в режиме постоянной эксплуатации и устойчиво работают с большим числом наземных абонентов. Система ГЛОБАЛСТАР обеспечивает передачу голосовой информации (что в данном случае не нужно) и цифровых потоков со скоростью 9,6 кбит в секунду. Ее спутники летают на высоте 800 км. Условия работы абонентской аппаратуры этих систем на борту КА существенно отличаются от наземных по относительным скоростям движения и взаимному расположению системы спутник-абонент, а также по диаграммам направленности приемно-передающих антенн. Моделирование условий связи показывает, что свободный бесперебойный доступ с земли к КА не гарантирован, но более точную оценку сделать затруднительно из-за отсутствия необходимых данных по абонентской аппаратуре, включая реальные диаграммы направленности антенн на ТНС-1 и случайный характер взаимодействия ТНС-1 с космическими группировками систем связи.
Учитывая принципиально важное значение, которое имеют служебные каналы связи, целесообразно провести их экспериментальную проверку в реальных условиях работы через системы ГЛОБАЛСТАР и ОРБКОММ. Как один из вариантов для этой цели был разработан простейший технологический наноспутник ТНС-0, главной задачей которого является проведение данного радиотехнического эксперимента. ТНС-0 имеет массу 4,5 кг, не требует сложной системы ориентации и стабилизации, поскольку не оснащен солнечными батареями. В качестве источника энергии на нем будет использована литиевая батарея емкостью 10 А.часов. Должны устанавливаться два модема и соответствующие антенно-фидерные устройства систем ГЛОБАЛСТАР и ОРБКОММ, а также простейшая телеметрическая система и бортовой таймер, обеспечивающий программное включение указанных модемов, позволяющих периодически производить оценку условий передачи данных по линии связи. Таким образом, работа планируется как сеансная, с перерывами на анализ и обработку полученных данных. Предполагается, что программа работы может быть выполнена в течение двух-трех месяцев, после чего ТНС-0 прекратит существование.
В качестве другого варианта рассматривается возможность проверки на ТНС-0 только работы через систему ГЛОБАЛСТАР. При этом для получения независимых данных о работоспособности спутника предлагается установка на нем абонентской аппаратуры аварийной космической системой КОСПАС-САРСАТ.
Платформу ТНС-0 в перспективе можно будет использовать для других краткосрочных экспериментов в космосе, включая и некоторые научные исследования и испытания отдельных узлов и приборов. Учитывая малую массу ТНС-0, представляется возможным его запуск в качестве дополнительной полезной нагрузки при запуске других космических аппаратов, а также с борта международной космической станции.
Более сложный аппарат ТНС-1 является платформой, которая может быть использована для отработки методов и приборов, требующих более длительного функционирования в космосе. Это могут быть также научные исследования околоземного космического пространства и атмосферы земли, новые системы передачи данных.
Сдвиг оптического изображения при АФС и методы его компенсации.
Сдвиг изображения и его влияние на качество снимка Сдвиг изображения существенно снижает качество снимка. Так, по исследованиям П. В. Захарова, при съемках с самолета АН-2 штриховых мер, выложенных на земле, разрешающая способность для штрихов, расположенных поперек маршрута, оказывалась в два раза меньше, чем для штрихов, направленных вдоль маршрута. Методика фотограмметрической обработки снимков основана на предположении, что аэрофотоаппарат в момент экспонирования неподвижен и все лучи проходят через единый центр проектирования. Поэтому величина сдвига не должна превышать ошибок фотограмметрических измерений. В принципе известна возможность уменьшения влияния сдвига соответствующей фотолабораторной обработкой материалов. Однако эти методы еще достаточно не разработаны. Для уменьшения величины сдвига применяют по возможности малые выдержки и скорости полета, что снижает производительность работ. При использовании длиннофокусных аэрофотоаппаратов на малых высотах или при больших скоростях полета, а также при съемках в условии пониженной освещенности, величина сдвига может быть равна нескольким миллиметрам. Для съемки в таких условиях используют аэрофотоаппараты с приспособлениями для компенсации сдвига изображения. Компенсацию сдвига можно осуществлять путем движения связки проектирующих лучей относительно фотоматериала таким образом, чтобы изображение точек местности оставалось во время экспонирования в одних и тех же точках поверхности светочувствительного слоя. Относительное перемещение связки лучей и фотоматериала может происходить поступательно или вращательно. Исторически сложилось так, что компенсацию сдвига за счет поступательного перемещения связки лучей и фотоматериала стали называть механической компенсацией сдвига изображения. Наклон связки лучей относительно фотоматериала, который обычно достигается при помощи оптических устройств, называют оптической компенсацией.
Механическая компенсация сдвига изображения.
Для осуществления механической компенсации в аэрофотоаппарате при экспонировании можно перемещать аэропленку или объектив. В обоих случаях скорость перемещения должна быть равна скорости изображения пленка должна перемещаться в направлении полета, а объектив в противоположном направлении. Перемещение объектива затруднительно: движение его должно быть возвратно-поступательным, объектив может быть связан с затвором и другими деталями. Однако в этом случае пленка неподвижна и может хорошо выравниваться. Перемещение пленки легко совместить с обычной перемоткой ее, она должна двигаться все время в одну сторону, но выравнивать пленку в этом случае труднее. Применение имеет только этот способ механической компенсации. Первым аэрофотоаппаратом, в котором использовалась механическая компенсация, был изобретенный в 1936 г. В. С. Семеновым щелевой аэрофотоаппарат. В этом аппарате пленка постоянно движется со скоростью изображения около узкой щели. Движение пленки используется и для ее последовательного экспонирования через щель, расположенную в фокальной плоскости объектива (см. § 28). В 1939 г. механическая компенсация была впервые использована в аппарате со стандартным форматом кадра. Пленка прикреплялась к выравнивающему столу острыми шипами и во время экспонирования перемещалась вместе со столом. Полная компенсация для всех точек кадра может быть при постоянном значении высоты. Однако из-за рельефа местности и кривизны земли высота самолета над разными точками местности неодинакова. Скорость разных точек изображения также неодинакова и потому сдвиг изображения может быть полностью компенсирован только для части точек. Если векторы скорости самолета и аэропленки не параллельны, при движении пленки может возникнуть поперечный сдвиг изображения. Если скорость пленки не равна скорости изображения, возникнет продольный сдвиг. Практически же остаточный сдвиг из-за перекомпенсации или недокомпенсации всегда является косым, т. е. происходит и в поперечном и в продольном направлениях. В аппаратах с компенсацией сдвига должна предусматриваться возможность регулировки скорости пленки. Для получения снимков с перекрывающимися изображениями скорость перемотки пленки должна быть существенно выше скорости ее движения при компенсации. Кроме трудностей при выравнивании пленки, в аппаратах с движущейся пленкой трудно регистрировать показания вспомогательных приборов и координатные метки. Само понятие главной точки снимка при опускании перпендикуляра из узловой точки объектива на движущуюся пленку нарушается. Методы фотограмметрической обработки компенсированных снимков разработаны недостаточно. По этим причинам компенсация сдвига изображения не применяется в топографических аэрофотоаппаратах. Механическая компенсация сдвига изображения применяется в некоторых разведывательных аэрофотоаппаратах.
Оптическая компенсация сдвига изображения.
Взаимный наклон связки проектирующих лучей и фотоматериала с целью компенсации сдвига можно осуществить наклоном аэрофотоаппарата, при помощи отражательной призмы или зеркала. При этом скорость вращения должна быть Однако точное вращение тяжелого аппарата или оптической системы, находящейся вне аппарата, затруднительно. Для наклона лучей можно использовать комбинацию плоско-выпуклой и плоско-вогнутой линз. В исходном положении линзы образуют плоско-параллельную пластину. При повороте линз образуется клин и лучи отклоняются в сторону основания клина. В эксплуатируемых аэрофотоаппаратах используется более простое устройство, состоящее из клиньев, вращающихся в разные стороны. При вращении одного клина все точки кадра, двигаясь параллельно друг другу, будут совершать круговое движение. Два клина будут действовать, как один клин с изменяющимся углом. Можно представить, что из-за вращения клиньев каждая точка изображения движется в фокальной плоскости по двум окружностям. В результате сложения движения каждая точка как бы колеблется по прямой линии. Экспонирование должно происходить в момент, когда скорость изображения за счет вращения клиньев равна по величине и противоположна по направлению скорости изображения при сдвиге. Таким образом, при использовании оптической компенсации сдвига при помощи двух вращающихся клиньев экспонирование может проводиться только в определенные моменты времени. Механизм компенсации в некоторой мере начинает играть роль командного прибора. Компенсация сдвига при помощи оптических устройств, как и механическая компенсация, устраняет сдвиг не во всех точках кадра. Кроме того, при большом угле зрения компенсировать сдвиг наклоном связки лучей затруднительно. Если добиваться компенсации сдвига в средней полосе кадра, то по краям кадра будет возникать недокомпепсация или перекомпенсация. По этой причине оптическую компенсацию можно использовать только в узкоугольных аэрофотоаппаратах. При оптической компенсации не возникает затруднений с выравниванием аэропленки и регистрацией вспомогательных приборов. Однако снимки, полученные аппаратами с оптическими устройствами для компенсации сдвига, не пригодны для высокоточной фотограмметрической обработки.
Сканерные методы съёмки местности. Сканерные съёмочные системы ИПРЗ.
Экспонометрическая задача и её рашение при аэрофотографировании. Теория аэрозатворов. Автоматическое регулирование экспозиции.
Многозональная фотосъёмка местности. Требования к многозональным АФА. Выбор спектральных каналов.
Основы ИК-съёмки местности. Устройство и принцип работы тепловых систем.