Аванесов Г.А - Институт космических исследований РАН

Реклама
ВНЕДРЕНИЕ ЦИФРОВЫХ КОСМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ В ПРАКТИКУ АЭРОСЪЕМКИ
Г.А. Аванесов, Е.В. Зарецкая, Я.Л. Зиман, М.И. Куделин, И.В. Полянский, А.А. Форш
Институт космических исследований РАН
E-mail: [email protected]
Представлена новая разработка АНО «Космос-НТ» — цифровой аэросъемочный комплекс на основе аэрофотоаппарата АФА-14, предназначенный для проведения цифровой
панхроматической стереосъемки земной поверхности.
Приведены технические и эксплуатационные параметры съемочного комплекса, оригинальные технические решения, принципы построения систем, пути использования и
дальнейшего развития разработки, а также результаты реальных воздушных съемок, проведенных цифровой камерой летом 2003 г.
Результаты проведенных съемок показали, что геометрические характеристики и динамический диапазон полученных изображений позволяют при обработке увеличивать их
до 30 раз относительно масштаба съемки, что, например, позволит изготавливать фотопланы масштабов до 1:1000 из материалов аэросъемки, проведенной с высоты 4500 м.
Введение
Космические методы дистанционного зондирование земной поверхности в видимой и
ближней ИК-зонах электромагнитного спектра уже прочно вошли в технологическую цепочку получения оперативной пространственной информации для создания и обновления
карт мелких масштабов и контроля состояния окружающей среды. Эффективные компьютерные технологии обработки, анализа и визуального представления цифровых видеоданных совместно с широким внедрением ГИС, в свою очередь, активно стимулируют дальнейшее развитие космической аппаратуры сбора и передачи изображений земной и водной
поверхности.
В космической съемочной технике наибольшее развитие получили оптикоэлектронные технологии, обеспечивающие, по сравнению с фотографическими методами, оперативную передачу на Землю цифровых потоков видеоинформации, лучшее геометрическое
разрешение и более широкий спектральный диапазон измерений. Цифровые методы обработки пространственных данных также являются более технологичными, что обуславливает все более активное их использование и при обработке аналоговых фотоматериалов.
Авиационные методы ДЗЗ традиционно являются основными при получении исходной информации для крупномасштабного картографирования, решения ряда задач, требующих высокой детальности и точности географической привязки объектов, а также возможностей получения стерео- и многозональных изображений. На сегодняшний день,
несмотря на довольно долгую историю экспериментальных разработок и изготовления оптикоэлектронных приборов, главными методами в аэросъемках остаются традиционные
фотографические. Основными причинами такого положения являются отлаженность традиционных процедур производства выходной продукции и дороговизна единичных экземпляров коммерческой авиационной цифровой съемочной аппаратуры.
Переход от фотографических к оптикоэлектронным методам в аэросъемке в сочетании с современными методами определения местоположения летательных объектов дает
возможность создать новую технологию оперативного мониторинга и картирования земной
поверхности, которая позволит сократить затраты и время на изготовление новой картографической и тематической продукции.
Эксперименты по использованию оптикоэлектронных методов съемки земной поверхности проводились Институтом космических исследований РАН начиная с 1972 г. В то
время оптикоэлектронными приборами были оборудованы два аэросъемочных самолета,
228
Г.А. АВАНЕСОВ, Е.В. ЗАРЕЦКАЯ, Я.Л. ЗИМАН, М.И. КУДЕЛИН, И.В. ПОЛЯНСКИЙ, А.А. ФОРШ
вначале Ил-14, а затем Ан-30, которые выполняли на регулярной основе многозональную
съемку земной поверхности в интересах различных направлений хозяйственной деятельности и наук о Земле и использовались как база для отработки космической техники. Полеты
самолета с этим оборудованием были завершены в 1980 г., когда был запущен КА «Метеор-Природа» № 3 с новой отечественной цифровой многозональной сканирующей системой «Фрагмент», разработанной ИКИ РАН и его ОКБ. Опытная эксплуатация этой системы
позволила получить практические ответы на многие конструкторско-технологические и
информационные вопросы. В дальнейшем Институт применял оптикоэлектронные съемочные приборы собственной разработки для изучения планет и малых тел Солнечной системы.
В 1990-х гг. в рамках исследовательской программы международной космической
миссии «Марс-96», с участием специалистов Института космических исследований РАН в
Институте планетных исследований немецкого аэрокосмического центра (DLR) и в
промышленной фирме Dornier была разработана и создана стереокамера высокого
разрешения HRSC, предназначенная для картографирования и многозональной съемки
поверхности планеты Марс.
После неудачи миссии было принято решение о модифицировании созданной съемочной камеры с целью использования ее для аэросъемочных работ. И уже первые экспериментальные результаты, полученные в 1997, 1998 гг., показали, что авиационная система, построенная на базе HRSC, по своим параметрам удовлетворяет самым высоким
требованиям, предъявляемым к фотограмметрическим самолетным съемочным системам.
Авиационная модификация другой «марсианской» камеры — WAOSS — стала базой
для изготовления и выхода на коммерческий рынок комплекса цифровой аэросъемки
ADS-40, выпускаемого компанией Leica Geosystems.
Обе камеры успешно прошли этап опытной эксплуатации на самолетах, продемонстрировали высокое качество получаемых видеоданных и убедительно показали пригодность
цифровой видеоинформации для целей оперативной крупномасштабной картографии.
Результаты первой эксплуатации авиационных модификаций космических камер на
западе в сочетании с опытом разработки и изготовления оптикоэлектронных систем в ИКИ
РАН способствовали развитию идеи разработки и изготовления аналогичной отечественной системы.
Работы по созданию цифровой аэрокамеры на линейных ПЗС в 2002 г. были начаты в
некоммерческом предприятии «Космос — наука и техника», учрежденном Институтом
космическим исследований Российской академии наук и рядом ведущих промышленных
предприятий космического сектора России.
По заказу Госцентра «Природа» Российской картографической службы для штатного
топографического аэрофотоаппарата АФА-ТЭ (формат кадра 180×180 мм, фокусные расстояния 50, 70, 100, 140, 200, 350 и 500 мм), без нарушения его конструкции был разработан и изготовлен съемный цифровой модуль, который можно устанавливать на место
штатной кассеты с фотопленкой (рис. 1.)
Указанный модуль предназначен для проведения с самолетов черно-белых стереосъемок земной поверхности в разных масштабах.
В фокальной плоскости цифрового модуля размещены 9 ПЗС-линеек (рис. 2), с числом чувствительных элементов 8000 в каждой и размером элемента 7×7 мкм, аккумуляторный блок, обеспечивающий автономное питание цифрового модуля, три платы, включающие устройства аналоговой и цифровой обработки видеосигналов, а также интерфейс
данных и команд управления.
Аэрокамера с цифровым модулем устанавливается на самолете в штатную гиростабилизирующую установку.
ВНЕДРЕНИЕ ЦИФРОВЫХ КОСМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ…
229
Рис. 1. Внешний вид АФА-140 с цифровым съемочным модулем
Рис. 2. Расположение линеек ПЗС в фокальной
плоскости камеры
Получаемые при съемке цифровые видеоданные поступают в устройство регистрации
данных на магнитных дисках, совмещенное в одном корпусе с компьютером, управляющим процессором съемки и обеспечивающим оперативный просмотр снимаемой местности.
Основные технические характеристики цифрового аэрофотоаппарата с фокусным
расстоянием 140 мм и получаемых им видеоданных приведены в табл. 1., а в табл. 2 — основные характеристики устройства записи и управления.
Таблица 1. Основные характеристики изготовленной цифровой камеры
Фокусное расстояние объектива, мм
Угол поперечного поля зрения, град
Угол стереозасечки, град
Угловое разрешение, с
Размер проекции пиксела на поверхность (при съемке с высоты 2800 м), см
Число элементов в строке, шт.
Размер чувствительного элемента, мкм
Выходной динамический диапазон, бит
Частота строк, Гц
Время непрерывной работы камеры от одной зарядки аккумулятора, ч
Масса, кг
Габариты, мм
140
± 27
54
10
14
22 500
7×7
8
до 900
не менее 2
12
223×294×220
Таблица 2. Основные характеристики устройства записи и управления
Емкость накопителя данных, Тбайт
Информационный поток, Мбайт/с
Обеспечиваемое время непрерывной записи (для съемки с минимальной высоты), ч
Масса, кг
Габариты, мм
Потребляемая мощность, Вт
230
до 2
до 72
не менее 7
20
480×250×550
500
Г.А. АВАНЕСОВ, Е.В. ЗАРЕЦКАЯ, Я.Л. ЗИМАН, М.И. КУДЕЛИН, И.В. ПОЛЯНСКИЙ, А.А. ФОРШ
В ходе отладочных работ аэрофотоаппарата с цифровым модулем, с целью определения фотометрических и геометрических характеристик оптикоэлектронного тракта, были
проведены панорамные съемки наземных объектов из окна лаборатории. На рис. 3 приведены общий вид панорамы юго-запада Москвы из окна здания Института космических исследований и фрагменты изображения, увеличенные в 50 раз относительно исходного масштаба съемки.
А. Автомобиль и номерной знак.
Расстояние 400 м
Б. Строящееся здание. Расстояние 1200 м
В. Шпиль здания МГУ. Расстояние 6000 м
Рис. 3. Панорама из окна ИКИ РАН
Анализ изображений наземной съемки показал, что геометрические и радиометрические параметры полученных изображений в целом соответствуют запланированным при
изготовлении камеры значениям.
В августе 2003 г. были проведены первые летные испытания инженерной модели
цифровой камеры. В ходе испытаний проводились воздушные съемки с нескольких высот
при различной освещенности снимаемой поверхности.
Результаты проведенных наземных панорамных и воздушных съемок показали, что
геометрические характеристики и динамический диапазон яркостей полученных цифровых
данных позволяют увеличивать масштаб изображения до 30 раз при сохранении качества,
пригодного для дешифрирования. Использование таких коэффициентов увеличения позволит, в частности, изготавливать выходную картографическую продукцию в масштабе
1:1000 из материалов цифровой аэросъемки, проведенной с высоты порядка 4000 м.
На рис 4. приведены фрагменты цифровой аэросъемки, проведенной с высоты 2800 м,
с двадцатикратным увеличением.
ВНЕДРЕНИЕ ЦИФРОВЫХ КОСМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ…
231
Рис. 4. Фрагменты цифровой аэросъемки с высоты 2800 м. Разрешение на местности — 14 см
Для сравнения можно отметить, что аэрофотосъемка на пленку, проводимая с использованием такого же фотоаппарата АФА-ТЭ-140, позволяет использовать коэффициенты увеличения лишь в 5–8 раз, что подчеркивает еще и экономическое преимущество цифрового способа получения изображений.
Для полноценной фотограмметрической обработки цифровых видеоданных, получаемых цифровой аэрокамерой на линейных ПЗС, необходимо провести геометрическую
коррекцию или ректификацию изображения, устраняющую искажения, вызванные маневрами самолета в процессе съемки. С этой целью камера оснащается прецизионным гироинерциальным измерительным блоком, который определяет все шесть элементов взаимного
ориентирования для каждой строки получаемых изображений. Основные характеристики
вводимого в созданный цифровой модуль гироскопического блока и блока акселерометров
приведены в табл. 3.
Таблица 3. Основные технические характеристики гироинерциальной системы цифрового модуля
Акселерометры
Рабочий диапазон ускорений, g
Дрейф нулевого сигнала за год, мкg
Крутизна передаточной характеристики, мВ/г
Нестабильность крутизны передаточной характеристики, %
Гироскопы
Рабочий диапазон угловых скоростей, град/с
Дрейф нулевого значения, град/ч
Нестабильность масштабного коэффициента, %
Система в целом
Габариты, мм
Масса, кг
±10
±200
1200
±0,02
±10
0,1
±0,02
212×200×164
5
Географическую координатную привязку полученного изображения объекта съемки
осуществляют по данным спутниковой системы навигации или по опознанным на полученном изображении опорным точкам с известными геодезическими координатами.
232
Г.А. АВАНЕСОВ, Е.В. ЗАРЕЦКАЯ, Я.Л. ЗИМАН, М.И. КУДЕЛИН, И.В. ПОЛЯНСКИЙ, А.А. ФОРШ
По последним можно осуществлять исправления прогибов стереомодели, возникающих из-за дрейфа гироскопов.
Следующим шагом в продвижении оптикоэлектронных технологий в аэросъемке станет разработка и изготовление многозональной стереокамеры, АМСК-70 (табл. 4), предназначенной для проведения воздушных съемок земной и водной поверхности одновременно
в четырех спектральных и в двух панхроматических каналах, обеспечивающих получение
стереоизображения.
В фокальной плоскости АМСК-70 установлены семь линейных ПЗС-элементов, каждый из которых формирует отдельное изображение (рис. 5, 6).
Таблица 4. Предварительные технические характеристики АМСК-70
Фокусное расстояние объектива, мм
Светосила, f
Размер чувствительного элемента, мкм
Число элементов в строке, шт.
Угол стереозасечки, град:
по центру
по диагонали
Спектральные каналы, нм
красный (R)
зеленый (G)
синий (B)
ближний ИК
Захват на местности, Н
Максимальное соотношение W/H, 1/с
Минимальная высота съемки при W = 100 м/с, м
Разрешение на местности при минимальной высоте, см
Время непрерывной съемки, ч
Рис. 5. Принцип съемки камерой АМСК-70
70
1/4…1/6,8
50
14400
±30
±45
700
540
450
800…1000 (TBD)
1,03
0,04
2300
16
не менее 10
Рис. 6. Расположение линеек ПЗС в фокальной
плоскости камеры АМСК-70
ВНЕДРЕНИЕ ЦИФРОВЫХ КОСМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ…
233
В центре установлен ПЗС-прибор, состоящий из трех близко расположенных линеек
чувствительных элементов, закрытых полосными цветными фильтрами, и формирующий
изображение в натуральных цветах красного, зеленого и синего каналов. Максимально
близко к цветной линейке установлена аналогичная по геометрическим характеристикам
линейка ПЗС, чувствительные элементы которой закрыты фильтром ближнего ИКдиапазона.
На краях 30-градусной зоны поля зрения объектива установлены две линейки ПЗС,
работающие в панхроматическом диапазоне и формирующие стереоизображение.
234
Г.А. АВАНЕСОВ, Е.В. ЗАРЕЦКАЯ, Я.Л. ЗИМАН, М.И. КУДЕЛИН, И.В. ПОЛЯНСКИЙ, А.А. ФОРШ
Скачать