Обзор современных съемочных аэро- и космических систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Российский университет Дружбы Народов

Реферат

на тему: Обзор современных съемочных аэро- и космических систем

Выполнил:

Степанова А.С.

Москва 2016

Содержание

Введение

1. Аэрокосмические съемки

1.2 Приборы аэрокосмической съемки

2. Масштаб и пространственное разрешение

3. Кадровая, щелевая, панорамная фотосъемка, сканерная, лазерная, радиолокационная аэрокосмосъемки и методы формирования аэрокосмоснимков

4. Аэрокосмосъемочное оборудование

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Возможности получения нужной и качественной информации с использованием аэрокосмических снимков в существенной степени зависят от используемых материалов. В настоящее время арсенал аэрокосмической информации велик по количеству и разнообразен по составу.

Возможна систематизация данных ДЗ по нескольким основаниям: - по высоте‚ с которой выполнена съемка‚ различают аэроснимки‚ полученные с высоты преимущественно от 500 до 10 000 м‚ но не более 30 000 м; космические снимки - с высоты более 150 км; - по масштабу и пространственному разрешению; по диапазону регистрируемого излучения; по технологическим способам получения снимков. Аэросъемка выполняется в основном с самолетов.

Для съемки с малых высот (100 - 1000 м)‚ предназначенной только для дешифрирования‚ иногда используют вертолеты‚ а также радиоуправляемые модели. Последние годы предпочтение отдается легким самолетам. Основной объем аэросъемочных работ в нашей стране выполняется с самолета-аэросъемщика АН-30 в интервале высот 3000 - 6000 м.

Для съемки с высот около 10 000 м используют переоборудованные пассажирские самолеты. Космические снимки получают с автоматических спутников‚ космических кораблей и пилотируемых орбитальных станций с высот 180 - 400 км.

1. Аэрокосмические съемки

1.2 Приборы аэрокосмической съемки

Съемка больших территорий в настоящее время осуществляется методами фотограмметрии, изучающей способы и технологию определения форм, размеров, положения в пространстве, количественные и качественные характеристики объектов по их изображениям.

Изображения местности получают с помощью специальной аппаратуры, устанавливаемой на авиационных или космических носителях. Для аэросъемки используют самолеты (например, АН-30, ТУ-134, ИЛ-18), сверхлегкие летательные аппараты (малые самолеты, мотодельтапланы) и вертолеты. Космическая съемка выполняется с искусственных спутников Земли, пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций.

Среди аэрокосмических различают съемки фотографические, сканерные, тепловые инфракрасные, радиолокационные и др.

Основным видом аэрокосмической съемки является аэрофотосъемка, которую выполняют с помощью аэрофотоаппаратов (рис. 1, а). Аэрофотоаппаратом изображение местности фиксируется на фотопленке - черно-белой, цветной или спектрозональной. Наиболее распространены форматы снимков: в нашей стране - 18Ч18 см и 30Ч30 см, за рубежом -18Ч18 см и 23Ч23 см.

В аэрофотоаппаратах применяют сфокусированные на бесконечность линзовые объективы с фокусным расстоянием от 35 до 1000 мм (наиболее часто используются объективы с фокусным расстоянием 70, 100, 200 мм). Формат кадра и фокусное расстояние определяют угол поля зрения аэрофотоаппарата 2b (рис. 1, б). У узкоугольных аэрофотоаппаратов 2b < 50°, у широкоугольных - достигает 140°.

Возможность раздельно различать на снимке мелкие близко расположенные детали изображения называется разрешающей способностью снимка. В настоящее время аэрофотоснимки имеют разрешающую способность 10-40 линий на миллиметр.

При фотографировании на аэроснимке фиксируется изображение местности, а также координатные метки, которые определяют плоскую систему координат снимка (см. рис. 1,б).

Рис.1 Аэрофотоаппарат:

а - устройство: 1 - кассета; 2 - камерная часть; 3 - часть объектива;

4 - командный прибор; б - схема фотосъемки: S - центр проектирования снимка;

f - фокусное расстояние; H - высота фотографирования

Аэрофотоснимок, угол наклона которого при фотографировании был равен нулю, называется горизонтальным, при угле наклона, не превышающем 3°, - плановым, при угле наклона более 3° - перспективным.

Различают аэрофотосъемку одинарную - это съемка отдельных объектов, маршрутную - фотографирование полосы местности вдоль заданной линии (например, железной дороги) и площадную - фотографирование местности несколькими параллельными маршрутами. Фотографирование выполняют так, чтобы смежные снимки одного маршрута имели продольное перекрытие не менее 60%, а снимки соседних маршрутов - поперечное перекрытие не менее 30%.

Аэрофотоснимок представляет собой центральную проекцию точек местности на плоскость снимка (см. рис. 1, б). Масштаб горизонтального снимка определяется по формуле

, (1)

где М - знаменатель масштаба, Н - высота полёта и f - фокусное расстояние аэрофотоаппарата.

Для выполнения космических съемок используют космические фотоаппараты, являющиеся длиннофокусными модификациями аэрофотоаппаратов.

Наряду с аэрофотоаппаратами при аэросъемке стали применять цифровые электронные камеры, сканеры и другие съемочные системы, создающие цифровые изображения местности.

Цифровая электронная камера снабжена ПЗС-приемником (прибором с зарядовой связью). ПЗС-приемник представляет собой многоэлементный фотоэлектрический приемник излучения, состоящий из миниатюрных фотодиодов, соединенных в линейку или двумерную матрицу. Размер отдельного чувствительного элемента - меньше 0,01 мм. Лучи света от разных участков местности попадают на разные фотодиоды, создавая в совокупности изображение местности.

Сканеры бывают оптико-механические и оптико-электронные. В оптико-механическом сканере сканирующее устройство - быстрокачающееся зеркало, которое, просматривая местность поперек движения носителя, посылает лучистый поток в объектив и далее на точечный фотоприемник.

В оптико-электронном сканере для регистрации излучения используется ПЗС-линейка, располагаемая перпендикулярно к направлению движения носителя аппаратуры. Периодически ПЗС-линейкой фиксируется строка изображения местности. Последовательное соединение строк формирует изображение полосы местности (рис. 2).

Разрешающую способность цифровых снимков принято характеризовать числом точек на дюйм - dpi (от англ. dots per inch) и размером пикселя на местности - PIX. В частности, размер пикселя в системе TM, установленной на ИСЗ Landsat, равен 30 м, а МСУ-Э/Ресурс-О - 45 м.

Рис. 2 Сканерная съемка

2. Масштаб и пространственное разрешение

На протяжении всей истории развития аэросъемки показателем детальности изображения на снимках служил масштаб. Аэроснимки‚ как правило‚ подвергаются обработке (дешифрированию или измерительной обработке) в масштабе съемки‚ т.е. используются оригинальные негативы или позитивы на бумаге и пленке‚ изготовленные способом контактной печати.

Увеличенные отпечатки аэроснимков используются редко‚ в то же время применяемые для обработки аэроснимков приборы рассчитаны на рассматривание с увеличением. Как правило‚ соотношение между масштабами аэроснимков и составляемой карты не превышает 3:1‚ а чаще масштаб снимка в 2 раза крупнее масштаба карты или близок к нему.

Масштабный ряд аэрофотоснимков в зависимости от характера использования можно разделить на несколько групп (таблица 1).

Таблица 1

В противоположность аэроснимкам большинство космических снимков дешифрируется не в масштабе съемки‚ а со значительным увеличением: оригинальный масштаб космического снимка может быть в 3 - 5 и даже 10 раз мельче масштаба составляемой по нему карты. При космической съемке кроме традиционного фотографического широкое развитие получили оптико-электронные способы. По отношению к снимкам‚ полученным такого рода съемочными системами‚ понятие масштаба весьма условно‚ так как преобразование электронного сигнала в изображение на экране монитора или в оптическую плотность негатива (фотоотпечатка) в принципе возможно в разных масштабах. Вследствие этого для космических снимков важен не столько масштаб‚ сколько пространственное разрешение. Для характеристики детальности аэрокосмических материалов широко используется величина пространственного разрешения‚ т.е. размер на местности самой малой детали‚ воспроизведенной на снимке. Разрешение аэроснимков очень высокое и практически никогда не лимитирует распознавание географических объектов.

По отношению же к космическим снимкам эта характеристика является очень важной‚ т.к. их разрешение варьирует от нескольких дециметров до нескольких километров (таблица 2) и объясняется различием требований‚ предъявляемых к снимкам при решении разных задач. Пространственное разрешение фотографических снимков зависит от высоты съемки‚ свойств объектива съемочной камеры‚ разрешающей способности негативной пленки и фотобумаги. Разрешение снимков‚ полученных оптико-электронными съемочными системами (сканерами)‚ определяется размером элемента изображения‚ пиксела.

Таблица 2

3 Кадровая, щелевая, панорамная фотосъемка, сканерная, лазерная, радиолокационная аэрокосмосъемки и методы формирования аэрокосмоснимков

Сканеры: оптико-механические (сканирующее устройство - быстрокачающееся зеркало, которое, просматривая местность поперек движения носителя, посылает лучистый поток в объектив и далее на точечный фотоприемник) и оптико-электронные (для регистрации излучения используется ПЗС-линейка, располагаемая перпендикулярно к направлению движения носителя аппаратуры. Периодически ПЗС-линейкой фиксируется строка изображения местности. Последовательное соединение строк формирует изображение полосы местности). Разрешающую способность цифровых снимков принято характеризовать числом точек на дюйм (dpi) и размером пикселя на местности (размер пикселя в системе на ИСЗ Landsat= 30 м, а =Ресурс-О - 45м). Сканерный метод позволяет выполнять съемки местности в течение длит времени, передавая инф по радиоканалам на Землю. аэрокосмический съемка радиолокационный пространство

Лазерный сканер - сканирующий лазерный дальномер. Местность и расположенные на ней объекты отображаются множеством точек, для каждой из которых получают пространственные координаты и которые при визуализации на мониторе образуют объемное изображение объекта. Съемка местности сопровождается определением координат аэросъёмочной аппаратуры с пом спутникового приемника GPS/ГЛОНАСС, а также измерением высоты съемки радиовысотомером.

Радиолокационные снимки - получаются в результате зондирования земной пов радиосигналом. На борту носителя (самолета/спутника) устанавливается радиолокатор -активный микроволновый датчик, способный передавать и принимать поляризованные радиоволны в заданном диапазоне частот. Снимкиполучают в радиодиапазоне, регистрируя отраженные земной пов радиосигналы, посылаемые бортовым радиолокатором. На снимках отображаются шероховатость и влажность пов, рельеф, особенности структуры и состав пород, слагающих пов, характер растит покрова. При опр длинах волн снимках отображаются неоднородности грунта, гр воды. Пространственное разрешение определяется размером антенны. У снимков радиолокатора бокового обзора с реальной антенной= 1 -2 км, но в большинстве случаев при исп радиолокаторов с синтезированной длиной антенны разрешение 10-30 м при ширине обзора 100 км. В последние годы начали получать снимки с переменным режимом работы(разрешение 2 - 100 м при охвате 45-500 км). Специфика снимка - мелкая пятнистость изображения -- технические спекл-шумы и своеобразное отображение горного рельефа.

Кадровые и линейные цифровые фотографические системы.

Термин «линейный сканер» применительно к аэрофотографическим системам не является общепризнанным. Многие утверждают, что это термин неверно отражает суть приборов этого типа. Тем не менее, мы будем пользоваться именно этим термином.

Производители, как правило, ориентируются только на один из двух указанных типов. Современные технологии разработки и создания цифровых метрических аэрофотоаппаратов слишком сложны и ресурсозатраты, чтобы позволить себе «роскошь» поддержки сразу двух концепций. Различия концепций касаются не только принципов построения оптических и электронных компонентов приборов, но и всей идеологии их использования, включая полевые, аэрофотосъемочные, фотограмметрические и камеральные работы.

Концептуальные различия на техническом уровне вылились в существенные расхождения рыночных концепций, стратегий продвижения и поддержки своих продуктов, реализуемых компаниями - производителями. Существует мнение даже о возникновении рыночных войн, например, между LeicaиIntergraph.

Для того чтобы приди к объективному заключению представим наиболее распространенные доводы в пользу линейных фотографических сканеров:

технология фотографических линейных сканеров первоначально была разработана для установки на космических аппаратах, лишь потом была «адаптирована» для аэросъемочных целей. Именно по этому принципу сегодня работает большинство спутников дистанционного зондирования Земли.

Технология обеспечивает исключительно высокое качество цветопередачи за счет отсутствия различий в разрешающей способности «цветных» и панхроматических сенсоров.

Линейные приемники «сильней» матричных по соотношению сигнал/шум. Данные съемки, полученные с помощью сканеров, имеют более широкий фотометрический динамический диапазон.

Приборы, работающие по принципу линейного сканирования, обеспечивают формирование непрерывных «полос» данных, получаемых практически при постоянном угле визирования. В отличие от систем кадрового типа, в линейных сканерах не наблюдается «скачка ракурса» от снимка к снимку. Вместе с тем, за счет использования нескольких линеек сенсоров, ориентированных под различными продольными углами к надиру имеется возможность как стереоскопического наблюдения данных, так и возможность проведения практически всех видов стереофотограмметрической обработки, в том числе, развитие фототриангуляционных сетей.

Линейные и кадровые системы различаются в принципах формирования изображений:

При кадровой системе каждый аэрофотоснимок представляет собой одномоментный «слепок», полученный из единого центра проекции.

При линейном сканировании изображения точек и других объектов получены в разные моменты времени, т.е. с различным положением главной точки и ориентацией системы координат (СК) аппарата.

Аппаратура дистанционного зондирования космических аппаратов серии «Ресурс-О». Бортовой информационный комплекс космического аппарата серии «Ресурс-01» предназначен для получения, формирования, уплотнения и передачи на наземные пункты приема информации дистанционного зондирования, полученной в видимом и инфракрасном диапазонах спектра.

В состав бортового информационного комплекса входят бортовая измерительная аппаратура (БИА) и бортовая информационная система (БИС). В свою очередь, БИА включает:

моноблок из двух многозональных сканирующих устройств высокого разрешенияМСУ-Э, установленных на общей поворотной платформе;

два комплекта многозонального сканирующего устройства среднего разрешенияс конической разверткой МСУ-СК.

4. Аэрокосмосъемочное оборудование

Говоря о современных цифровых топографических аэрофотоаппаратах можно предложить базовый набор критериев оценки их производительности и качества.

Набор пользовательских критериев оценки производительности и качества цифровых АФА

Опираясь на «пользовательский» подход можно предложить следующие критерии сравнения цифровых топографических аэрофотоаппаратов:

1. Способ формирования кадра.

2. Общие и частные фотографические и фотограмметрические свойства.

3. Весогабаритные характеристики.

В основном все имеющиеся сегодня (особенно широкоформатные) цифровые аэрофотоаппараты характеризуются некоторым набором общих свойств:

1. Использование CCD(ПЗС в русской транскрипции) приемников излучения, матричного или линейного типа.

2. Синтезированный кадр (для широкоформатных аэрофотоаппаратов). Т.е. результирующий кадр системы формируется из набора субкадров, соответствующих отдельным CCDматрицам (линейкам) приемников.

3. GPS/INSподдержка. Т.е. пространственные линейные и угловые координаты системы координат аэрофотоаппарата (элементы внешнего ориентирования) определяются с использованием средств инерциальной навигации и систем спутникового геопозиционированияGPSи (или) ГЛОНАСС.

4. Широкий динамический диапазон 12-14 бит.

5. Наличие компенсации сдвига изображения в течение времени экспозиции («смаз»). Для обозначения этого свойства в англоязычной литературе укрепился термин FMC-ForwardMotionCompensation.

6. Использование гиростабилизации для подержания планового положения аппарата в процессе съемки.

Вместе с тем современные цифровые аэрофотоаппараты различаются по целому ряду параметров. Укажем главные:

1. Геометрия приемника - матрица CCDили линейкаCCD.

2. Метод синтеза кадра.

3. Способ компенсации «смаза» - механический или электронный.

Первые два указанных различия носят концептуальный характер и в значительной степени определят «идеологию» как самих аэрофотоаппаратов, так и методик их использования.

В таблице представлен один из возможных подходов к классификации цифровых аэрофотоаппаратов, когда в качестве основного критерия используется размер выходного кадра (аэрофотоснимка):

Классификация цифровых АФАпо размеру результирующего кадр

Данный метод классификации весьма условный, но несмотря на свою ограниченность, является весьма распространенным. Кроме этого, он пригоден только по отношению к кадровым системам. Однако по традиции линейные фотографические сканеры (LeicaADS-40,Jena-OptronikJAS-150) принято относить к широкоформатным аэрофотоаппаратам.

Малоформатные камерыактивно использовались для аэросъемочных целей до конца 90-х годов прошлого столетия такие какRolleid507metricKodak(DCS5Pro14n). Сейчас их роль весьма ограничена. Средне форматные цифровые метрические камеры сегодня являются основным инструментом получения цифровых геопространственных данных с авиационных носителей. Точная статистика отсутствует, но можно с сказать, что сегодня в мире используются сотни таких камер. Главным доводом в пользу камер этого типа является их «умеренная» ценовая ниша, компактность, малое энергопотребление и возможность быстрой адаптации к существующим носителям. Такие камеры управляются с использованием обычных персональных компьютеров, которые часто используются и как средства накопления аэрофотоснимков (рис. 1)

Rollei AIC modular LS

Hasselblad (H2)

Applanix DSS

Рис. Среднеформатные цифровые топографические камеры

Главные технологические ограничения среднеформатных цифровых фотоаппаратов (в смысле их аэрофотосъемочного использования):

1. Используется только один матричный CCDприемник (это ограничивает размер результирующего кадра).

2. Режим компенсации сдвига изображения в среднеформатных камерах не используется, что накладывает определенные ограничения при выборе условий проведения аэрофотосъемочных работ (высоты, скорости, длительности экспозиции).

Рис. Крупноформатные цифровые топографические камеры Leica(DSW700)VEXCEL(UltraCamX)

Основные параметры крупноформатных камер

Заключение

Космические снимки позволяют выявить растительный покров в динамике, то есть в развитии, а также степень нарушения его в результате деятельности человека. Это явление носит название антропогенного воздействия. Получение повторных изображений одних и тех же территорий позволяет выявить направленность и скорость воздействия человеческой деятельности на географическую среду и в том числе на почвы и растительность. Космические снимки дают самую современную информацию о растительности Земли, позволяют составить представление о соотношении площадей естественной и культурной растительности, определить перспективы наиболее рационального хозяйственного использования растительных ресурсов. В отношении культурной растительности космические снимки дают богатейшую информацию. По ним можно определить урожайность, сроки созревания, количество участков, пораженных вредителями и болезнями, составлять оперативные карты ведение сельского хозяйства.

Список используемой литературы

1. Обиралов А.И. Фотограмметрия и дистанционное зондирование. - М.: КолосС, 2006.-334с

2. Федотов, Г. А. Инженерная геодезия - Москва: Высшая школа, 2004. - 462стр.

3. Селиханович В. Г. Геодезия: учебник для вузов: для студентов геодезических специальностей вузов. - Москва: Альянс. - 2006. - . - 543,[1] с.

4. Перфилов В. Ф. Геодезия. - Москва: Высшая школа, 2006. - 349стр.

Размещено на Allbest.ru