Введение к работе
Актуальность темы
Учет аппаратурных и атмосферных искажений является важным этапом предварительной обработки информации, поступающей с бортовых оптико-электронных систем наблюдения подстилающей поверхности Земли (ППЗ) в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра электромагнитного излучения. Радиометрическая и радиационная (атмосферная) коррекции преследуют цель уменьшить вариации регистрируемого видеосигнала, не связанные с изменением оптических свойств объектов на земной поверхности, и направлены, в конечном счете, на достижение воспроизводимости результатов тематического дешифрирования при повторных съемках заданного региона (в частности при решении задач регионального мониторинга).
Радиометрическая коррекция преследует следующие цели:
устранение влияния разброса чувствительности элементов вдоль линии сканирования с учетом их индивидуальных светосигнальных характеристик, определяемых на этапе предполетных и полетных испытаний;
однозначный перевод цифровых отсчетов изображения в- величину потока излучения на входном зрачке съемочной камеры (по данным наземной и бортовой калибровки).
Таким образом, проведение радиометрической коррекции приводит к получению независимого от характеристик конкретной аппаратуры изображения системы "атмосфера- подстилающая поверхность' Земли". Однако радиометрическая коррекция не устраняет влияния условий освещения, геометрии зондирования, состояния атмосферы в момент съемки. Устранением влияния на изображения перечисленных факторов занимается процедура атмосферной коррекции (радиационная коррекция).
Как известно, наличие атмосферы приводит к тому, что яркость и контрасты объектов можно наблюдать без изменений только в непосредственной близости к земной поверхности. Исследование влияния атмосферы на излучение, ограженное природными объектами, выполненное по данным съемок с космических аппаратов, показало, что атмосфера не только снижает контраст объектов, но и искажает спектральный ход альбедо подстилающей поверхности. Наиболее существенно влияние атмосферы в видимой и ближней ИК области спектра для объектов малой яркости. Таким образом, влияние атмосферы, во-первых, затрудняет правильное распознавание исследуемых образований (в первую очередь растительных) с использованием "банка" эталонных спектральных характеристик; во-вторых, снижает качество определения границ смежных разнородных участков поверхности в процессе сегментации изображения с разбиением на независимые объекты.
. Актуальность диссертационной работы связана с необходимостью разработки методического и программно алгоритмического обеспечения решения задачи по восстановлению спектральных отражающих свойств подстилающей поверхности Земли с использованием информации камеры ОЭК-ОЗ разработки НПЦ "ОПТЭКС", установленной на КА 17ФП8-0.
Целью диссертации являлось научно-методическое обоснование и выбор методов радиационной и радиометрической коррекции спектрозональной информации, получаемой оптико- электронными системами обзора Земли, применительно к решению следующей прикладной задачи: разработке модуля прикладных программ применительно к задаче восстановления спектра
коэффициента отражения подстилающей поверхности (КО ПП) в рамках КНЭ "ОБЗОР".
Проведенный критический обзор литературы позволяет сформулировать конкретные задачи исследования, решение которых необходимо для достижения поставленной цели диссертационной работы:
-
Научно методическое обоснование и разработка адекватного метода восстановления КО ПП по сигналу, регистрируемому приемником на верхней границе атмосферы.
-
Проведение сравнения быстрых методов расчета оптических передаточных функций атмосферы ОПФА (особенно яркости атмосферной дымки) при одинаковых оптических условиях и атмосфере, максимально приближенной к реальной, и выбор (реализация) на основе этого сравнения метода, сочетающего высокую точность с приемлемыми затратами машинного времени (т.е. чтобы время вычислений было сравнимо со временем ввода в программу входных данных и оптической модели атмосферы).
-
Расчетно-параметрическое исследование влияния различных факторов системы "Земля - атмосфера - приемная аппаратура" (спектрального диапазона, геометрии визирования, условий освещения, состояния атмосферы, отражающих характеристик подстилающей поверхности, калибровочных коэффициентов, функций чувствительности спектральных каналов приемника) на точность восстановления КО по сигналу на входе приемкой системы. При этом особенно важно исследовать погрешности, возникающие при использовании стандартной атмосферы, и найти условия, когда погрешность минимальна, и способы снижения погрешности, оптимизируя условия зондирования.
Научная новизна исследования заключается в том, что:
1) Разработан оригинальный метод расчета излучения в системе
"Стратифицированная, горизонт&чыю-однородная атмосфера -горизонтально-
неоднородная подстилающая поверхность", сочетающий высокое быстродействие и
достаточную (в рамках решаемой задачи) точность вычисления яркости.
-
В результате численного моделирования установлены оптимальные условия проведения съемки ПП оптико- электронными системами, которые обеспечивают минимальную погрешность восстановления КО ПП.
-
С использованием созданных программных модулей впервые г.роведсна обработка, анализ и интерпретация данных международного подспутникового эксперимента FIFE (First International Field Experiment, Канзас, 1987г.).
-
С помощью разработанных методик и комплексов программ, включенных в состав штатного ПА О в/ч 32103, проведена полетная калибровка камеры ОЭК-ОЗ, что позволило получить достоверные данные по коэффициентам различных типов ПП.
Достоверность полученных результатов обеспечивается:
-
всесторонним методическим обоснованием выбора исходной оптической модели атмосферы и отражающих свойств подстилающей поверхности;
-
физическим обоснованием и сведением к минимуму упрощающих предположений в модели, используемой при расчете переноса излучения в системе "подстилающая поверхность - атмосфера";
-
методическим исследованием внутренних свойств решения краевой задачи для уравнения переноса лучистой энергии (УПЛЭ), тестированием программ, а также сравнением с точными аналитическими и численными расчетами других авторов;
4) удовлетворительным совпадением рассчитанных величин с данными натурных измерений.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные программно-реализованные алгоритмы радиационной и радиометрической коррекции включены, как составная часть, в комплекс первичной обработки спектрозоналыюй видеоинформации СЗВИ фоно-целевой обстановки (ФЦО) на поверхности Земли, получаемой камерой ОЭК-ОЗ КА 17Ф118-0 (ПАО ЦТЕА.О0ОП-ОІ) в рамках КНЭ "ОБЗОР". Комплекс входит в состав ПАО центра обработки информации эксплуатирующей организации (в/ч 32103).
Разработанные методики, алгоритмы и пакеты прикладных программ могут быть использованы в организациях, занимающихся проблемами:
подготовки изображений, поступающих с космической оптико- электронной аппаратуры дистанционного зондирования, для тематического дешифрирования;
прогнозирования условий наблюдения поверхности земли оптико- электронной аппаратуры дистанционного зондирования;
разработки перспективных оптико-электронных систем наблюдения (обеспечение необходимой точности калибровки, выбор спектральных каналов и т.д.).
Положения, выносимые на защиту: I) Методика восстановления спектрального альбедо ПП по значениям яркости восходящего излучения на верхней границе атмосферы. Методика позволяет достигать приемлемой точности восстановления спектрального альбедо при минимальных затратах машинного времени.
2)- Результаты обработки, анализа: и интерпретации данных международного подспутникового эксперимента FIFE (Канзас, 1987г.), которые позволили провести верификацию всех разработанных алгоритмов и-программ.
-
Разработанное ПАО радиометрической, атмосферной коррекций и полетной калибровки, предназначенное для обработки СЗВИ, получаемой аппаратурой ОЭК-ОЗ КА 17Ф118-0. Разработанный комплекс программ входит в состав ПАО ЦОИ АНИУК-Э эксплуатирующей организации.
-
Результаты полетной калибровки камеры ОЭК-ОЗ КА 17Ф118-0 и значения альбедо, восстановленные по данным СЗВИ, получаемой этой камерой.
Работа выполнялась на кафедре "Системы, устройства и методы геокосмической физики" (СУМГФ) Московского физико-технического института (МФТИ) в период 1991-1995 гг. Представленные в работе 'исследования проводились в соответствии с планами работ кафедры СУМГФ- МФТИ и ОКР "СТРОЙ-О" (КНЭ "ОБЗОР") выполняемой в НПЦ "ОПТЭКС" НПО "ЭЛАС".
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 15 Международной конференции по лазерному зондированию в г. Томске (1990г.) на Всероссийской конференции в ВИА им. Можайского (1995 г.), ежегодных научных конференциях МФТИ.
Объем работы
Диссертационная работа изложена на 150 страницах машинописного текста, состоит из: Введения, 3-х глав, Заключения и Приложения; включает 32 рисунка и список основной использованной литературы из 148 наименований отечественных и зарубежных авторов на 15 страницах.