Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Казахский национальный технический университет имени К. И. Сатпаева

Институт Горно-металлургический имени О. А. Байконурова

Кафедра Маркшейдерского дела и геодезии

Контрольная работа

Тема: «Техническое обоснование аэрокосмической системы исследования природных ресурсов Республики Казахстан»

Ф.И.О. обучающегося: Конурбаев Е.Е.

Шифр специальности: 6М071100

Ф.И.О. преподавателя: Хан В. А.

Алматы 2014

Содержание

Введение

1. Пространственно-временные и спектральные характеристики вида природного ресурса: горы

2. Обоснование технических характеристик аэрокосмических снимков

3. Обоснование требований к параметрам орбит ИСЗ ДЗЗ, данные которых будут соответствовать целям и задачам исследований

4. Обоснование выбора данных ДЗЗ, соответствующих целям и задачам исследований

5. Обоснование необходимых видов обработки данных аэрокосмических съемок для исследования гор

6. Обоснование выбора программно-аппаратных комплексов обработки данных аэрокосмических съемок, соответствующих целям и задачам исследований

7. Разработка общей структурной схемы аэрокосмического исследования ресурса

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Целью курсовой работы является разработка системы исследования гор Республики Казахстан аэрокосмическими методами и его техническое обоснование. Целью исследования гор Казахстана является экологическая оценка и мониторинг опустынивания территории республики.

Задачами курсовой работы являются: составление перечня характеристик ресурса, обоснование технических характеристик аэрокосмических данных, выбор параметров орбит ИСЗ ДЗЗ, выбор данных ДЗЗ; описание обработки данных аэрокосмических съемок и программного обеспечения, и разработка общей структурной схемы аэрокосмического исследования ресурса.

Курсовая работа заключается в создании проекта по созданию карт гор РК в масштабе 1: 250 000.

Вид природного ресурса - Земля - является важнейшим элементом окружающей среды, влияющей на уровень жизни человека.

Классификация природного ресурса Земля.

Земли могут быть классифицированы по: видам ландшафта (горы, пустыня, степи, полупустыни), по виду назначения и использования (населенные пункты, сельскохозяйственные угодия, пастбища), по рельефу (равнина, горы, холмистая местность), по типам почв и состоянию почв (гумусность, влажность, засоленность, эродированность). Перечисленные параметры классификации Земли показывают на их прямое влияние на планирование обеспечения жизнедеятельности человека. Все это является обоснованием актуальности исследования природных ресурсов РК, в том числе пустынь.

Исследования гор позволяют установить количественные и качественные характеристики, на основании которых можно создать карту гор республики.

1. Пространственно-временные и спектральные характеристики вида природного ресурса: горы

Пространственные характеристики: площадной объект

Временная характеристика - зависимость от времени. Наиболее предпочтительна производить съемку в период после зимы, когда оттает снег. Спектральные характеристики - (черно-белое, цветное, спектрозональное (красный и зеленый)). Для исследования гор предпочтительна черно-белая съемка.

2. Обоснование технических характеристик аэрокосмических снимков

На основании пространственных, временных и спектральных характеристик объекта исследований аэрокосмические снимки должны иметь следующие параметры:

1. Для исследования гор в целях инвентаризации (общая площадь) рекомендуемое пространственное разрешение - в пределах 1 м.

2. Для исследования гор рекомендуются цветные снимки. Для определения количественных характеристик - панхроматические снимки, для определения качественных характеристик - цветные снимки.

3. Для исследования гор радиометрическое разрешение должно быть высоким - 11 бит. Чем больше бит, тем больше детальности.

4. Для исследования гор рекомендуется применять период с апреля по май.

3. Обоснование требований к параметрам орбит ИСЗ ДЗЗ, данные которых будут соответствовать целям и задачам исследований

Орбита должна быть солнечно-синхронной, околокруговой, околополярной и квазисихронной.

4 Обоснование выбора данных ДЗЗ, соответствующих целям и задачам исследований

На основании выше указанных технических характеристик аэрокосмические снимки для исследования пустынь должны быть с высоким пространственным и радиометрическим разрешением, как в панхроматическом, так и в мультиспектральном диапазоне. Для выполнения этих требований аэрокосмические снимки будут произведены со спутников GeoEye-1.

GeoEye-1 позволяет одновременно вести съемку в панхроматическом и многоспектральном режимах с пространственным разрешением 0,4 и 1,6 м соответственно. Важной особенностью этого спутника является высокая точность координатной привязки изображений, которая обеспечивается благодаря применению космической платформы с высокой стабильностью и повышенной точностью определения пространственного положения и ориентации спутника. В соответствии с данными изготовителя, средняя квадратическая погрешность определения координат точек местности по снимкам GeoEye-1 составляет 1,5 м в плане без использования наземных опорных точек. При повышении пространственного разрешения и точности географической привязки космических снимков можно на их основе формировать карты и планы вплоть до масштаба 1:2000 (т. е. использовать на уровне материалов аэрофотосъемки). Представляется, что такие точность позиционирования и масштаб конечных продуктов еще долго будут разграничивать области применения космических и авиационных съемочных средств.

Еще одним технологическим преимуществом КА GeoEye-1 является способность аппарата с большой скоростью (4°/с) поворачиваться в любом направлении для перенацеливания телескопа на заданный участок Земли, что позволяет получать большое количество кадров на каждом витке и осуществлять различные режимы съемки: кадровый, маршрутный, площадной, а также вести стереосъемку. При ширине захвата в надире 15,2 км и углах отклонения оси камеры от него до 40° производительность системы выше, чем у любой другой из существующих коммерческих платформ. Характеристики охвата территории при различных режимах съемки КА GeoEye-1 приведены в табл.

Характеристики охвата территории при различных режимах съемки КА GeoEye-1

Кооперация компаний во главе с DigitalGlobe (США) изготовила и запустила два космических аппарата -- WorldView-1 и WorldView-2. В проекте участвовали Bell Aerospace (США; платформа), Kodak (США; оптическая камера), BAE Systems (Великобритания; система обработки). WorldWiew-1 массой 2500 кг оснащен телескопом с зеркалом диаметром 60 см для съемки с разрешением 0,45 м только в панхроматическом режиме при ширине полосы захвата 16,4 км. WorldView-2 массой 2800 кг оборудован крупногабаритным телескопом с диаметром зеркала 110 см для съемки с разрешением 0,45 м в панхроматическом режиме и 1,8 м в мультиспектральном (восемь спектральных каналов). Ширина полосы захвата на местности при съемке в надир составит 16,4 км при высоте орбиты 770 км.

Для достижения высокого качества изображения применяются оптическая система с высоким контрастом и оптимизированным отношением сигнал/шум, а также технология временной задержки и накопления сигнала (TDI) на многолинейных ПЗС-структурах (6 режимов накопления от 8 до 64 крат). Оба космических аппарата оснащены бортовыми регистраторами емкостью 2,2 Тбит и сверхскоростной (800 Мбит/с) радиолинией передачи данных. Срок активного существования -- 7 лет и более.

Для увеличения производительности в системе ориентации используются гироскопы управления моментом, которые позволяют довести скорость перенацеливания телескопа на объекты съемки до 4,5°/с. Аппаратура может выполнять съемку в кадровом, маршрутном (в том числе сложной конфигурации, например, вдоль береговой линии, дороги, нефтепровода или государственной границы), площадном (участки 60x60 км) режимах, а также в режиме формирования стереопар.

GeoEye-1 -- космический спутник, предназначенный для фотографирования поверхности Земли. Принадлежит корпорации GeoEye. Запущен 6 сентября 2008 года. Первые снимки получены в начале октября 2008. Разрешение внадире: 41 см в панхроматическом диапазоне и 1,65 м в мультиспектральном. Однако снимки с максимальным разрешением поставляются только государственным организациям США и их союзникам; коммерческим потребителям доступны снимки с разрешением 0,5 м.^[1]

Съемочная аппаратура "GIS":

· Фокусное расстояние: 13.3 м.

· Диаметр главного зеркала: 110 см

· Относительное отверстие: 1:12

· Угол поля зрения: 1,28°

· Спектральные диапазоны:

· Панхроматический режим 450-800 нм

· Мультиспектральный режим 450-510; 510-580; 655-690; 780-920 нм (синий, зеленый, красный, ближний ИК)

· Динамический диапазон: 11 бит

· Разрешение на местности (надир, номинально)

· 0.41 м (панхроматический)

· 1.65 м (мультиспектральный)

· Ширина полосы захвата^[3]: 15.2 км

· Емкость запоминающего устройства 1200 Гбит (150 Гбайт)

5. Обоснование необходимых видов обработки данных аэрокосмических съемок для исследования пустынь

Данные, полученные со спутника GeoEye-1 должны быть обработаны для дальнейшего использования. Обработка данных ДЗЗ включает предварительную обработку и улучшение изображений. В процессе предварительной обработки изображения из данных удаляются систематические радиометрические и геометрические ошибки. Улучшение изображения позволяет преобразовать его в форму, наиболее удобную для визуального или машинного анализа. Для улучшения изображения обычно используют изменение яркости и контрастности, а также пространственную фильтрацию и преобразование Фурье. Обработка данных ДЗЗ, а точнее цифровых данных является подготовительным этапом перед извлечением из изображения тематической информации.

Радиометрическая коррекция представляет собой изменение яркостей пикселей, обусловленное сбоем или неисправностью детекторов, влиянием рельефа и атмосферными эффектами. За время функционирования спутников на орбите измерительная аппаратура претерпевает изменения, впоследствии которых, показания датчиков сканеров необходимо подвергать радиометрической коррекции. Радиометрическая коррекция в общем случае состоит из двух этапов. На первом этапе устанавливается зависимость между значением пикселя и физическим параметром излучения (выполняется внутренним калибратором датчика). На втором этапе учитываются сами эффекты распространения, чтобы величина принимаемого излучения трактовалась как излучение исследуемой поверхности.

Наиболее важным шагом предварительной обработки является устранение атмосферного влияния (рассеяние и поглощение энергии). Для устранения влияния атмосферы нужно знать следующие параметры: количество водяного пара, распределение аэрозолей и видимость сцены (получают их из спектральных значений).

Следующим этапом в обработке цифровых данных является геометрическая коррекция, т.е. исправление искажений из-за съемочной системы, пространственные и масштабные ошибки (из-за изменения высоты, скорости полета или пространственного положения съемочной платформы. Систематические искажения устраняются на станциях приема данных ДЗЗ. Искажения в относительном позиционировании пикселей (полосчатость и выпадение строк) происходят из-за погрешностей датчика. К геометрической коррекции также относятся координатная привязка и геокодирование.

Ортотрансформирование производят в том случае, если изображения объектов смещаются из-за рельефа, а также для устранения искажений, связанных с центральной проекцией снимка и дисторсией объектива.

6. Обоснование выбора программно-аппаратных комплексов обработки данных аэрокосмических съемок, соответствующих целям и задачам исследований

Компьютерная обработка аэрокосмических снимков

Для ГИС, предназначенной для решения различных научно-практических задач, важно использование информации, полученной аэрокосмическими методами, как наиболее оперативной. ГИС, содержащие картографическую и аэрокосмическую информацию, получили название интегрированных, в которых векторные картографические данные объединяются с растровыми дистанционными (линейными и пиксельными).

Внедрение компьютерных технологий обработки снимков позволило практически перейти к представлению пространственной информации в виде цифровых моделей местности, которые строятся по результатам стереофотограмметрических измерений снимков.

Компьютерная обработка снимков позволяет решать следующие задачи:

- геометрическое преобразование снимков, изготовление фотопланов и фотокарт;

- яркостные и цветовые преобразования;

- получение количественных характеристик;

- визуализация цифровых данных дистанционного зондирования;

- автоматизированное дешифрирование снимков (классификация).

Основными этапами компьютерной обработки аэрокосмического изображения являются: ввод и внутреннее представление изображений; координатная привязка, и фотограмметрическое преобразование снимков; геометрическая коррекция; предварительная обработка изображения; автоматизированное дешифрирование.

Ввод и внутреннее представление изображений. Наиболее удобной для компьютерной обработки является информация, полученная с помощью санирующих систем, принимаемая в цифровой форме. Сигналы сканеров записываются на магнитную ленту и могут быть преобразованы для ввода в компьютер. При использовании фотографических аэрокосмических снимков, для получения их растровых изображений, используются фотограмметрические сканеры, имеющие высокую геометрическую и радиометрическую (яркостную) точность.

После того, как изображение получено в цифровом виде, принципиальным вопросом является внутреннее представление данного изображения в системе. Чаще всего используется табличное представление в виде матрицы.

Координатная привязка и геометрическая коррекция фотограмметрического преобразования снимков. После ввода изображения снимка в компьютер приступают к его координатной привязке и геометрическому преобразованию с целью перевода изображения в необходимую картографическую проекцию. Информация, поступающая с российских спутников серии «Космос», американских «Ландсат» и французского SPOT, координатная привязка и геометрическая коррекция осуществляется по орбитальным данным в автоматизированном режиме. При работе с аэрофотоснимками данные задачи решаются с использованием опорных точек, на основании которых проводится фотограмметрическая обработка снимков. В Республике Беларусь для этих целей используется цифровая фотограмметрическая система «Realistic-M».

Предварительная обработка изображения проводится практически всегда, независимо какие снимки (сканерные, фотографические) подвергаются обработке. Это обусловлено наличием во входном изображении шумов и искажений.

Искажение яркости объектов может быть обусловлено условиями фотосъемки, обработки фотоматериалов и условиями сканирования. Кроме того на снимках могут иметь место локальные искажения плотности изображения, которые проявляются в виде точек и др. Так могут изображаться объекты, которых нет в действительности: например, солнечные блики, тень облаков и т.д. Часто при предварительной обработке изображения сталкиваются с информационным шумом. В роли подобного шума выступают объекты, которые присутствуют как на снимке, так и в действительности. Но их наличие не существенно для поставленной задачи. А лишь затрудняет дешифрирование. Например, при составлении карты растительности несущественную роль играют линии электропередач, мелиоративная сеть и др.

На данном этапе обработки изображения осуществляется коррекция гистограммы, фильтрация и устранение шума, что позволяет повысить контрастность изображения, устранить мелкие детали. Яркостные преобразования изображения выполняются главным образом с помощью аналоговых устройств и позволяют проводить синтезирование цветных изображений, квантование по уровням оптической плотности, изменение контраста, подчеркивание границ контуров.

Наиболее сложным этапом компьютерной обработки изображения является автоматизированное дешифрирование, т.е. выделение границ объектов или сегментация. Дешифровщику при работе со снимками постоянно приходится, основываясь на дешифровочных признаках опознавать и выделять однородные объекты. При компьютерном дешифрировании космических снимков одним из распространенных является подход на основе спектральных признаков. Он базируется на том, что яркость хроматических объектов (имеющих определенную окраску) в разных спектральных зонах не одинаково и характеризуется коэффициентом спектральной яркости. Таким образом, каждый элемент растра - пиксел соответствует яркости объекта для определенной области электромагнитного спектра. Каждый пиксел растра записывается как числовой элемент матрицы в файле данных.

На этапе сегментации основная задача заключается в дифференциации изображения на области (сегменты) по определенному критерию. В качестве критерия могут служить текстура и тон изображения. После того как изображение будет разбито на однородные области (контуры), приступают к их классификации.

В настоящее время разработаны десятки алгоритмов машинного дешифрирования, подразделяемые на алгоритмы с обучением и без обучения, которые осуществляют, соответственно, контролируемую и неконтролируемую классификации. Среди алгоритмов классификации с обучением наиболее распространены алгоритмы, учитывающие вероятность присутствия на снимке объектов, относящихся к определенному классу. Для разработки таких алгоритмов используются опытные данные о взаимосвязи спектральной яркости объектов с их свойствами. Например, при дешифрировании почв, их спектральная яркость четко коррелирует с гранулометрическим составом почв и содержание в них гумуса и влаги.

Используются и алгоритмы классификации без обучения - кластеризации, позволяющие формально расчленить изображение, на отдельные классы не используя обучающих данных. В этом случае элементы изображения объединяются в группы - кластеры по формальным признакам без учета их содержательного значения. Выделенные автоматически кластеры в результате группировки пикселов дешифровщик соотносит их с определенными объектами. Например, при составлении почвенной карты, с распределением почв по степени увлажнения.

В результате классификации сегментов может быть получена тематическая карта, которая может использоваться в формате одной из ГИС и позволяет проводить дальнейшую обработку результатов с ее помощью. Например, получение таких количественных характеристик как определение площади контуров и суммарной площади объектов определенного типа; протяженности границ контуров и т.д.

Для фотограмметрической обработки данных ДЗЗ можно использовать ЦФС-Талка 3.7.1, так как имеется поддержка данных ДЗЗ со спутника SPOT.

Добавлена поддержка спутников Ресурс-ДК и GeoEye.

Экспорт в DXF теперь может производиться с полным оформлением по заданному образцу.

Кроме того, улучшена работа и исправлены ошибки в нарезке листов фотоплана, вычитании из линейных объектов, пакетах задач, задаче «Расчет камеры РПК», сделана задача по заливке «уголков трапеций» для листов фотоплана, добавлена возможность выбора формы и цвета точек на виртуальных стереопарах.

«ЦФС-Талка» предназначена для обработки материалов аэросъемки (в том числе ADS-40), космосъемки со спутников Ikonos, QuickBird, WorldView-1, SPOT-5, Ресурс ДК, Irs и др., а также любых космических снимков центральной проекции. Помимо одиночных космических снимков «ЦФС-Талка» обрабатывает стереопары, созданные по космоснимкам. При работе с космическими снимками программа позволяет создавать RGB-растр из отдельных компонентов (красный, зеленый, синий), в том числе и с использованием инфракрасного канала. Увеличить разрешение мультиспектрального растра путем слияния его с монохромным растром более высокого разрешения. аэрокосмический гора спектральный

Программа обрабатывает снимки, полученные с цифровой камеры, данные наземной фототеодолитной съемки.

«ЦФС-Талка» позволяет провести полный цикл обработки: от фотоснимков до готовых электронных и бумажных карт и обладает развитыми механизмами контроля и согласованного изменения проекта на любом этапе. Это позволяет существенно снизить трудозатраты и, соответственно, себестоимость продукции.

Ортофотопланы, электронные карты и цифровые модели рельефа, созданные в программе «ЦФС-Талка», могут быть экспортированы в форматы «Панорама», «Нева», ArcInfo, MapInfo, MicroStation, AutoCad и др.

Одновременно с картой могут просматриваться исходные снимки, стереопары и ортофотопланы. Интерфейс программы может быть изменен пользователем в соответствии с его потребностями. Максимальное количество снимков, которое одновременно было обработано в программе «ЦФС-Талка», составляет 13000 штук. Вообще же программа рассчитана на одновременную обработку 15000 снимков, при необходимости это ограничение может быть изменено.

Программа не требовательна к ресурсам компьютера.

Главным преимуществом «ЦФС-Талка» является возможность обрабатывать проекты в условной системе координат, т.е. начинать обработку, пока не известны координаты точек планово-высотной подготовки.

7. Разработка общей структурной схемы аэрокосмического исследования ресурса

Принципиальная схема аэрокосмических исследований

Заключение

В результате выполнения курсовой работы был создан проект ДЗЗ гор Казахстана, который в себя включает: перечень характеристик ресурса, технические характеристики аэрокосмических данных, требования к параметрам орбит ИСЗ ДЗЗ, выбор данных ДЗЗ, виды обработки данных ДЗЗ, программно-аппаратный комплекс обработки данных аэрокосмических съемок, а также общая структурная схема аэрокосмического исследования ресурса.

Список использованной литературы

1. Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И., Тутубалина О.В. Аэрокосмические методы географических исследований. Москва: Академия. 2004.

2. Киенко Ю.П. Основы космического природоведения. Москва: Картгеоцентр-Геодезиздат, 1999.

3. Кравцова В.И. Космические методы картографирования. Москва: Изд-во МГУ, 1995.

Размещено на Allbest.ru