Аванесов Г.А - Институт космических исследований РАН
advertisement
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: ivpolyan@cosmos.ru 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
