Мониторинг оптических характеристик поверхности и

Научно-техническое обоснование космического
эксперимента «Мониторинг оптических характеристик
поверхности и атмосферы Земли» (шифр: «Фон»)
1. Сущность решаемой проблемы; практическое и научное значение и
краткая история
Значение оптических характеристик поверхности и атмосферы Земли –
информационная основа проектирования и применения авиационных и
космических средств видеонаблюдения и съемки. Впервые это было
теоретически обосновано и экспериментально подтверждено Г.А. Тиховым
(см. «Улучшение фотографической и визуальной разведки», Центральная
Аэронавигационная станция, Киев, 1917г.) С тех пор путем, главным
образом,
наземных
измерений
определены
тысячи
спектральных
характеристик различных объектов местности; их осредненные значения
используются при проектировании средств видеонаблюдения.
Главной задачей воздушной и космической съемки в течение многих
лет было и остается сегодня создание и обновление топографических и
тематических карт, основой которых являются измерения геометрических
характеристик
объектов
местности
по
материалам
съемки
фотограмметрическими методами.
Теория и методы фотограмметрии хорошо разработаны и успешно
применяются на производстве. Оптические характеристики при этом
используются косвенно по тону, цвету изображения. Всевозможные
преобразования
возможного
снимков
качества
направлены
изображения
на
с
достижение
точки
зрения
максимально
визуального
дешифрирования снимков. Для этого не требуется знание фактических
значений характеристик оптических свойств объектов местности.
В последние годы положение стало изменяться. Проведенные
исследования показали: коэффициент зональной яркости (КЗЯ) является
эффективным дешифровочным признаком почвенных и растительных
покровов Земли, а процесс дешифрирования на основе коэффициента
зональной яркости
и производных от него величин может быть
автоматизирован.
С
другой
стороны,
возросло
значение
глобального
изучения
оптических свойств почвенных и растительных покровов, прежде всего в
интересах оценки состояния экологии, которое по современным оценкам
находится
на
грани
угрозы
самому
существованию
человеческой
цивилизации.
Измерение характеристик оптических свойств объектов местности
задача существенно более сложная, чем измерение их геометрических
характеристик. Последние дискретны и постоянны. Значения оптических
характеристик зависит от многих факторов; для определения оптических
свойств одного и того же
объекта необходимо выполнить множество
измерений при разных условиях освещения, состояния атмосферы, в разное
время года, при разных состояниях поверхности объектов, то есть объем
работ чрезвычайно велик и без автоматизации процесса измерений
практически не реализуем.
В
1985-1990г.
Госцентр
«Природа»
выполнил
заданную
постановлением Совета Министров СССР закрытую работу шифр «Ритуал
ГК»,
в
ходе
которой
фотограмметрическим
было
измерениям
разработано
по
материалам
«Руководство
по
аэрокосмической
фотосъемки».
Были
разработаны
два
способа
измерений:
визуально-
инструментальный и автоматический (машинный). В последнем случае
фотоснимок преобразовывался в матрицу значений оптической плотности,
которая вводилась в ЭВМ, а на выходе получали матрицу значений
и
производных от его величин (контраст и деталь яркости смежных элементов
местности), соответствующих значению оптической плотности элементов
исходной матрицы.
Главная
задача
КЭ
шифр
«Фон»

разработка
технологии
автоматизированного способа измерения коэффициента зональной яркости
и контраста элементов земной поверхности по материалам цифровой
оптико-электронной
съемки,
которая
в
дальнейшем
должна
быть
реализована на автоматических космических аппаратах.
Для решения этой задачи потребуется:
-
создание
цифровой
оптико-электронной
видеорадиационной
аппаратуры;
- калибровка ее, для осуществления которой потребуется исследование
физических и геометрических свойств и определение ряда характеристик
оптико-электронных приемников излучения;
- отработка метода автоматического определения коэффициентов
зонального пропускания и задымленности атмосферы способом «двух
полей» и решения ряда других теоретических и организационно –
технических проблем. Реализация новой технологии существенно повысит
производительность измерений, позволит приступить к глобальному
изучению оптических свойств поверхности и атмосферы Земли.
2. Необходимость проведения
КЭ
пространства в составе РС МКС.
в
условиях
космического
Для отработки метода видеорадиометрической съемки необходим
длительный орбитальный полет, а для коррекции программ включения и
режимов работы НА необходимо участие экипажа. В настоящее время такие
условия обеспечиваются только на РС МКС.
3. Описание КЭ
3.1. Порядок проведения КЭ
КЭ
выполняется
в
два
этапа.
На
первом
-
исследования
осуществляются в трех зонах спектра, условно: в «зеленой», «красной» и
«ближней инфракрасной». На втором этапе – в двух зонах теплового
диапазона длин волн.
На каждом этапе выполняются следующие основные работы:
- разработка, изготовление и радиационная калибровка НА;
- обучение членов экипажа МКС, доставка на борт МКС и монтаж НА;
- видеорадиометрическая съемка;
- обработка материалов съемки и исследование корреляции между
видом (типом), состоянием местности и ее оптическими характеристиками.
Главной задачей математического обеспечения КЭ является разработка
системы алгоритмов и программ автоматизированного (машинного) способа
определения оптических характеристик поверхности и атмосферы Земли по
материалам видеорадиометрической съемки.
3.2. Принципиальные требования к условиям выполнения КЭ
Оптическая ось НА во время съемки должна быть направлена в надир;
в
поле
зрения
аппаратуры
не
должны
попадать
какие-либо элементы конструкции МКС.
На первом этапе съемка должна выполняться при высоте Солнца от 15°
до 90º; на втором этапе – «днем» и «ночью».
3.3 Технические особенности НА
Главной особенностью НА является ее радиоционная калибровка в
энергетических единицах излучения.
4. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению
аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями
с
Многозональная видеорадиометрическая съемка с автоматическим
определением
коэффициента зональной яркости
объектов местности
впервые будет осуществлена с помощью цифровой оптико-электронной
аппаратуры. При этом будут применены оригинальные авторские методики
калибровки
видеорадиометра
коэффициентов
пропускания
и
способ
из-за
автономного
задымленности
определения
атмосферы.
По
сравнению с ранее разработанным способом решения этой задачи с
помощью фотографической аппаратуры применение оптико-электронных
средств съемки улучшит технологический процесс определения оптических
характеристик, существенно позволит производительность работ, откроет
возможности
глобального
изучения
оптических
свойств
земной
поверхности и атмосферы.
5. Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование
5.1.Основными результатами КЭ будут следующие:
5.1.1.Будет разработан метод видеорадиометрической съемки
(аппаратура и способ ее применения);
5.1.2.Будут разработаны основные направления прикладного и научного
применения данных об оптических свойствах поверхности и атмосферы
Земли.
5.2.Результаты предполагается использовать:
5.2.1.Для построения системы глобального мониторинга оптических
характеристик поверхности и атмосферы Земли, основанной на применении
автоматических КА.
5.2.2При проектировании и применении аэрокосмических средств
видеосъемки и наблюдения.
5.2.3Для исследования взаимосвязи между оптическими свойствами
поверхности и атмосферы Земли с другими солнечно-земными связями и
геофизическими явлениями.
6 Обоснование технической возможности создания НА с заданными
характеристиками
Институт космических исследований РАН дал согласие на разработку и
изготовление соответствующей аппаратуры (письмо за подписью зам.
директора ИКИ РАН Назирова Р.Р. №11204/651-57 от 06.04.2010г.).
7. Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с
КЭ
Риски и дискомфорт для экипажа отсутствуют.
Список цитируемой литературы
1. Матиясевич Л.М. Введение в космическую фотографию. М., Недра,
1989.
2. Руководство по фотограмметрическим измерениям по материалам
космической
фотосъемки.
-
Главное
управление
геодезии
и
картографии при СМ СССР, Госцентр «Природа», 1983.
3. Матиясевич Л.М., Субботин Ю.Л. Исследование возможностей
радиаци-онной калибровки космических фотосредств по естественным
объектам.- Исследование Земли из космоса, 1994, №3.
4. Матиясевич Л.М., Кочергин Д.В., Субботин Ю.Л., Маматулин В.Н.
Оценка возможностей дешифрирования полей мака фотометрическим
методом. Исследование Земли из космоса, 1992, №3.
5. Матиясевич Л.М. Оценка возможностей использования данных,
получаемых сетью актинометрических станций, для определения
прозрачности
атмосферы
во
время
космической
съемки.
Исследование Земли из космоса, 1994, №6.
Научный руководитель КЭ
доктор технических наук,
член-корреспондент РАН, профессор
В.П. Савиных
-