Дистанционное зондирование земли

При преобразовании числа из двоичной системы в десятичную номер ячейки задает степень двойки, а двоичное число в каждой ячейке определяет, будет ли добавлена двойка в соответствующей степени к значению данного пиксела (1) или нет (0). Например, десятичную форму записи числа 1111111 можно получить следующим образом: 26 + 25 +24 + 23 + 22 + 21 +2° = 64 + 32 + 8 + 4 + 2 + 1 = 127, а число 1001011 в десятичной системе запишется как 26 + О5 + О4 + 23 + О2 + 21 +2° = 64 + 0 + 0 + 8 + 0 + 2 +1 = 75.

Двоичная форма записи удобна для хранения данных на дисках и магнитных лентах, а также для последующего компьютерного анализа. Набор таких данных обычно называют значениями пикселей или значениями яркости.

Следует отметить, что диапазон яркости на цифровом изображении зависит от количества бит, отведенного для записи чисел. Так, при шестибитовой форме записи максимальное количество значений яркости равно 64, при семибитовой -- 128, а при восьмибитовой -- 256. При этом, яркость каждого пиксела в этих трех случаях может принимать значения от 0 до 63, от 0 до 127 и от 0 до 255 соответственно.

Отсюда видно, что радиометрическое разрешение цифрового снимка определяется количеством бит, используемых для записи.

Форматы записи данных

Формат записи данных должен быть удобен для их считывания и анализа. В дистанционном зондировании в основном применяют следующие три формата:

1. Формат BIP (BandInterleaved by Pixel).

2. Формат BIL (BandInterleaved by Line).

3. Формат BSQ (Band Sequential).

Формат BIP является одним из первых форматов хранения данных. Он основан на попиксельном способе записи информации, при котором пиксели с одинаковым номером, соответствующие разным каналам съемки, располагаются в записи подряд. Пример схемы записи в этом формате приведен на Рисунке 12, где Ln, Рп и Вп обозначают, соответственно, строку, пиксель и диапазон, а п = 1, 2, 3. В этом примере набор данных состоит из двух строк по два пиксела каждая для трех различных каналов съемки.

Хотя в некоторых ситуациях этот формат оказывается полезным, для большинства практических задач, в которых объем данных, как правило, очень велик, формат BIP непригоден. Использование данного формата не позволяет быстро отсортировать данные, относящиеся к определенному спектральному диапазону, для которого формируется изображение.

В формате BIL за единицу хранения данных принята строка. Подряд в записи располагаются строки, соответствующие разным каналам съемки, но имеющие один и тот же номер. Типичный пример размещения данных в формате BIL показан на Рисунке 14.

Третьим форматом, который используется для записи данных дистанционного зондирования, является формат BSQ. В этом формате сначала записываются все данные для первого канала, затем для второго, третьего и т. д. (Рисунок 15). Таким образом, за независимую единицу хранения данных в формате BSQ принят канал (спектральный диапазон). Этот формат широко применяется на практике, поскольку способ размещения данных ближе всего отвечает задачам их просмотра и анализа. Недостатки этого формата проявляются, если необходимо изучить не всю сцену, а лишь ее небольшую часть. В этой ситуации для выделения нужной области сначала потребуется считать весь набор данных.

Выбор оптимального формата зависит от условий и поставленных задач, а, зачастую, и от наличия определенного оборудования и программного обеспечения. Если изучается вся сцена во всех спектральных диапазонах съемки, удобнее использовать форматы BSQ и BIL. Если анализируется небольшой участок с известным местоположением, то в этой ситуации лучше использовать формат BIP, поскольку значения из всех спектральных диапазонов для этого участка будут находиться в одном месте записи. Безусловно, самая хорошая ситуация -- когда есть возможность считать данные, записанные в любом исходном формате, и преобразовать их в тот формат, который наиболее удобен для работы.

Коммерческая продукция

Данные со спутников поступают на наземные станции в цифровом формате. Тем не менее, потребители могут получать их в виде обычных снимков. Здесь описываются различные виды данных, которые поставляются индийским Национальным агентством по дистанционному зондированию (NRSA).

Наборы данных NRSA

Вся продукция, как стандартная, так и специальная, может быть предоставлена пользователям в двух форматах: в цифровом виде и в виде бумажных снимков. Стандартную продукцию составляют данные, прошедшие радиометрическую и геометрическую коррекцию. Специальная продукция проходит, помимо этого, дополнительную обработку.

Уровни коррекции исходных данных перечислены в Таблице 2.



Таблица 2. Уровни обработки данных ДЗ

Уровень	Тип обработки
0	Необработанные (исходные) данные
1	Радиометрическая и геометрическая коррекция для целей быстрого просмотра
2	Радиометрическая и геометрическая коррекция (стандартная продукция)
3	Специальная обработка стандартной продукции уровня 2 (например, слияние снимков или улучшение их качества)

Стандартную продукцию пользователи могут получить как в цифровом виде, так и в виде монохромных или псевдоцветных композитных снимков, напечатанных на пленке или бумаге. Цифровые данные предоставляются на одном из стандартных носителей: на магнитной ленте формата ССТ или Exabyte либо на компакт-диске.

Коррекция исходных данных

Ниже перечислены различные виды радиометрической и геометрической коррекции, применяемой к исходным данным.

Радиометрическая коррекция

Выделяют следующие причины появления радиометрических искажений:

1. Неоднородность отклика детекторов и их различных элементов.

2. Неисправность элементов детектора.

3. Потеря данных при их передаче, архивировании или извлечении

из

1. архива.

4. Узкий динамический диапазон.

5. Непостоянство параметров съемки от снимка к снимку.

При радиометрической коррекции отклики всех элементов сенсора нормализуются с помощью специальной таблицы соответствия (LUT, Look- UpTable), при построении которой опорным значением служит наименьшая интенсивность сигнала на снимке. Это же значение можно использовать и для обратного преобразования нормализованных данных в исходные абсолютные единицы.

Пропуски в строках снимка устраняются путем усреднения значений соседних пикселей в той же строке. При наличии пропусков в двух последовательных строках они заменяются строками, содержащими только одно минимальное значение.

Геометрическая коррекция

Ниже перечислены различные виды искажений и их причины.

1. Искажения геометрических параметров сцены съемки, вызванные вращением Земли и ее формой.

2. Искажения, обусловленные геометрией фокальной плоскости сенсора, положением оптической оси относительно ориентации космического аппарата, а также ошибки, связанные с многозональностью и многоэлементностью съемки, различиями в параметрах элементов камеры и отклонением оси съемки.

3. Искажения, связанные с ориентацией снимка относительно направления движения спутника, ошибки, возникающие из-за изменения высоты орбиты, скорости сканирования и направления осей космического аппарата.

4. Искажения, вызванные неправильной оценкой ориентации осей спутника, ошибками калибровки измерения высоты и угла отклонения оси съемки, а также ошибками синхронизации бортовой и наземной шкал времени.

Для геометрической коррекции используют динамическую модель съемки, с помощью которой снимок трансформируется из собственной системы координат в систему координат наземной станции.

После радиометрической коррекции координаты всех точек исходного растра преобразуются из исходной системы координат (строка, пиксель) в географическую (широта, долгота). Затем для выбранной пользователем области задается сетка (растр) в пространстве выходных данных и рассчитываются координаты точек этой сетки в исходной системе координат путем интерполяции ранее полученных значений.

Заключительный этап состоит в вычислении уровней серого цвета для всех точек выходного растра с помощью повторной дискретизации исходного снимка.Картографическая проекция и ориентация изображения (для снимков с географической привязкой) задаются на этапе выбора выходного растра. В заключение все данные записываются в нужном цифровом формате или распечатываются в кадровом виде.

Пространственная ориентация спутника

Пространственная ориентация является уникальной для каждого спутника и представляет собой удобный способ идентификации географического положения точек на земной поверхности. Схема съемки задается в виде набора трасс и рядов. Здесь описывается координатная схема съемки спутников IRS.

Трасса

Трассой называется наземный след витка орбиты спутника. Поскольку период обращения спутников IRS-1C и IRS-1D составляет 101,35 минуты, они ежедневно совершают приблизительно 14 витков вокруг Земли, охватывая всю ее поверхность за 24 дня. Таким образом, период повторяемости съемки у этих спутников равен 341-му витку. Хотя количество трасс совпадает с количеством витков, их нумерация различается.

Первый номер присвоен витку, который проходит через точку 29,7° з.д. Второй виток сдвинут относительно первого на 1,055 град, к западу и т. д. Вместе с тем, трассы нумеруются в противоположном направлении, то есть витку №1 соответствует трасса №1, витку №2 -- трасса №318, а витку №3 -- трасса №294. На второй день цикла маршрут спутника будет начинаться с трассы №6, расположенной к востоку от трассы №1.

Ряд

Непрерывный поток данных, регистрируемых вдоль трассы, разделяют на некоторое количество сцен, размер которых подбирают так, чтобы центральная строка одной из них соответствовала экватору. В координатной схеме съемочной аппаратуры LISS-3 первая сцена содержит 6000 строк, а центральная строка сцены располагается на экваторе. Центр второй сцены сдвинут к северу от экватора на 5703 строки, центр третьей -- еще на 5703 строки и т. д., вплоть до 81° с.ш. Линии, соединяющие центры сцен на различных трассах, называются рядами.

Ряды параллельны экватору. Так, ряд №1 приблизительно соответствует 81° с.ш., ряд №41 -- 40° с.ш., а ряд №75 расположен точно на экваторе.

В этой системе координат Индия находится между 65-й и 130-й трассами и между 30-м и 90-м рядами.

Стандартная продукция

Пользователям данных предлагается несколько видов стандартной продукции ДЗ:

1. Снимки на основе координатной схемы съемки.

2. Снимки со смещением вдоль трассы.

3. Снимки по квадрантам.

4. Стереоснимки.

5. Геопривязанные снимки.

Снимки на основе координатной схемы съемки

Заказывая данные этого уровня обработки, пользователь должен указать следующие сведения:

1. Номер трассы и номер ряда в соответствии с координатной схемой.

2. Идентификационные параметры датчика.

3. Идентификационные параметры части сцены (для датчиков PAN).

4. Дату съемки.

5. Номер канала для панхроматических снимков или комбинацию каналов для псевдоцветных композитных снимков.

6. Код продукции.

Снимки со смещением вдоль трассы

Если пользователю необходимо получить снимки области, которая расположена между двумя последовательными рядами и размеры которой меньше размеров сцены, такие материалы можно предоставить, просто сдвинув сцену вперед вдоль трассы (Рисунок 16). Этот вид данных называют снимками со смещением вдоль трассы (SAT, Shift Along Track).

Помимо тех сведений, которые были перечислены ранее, пользователь должен указать величину смещения сцены от 10 до 90% (с шагом 10%). Способ формирования данных этого типа показан на Рисунке 10.

Снимки по квадрантам

При использовании материалов дистанционного зондирования LISS-3 полную сцену разделяют на 4 квадранта. Еще восемь квадрантов получают, сдвигая первые четыре на 25% вдоль и поперек трассы (Рисунок 17). Этот вид данных LISS-3 соответствует масштабу 1:125000.

При использовании камеры PAN сцену разделяют на квадранты так, как показано на Рисунке 18. В этом случае каждый квадрант соответствует полуторному объему данных, получаемых линейкой датчиков.

углами. Такие снимки называют стереопарами. Перед поставкой пользователям к стереопарам применяют только радиометрическую коррекцию. Этот вид снимков широко применяют для дешифрирования рельефа и при использовании фотограмметрии для создания ЦМР.

Снимки с геопривязкой

Геопривязка заключается в преобразовании снимков в формат, не зависящий от источника данных, и применяется уже после процедур радиометрической и геометрической коррекции. В результате снимки ориентированы строго на север, а их разрешение соответствует масштабу карты. Преимуществом геопривязанных снимков является возможность их наложения на листы топографической карты SOI (Survey of India).

Так, снимки PAN соответствуют масштабу 1:25000 карты SOI, а снимки LISS-3 -- масштабу 1:50000. В дополнение к тем данным, которые пользователь сообщает при заказе данных на основе координатной схемы съемки, в этом случае он должен также указать номер листа карты SOI. Подробные сведения о геопривязанных снимках приведены Таблице 3.

Таблица 3. Геопривязанные снимки со спутников IRS

Тип снимков	Размер снимка	Разрешение	Масштаб
Снимки L1SS-3, соответствующие листам карты -- геокодированные снимки в видимом диапазоне (панхроматические и композитные)	15' х 15'	23,6 м	1:50000
Г еокодированные снимки PAN	7,5' х 7,5'	5,8 м	1:25000

Еще одним видом коммерческой продукции являются геопривязанные снимки PAN, заданные на географической сетке. Каждый такой снимок соответствует области размером 5' х 5' с центром в указанной пользователем точке. Основное преимущество таких снимков заключается в их соответствии масштабу 1:12500.

Специальные виды данных

Специальные виды данных ДЗЗ создаются путем дополнительной обработки стандартных снимков. Это может быть выделение определенной территории, составление мозаики, объединение снимков или применение к ним тех или иных методов улучшения визуального восприятия. Такие наборы данных создаются по заказу пользователей. В качестве примера рассмотрим следующие виды данных:

1. Совмещенные снимки PAN и LISS-3.

2. Ортотрансформированные снимки.

Совмещенные снимки PAN и LISS-3. Этот вид снимков создается для того, чтобы объединить преимущества спектрального разрешения снимков LISS-3 и пространственного разрешения снимков PAN. Для совмещения снимков необходимо выполнение следующих условий:

1. Ось сенсора PAN во время съемки должна быть направлена в надир, а сцена съемки совпадать со сценой съемки LISS-3.

2. Разница во времени между двумя съемками не должна превышать нескольких дней.

Псевдоцветные композитные снимки имеют масштаб 1:25000 (соответствие листам карты 7,5' х 7,5').

Ортотрансформированные снимки. Одним из наиболее важных видов специальной коммерческой продукции IRS-1C/1D являются ортотрансформированные снимки, которые создаются на основе стереопар, полученных с помощью сенсора PAN. При использовании данных LISS-3 для получения ортотрансформированных снимков необходимо наличие как минимум четырех наземных контрольных точек и ЦМР, которую обычно предоставляет пользователь данных. Этот вид снимков получается в результате применения к исходным данным всех видов коррекции, включая поправки на рельеф и угла отклонения камеры от надира. Данная продукция предоставляется как в виде фотоснимков, так и в цифровом виде.

Масштаб кадровых снимков LISS-3 составляет 1:50000, а масштаб кадровых снимков PAN -- 1:25000.

Форматы записи данных

По желанию пользователей данные дистанционного зондирования со спутников IRS-1C/1D могут быть предоставлены на различных носителях: магнитной ленте, компакт-диске, 8-миллиметровой ленте формата Exabyte и т. п. Форматы файлов и структура данных на магнитных лентах являются одинаковыми для всех уровней обработки. Существует два формата, определяющих структуру файлов: упрощенный формат и формат LGSOWG.

В первом случае данные записывают в формате BSQ, а во втором -- в формате BSQ или BIL.

Данные на магнитных лентах

Плотность записи данных на магнитные ленты составляет 6250 байт на дюйм. При этом используют один из двух описанных ниже форматов.

Упрощенный формат. На магнитную ленту записываются два файла: файл заголовка и файл цифрового снимка. Первым в каждом логическом томе располагается файл заголовка -- текстовый файл ASCII-формата, в котором содержится информация о картографической проекции, параметрах дискретизации и расположении рисок. В файлах снимков содержаться только данные съемки -- в каждой отдельной записи нет никакой дополнительной информации.

Формат LGSOWG. Этот формат, помимо данных самой съемки, содержит также информацию о сцене, ее местоположении, параметрах датчика и спутника, а также сведения, относящиеся к обработке данных. В формате LGSOWG используется следующая структура записи:

1. Логический том.

2. Ведущий файл.

3. Файл заголовка.

4. Файл данных съемки.

5. Вспомогательный файл.

6. Нулевой файл.

Логический том состоит из одного или нескольких последовательно записанных файлов. В каждом томе могут содержаться данные, относящиеся как к одному, так и к нескольким спектральным диапазонам. Каждый том начинается с ведущего файла и заканчивается нулевым файлом. Если для записи всех файлов логического тома используется несколько лент, ведущий файл повторяется в начале каждой ленты.

Ведущий файл -- первый файл любого логического тома, содержащий дескриптор тома, набор указателей файлов и текстовую запись. Дескриптор тома -- это запись, в которой содержится описание логического тома и информация о количестве содержащихся в нем файлов. За дескриптором следует запись с описанием помещенных в этот том данных. Далее располагаются записи указателей файлов для каждого типа данных -- в каждой из них указан класс файла, формат записи и атрибуты.

Файл заголовка состоит из дескриптора файла, заголовка файла и дополнительных записей. В заголовке файла содержатся сведения о спутнике, съемочной системе, калибровочных коэффициентах и параметрах обработки данных, а в дополнительных записях -- информация о точных координатах и ориентации спутника, параметры картографической проекции, сведения о наземных контрольных точках и примечания.

Файл снимка состоит из дескриптора файла и записи самого цифрового снимка в формате BIL или BSQ. В этой записи есть также поля, в которых указаны количество пикселей, идентификаторы строк снимка, начальное и конечное положение данных съемки в каждой строке.

Вспомогательный файл содержит калибровочные данные и дополнительную информацию. Он состоит из дескриптора файла и вспомогательных записей, количество которых совпадает с количеством каналов съемки.

Нулевой файл указывает на окончание логического тома. Файл содержит только одну запись -- дескриптор не существующего тома.

Данные на компакт-дисках

Преимущества компакт-дисков заключаются в их небольших размерах, надежности и невосприимчивости к магнитным полям. Компакт-диски не деформируются как магнитные ленты, они отличаются невысокой стоимостью, большой емкостью (650 МБ) и возможностью прямого доступа к данным. При этом для считывания данных можно использовать любой дисковод для компакт-дисков, соответствующий требованиям стандарта ISO 9660.

Структура данных на компакт-диске

На компакт-диске могут содержаться данные, относящиеся ко всей сцене, квадранту или выделенной части сцены. Помимо цифровых снимков каждый диск содержит дополнительную информацию и описание формата.

Все эти данные записываются в каталог, который называется PRODUCT. Номер заказа и описание данных помещают в файл CDINFO. Кроме того, на каждом диске содержится программа DISPLAY.EXE, с помощью которой можно просматривать монохромные снимки на EVGA- мониторах.

Формат записи данных на компакт-диски. Для записи данных на компактдиск используют те же два формата, что и для записи на магнитную ленту: упрощенный и LGSOWG.

Имена файлов. При записи данных на компакт-диск используют следующие стандартные имена файлов:

Формат LGSOWG

VOLUME.PAN/L3/WIF Ведущий файл LEADER.PAN/L3/WIF Файл заголовка IMAGERY.PANA3 WIF Файл снимков TRAILER.PAN/L3/WIF Вспомогательный файл NULL.PAN/L3/WIF Нулевой файл

Упрощенный формат

HEADER.PAN/L3/WIF Файл заголовка BANDx.PAN/L3/WIF Файл снимков, где х = 1, 2, 3, 4, 5.

Руководящие документы определяющие технологию подготовки и производства аэрофотосъёмочных работ и расчет исходных данных.

1. Разрешения на производство площадных и маршрутных аэрофотосъемочных работ для картографических или других специальных целей, а также специальных видов площадных и маршрутных аэросъемок, выполняемых с помощью телевизионной, инфракрасной, микроволновой, радиолокационной и другой аппаратуры (далее по тексту - аэросъемочные работы), выдаются Центральным картографо - геодезическим фондом (ЦКГФ) Федеральной службы геодезии и картографии России по согласованию с Генеральным штабом Вооруженных Сил Российской Федерации.

2. Для получения разрешений на производство указанных в пункте 1 работ министерства и ведомства (или их головные организации) представляют в ЦКГФ заявки в целом по своей отрасли с приложением картограммы проектируемых работ к 1 июля, 1 сентября, 1 декабря, 1 января.

В случае необходимости срочного решения вопроса, в виде исключения, государственные предприятия могут самостоятельно направить заявку в ЦКГФ.

Заявка оформляется в виде письма, подписанного руководством министерства, государственного комитета, ведомства (головной организации). В письме должны быть указаны условия фотографирования, территориальное размещение объектов съемки, их площади и другие необходимые сведения. К заявке прилагается картограмма планируемых работ на бланковой карте или картосхеме. Одновременно копия заявки направляется в соответствующее авиапредприятие или авиаотряд Департамента воздушного транспорта Министерства транспорта Российской Федерации или в аэрогеодезическое предприятие Федеральной службы геодезии и картографии России, с которым предполагается заключить договор на производство аэросъемочных работ.

Аналогичный порядок представления заявок и их оформления сохраняется для предприятий других организационно - правовых форм, за исключением того, что заявки ими представляются непосредственно в ЦКГФ.

3. Министерства и ведомства (их предприятия), кроме предприятий Роскартографии, а также предприятия других организационно - правовых форм представляют в ЦКГФ заключение соответствующей инспекции госгеонадзора о целесообразности проектируемых аэросъемок в тех случаях, когда аэросъемочные работы выполняются для последующего изготовления или обновления (корректуры) топографических карт и планов.

4. Для получения разрешений на производство аэрогеологических, аэрогеофизических и других аэроизмерительных работ (как маршрутных, так и площадных) министерства и ведомства (или их головные организации), а также предприятия других организационно - правовых форм, представляют заявки непосредственно в Генеральный штаб Вооруженных Сил Российской Федерации.

5. ЦКГФ направляет в Генеральный штаб Вооруженных Сил Российской Федерации для согласования обобщенные заявки на производство аэросъемочных работ к 1 августа, 1 октября, 1 января, 1 февраля и после согласования сообщает о всех разрешениях на аэросъемочные работы в Департамент воздушного транспорта Министерства транспорта Российской Федерации, в инспекции госгеонадзора по территориальной принадлежности и высылает письменные разрешения предприятиям, подавшим заявки на аэросъемку.

6. Разрешения на производство аэросъемочных работ действительны в течение двух лет со дня их согласования Генеральным штабом Вооруженных Сил Российской Федерации.

7. Авиапредприятия или авиаотряды Департамента воздушного транспорта Министерства транспорта Российской Федерации формируют производственные планы выполнения аэросъемочных работ до 1 июля года, предшествующего выполнению работ, поэтому предприятия - заказчики до указанного срока направляют в авиапредприятия или авиаотряды Департамента воздушного транспорта предварительную заявку с указанием в ней территориального размещения объектов съемки, их площади и условий фотографирования.

В случае выполнения аэросъемочных работ предприятиями Роскартографии аналогичные предварительные заявки в эти же сроки направляются в соответствующие предприятия Роскартографии.

8. Договоры на выполнение аэросъемочных работ предприятия - заказчики должны заключать с авиапредприятиями или авиаотрядами Департамента воздушного транспорта или предприятиями Роскартографии до 1 мая текущего года. После этого срока договоры на гарантированное производство аэросъемки заключаются только на районы стихийных бедствий или по срочным заказам.

9. О полученном разрешении на производство аэросъемочных работ предприятия - заказчики сообщают авиапредприятиям или авиаотрядам (предприятиям Роскартографии), с которыми они заключили договор на выполнение аэросъемочных работ, не позднее чем за один месяц до начала работ до договору.

10. Материалы аэросъемки (аэронегативы, негативы репродукций накидного монтажа, статограммы, высотограммы и техническая документация) подлежат постоянному хранению в предприятиях - заказчиках, которым было выдано разрешение на производство аэросъемочных работ.

11. Передача аэронегативов, аэроснимков и репродукций накидного монтажа из одних предприятий в другие осуществляется с разрешения руководителя предприятия, в котором хранятся материалы аэросъемки. Передача материалов аэросъемки другим предприятиям разрешается только при наличии у последних надлежащих условий, обеспечивающих сохранность этих материалов.

Передача материалов аэросъемки совместным предприятиям осуществляется в том же порядке и только российской стороне. При необходимости передачи материалов аэросъемки иностранному партнеру этого совместного предприятия, российская сторона решает указанный вопрос в соответствии с установленным порядком.

12. Предприятия, в которых хранятся материалы аэросъемки, изготавливают производные материалы аэросъемки по заявкам предприятий

- заказчиков. В заявках должно быть указано целевое назначение запрашиваемых материалов аэросъемки, требуемое количество экземпляров, а также изложены технические условия их изготовления. К заявке прилагается список с указанием номенклатур трапеций и картограмм расположения участков в общегосударственной разграфке, а также гарантийное письмо об оплате с указанием банковских реквизитов. При отсутствии в предприятиях соответствующего оборудования или фотоматериалов для изготовления производных материалов аэросъемки, аэронегативы и негативы репродукций накидного монтажа по просьбе заказчика могут быть переданы во временное пользование в другие предприятия, которые располагают возможностью выполнить указанные работы. После изготовления и передачи предприятию - заказчику производных материалов аэросъемки полученные во временное пользование аэронегативы и негативы репродукций накидного монтажа должны быть возвращены предприятиям, от которых они были получены, в сроки, указанные в договоре.

13. Обеспечение предприятий производными материалами аэрофотосъемки (аэрофотоснимками, фотопланами, фотосхемами), выполненной ВВС Министерства обороны Российской Федерации и Роскартографией для топографических целей, осуществляется предприятиями Роскартографии на договорных условиях.

Заявки на указанные аэрофотосъемочные материалы подаются предприятиями заблаговременно в соответствующие инспекции госгеонадзора.

Предприятия Роскартографии, Всероссийский институт сельскохозяйственных аэрофотогеодезических изысканий (ВИСХАГИ) Роскомзема, Государственное аэрофотолесоустроительное объединение "Леспроект" Федеральной службы лесного хозяйства России и Производственное геологическое объединение "Аэрогеология" Комитета Российской Федерации по геологии и использованию недр представляют заявки на получение материалов аэрофотосъемки, выполненной ВВС Министерства обороны Российской Федерации, непосредственно в Военно - топографическое управление Генерального штаба Вооруженных Сил Российской Федерации.

Передача аэронегативов, полученных от Генерального штаба Вооруженных Сил Российской Федерации и Роскартографии, в другие предприятия, а также нарезка аэрофильмов на кадры, наколка точек и т.п. не разрешаются.

14. Порядок учета в предприятиях первичных и производных аэросъемочных материалов устанавливается специальными инструкциями.

Использованные и пришедшие в негодность материалы уничтожаются в установленном порядке.

Разработка технического проекта на аэрофотосъёмочные работы для определения экономических показателей, технических средств, лётного времени, производительности, потребности в основных материалах

1. Технический проект является основным документом, определяющим технико-экономические показатели для планирования и выполнения аэрофотосъемочных работ.

2. Технический проект составляется до начала аэрофотосъемочных работ на каждый объект в соответствии с договором, техническими условиями заказчика, 0ПА-80, нормативными документами и "Методикой по составлению технических проектов на аэрофотосъемочные работы" (приложение 10 - не приводится).

3. Технический проект определяет:

- затраты летного времени;

- валовую и съемочную производительность;

- потребность в основных материалах;

- сметную стоимость и другие показатели аэрофотосъемочных работ на каждый объект.

4. Технический проект составляется в аэрофотосъемочном подразделении одновременно двумя исполнителями под руководством инженера по техническому проектированию или начальника фотограмметрической лаборатории.

Технический проект утверждается начальником аэрофотосъемочного производства.

5. Основными данными для расчета являются: физическая площадь каждого объекта в квадратных километрах, его физико-географическое расположение, характер рельефа, масштаб аэрофотографирования, тип АФА, заданные продольное и поперечное перекрытия аэрофотоснимков.

Для составления технического проекта используются справочные данные Руководства по проведению аэросъёмочным работам (Приложения

11, 12, 13, 14, 15).

6. В отдельных случаях, при особых технических условиях на аэрофотосъемку, когда "Методика по составлению технических проектов на аэрофотосъемочные работы" не может быть применена, необходимые показатели определяются путем прямых технических расчетов в соответствии с технико-экономическими нормативами для данного типа ВС, из директивных документов МГА, фактической стоимости материалов, затратами и другими показателями.

7. В техническом проекте может предусматриваться выполнение дополнительной аэрофотосъемки объекта в более мелком масштабе для составления фотосхем при аэрофотосъемке в крупных масштабах и при отсутствии картографического материала.

Соотношение масштабов основной и дополнительной аэрофотосъемок должно быть от 1:3 до 1:5 в зависимости от сложности объекта.

8. В технических проектах учитывается использование промежуточных аэродромов ("подскока"). Использование аэродрома "подскока" принимается из расчета: на один вылет с аэродрома базирования АФСП два-три вылета с аэродрома "подскока".

9. При аэрофотосъемке ряда однотипных объектов (мелкие населенные пункты и т.п.), расположенных на незначительном расстоянии один от другого, для расчета времени подлета объекты группируются на каждый вылет. Количество летного времени определяется в зависимости от расстояния между аэродромом вылета и объектом съемки.

10. Объектом аэрофотосъемочных работ является территория местности с четко определенными границами, заданными заказчиком. Границы объекта работ задаются, как правило, в международной разграфке номенклатуры топографических карт.

Аэрофотосъемка на одном объекте выполняется по единым техническим условиям.

11. Допускается объединять в один объект мелкие населенные пункты сельского типа, когда они примыкают друг к другу и аэрофотосъемка их может выполняться одним маршрутом без выключения АФА.

12. В отдельные объекты выделяются каждый населенный пункт городского и поселкового типа и крупные - сельского типа.

13. На объектах линейного характера (каркасные маршруты, реки, береговые линии водоемов и морей и т.п.) аэрофотосъемка выполняется по заданным линиям маршрутов, нанесенных заказчиком на топографическую карту (фотосхему), которая прилагается к договору.

Масштаб топографических карт с нанесенными линиями аэрофотосъемочных маршрутов должен быть мельче масштаба проектируемой аэрофотосъемки не более чем в 5 раз.

Производство плановой и перспективной съёмки участков местности с помощью беспилотного летательного аппарата

Развитие беспилотной аэрофотосъемки, как впрочем, и сама история развивается по спирали: в 1858 выполняя полет на воздушном шаре над Парижем Гаспар Феликс Турнашон сделал первый в мире аэрофотоснимок, а уже в 1887 году французский фотограф Артур Батут разработал и выполнил первую беспилотную аэрофотосъёмку с помощью воздушного змея. Затем в аэрофотосъемке бурно развились идеи беспилотной авиации, что вылилось в запатентованный «Способ и средства для фотографирования пейзажей сверху» с помощью почтовых голубей немецкого аптекаря Юлиуса Нойброннера. Причем этот метод действительно широко применялся во время Первой Мировой войны. И только 24 апреля 1909 г. случилось "Первое использование кинокамеры, вмонтированной в летательный аппарат тяжелее воздуха" при съёмках короткометражного немого киноролика «Уилбур Райт и его самолёт». В настоящее время аэрофотосъемка делает очередной виток своей истории, становясь опять беспилотной.

Плановая и перспективная беспилотная аэрофотосъемка

При плановой съемке камера направлена вертикально вниз, под прямым углом к поверхности земли. На снимках мы видим плоскую картину (ортогональная проекция), напоминающую изображение на географических картах. При этом виде аэрофотосъемки мы можем определить взаиморасположение объектов на плоскости без учета их высот. При фотографировании объектов недвижимости мы можем видеть те части сооружений, которые направлены вверх (крыши). Такой вид съемки в основном используется для создания фотопланов. Аналогичный продукт может быть получен с использованием спутниковой и традиционной аэрофотосъемки.

При перспективной (обзорной) съемке камера направлена под углом к горизонту. Такой вид съемки невозможен для спутников и традиционной "большой авиации". При перспективной аэрофотосъемке на снимках мы видим объемную картину (аксонометрическая проекция) не только крыши сооружений, но и боковые поверхности (стены). Таким образом мы можем судить не только о взаиморасположении объектов на плоскости, но и об их фоме. Кроме того, при перспективной съемке мы можем определить высоту объектов относительно друг друга. При определенных углах перспективной съемки в кадре может присутствовать линия горизонта. В этом случае мы получаем возможность увидить на одном снимке то, как участок или сооружение вписаны в окружающий ландшафт и их взаиморасположение с отдаленными объектами (дальние объекты, леса, водоемы, населенные пункты). На основе нескольких перспективных снимков сделанных с поворотом камеры вокруг вертикальной оси, могут быть собраны панорамные снимки, включая полные 360-градусные круговые панорамы. Создание аэрофотопанорам возможно только при использовании специально оборудованного дистанционно управляемого вертолета, способного надолго зависать в определенной на определенной высоте, пока проводится съемка смежных кадров.

Этапы аэрофотосъемочных работ

Опыт, накопленный в области применения аэрометодов при изысканиях, показывает их исключительную эффективность по сравнению с традиционными методами сбора информации как в части значительного снижения трудоёмкости и сокращения сроков изысканий, так и в части широты охвата различных видов информации, необходимой для проектирования. Аэроизыскания выполняют в три этапа: подготовительный, полевой и камеральный.

В подготовительный период осуществляется сбор имеющейся на район изысканий топографической информации и материалов аэросъёмок прошлых лет, на основании которых обосновывают полосу варьирования конкурентоспособных вариантов трассы и составляют проект производства аэросъёмочных, полевых и камеральных аэрофотогеодезических работ.

В полевой период производят: наземные геодезические работы по созданию планово-высотного обоснования аэросъёмок; закрепление и маркировку точек опорной сети; различные виды аэросъёмочных работ, привязку и дешифрирование аэрофотоснимков. Важным видом аэрогеодезических изысканий является дешифрирование - выявление (обнаружение и опознавание) и раскрытие содержания (познания) различных объектов и элементов местности по их изображениям на снимках, их качественных и количественных характеристик, своеобразных свойств и особенностей.

В камеральный период выполняют полную обработку результатов геодезических измерений, фотограмметрическое сгущение геодезического съёмочного обоснования методами аналитической фототриангуляции, стереофотограмметрические работы по получению информации о рельефе и изготовлению топографических планов и цифровых моделей местности (ЦММ) в единой системе координат.

Оборудование для беспилотной аэрофотосъемки

Как правило современные операторы беспилотных самолетов используют в своей ежедневной работе небольшой, размахом до 3 м, беспилотный самолет с обычной, бытовой или студийной, фотокамерой на основе ПЗС матрицы. Наиболее популярны "мыльницы" Samsung, Sony, Pentax. Фотографии с таких устройств годятся в целом для составления планов и схем. Аэрофотоснимки значительно более высокого качества дают зеркальные фотоаппараты - здесь лидерами и стандартом являются Canon 550D и его старший товарищ Canon 5D Mark II. При этом конечно же находят применение и большие многообъективные системы.

Летно-съемочные работы, выполняемые фотоаппаратом на основе матричного сенсора (ПЗС - матрица), больше напоминают традиционный аналоговый метод аэрофотосъёмки, когда все элементы матрицы одновременно экспонируются. В этом методе внутрипиксельная геометрия известна и строго определена. В матричной технологии в настоящее время проблема в том, что большие матричные решётки сложны в изготовлении. Поэтому комбинируют: делают большие по площади решётки из нескольких маленьких по площади. Например, из четырёх. Четырех линзовый объектив формирует четыре отдельных изображения, которые трансформируют в центральную проекцию и автоматически стыкуют. Такие снимки обрабатываются по существующим программам аналитической обработки.

Второй главной частью, причем не менее важной, является система определения положения БПЛА/фотокамеры в пространстве. В простейшем случае это обычный малогабаритный GPS приемник с антенной, например Ublox. В настоящее время Российские производители комплексов с БЛА практически повсеместно переходят на приемники сигналов систем спутникового позиционирования совмещенного типа GPS/Глонасс. К сожалению и они не могут обеспечить требуемую точность. Поэтому в более дорогих и серьезных аппаратах устанавливается дополнительный высокоточный приемник GPS, который позволяет при постобработке сырых данных определить координаты центра снимка с высокой точностью

А если этот приемник использовать вместе с наземными базовыми GPS станциями, то точность привязки кадров к координатам вырастет. Для выполнения съемки создаются базовые GPS-станции, данные которых используются для вычисления дифференциальных поправок при определении траектории летательного аппарата. Для определения траектории летательного аппарата и уточнения угловых данных инерциальной системы, применяется метод совместной обработки GPS-данных и данных инерциальной системы. Привязка снимков к координатам как правило выполняется при помощи программ написанных специально под конкретный тип приемника и БЛА. Применение такого метода расчета повышает как точность определения угловых параметров, так и местоположения.

Точность GPS/Глонасс навигации и особенности систем автоматического управления БПЛА позволяют достигать следующие параметры при полете по маршруту аэрофотосъемки:

поперечное смещение от оси маршрута -- ± 10 м; удержание БПЛА на заданной высоте -- ± 15 м;

расстояние от запроектированного центра фотографирования до точки срабатывания затвора фотоаппарата -- ± 5 м;

изменение угла крена БПЛА на маршруте между двумя снимками -- 10°;

изменение угла тангажа БПЛА на маршруте между двумя снимками -- 6°.

Технология

Результатом цифровой аэрофотосъёмки являются цифровые аэрофотоснимки, а также зафиксированные в полете элементы внешнего ориентирования (линейные - Xs, Ys, Zs - координаты центра фотографирования; угловые - ?, ?, ? - ориентирование камеры относительно осей координат).

В соответствии с законами центрального проектирования, по которым строится изображение местности, аэронегатив (аэроснимок) содержит ряд искажений, величины которых определяются углом наклона оптической оси аэрофотоаппарата и колебанием рельефа местности. Устранение этих искажений осуществляется в процессе их компьютерной фотограмметрической обработки, и в частности - фотографического или цифрового преобразования, называемого трансформированием. В связи с этим использование аэроснимков без их предварительного трансформирования для картографического (топографического) обеспечения выполняемых работ, в том числе в качестве основы ГИС, ограничивается влиянием указанных искажений.

Показания специальных приборов и оборудования, зафиксированные в процессе аэрофотосъемки, обеспечивают стабилизацию съемочной камеры в полете или последующее определение по ним пространственного положения аэроснимков в абсолютной или относительной системе координат с целью последующего их использования при выполнении фотограмметрических работ и преобразовании аэроснимков в планы и карты. К числу таких приборов относят гироскопы, системы глобального позиционирования, оборудование для определения высоты полета, превышений между центрами фотографирования, а также аэронавигационные системы и др. Наличие указанных данных во многом определяет технологию камеральной обработки материалов аэрофотосъемки, существенно влияет на оперативность, точность фотограмметрических построений и объемы полевых работ по их обеспечению.

Прокладка маршрута

Аэрофотосъемка бывает площадная и линейная, в площадной съемке кроме продольного перекрытия снимков еще необходимо соблюдать и поперечное перекрытие. Исходными параметрами фотосъемки при помощи беспилотника являются требуемое разрешение снимка, разрешение аэрофотоаппарата, угол зрения объектива камеры, величина перекрытия кадров. Из этих данных рассчитывается высота полета, скорость беспилотника и частота срабатывания затвора фотокамеры.

Полет и фотографирование

Оперативный просмотр результатов аэрофотосъемки. В результате полета формируются набор фотографий и данные телеметрии, которые включают в себя координаты центра фотографирования, а также углы крена, тангажа и курса.

Существует три вида обработки данных: аффинное преобразование кадров для создания ортофотосхемы равнинных территорий, полное ортотрансформирование кадров для создания ортофотосхемы территорий с выраженным рельефом, полное ортотрансформирование кадров для создания ортофотоплана с выполнением геодезических требований по масштабу.

Аффинное преобразование кадров для создания ортофотосхемы равнинных территорий

Программой определяются общие точки (от 50 до 1200) между каждой парой снимков. После этого решается уравнение, включающее в себя информацию по всем снимкам, для поиска минимума СКО (среднеквадратичного отклонения) между всеми векторами, соединяющими общие точки. Проще говоря, между каждой парой точек натягивается резинка, и все кадры выстраиваются так, чтобы общее натяжение резинок было минимальным. При этом кадр может преобразовываться только афинно, т.е. любая прямая отображается только в прямую.

Ортофотосхемы с беспилотного самолета

Программой определяются общие точки (от 50 до 1200) между каждой парой снимков. После этого решается полное фотограмметрическое уравнение с определением рельефа местности с точностью до 10 пикселей. При этом уточняются координаты центра фотографирования и параметры ориентирования (крен, тангаж, курс).

В соответствии с вычисленными данными проводится ортотрансформирование всех кадров и проецирование результата на плоскость. Привязка к реальным данным проводится по существующим в общедоступных картографических ресурсах данным. Например, по GoogleEarth. Точность этих данных на территории России составляет порядка

6 метров.

Ортофотопланы с БПЛА

Программой определяются общие точки (от 100 до 3000) между каждой парой снимков. После этого решается полное фотограмметрическое уравнение с определением рельефа местности с точностью до 2 пикселей. При этом уточняются координаты центра фотографирования и параметры ориентирования (крен, тангаж, курс) с высокой точностью.

В соответствии с вычисленными данными проводится ортотрансформирование всех кадров и проецирование результата на плоскость. Привязка к реальным данным проводится по результатам наземного обоснования, включающего в себя не менее одной точки на каждые 10 кадров или не менее 10 точек на один ортофотоплан. Половина этих точек используется для привязки, вторая половина для подтверждения требований точности. Точность формирования рельефа при этом соответствует требованиям соответствующего масштаба.

Результатом работы являются файлы формата geotiff с точностью, соответствующей заданному масштабу. Формат geotiff включает в себя два файла - ортотрансформированную аэрофотосъемку и цифровую модель рельефа (DEM - digital elevation model), которые можно открыть в любой ГИС программе, например ArcGis или GlobalMapper. По включенной DEM можно сформировать изолинии рельефа с любым перепадом высот.

3D модель рельефа местности

Совместно с DEM возможно выдать рельеф по изолиниям с требуемой точностью. Стандартный формат - векторные линии формата ArcGis, которые импортируются в любую картографическую систему.

Специалисты компании могут выдать результат практически в любом, требуемом формате. Для этого нужно указать программу, в которой предполагается использовать результат.

Также возможно осуществить переход в местную систему координат из WGS. При выполнении наземного обоснования мы можем выполнить съемку координат на опознаках ГГС (государственной геодезической сети), тогда работа может сразу выполняться в местной системе координат без преобразования и соответствующей потере точности.

Источники ошибок и требования к точности пилотирования при аэрофотосъёмке. Первичная обработка и контроль качества ДДЗ

Особенности данных аэросъемки с БПЛА

Аэрофотосъемка с БПЛА принципиально не отличается от съемки с «больших самолетов», но имеет определенные особенности, которые мы далее рассмотрим. Полет БПЛА, как правило, производится с крейсерской скоростью 70-110 км/ч (20-30 м/c) в диапазоне высот 300-1500 м. Для съемки обычно используются не метрические бытовые камеры с размером матрицы 10-20 мегапикселей. Фокусное расстояние камер обычно составляет около 50 мм (в 35 мм эквиваленте), что соответствует размеру пикселя на местности (GSD) от 7 до 35 см.

Часто снимки с БПЛА обрабатываются простыми нестрогими методами (аффинное преобразование снимков на плоскость). В результате, пользователь получает накидные монтажи, которые помимо низкой точности могут содержать разрывы контуров на стыках соседних снимков. В данной статье при рассмотрении особенностей съемки с БПЛА и составлении рекомендаций по ее проведению мы будем исходить из строгой фотограмметрической обработки данных, в результате которой можно ожидать точность получаемых результатов (как правило, ортофотомозаики) порядка одного GSD. При значениях параметров съемки, указанных выше, результаты соответствуют по точности ортофотопланам масштабов от 1:500 до 1:2000 в зависимости от высоты съемки. Для строгой фотограмметрической обработки данных аэросъемки и получения максимально точных результатов необходимо, чтобы снимки в одном маршруте имели тройное перекрытие, а перекрытие между снимками соседних маршрутов при площадной съемке составляло не менее 20%. На практике, при съемке с БПЛА эти параметры выдерживаются далеко не всегда. Полет БПЛА не устойчив, на него влияют порывы ветра, турбулентность и другие возмущающие факторы. Если съемку с обычных самолетов планируют с перекрытием вдоль маршрута 60%, а между

маршрутами 20-30%, то проектировать съемку с БПЛА следует с перекрытием вдоль маршрутов 80%, а между маршрутами - 40%, чтобы, по возможности, исключить разрывы в фототриангуляционном блоке.

На БПЛА, как правило, устанавливаются цифровые камеры Canon. Это связано с легкостью электронного управления камерами этой фирмы. Использование бытовых камер имеет как преимущества (невысокая стоимость, легкость замены при «жесткой посадке»), так и недостатки.

Основным недостатком является то, что бытовые камеры изначально не откалиброваны - неизвестны их точные фокусные расстояния, главная точка, дисторсия. При этомнелинейные искажения оптики (дисторсия), допустимые при бытовой съемке, могут составлять до нескольких десятков пикселей, что на порядок снижает точность результатов обработки. Однако, такие камеры могут быть откалиброваны в лабораторных условиях, что позволяет получать точности обработки, практически такие же, как и для профессиональных малоформатных фотограмметрических камер.

Предпочтительней устанавливать на такие камеры объективы с фиксированным фокусным расстоянием. При съемке следует выставлять фокусировку на бесконечность и отключать функцию «автофокуса».

Второй недостаток используемых на БПЛА камер относится конкретно к камерам Canon - в них, в отличие от профессиональных фотограмметрических камер, используется щелевой затвор, в результате чего экспозиция разных частей изображения производится в разные моменты времени и соответствует разным положениям носителя. Так, если выдержка при съемке составляет 1/250 c, то при скорости БПЛА в 20 м/с смещение камеры при съемке кадра составляет 8 см, что сравнимо с разрешением съемки на малых высотах и вызывает дополнительную систематическую ошибку в снимке. Такие ошибки могут накапливаться в процессе фотограмметрического сгущения (уравнивании) при съемке протяженных территорий. Для того, чтобы уменьшить влияние этого эффекта и для ликвидации «смаза» снимков, следует осуществлять съемку с БПЛА с наименьшими возможными выдержками (не длиннее 1/250 c, максимальная выдержка зависит от высоты). Частично проблему щелевого затвора могли бы решить камеры с центральным затвором, имеющие сравнимое с камерами Canon качество объектива и матриц. Тем не менее, чтобы избежать «смаза» выдержки все равно следует ограничивать.