53.087.42:528.831.1:528.835.042.3
Экспериментальные исследования и перспективы
развития системы валидационных подспутниковых наблюдений
Разработаны тест-объекты и программно-методическое обеспечение для измерений пространственного разрешения материалов, используемых в аэрокосмической съемке в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Рассмотрены результаты экспериментальной апробации методики измерений, а также перспективы дальнейшего использования комплексного тестового полигона для валидации спектрометрических характеристик съемочной аппаратуры космических комплексов дистанционного зондирования Земли.
Ключевые слова: наземная инфраструктура, валидация, космические системы, дистанционное зондирование, тестовый полигон, пространственное разрешение.
The article contains the description of the developed test-objects and of the methodical software for measuring the spatial resolution of aerospace imaging in VNIR range. The results of experimental approbation of measurement procedure and the prospects of further use of complex testing area of MIIGAiK for validation of spectrometric characteristics of space remote sensing of Earth are considered.
Key words: ground infrastructure, validation, space systems, remote sensing, testing areа, spatial resolution.
Надежная работа космических комплексов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) достигается при их регулярной валидации, т. е. определении технических параметров съемочной аппаратуры в режиме орбитальной эксплуатации. Космические комплексы ДЗЗ можно рассматривать как измерительные, тогда процесс валидации включает проверку съемочной аппаратуры в процессе ее использования.
Валидация космических систем ДЗЗ связана с необходимостью контроля таких технических параметров съемочной аппаратуры, как пространственно-частотные, координатно-измерительные и спектрорадиометрические характеристики.
Для отслеживания контролируемых параметров используют как бортовые, так и внешние средства проверки. Важным инструментом является система валидационных подспутниковых наблюдений (СВПН), назначение которой — контроль характеристик получаемой из космоса информации, повышение качества результатов функционирования целевой аппаратуры космических комплексов ДЗЗ при анализе результатов наблюдений и подготовки данных для калибровки и настройки бортовой съемочной аппаратуры, а также средств приема и обработки информации [1].
Составная часть СВПН — тест-объекты, расположенные на экспериментальных участках и учебных геополигонах МИИГАиК в Московской области. Тест-объекты представляют радиальные миры, которые можно использовать как для контроля пространственно-частотных характеристик, так и для координатных измерений. Радиальные миры имеют непрерывный характер изменения пространственной частоты и поэтому позволяют более гибко оценивать разрешающую способность аппаратуры. Наземная инфраструктура геополигонов для выполнения необходимого комплекса регулярных подспутниковых наблюдений позволяет задействовать их для валидации спектрорадиометрических характеристик.
Комплект радиальных мир в составе СВПН включает три тест-объекта: стационарную радиальную миру (СРМ); пере-
И. Г. ЖУРКИН, Г. Г. СЫЧЕВ, Л. Н. ЧАБАН, В. С. ГРУЗИНОВ
Московский государственный университет геодезии и картографии, Москва, Россия, e-mail: zhurkin@miigaik.ru
носную пневматическую радиальную миру (ППМ) [2]; секторную стационарную радиальную миру (ССРМ).
Каждый из тест-объектов в виде миры имеет поверхность с нанесенным рисунком, с контрастом выше 0,6, и обеспечивает диффузное неселективное отражение солнечного излучения в спектральном диапазоне 400—1000 нм. Значения интегрального коэффициента отражения не меняются более чем на 10 % при проведении измерений под углами ±45° от вертикали при угловых направлениях на Солнце 0, 90, 270°.
Радиальные миры [2, 3] предназначены для определения линейного разрешения и разрешающей способности целевой аппаратуры космического комплекса ДЗЗ видимого диапазона, позволяют контролировать указанные характеристики в диапазоне пространственного разрешения 0,5—3,0 м и представляют правильный 16-угольник с чередующимися черными и белыми треугольниками, размер внешней стороны которого составляет 3 ± 0,1 м. В угловых участках квадратного полотнища с изображением миры СРМ нанесены дополнительные цветные поля. Вес изделия ППМ не превышает 250 кг, и его установку на местности можно выполнить в течение одного часа.
Секторная стационарная радиальная мира обеспечивает контроль указанных характеристик в диапазоне 0,5—3,6 м. Эта мира представляет многоугольник, образованный девятью чередующимися черными и белыми равнобедренными треугольниками, размер основания треугольника составляет 3,6 ± 0,1 м, а боковая сторона — 18,3 м.
Для измерения и контроля фотометрических характеристик на поверхности мир имеются съемные контрольные образцы-свидетели соответствующих цветов (по восемь темных и светлых образцов). Размеры контрольных образцов-свидетелей — не менее 100x100 мм.
Испытания тест-объектов проводили на экспериментальных участках на территориях МИИГАиК и его Заокского геополигона. В ходе испытаний проведены космические
съемки тест-объектов средствами современных российских («Ресурс-П», «Канопус-В») и зарубежных космических комплексов ДЗЗ и вычислены характеристики пространственного разрешения полученных материалов.
Исследования по разработке комплекта радиальных мир и программно-методического обеспечения для контроля характеристик целевой аппаратуры видимого диапазона выполняли при участии Научного центра оперативного мониторинга Земли ОАО «Российские космические системы».
Метод измерений разрешающей способности и линейного разрешения на местности (ЛРМ) по изображению радиальной миры основан на том, что для заданного значения порогового контраста Кп и каждого направления а находится такая наименьшая окружность радиусом Я0, за центр которой принимается геометрический центр миры, вдоль которой контраст ее изображения в пределах углового периода не меньше порогового значения [3]. Контраст для различных Я, а рассчитывается по формуле
К - (Втах - ВтП ! (В<
+ В . )
тах тп
где Втах, Вт^ — наибольшее и наименьшее значения оптического сигнала для изображения равномерно распределенных точек дуги окружности радиуса Я в пределах углового периода миры.
Координаты точек изображения миры определяют по формулам их трансформирования на плоскость полученного изображения. Вычисляемые значения контраста К(Я, а) позволяют найти для всех значений а такие наименьшие радиусы Я0(а), для которых К(Я0, а) > Кп.
Для углового размера секторной миры Ф и количества секторов п3 длина дуги L - ФЯ0!п3, вырезаемой сектором
Изображения мир, полученные со спутников: а, в — «Ресурс-П» (стационарная радиальная мира и секторная стационарная радиальная мира); б — «Ikonos» (стационарная радиальная мира); г — «Ресурс-П» (переносная пневматическая радиальная мира)
миры из найденной окружности, равна значению ЛРМ, а значение N - 1!^) — разрешающей способности на местности.
Для круговой миры Ф - 2п, каждому направлению а, в котором определяют разрешение, соответствуют два значения радиуса Я0: Я0(а) и Я0 (а+180°), а за окончательное значение Я0(а) принимают их среднее значение.
Метод измерения разрешающей способности включает оценку точности определения этого параметра и ЛРМ, которая предусматривает возможность вычисления точностных характеристик процесса измерения по одному снимку на основе статистической обработки значений, имеющихся для различных направлений. Для каждой измеряемой величины X (разрешающей способности или ЛРМ) вычисляют сред-
ние значения Хп
П х X
I=1
и стандартные отклонения о:
о =
1!2
х(X-X0)2 (п-1) ./=1 /
где п — количество направлений, по которым определены разрешающая способность и ЛРМ; i — номер направления.
По найденным значениям вычисляют относительную погрешность измерения оотн - о!Х0. Если значение оотн не превышает 15 %, то точность определения разрешающей способности и ЛРМ является удовлетворительной.
По изложенной выше методике были проведены экспериментальные исследования с использованием специального программного обеспечения [4] для оценки разрешающей способности съемочных систем, установленных на борту космического аппарата в процессе орбитальной эксплуатации. Приведем некоторые результаты исследований для съемочных систем, установленных на спутниках «Ресурс-П» и «!копов».
Изображения СРМ, ССРМ и ППМ, полученные с данных спутников, показаны на рисунке. Исходные данные условий съемки мир с указанных спутников и геометрические параметры этих мир приведены в табл. 1. Снимки а, в сделаны в разные дни и при различных наклонах съемочной камеры. На снимке б приведено изображение миры СРМ со спутника «!копов», а на снимке г — изображение миры ППМ, снятое аппаратурой спутника «Ресурс-П». В табл. 2 даны результаты расчета разрешающей способности и ЛРМ, выполненных по изложенной выше методике для значений порогового контраста 0,1 и 0,05.
На основании анализа результатов экспериментальных исследований авторами были сделаны выводы, что точность определения пространственно-частотных параметров космических комплексов ДЗЗ по радиальной мире зависит от качества и типа тестового объекта, заданного порогового контраста, геометрических и метеорологических условий съемки, точности задания исходных данных, а также от точности определения координат центра изображения миры.
Успешный запуск 25 июня 2013 г. космического комплекса «Ресурс-П» № 1 доказал актуальность проблемы валида-ции спектрорадиометрических характеристик космической съемочной аппаратуры.
Для проведения мероприятий по валидации яркостных радиометрических характеристик гиперспектральной аппаратуры необходимо использовать крупные наземные эталоны с высокой отражательной способностью (пески, соляные озера и т. п.). На территории полигонов МИИГАиК такие
Т а б л и ц а 2
Результаты расчета разрешающей способности (РС) и линейного разрешения на местности
Т а б л и ц а 1
Условия съемки и параметры мир
Изображение Космический аппарат Высота с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.