Рівні наземної обробки даних космічної зйомки

Основні операції наземної обробки даних космічної зйомки

Від моменту, як знімок буде отриманий із супутника, до можливості його аналізу проходить цілий цикл процедур з приведення його у вид, зручний для користувача і наступного аналізу інформації.

Успіх застосування МДЗ багато в чому визначається професійно проведеною наземною обробкою.

Оброблення знімків починається з процедури отримання та реєстрації первинних даних, тобто необроблених, отриманих технічними засобами ДЗЗ [16]. Космічні системи ДЗЗ на наземні станції прийому надають знімки в двох формах – аналоговій (двовимірне зображення) і цифровій.

Аналоговий знімок (аналогові дані) – це безперервне півтонове чорно-біле або кольорове зображення.

Цифровий знімок (цифрові дані) – упорядкована множина окремих дискретних елементів – пікселів, що несуть інформацію про просторовий розподіл світлової енергії, яка падає на чутливий шар фотоприймального пристрою і дозволяє відтворити (візуалізувати) двовимірне зображення об'єкта зйомки.

Цифрові знімки одержують за допомогою дискретних систем зйомки на борту супутника ДЗЗ або при цифруванні аналогових знімків у растровому форматі. Цифрові знімки придатні для їх автоматизованої обробки з використанням комп'ютерної техніки.

Цифрові космічні знімки отримані методами ДЗЗ із космосу, відрізняються від зображень загального призначення низкою особливостей [19]:

– це файли великих об’ємів (від десятків мегабайт до одиниць гігабайт, залежно від просторового й радіометричного розрізнення, розмірів сцени зйомки, кількості спектральних каналів тощо);

– це найчастіше багатозональні або гіперспектральні знімки, кількість спектральних каналів (зон) яких знаходиться в діапазоні від десятків до сотень і які не можна трактувати як кольори зображення, що створює додаткові проблеми візуалізації таких зображень;

– це просторова координатно-прив'язана (зв'язана з певною територією) інформація, що зумовлює потребу врахування географо-геодезичних складових (картографічні проекції, координатні системи тощо);

– на якість матеріалів космічної зйомки впливають атмосфера, кривизна Землі, рух знімальної апаратури відносно поверхні зйомки та інше, що необхідно враховувати при їх використанні.

Апаратура та програмні засоби наземного інформаційного комплексу системи ДЗЗ повинні забезпечувати радіоприйом, демодуляцію, декодування, декомутацію, реєстрацію, нормалізацію та тематичну обробку інформації, рис. 8.1 [20,21].

Рис. 8.1. Основні операції наземної обробки даних космічного спостереження

Прийом інформації полягає у виділенні наземними радіотехнічними засобами космічної системи ДЗЗ просторових та спектральних радіосигналів, що випромінюються бортовим радіопередавачем космічного апарата спостереження та містять іконічні дані. Просторове виділення радіосигналів забезпечується направленими властивостями антен наземних приймальних станцій, а спектральне – частотною вибірковістю їх приймальних каналів.

Демодуляція полягає у перетворенні прийнятого радіосигналу на проміжній частоті з інформацією, що закодована в ньому методом кодово-імпульсної модуляції (КІМ), в послідовність відеоімпульсів, що надходять до апаратури (програмно-технічні засоби) декодування.

Декодування. Інформація надходить дискретно (порціями) – інформаційними кадрами, кожен з яких містить службові та інформаційні слова, що несуть зображення та їх паспорти. На підставі контрольних сум, що містяться в службових словах, апаратура декодування повинна виявити збої в прийнятій інформації та, по можливості, їх усунути на основі наявного надлишкового завадостійкого кодування інформаційного кадру. У випадку нормального відтворення інформаційне кодування підлягає декодуванню для зняття секретного коду.

Декомутація. Після розсекречування інформаційний кадр поділяється апаратурою декомутації на службові та інформаційні слова. Інформаційні слова поділяються на слова опису інформації (паспорти) та слова, що несуть зображення від різноманітних датчиків, каналів та смуг огляду. Апаратура декомутації розподіляє вхідний потік інформаційних слів на окремі потоки для наступної обробки. З потоком вхідної інформації здійснюється низка операцій (селекція та вибір спектральних каналів; вибір смуги огляду; суміщення інформації датчиків різного типу тощо). При цьому кожному файлу зображення у паспорт додаються результати декодування і декомутації.

Реєстрація та конвертування інформації. Вся інформація з виходу приймально-демодулюючої системи надходить під час сеансу зв'язку до системи реєстрації та конвертування, основу якої складає високошвидкісна апаратура запису [22, 23]. В процесі запису здійснюється додаткове кодування, а при зчитуванні – декодування.

При здійсненні запису та зчитування повідомлень необхідно виконати й низку інших перетворень (зміна форми подання, розподілення за каналами та носіями тощо).

Операція реєстрації цифрової інформації передбачає:

– проміжну реєстрацію даних з виходу приймально-демодулюючої системи на реєстраторах з високою щільністю запису;

– формування заголовків вхідної інформації;

– поканальне введення в робочі станції конвертування.

Операції конвертування цифрової інформації передбачають:

• уточнення параметрів орбіт космічних апаратів за даними НАКУ;

• формування паспортів знімків;

• визначення параметрів характеристичних рівнянь первинних вимірювальних перетворювачів при зчитуванні та цифруванні відеоінформації з носія;

• перезапис інформації на стандартні носії;

• автоматичне формування кадрів заданого формату з урахуванням характеристик апаратури конкретного космічного апарата;

• передачу законвертованих кадрів на станції нормалізації.

Конвертування може поєднуватись з оперативним переглядом інформації сеансу зв'язку з космічним апаратом. Оперативний перегляд здійснюється з метою відбракування кадрів непридатних для подальшої обробки (через недостатню видимість або через збої). Оперативний перегляд дозволяє виключити подальшу обробку кадрів, які не містять корисної інформації.

Нормалізація цифрових знімків передбачає виконання таких операцій:

– геометричне корегування отриманих зображень;

– просторову прив'язка та картографічне трансформування знімків за паспортними даними;

– фотограмметричну обробку стереопар знімків;

– радіометричне корегування прийнятих даних, які спотворені через вплив атмосфери;

– усунення імпульсних завад та збоїв;

– складення анотацій до цифрових даних;

– оформлення кадрів необхідними атрибутами (контрольна напівтонова шкала, мітки тощо);

– реєстрацію нормалізованих даних на стандартних носіях.

Систематичні викривлення знімків корегуються за допомогою калібрувальних даних, що отримуються в процесі наземних випробувань знімальної апаратури або за даними, що вимірюються в процесі зйомок на борту космічного апарата.

Нерегулярні радіометричні викривлення виправляються наближено шляхом статистичних оцінок однорідності сигналів у сусідніх рядках сканування.

Нерегулярні геометричні викривлення (в тому числі й ті, що викликані рухом КА в процесі зйомок) оцінюються і виправляються з використанням траєкторних вимірів положення, орієнтації та швидкості польоту КА під час зйомки і за так званими опорними точками місцевості. Опорними точками місцевості обираються природні та штучні об'єкти земної поверхні, які легко виявляються на знімках та картах місцевості, для яких точно відомі геодезичні координати: перехрестя доріг, дамби, аеродроми, окремі будівлі тощо.

В результаті нормалізації одиничних знімків створюються повністю або частково виправлені (нормалізовані) знімки, які приведені до визначених картографічних проекцій (ортознімків) та геодезичних координат земної поверхні.

Внаслідок корекції стереопар утворюються горизонтальні стереопари, які приведені до геодезичних координат, що дозволяє суміщати відтворену за стереопарою цифрову модель рельєфу (ЦМР) місцевості з відповідною ділянкою земної поверхні.

Знімки супроводжуються текстовими анотаціями про платформу-носій, знімальну апаратуру, час та умови зйомки тощо.

При повній корекції виправляються геометричні та радіометричні викривлення, при частковій – тільки радіометричні викривлення та готуються дані, необхідні для наступної геометричної корекції. Зазвичай, реалізують декілька рівнів нормалізації від найпростішого радіометричного коригування до якості ортознімка з тим, щоб замовник, який розв’язує конкретну задачу, міг обрати рівень найбільш прийнятний за вартістю, часом та точністю подання даних.

На виході системи нормалізації відхилення фактичного положення кожного елемента кадру від його теоретичного положення не повинно перевищувати 0,5 кроку елемента просторового розрізнення. Радіометричні викривлення повинні коригуватися до кінцевої похибки не більше 0,5% від максимальної яскравості зображення.

Нормалізовані знімки направляються на тематичну обробку, яка передбачаєпроведення наступних операцій.

1. Точна прив'язка та геометричне корегування і трансформування проекцій, тобто:

– виконання підготовчих операцій (при цьому повинні бути отримані рівняння картографічного трансформування);

– точна прив'язка зображень до опорних точок на місцевості та підвищення точності розташування елементів кадру;

– обробка трансформованих з точністю просторової прив'язки зображень в задану картографічну проекцію.

2. Точне радіометричне корегування, а саме:

– підвищення абсолютної радіометричної точності зображення шляхом урахування даних калібрування спектральних каналів;

– зменшення похибок в яскравості елементів зображення, що виникають через низьку прозорість атмосфери (серпанок).

3. Покращання сприйняття зображень, тобто:

– виконання ряду операцій з покращання зображень (локальне контрастування, підкреслювання контурів, кольоросинтезування в псевдокольорах або несправжніх кольорах, лінійна й нелінійна комбінації спектральних каналів, виділення ланок однорідної інтенсивності або кольору тощо);

– перетворення зображень з метою підвищення ефективності їх візуального сприйняття (виділення дрібних деталей, вирівнювання гістограм);

г) дешифрування (розпізнавання та класифікація об'єктів) зображень.

Проведений аналіз операцій обробки іконічних даних космічної зйомки, дозволяє згрупувати їх таким чином:

а) прийом, демодуляція, декомутація, декодування, реєстрація – виконуються під час сеансу радіозв'язку (в реальному масштабі часу) з КА, однак слід мати на увазі, що, зазвичай, це відбувається не під час, а після проведення зйомки;

б) оперативний перегляд та конвертування – виконуються одразу після сеансу радіозв'язку і складають собою попередню обробку зареєстрованої в сеансі зв'язку інформації;

в) етап нормалізації проходять всі придатні для обробки знімки. Всі одержані в сеансі прийому знімки мають ті чи інші викривлення, тому технологічний потік нормалізації для всіх знімків сеансу вибирається однаковим;

г) тематична обробка передбачає виконання операцій точної прив'язки, точного геометричного корегування і трансформування проекцій, точного радіометричного корегування та покращання сприйняття знімків, дешифрування з метою одержання цільової (тематичної) інформації та оформлення звітних документів.

Тематична обробка обов’язково включає тільки операції дешифрування та оформлення звітних документів а решту операцій проводять за потребою відповідно до цільового завдання.

Якщо тематичній обробці підлягає велика кількість знімків і потрібно провести для них однакову переддешифрувальну підготовку, то із тематичної обробки іноді виділяють етап валової обробки, який містіть у собі всі операції переддешифрувальної підготовки знімків: точну прив'язку, точні геометричне корегування і трансформування проекцій, точне радіометричне корегування та покращання сприйняття знімків.

Таким чином, завдання обробки зображень є доволі складними і різноманітними. Частина з них пов'язана з поліпшенням візуальної якості зображень, коли змінюється лише напівтоновий зміст останніх (задачі фільтрації перешкод, нелінійного перетворення шкали яскравості, підкреслення контурів, компенсації розмивів, нанесення службової інформації тощо). Частина відноситься до геометричних перетворень космічних зображень, у ході яких змінюється тільки координатний опис зображень (завдання компенсації похибок, викликаних кривизною Землі, атмосферною рефракцією, оптичною дисторсією, деформацією магнітної плівки чи фотоплівки тощо, а також завдання трансформування зображень (перетворення зображень з нахилених проекцій в горизонтальні або одержання їх картографічних проекцій).

Усе це завдання попередньої обробки космічних зображень, хоча більшість з них можуть мати й самостійне значення. Така обробка передбачає: в картографії виконання стереовимірів за знімками, що перекриваються, порівняння фотозображень однієї і тієї ж місцевості, що відносяться до різних періодів часу з метою відновлення карт, детального розпізнавання об'єктів штучного і природного походження, отриманих на знімках (топографічне дешифрування) тощо; у геоботаніці і ґрунтознавстві – розрізнення складу, фенологічного розвитку і стану рослинності, оцінка складу і вологості ґрунтів, визначення структури землекористування (тематичне дешифрування) тощо; у гідрології – картографування гідрографічної мережі, снігового і льодового покривів, виявлення характеру течії і руслової діяльності рік у період між зйомками, термальну, мінералогічну і промислову характеристику вод, вивчення складу гідрографічних об’єктів під час повеней, виявлення лавинної чи селевої небезпеки, тайфунів, смерчів тощо. Для розв’язання більшості задач топографічного і тематичного дешифрування необхідне використання спектрометричних методів ДЗЗ [24-25].

Прогрес у галузях радіоелектроніки, авіаційної та космічної техніки дозволив суттєво підвищити якість космічного процесу спостереження. Разом із цим з'явилися нові проблеми в напрямку оцінювання стану об'єктів космічної зйомки за їх зображеннями. Основною проблемою є невідповідність відомих методів і методик обробки аерокосмічних знімків, орієнтованих насамперед на використання фотоматеріалів та характеристик і специфічних властивостей нових засобів отримання, зберігання і подання даних на основі цифрових технологій. Вирішення цієї проблеми є метою багатьох фірм-розробників інструментальних програмно-технічних засобів, призначених для автоматизованої обробки космічних знімків.

Рівні наземної обробки даних космічної зйомки