Введение к работе
Актуальность проблемы. Задача оперативного наблюдения земной поверхности с помощью космических средств с каждым годом приобретает все большую актуальность. За рубежом созданы и успешно функционируют в оперативном либо субоперативном режиме космические системы природно-ресурсного назначения Landsat, SPOT, IRS, ERS, JERS, Radarsat, передающие на землю в цифровом виде данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) оптического и радиодиапазонов волн. В России начало созданию подобной системы было положено запуском в 1988 г. искусственного спутника земли (ИСЗ) "Ресурс-01" N 2, на котором были установлены сканеры оптического диапазона МСУ-Э и МСУ-СК, его сменил на орбите "Ресурс-01" N 3, функционирующий и поныне. В 1991-92 г.г. на орбите находился ИСЗ "Алмаз-1", содержавший на борту радиолокатор с синтезированной апертурой (РСА).
Эффективное усвоение огромного потока поступающих из космоса данных возможно лишь при наличии адекватного наземного комплекса их приёма и обработки, выполняемой в интересах многих отраслей народного хозяйства и называемой по этой причине "межотраслевой". Такая обработка, выполняемая средствами вычислительной техники, призвана стандартизировать выходные продукты системы так, чтобы потребитель, получив заказанное им цифровое изображение на одном из магнитных носителей, мог бы далее приступить непосредственно к его тематической обработке в рамках, например, одной из лицензионных геоинформационных систем (ГИС).
К задаче межотраслевой обработки тесно примыкает задача планирования космической съемки, что обусловлено общностью подходов к их решению, включая общую базу данных. Кроме того, собственно межотраслевой
-4-обработке предшествует первичная обработка данных ДЗЗ, состоящая, главным образом, в преобразовании форматов исходных данных, в устранении сбоев канала связи и т.п. Будем в дальнейшем называть все операции, предшествующие выдаче потребителю конечного информационного продукта термином "предварительная обработка".
Создание распределённой оперативной системы предварительной обработки данных ДЗЗ, обеспечивающей своевременную выдачу потребителю высококачественной (в первую очередь, по критерию точности географической привязки) цифровой информации, является крупной научно-технической проблемой. Для ее решения требуется, в первую очередь, глубокое и всестороннее рассмотрение теоретических аспектов, связанных с описанием трансформации пространственного распределения отражённого от земной поверхности поля излучения в атмосфере Земли и в оптико-электронном тракте датчика информации с последующим формированием цифровой матрицы изображения в памяти ЭВМ, а также в процессе синтеза радиолокационных изображений по данным РСА. Результатом такого рассмотрения должны явиться быстродействующие алгоритмы и программно-методическое обеспечение, реализующие оптимальным образом восстановление поля излучения, включая его представление с минимальными геометрическими искажениями относительно земной поверхности, а также планирование съемок на технических средствах, которыми располагают центры приёма и обработки спутниковых данных.
Целью диссертационной работы явилась разработка метода анализа процесса космической съёмки, осуществляемой с помощью наиболее перспективных для изучения природных ресурсов датчиков (сканеров и РСА), и последующего синтеза высокоточных и быстродействующих алгоритмов цифровой обработки данных от таких датчиков, устанавливаемых на российских ИСЗ оперативного наблюдения земной поверхности, а также создание
-5-соответствующей технологии такой обработки, включающей аппаратно-программные средства и методическое обеспечение.
Указанная цель достигается решением следующих задач:
1. Разработать прецизионную геометрическую модель космической
съёмки земной поверхности с помощью сканеров с электронной и кониче
ской развертками, а также радиолокаторов с синтезированной апертурой.
2. Разработать радиометрическую модель преобразования отражённого
от Земли солнечного излучения видимого либо ближнего инфракрасного
(ИК) диапазонов в атмосфере и далее в оптико-электронном тракте сканера, а
также радиолокационного сигнала в процессе синтеза апертуры, максималь
но полно учитывающую все искажающие факторы.
3. Разработать алгоритмы- пересчёта цифровых кодов яркости
(пикселов) принятого от ИСЗ космического изображения, в значения коэф
фициента рассеяния земной поверхности в соответствующем спектральном
диапазоне с погрешностью, не превышающей для обычных условий съемки
10%.
-
Разработать алгоритм преобразования координат пикселов матрицы исходного неструктурированного изображения так, чтобы после такого преобразования обработанное (геокодированное) изображение было представлено в структуре требуемой картографической проекции с погрешностью порядка 1 -3 пиксела, характерной для изображений SPOT. '
-
Разработать алгоритмы планирования космических съёмок, обеспечивающие "закладку" на борт ИСЗ команд управления, для съёмки заявленных потребителем регионов с помощью того или иного датчика.
-
Разработать архитектуру программного обеспечения и соответствующей базы данных, с помощью которых реализуется достижение высокого (прежде всего, геометрического) качества выходных информационных продуктов. ,
-
Создать программно-методическое обеспечение, а также соответствующую базу данных, реализующие процедуры предварительной обработки с минимальной затратой времени и усилий оперативного персонала.
-
Ввести в действие технологию предварительной обработки данных ДЗЗ в центрах приёма и обработки спутниковых данных Росгидромета.
Научная новизна. Новизна результатов, полученных в настоящей работе, состоит в том, что разработана теоретическая основа, необходимая для последующего создания высокоточной и быстродействующей подсистемы предварительной обработки на уровне наиболее передовых зарубежных аналогов (например, системы SPOT), в частности :
разработан способ высокоточного определения и уточнения элементов оскулирующей орбиты ИСЗ при движении в поле тяготения Земли, потенциал которого представлен в виде усечённого ряда Из 16 членов разложения по сферическим гармоникам, с учетом сопротивления атмосферы (динамическая модель атмосферы);
получены уравнения Взаимосвязи геодезических координат B,L и соответствующих координат изображения n, m (номера строки и столбца соответственно) при подробном учете динамики орбитального движения ИСЗ и движения системы ориентации, кривизны и вращения Земли, геометрических параметров развертки изображения применительно к сканерам с конической и электронной (с перенацеливанием центра кадра) развёртками, а также к радиолокаторам с синтезированной апертурой;
разработаны способы решения уравнений взаимосвязи относительно как координат изображения, так и геодезических координат, с точностью, определяемой разрядностью компьютера;
- разработана картографическая проекция базы данных пріиродно-
ресурсной космической системы (косая, равноугольная, с ориентацией.листов
вдоль номинальных трасс ИСЗ);
получено уравнение взаимосвязи коэффициентов-отражения неоднородной сферической поверхности планеты с распределением интенсивности уходящего излучения на верхней границе атмосферы, регистрируемого сканерами оптического и ближнего ИК-диапазонов, с учетом реальной геометрии сканерной съемки;
получены выражения, связывающие величины пикселов с входной интенсивностью сканера при учете аберраций объектива и расфокусировок в оптической системе, диффузии и рекомбинации носителей в толще полупроводника чувствительного элемента и т.д.;
построена математическая модель формирования радиолокационного изображения при космической съёмке с помощью РСА с унетом реальной геометрии визирования;
разработаны быстродействующие интерполяционные алгоритмы геометрической коррекции (трансформирования исходного изображения в проекцию карты) для информации, получаемой сканерами и РСА, обеспечивающие субпиксельные точности при восстановлении поля восходящей интенсивности излучения;
разработаны алгоритмы радиометрической коррекции сканерных изображений, устраняющие влияние рассеяния излучения в атмосфере путем пространственной неоднородной фильтрации, а также факторов, обусловленных несовершенством бортового информационного комплекса с методической погрешностью порядка 10%;
разработаны алгоритмы синтеза радиолокационного изображения, полученного по данным РСА, с также их геометрической коррекции с подробным учетом всех основных искажающих факторов;
разработан способ уточнения геометрических параметров космичет ской съёмки, а также коэффициентов геометрической коррекции по опорным точкам местности, число которых минимально при погрешности геокодирования 1-3 пиксела;
- разработана архитектура базы данных и программного обеспечения
предварительной обработки применительно к автономным комплексам на ба
зе малых ЭВМ и компьютеров, а также в рамках локальной компьютерной
сети.
Реализация результатов работы. Разработанные автором теоретические положения легли в основу алгоритмов первичной и межотраслевой обработки данных ДЗЗ, принимаемых с отечественных ИСЗ типа "Ресурс-01" N 2, 3 и "Алмаз-1", а также планирования космических съёмок с ИСЗ "Метеор-2,3", "Ресурс-01" и "Океан-01". Указанные алгоритмы были реализованы в виде программно-методического обеспечения (ПМО), которое было создано под руководством и непосредственном участии автора сначала на ЭВМ типа СМ4, а затем на персональных компьютерах типа PC/AT. Комплексы, включающие данное ПМО, были внедрены в Главном (г.Москва) и региональных (г.г. Новосибирск и Хабаровск) центрах приёма и обработки спутниковых данных Росгидромета в трех модификациях:
- малые аппаратно-программные комплексы (МАПК и МАПК-Д) на ба
зе СМ ЭВМ (внедрение 1988-1991 г.г.) с вводом данных с магнитных лент
высокой плотности записи (МЛВП),
- автономные компьютерные комплексы межотраслевой обработки
(КМО) на базе PC/AT с вводом данных также с МЛВП,
- компьютерный комплекс межотраслевой обработки на базе локальной
компьютерной сети с прямым вводом поступающих данных ДЗЗ в память
компьютера (КМО-П). Программное обеспечение подсистемы планирования
1-ой очереди внедрено в 1994 г. в отделе планирования НПО "Планета".
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технической конференции "Обработка изображений и дистанционные исследования" (г. Новосибирск, июнь 1984 г.), на семинаре-совещании по проекту "Геоинформационные банки" в рамках плана мероприятий рабо-
-9-чей группы социалистических стран по дистанционному зондированию Земли по программе "Интеркосмос" (г. Москва, 1988 г.), на семинаре-встрече "Применение спутниковой информации в работе прогностических Подразделений Госкомгидромета СССР при гидрометеообеспечении народного хозяйства (г. Москва, 1988 г.), на совместном российско-финляндском семинаре по дистанционному зондированию Земли (г. Хельсинки, 1994 г.), на научно-технической конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды (г. Москва, 1996 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано всего 48 печатных работ, из них ,29 статей в научных журналах, одна депонированная рукопись, 8 тезисов докладов, 10 научно-технических отчетов по НИР.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы на 342 страницах, содержащих кроме текста 23 рисунка и 13 таблиц, а также список литературы из 176 наименований.