№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2013
УДК 528.8
© 2013 г. БЕЛЯЕВ М.Ю.1, ДЕСИНОВ Л.В. 2, КАРАВАЕВ Д.Ю.1, ЛЕГОСТАЕВ В.П.1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЪЕМКИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ С МКС В ИНТЕРЕСАХ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
Представлены возможности съемки земной поверхности с борта Международной космической станции (МКС) в интересах топливно-энергетического комплекса (ТЭК). Описаны особенности съемки и программно-математическое обеспечение обработки получаемых изображений. Сформулированы основные направления использования космических снимков с МКС в интересах ТЭК. На основе полученных снимков дан подробный анализ причин возникновения и последствий наводнения 6—7 июля 2012 г. в г. Крымске.
Введение. В последнее время в развитии топливно-энергетического комплекса (ТЭК) заметную роль играют ГИС-технологии, базирующиеся на постоянно обновляемых топографических картах и материалах космической съемки природной среды и техносферы. Космическая съемка осуществляется с помощью автоматических космических аппаратов. Информацию об объектах на земной поверхности дают также съемки, осуществляемые космонавтами с борта Международной космической станции (МКС) по программе "Ураган" [1—4]. Для съемки используются цифровые фотоаппараты Nikon D3, Nikon D3X с длиннофокусными объективами, способными фиксировать цветные изображения объектов в видимом диапазоне с разрешением до 2—3 м.
Съемка земной поверхности с МКС имеет ряд особенностей по сравнению со съемкой спутниками дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), среди которых следует отметить возможности оперативного интеллектуального реагирования на события, съемку одного и того же объекта один—три раза в сутки, оперативно реализуемые возможности надирной и перспективной съемки и др. Кроме того, орбита МКС имеет меньшую высоту по сравнению с солнечно-синхронными орбитами спутников ДЗЗ, что увеличивает разрешение снимков, получаемых на МКС аппаратурой, эквивалентной аппаратуре, устанавливаемой на спутниках.
Одна из важных задач экспериментального этапа фотосъемок с борта российского сегмента (РС) МКС по программе "Ураган" — оценка применимости этих данных для практического использования в топливо-энергетическом комплексе.
Признано, что базовой информацией любого крупного проекта, в т.ч. разведка перспективных месторождений, служат данные кадастрового учета земель. Потребовалось создать простую технологию фототрансформирования космических фотоизображений, полученных с борта РС МКС ручными камерами под разными углами съемки. Достигнутое разрешение на местности ~2 м получаемых цветных изображений способствовало разработке простой методологии такого преобразования снимков, которая обеспечивает возможность точного измерения линейных размеров и площадей наблюдаемых объектов.
1РКК "Энергия" им. С.П. Королёва.
2 Институт географии РАН.
Преобразования цифровых снимков земной поверхности в ортогональную проекцию и расчет линейных размеров и площадей
При обработке фотоснимков, выполненных с МКС, часто возникает задача определения на них линейных размеров и площадей различных объектов, а также задача составления "мозаичных" карт и карт, составленных из снимков, сделанных в разное время для изучения процессов, происходящих в заданных районах.
Для такой обработки желательно иметь простые и быстродействующие средства, а не готовое программное обеспечение, используемое для больших геоинформационных систем, поскольку работа с ними обычно сложна, а получаемая точность — избыточна.
Задача привязки снимков, выполненных космонавтами, затруднена вследствие принятой на МКС технологии съемок свободно "плавающей" в условиях невесомости фотокамерой, что делает невозможным автоматический расчет привязки из-за неизвестной ориентации камеры в момент съемки. Поэтому при обработке снимков была принята технология, когда основой для опознавания и привязки служит готовый ор-тофотоплан земной поверхности, доступный из открытых источников (например, google.maps.com).
Каждый снимок проходит следующие стадии обработки:
— опознавание по ортофотоплану;
— задание четырех общих (опорных) точек на снимке и ортофотоплане;
— преобразование снимка в ортогональную проекцию;
— задание на снимке точек для определения требуемых линейных размеров для последующего автоматического расчета;
— выделение цветом на снимке заданных районов для вычисления площадей для последующего автоматического расчета.
Главным элементом обработки является трансформирование снимка в ортогональную проекцию (в проекцию имеющегося ортофотоплана), после этого снимок "приобретает" характеристики ортофотоплана: его масштаб и ориентацию, а координаты каждого пикселя снимка становятся известными. Далее возможно вычислять линейные и площадные размеры на ортотрасформированном снимке и накладывать их друг на друга в одинаковом масштабе для получения "мозаичных" карт.
Программное обеспечение для выполнения указанных задач максимально упрощено и предназначено для работы на обычном персональном компьютере и в обычной операционной среде (Windows), в качестве интерфейса с оператором использованы стандартные средства операционной системы — программа MS Paint, входящая в обязательный набор программ. Специальное программное обеспечение представляет надстройку над стандартными средствами, обрабатывает их сообщения, производит фотограмметрическое преобразование снимка, исходя из теоремы двойных соотношений.
Ортотрансформирование снимка. Автоматизированный процесс фотограмметрических преобразований снимка земной поверхности (представленного в виде файла, содержащего изображение) предполагает наличие заранее составленного фрагмента ортофотоплана данного района земной поверхности с помощью программных средств, не рассматриваемых в данной статье.
Само ортотрансформирование основано на теореме двойных (ангармонических) соотношений (рис. 1а):
(ADBC)/( ACBD) = ( sin ASD sin BSC) / ( sinASC sin BSD) = ц ; ( adbc) / ( acbd) = ( sinASDsin BSC) / ( sinASC sin BSD) = ц.
Из (1) следует, что двойные отношения четырех точек прямой и ее перспективного изображения одинаковы. Учитывается, что два веера лучей, лежащих в разных плос-
Рис. 1. Ортотрансформирование снимка
костях (Р и Т), взаимно перспективны (рис. 1б), если они опираются на взаимно перспективные ряды точек и вершины их лежат на одном проектирующем луче (^, X, S2).
Данный ангармонический метод ортотрансформирования реализован в виде определения координат произвольной точки снимка на плане по координатам четырех общих опорных точек. Применяя эту процедуру ко всем точкам исходного снимка можно не только определить координаты всех точек снимка (включая центральную и угловые точки), но также "наложить" снимок на ортофотоплан, размещая каждую точку (пиксель) снимка на "своем месте" на плане. При этом снимок будет автоматически приведен к масштабу плана.
Координаты произвольной точки снимка определяются как координаты точки пересечения двух лучей, построенных из двух опорных точек в направлении на искомую точку. Вершинами лучей выбираются любые две опорные точки из заданных четырех. Для построения каждого луча определяются координаты точки, лежащей на этом луче, путем решения системы трех нелинейных уравнений в частных производных. Система уравнений составляется, исходя из следующих условий:
— искомая точка луча и вершина луча лежат на одной прямой;
— луч делит отрезок прямой между двумя опорными точками на части, соотношение которых Ь1/Ь2 известно (заранее задано как любая не нулевая, но определенная величина).
Таким образом, если координаты X, У, ^двух опорных точек Р и Я известны, для координат искомой точки Q составляются следующие уравнения:
Р, Q, Я — лежат на одной прямой
(X - X) • (Уг- у9) — (¥р - У) • (X - X) = 0. (2)
Расстояние между Р и Q задано равным Ь1 + Ь2
(Хр -х4) • (Хр - х4) + (Ур - х) • (Ур - уд) = (А + ¿2)2. (3)
Расстояние между Р и Я равно £1, расстояние между Q и Я — Ь2
(X - Хр) • (X - Хр) + ( Уг - Ур) • ( Уг - Ур) -
2 2 (4)
— (X - Х>(Х - Хг) - ( у„ - хм X - Уг) = ь\ - 4
В результате решения системы уравнений (2)—(4) определяются географические координаты любой точки (пикселя) снимка, в т.ч. центральной и угловых точек.
Рассчитанные координаты в виде двоичных данных дописываются к файлу исходного снимка и в дальнейшем могут быть использованы другим программным обеспечением при обработке снимков, например, при поиске снимков по заданным координатам, составлении "мозаичных" карт и т.п.
Собственно работа по определению координат состоит в указании оператором с помощью компьютерной "мыши" четырех пар общих "опорных" точек на снимке и ор-тофотоплане.
Указанные оператором четыре пары опорных точек являются исходными данными для работы алгоритма фотограмметрического преобразования, который запускается автоматически после указания последней пары точек. В результате работы алгоритма определяются координаты каждой точки заданного снимка, после этого все точки снимка записываются на соответствующие позиции ортофотоплана и ортофотоплан с "наложенным" на него снимком выдается на экран дисплея компьютера для контроля оператору.
Оператор визуально оценивает правильность и точность выбора опорных точек по степени совпадения местных предметов на границах снимка и ортофотоплана, желательно протяженных (например, дорог, линий электропередач, береговой линии). Если расхождение не превышает 2—3 пикселей, можно считать привязку снимка выполненной.
Пример выбора общих (опорных) точек приведен на рис. 2.
Преобразование к проекции ортофотоплана. Полученных на первом этапе данных достаточно для автоматического преобразования снимка в любую проекцию (не обязательно в проекцию использованного ортофотоплана), а также для составления "мозаичных" карт и карт изменения по времени.
С помощью отдельной программы, проводящей фотограмметрические преобразования, подобные проводимым на первом этапе, снимок может быть преобразован в заданную проекцию отдельно или вместе с частью ортофотоплана, как показано на рис. 3, где снимок приведен на фоне ортофотоплана.
На рис. 4 показан результат наложения следующего при
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.